Tra Terra e Luna, il contributo del Politecnico al progetto LuGRE di ASI e NASA
Sappiamo a che ora partirà il nostro Flixbus, dove si trova il supermercato più vicino, il secondo esatto in cui è scattato l’autovelox e quando ci verrà recapitata la consegna di Amazon o Glovo; sulla Terra tutto ciò è possibile grazie ai segnali dei Sistemi Globali di Navigazione Satellitare, anche noti come Global Navigation Satellite System (GNSS). Tali segnali ci permettono inoltre di monitorare l’atmosfera terrestre nei luoghi più remoti del pianeta quali l’Antartide e l’Artide, come dimostrato dalle attività di ricerca che il Politecnico sta conducendo in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geologia e Vulcanologia (INGV).
In breve, un sistema GNSS è costituito da una costellazione di satelliti concepiti per trasmettere segnali in radiofrequenza che consentono il rilevamento preciso della posizione, della velocità e del tempo, e di ottenere così ulteriori informazioni geospaziali. Attualmente la tecnologia GNSS include il GPS (Global Positioning System), degli Stati Uniti, il sistema GLONASS della Russia, Galileo dell’Unione Europea e BeiDou della Cina.
Tuttavia, la Terra potrebbe non essere il solo oggetto celeste a beneficiare dei segnali trasmessi da questi sofisticati sistemi. Ci spostiamo infatti di circa 384.400 km, sulla Luna, un satellite naturale con “mari” e catene montuose che parrebbe offrire le attrattive giuste per soddisfare le più disparate sfide future, tra le quali stabilire un avamposto strategico per l’esplorazione spaziale, sino a diventare una potenziale seconda casa per l’umanità.
È così che la Luna ha nuovamente attratto l’attenzione della NASA con il programma Artemis e dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con l’iniziativa Moonlight. È attraverso quest’ultimo programma che l’ESA ha incaricato due consorzi europei di studiare la fattibilità tecnologica ed economica di un complesso sistema di localizzazione e di telecomunicazioni con la Luna.
Secondo gli analisti di mercato di Northern Sky Research, nei prossimi dieci anni si prevede il lancio di circa 250 missioni sulla Luna che genereranno 100 miliardi di euro.
Si prospetta un futuro “lunocentrico” in cui Terra e Luna costituiranno un unico sistema per il quale i segnali GNSS rappresenteranno un elemento portante dell’infrastruttura tecnologica.
A breve, in una prima fase esplorativa, i segnali GNSS saranno protagonisti di una missione ambiziosa della NASA.
“La missione è denominata Commercial Lunar Payload Services 19D – spiega Fabio Dovis, professore del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico – e consiste nel lancio e trasferimento sulla superficie lunare di nove payloads previsti dagli accordi bilaterali tra la NASA e altre organizzazioni”. Nove accordi che definiscono gli esperimenti tecnologici e scientifici che verranno imbarcati sul Lander Blue Ghost della società texana FireFLy che atterrerà nel Mare Crisium tra maggio e giugno 2024. Uno degli esperimenti più importanti è il progetto LuGRE, nato dalla collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e la NASA. La dotazione tecnologica di LuGRE, acronimo di Lunar GNSS Receiver Experiment, prevede: un ricevitore GNSS di circa 25 centimetri e dal peso di 1.5kg, un'antenna ad alto guadagno e un'unità front-end contenente un amplificatore a basso rumore, il tutto progettato dall’azienda veneta Qascom. Il ricevitore integra un’avanzata tecnologia con un sistema di ricezione di segnali GNSS a doppia frequenza e doppia costellazione (L1/E1, L5/E5) basato su tecnologia Software Defined Radio (SDR) e dall’intera catena di ricezione e trattamento del segnale a radiofrequenza. Il processore del ricevitore è stato potenziato per supportare le modalità operative della missione per l'acquisizione, il tracciamento in tempo reale e la cattura dei campioni digitali del segnale. Inoltre, sono state integrate tecniche di acquisizione e tracciamento ad alta sensibilità per acquisire e seguire segnali GNSS deboli, sino a 23 dB-Hz. Sono stati inoltre implementati plugin specifici per la navigazione lungo l’orbita di trasferimento verso la Luna (Moon Transfer Orbit, MTO) e per il posizionamento statico sulla sua superficie (Moon Surface, MS). La tecnologia SDR consente un’elevata flessibilità durante la missione, in cui posizionamento e timing sono assistiti dall'invio in uplink di effemeridi e riferimenti temporali relativi ai sistemi GPS e Galileo. Il software può essere aggiornato da Terra tramite operazioni di telecontrollo e sono stati introdotti meccanismi di resilienza a livello software per migliorare la robustezza contro potenziali corruzioni della memoria di bordo e dell’integrità dei dati di missione.
