Feasibility study of GNSS-based navigation on the lunar surface for different receiver antenna types

There has been a renewed interest in these past decades in lunar exploration. GNSS-based navigation for lunar missions would enable autonomous, real-time navigation and reduce operation costs. GNSS receivers have already been exploited with success up to High Earth Orbit (HEO) and their feasibility has been investigated for Moon Transfer Orbits (MTO). Their use could be expanded up to the lunar surface and the reduction in mass, complexity and cost could greatly benefit small landers and rovers that are planned to be deployed on the Moon in the next decades. The lunar surface presents, however, a challenging environment for acquiring and tracking GNSS signals. This thesis aims to establish the feasibility of GNSS-based navigation on the Moon's surface and determine the potential achievable accuracy. GNSS signals transmitted by service vehicles of the four main GNSS constellation: GPS, Galileo, GLONASS and BeiDou and received by a receiver situated at different locations on the Moon's surface are modeled. Two multi constellation configurations are also studied: GPS+Galileo and all four constellations. Frequency bands around GPS L5 (GPS L5, Galileo E5a/b, GLONASS L3 and BeiDou B2) are considered. Several receiver sensitivities and antenna types are analyzed, including a steerable antenna providing a constant gain and several non-steerable antenna with different gains and directivity. The potential achievable accuracy is estimated by considering constellation availability, pseudorange error and geometry factors. This work demonstrates that GNSS navigation can be achievable on the entire nearside face of the Moon with a highly sensitive receiver capable of acquiring and tracking signals from multiple constellations. At locations closer to the mean sub-Earth point, several antenna types can be used, but as distance increases, a steerable antenna is necessary, and performance decreases due to decreased visibility.

L’interesse verso l’esplorazione lunare ha ottenuto una nuova luce nel corso degli ultimi decenni. In particolare, sistemi di navigazione GNSS per missioni lunari permetteranno navigazione autonoma e in tempo reale associata anche a costi operazionali ridotti. Questo è possibile poiché ricevitori GNSS sono già stati sviluppati con successo per applicazioni in High-Earth Orbit (HEO) e studi di fattibilità sono in corso verso le Moon Transfer Orbits (MTO), permettendo quindi l’estensione anche a missioni sulla superficie lunare. Infatti, le riduzioni in massa, complessità e costi associate alla navigazione GNSS potrà beneficiare piccoli lander e rover. La superficie lunare, tuttavia, offre alcune criticità per la trasmissione e ricezione di segnali GNSS. Questo elaborato ha l’obiettivo di stabilire la fattibilità di sistemi di navigazione GNSS sulla superficie della Luna e la definizione della sua potenziale accuratezza. In particolare, sono oggetto di studio i segnali GNSS trasmessi da veicoli di servizio delle quattro principali costellazioni GNSS, cioè GPS, Galileo, GLONASS e BeiDou, e ricevuti da un ipotetico utente situato in diverse posizioni sulla superficie lunare. Inoltre, due configurazioni di costellazioni sono prese in considerazione: una composta dalla combinazione di GPS e Galileo e l’altra considerando tutte e quattro le costellazioni. Le bande di frequenza considerato sono attorno la GPS L5, ovvero GPS L5, Galileo E5a/b, GLONASS L3 e BeiDou B2. Le sensitività di diversi ricevitori e diverse antenne manovrabile e non manovrabile sono analizzate. L’accuratezza potenziale raggiungibile è stimata considerando la disponibilità, l’errore di pseudorange e fattori geometrici delle costellazioni. Il lavoro presentato dimostra che i sistemi di navigazione GNSS possono essere utilizzati per l’intero emisfero visibile della Luna con ricevitori in costellazioni multiple e ad alta sensitività. In particolare, per posizioni vicine a punto medio sub-Earth, diverse tipologie di antenne possono essere utilizzate; tuttavia incrementando la distanza, un’antenna manovrabile diventa necessaria, dato che la performance diminuisce a causa della riduzione di visibilità.