GNSS-based navigation in lunar environment and the lunar nearside navigation satellite system

In this work, a model to perform the visibility analysis and to estimate the link-budget of each space vehicles of the main Global Navigation Satellite Systems (GPS, Galileo, GLONASS and BeiDou-3) as seen from a receiver on-board a spacecraft in trans-lunar or in lunar orbit equipped with an high-gain antenna is presented. The attitude of each space vehicle of the constellations is modeled allowing the use of realistic two-dimensional antenna pattern when publicly available. Then, the navigation performances in lunar environment, where almost the entirety of the main lobe is occulted by the Earth and for the most part only side-lobes signals reach the receiver, are evaluated. As references a MTO (Moon transfer orbit), the Lunar Pathfinder and LUMIO (Lunar Meteoroid Impact Observer) orbits, the latter in the L2 libration point of the Earth-Moon system, have been analysed. Lastly the Lunar Nearside Navigation Satellite system, a navigation constellation for the lunar environment, is proposed presenting architectural trade-off based on the navigation performances of the LUMIO trajectory.

In questo lavoro è presentato un modello che, partendo delle principali costellazioni di navigazione (GPS, Galileo, GLONASS and BeiDou-3) produce per ciascuno dei veicoli spaziali trasmettitori un'analisi di visibilità ed una stima del bilancio di navigazione rispetto ad un ricevitore a bordo di un veicolo in orbita transterrestre e lunare e munito di un'antenna ad alto guadagno. L'assetto dei veicoli spaziali delle costellazioni è modellato, permettendo l'utilizzo del extit{pattern} bidimensionale di antenna, dove pubblicamente disponibili. Il modello è dunque utilizzato per valutare le prestazioni di navigazione in ambiente lunare, dove la quasi totalità del lobo principale di emissione è occultato dalla Terra ed essenzialmente solo i segnali dei lobi secondari raggiungono il ricevitore. Sono state prese in esame un'orbita di trasferimento Terra-Luna, l'orbita di Lunar Pathfinder e di LUMIO (Lunar Meteoroid Impact Obsever), in orbita nel punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna. Infine il Lunar Nearside Navigation Satellite System è proposto, una costellazione di navigazione esclusivamente per ricevitori in ambiente lunare, presentando un extit{trade-off} tra diverse architetture basato sulla valutazione delle prestazioni di navigazione per la traiettoria di LUMIO.