Time-Transfer and Clock-Synchronization Technique for Lunar Communication and Navigation System based on Microsatellite Constellation

The ever more increasing number of scientific and commercial missions to the lunar surface poses the need for a dedicated telecommunications infrastructure. A precise service of Positioning, Navigation and Timing (PNT) is a key technology to enable lunar resources to determine their position and velocity, to plan and execute maneuvers and to maintain time. An accurate frequency reference on board platform and a time transfer technique are crucial technologies for communication and especially navigation services. Unlike Earth planet, the Moon does not currently have an absolute lunar time reference; for this reason, each mission is based on the time-transfer from Earth. This thesis aims to identify a time transfer and clock synchronization technique for a lunar communication and navigation system named ANDROMEDA, designed by Argotec and based on a constellation of microsatellites. The preliminary study aims to identify the possible time transfer techniques, from the most classic to the most innovative ones. These, together with a research on the state of the art of space-qualified frequency standards, have made possible a trade-off analysis and subsequent choice of a more suitable solution for the lunar platform ANDROMEDA, but also easily applicable to other environments such as Martian one. The analysis revealed that the optimal choice of time transfer technique from Earth is a two-way coherent ranging system based on Pseudo-Random (PN) codes, compatible with the Consultative Committee for Space Data System Standards (CCSDS). This scheme is supported by a miniaturized Ultra-Stable Oscillator (USO). Finally, an evaluation of the error budget was carried out considering free space propagation losses, relativistic effects, ephemeris errors, synchronization errors, and Earth’s atmosphere contribution. The proposed system has been validated through software simulation on MATLAB environment. The obtained results confirmed that the chosen system is adaptable to the ANDROMEDA platform.

Il sempre più crescente numero di missioni scientifiche e commerciali sulla superficie lunare pone la necessità di un’infrastruttura dedicata di telecomunicazioni. Un servizio preciso di posizionamento, navigazione e sincronizzazione è una tecnologia chiave per consentire alle risorse lunari di determinare la propria posizione e velocità, per pianificare ed eseguire manovre e mantenere il tempo. Un accurato riferimento di frequenza a bordo della piattaforma ed una tecnica di trasferimento temporale sono tecnologie cruciali per servizi di comunicazione e specialmente navigazione. A differenza del pianeta Terra, la Luna non presenta ad oggi un riferimento di tempo lunare assoluto; per questo motivo, ogni missione si basa sul trasferimento del tempo da Terra. La presente tesi ha l’obiettivo di individuare una tecnica di trasferimento del tempo e sincronizzazione dell’orologio per un sistema di comunicazione e navigazione lunare chiamato ANDROMEDA, progettato da Argotec e basato su una costellazione di microsatelliti. Lo studio preliminare si è proposto di identificare le possibili tecniche di trasferimento del tempo, da quelle più classiche a quelle più innovative. Queste, assieme ad una ricerca sullo stato dell’arte degli standard di frequenza qualificati per lo spazio, hanno reso possibile un’analisi di trade-off e successiva scelta di una soluzione più adatta per la piattaforma lunare ANDROMEDA, ma facilmente applicabile ad altri ambienti come quello di Marte. L’analisi ha rivelato che la tecnica ottimale di trasferimento del tempo da Terra è incentrata su un sistema di ranging coerente two-way basato su codici pseudo-randomici, compatibile con il Comitato Consultivo per gli Standard per il Sistema di Dati Spaziali (CCSDS). Tale schema è supportato da un oscillatore ultra stabile miniaturizzato. Infine, è stata effettuata una valutazione del budget di errore considerando le perdite di propagazione nello spazio libero, gli effetti relativistici, gli errori delle effemeridi, quelli di sincronizzazione ed i contributi dell’atmosfera terrestre. Il sistema proposto è stato validato tramite simulazione software su ambiente MATLAB. I risultati ottenuti hanno confermato che il sistema scelto è adattabile alla piattaforma ANDROMEDA.