L’Agenzia Spaziale Italiana ha deciso di coinvolgere nella parte scientifica della missione che elaborerà i segnali raccolti dal ricevitore a bordo della missione, chi si è distinto nell’ambito della navigazione satellitare ottenendo riconoscimenti internazionali: il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico, famoso in tutto il mondo per la sua competenza e comprovata esperienza nell’elaborazione e nello studio dei segnali GNSS, in particolare del segnale Galileo.
“Il nostro gruppo – spiega il professor Fabio Dovis – grazie alla competenza sull’elaborazione dei segnali GNSS e nella realizzazione di ricevitori software è stato tra i primi al mondo a ricevere ed utilizzare il segnale Galileo”.
Il gruppo NavSAS (Navigation Signal Analysis and Simulation) sarà, quindi, parte del Science Team di missione insieme alla NASA. L’attività scientifica del team italiano sarà guidata da Fabio Dovis in qualità di prime investigator e sarà finalizzata alla raccolta di misurazioni grezze e di campioni di segnale GPS e Galileo, alla loro elaborazione ed interpretazione. Il professore ha così sintetizzato gli obiettivi del progetto: ricevere segnali GNSS sulla Luna, restituire dati e caratterizzare l'ambiente del segnale GNSS lunare; dimostrare la navigazione e la stima del tempo utilizzando i dati GNSS raccolti durante la missione e sulla Luna; e utilizzare tali dati per supportare lo sviluppo di ricevitori GNSS specifici per l'uso lunare.
Precisamente, il ricevitore LuGRE riceverà i segnali GPS L1/L5 e Galileo E1/E5a in due fasi: durante il transito Terra-Luna e sulla superficie lunare.
Da tempo, il gruppo NavSAS conduce ricerche sulle infrastrutture di navigazione che potranno supportare le attività del villaggio lunare, anche in progetti in collaborazione con Thales Alenia Space. In questo contesto il progetto LuGRE amplia lo scenario di lavoro con l’importante finalità di studiare le modalità con cui potrà avvenire il posizionamento.
“Attualmente abbiamo anche un record da superare – aggiunge Fabio Dovis – Il record raggiunto con la missione Magnetospheric MultiScale (MMS), sempre condotta dalla NASA, dimostrando la capacità di navigazione in tempo reale a distanze superiori ai 30 raggi terrestri (RE) dalla Terra”.
LuGRE rappresenta quindi il primo obiettivo di un percorso volto a creare un “GPS lunare” vero e proprio, un percorso che nel suo complesso sarà articolato in tre fasi. Nella prima, appunto, si utilizzeranno i satelliti GNSS per il posizionamento nello spazio; nella fase seguente, verranno lanciati satelliti che orbiteranno intorno alla Luna e che costituiranno ulteriori sistemi di riferimento trasmettendo segnali aggiuntivi a quelli terrestri; e, infine, si mirerà a stabilire una costellazione lunare di satelliti per radionavigazione. Per le tempistiche, in agenda ci sono già degli appuntamenti fissati, ma al momento tutto è scritto a matita: il lancio è attualmente previsto per la fine di maggio 2024. In seguito, il Lander effettuerà due manovre orbitali Terra-Luna prima di effettuare un allineamento all’orbita lunare e procedere all’atterraggio. Una volta raggiunta la superficie, è previsto che il sistema resti attivo per circa dieci giorni.
La durata stimata della missione è di 50 giorni. Il progetto LuGRE avrà a disposizione 15 ore di sperimentazioni. Cosa si intende? Significa che in queste ore verranno effettuate quindici finestre di osservazione durante le quali si registreranno porzioni di segnali GNSS che verranno in seguito trasmesse a Terra per essere processate e, mediante lo studio della loro dispersione e distorsione, si potrà comprendere se i segnali osservati a quelle distanze siano di fatto utilizzabili per il posizionamento, la navigazione e il timing di missioni simili.
Al termine della missione, il progetto LuGRE sortirà un “impatto ecumenico”: i dati saranno infatti messi a disposizione della comunità scientifica per lo studio dell'ambiente lunare e cislunare con moltissime ripercussioni su altre ricerche, come la calibrazione di modelli terrestri per prevedere accuratamente le prestazioni di navigazione in contesti lunari e cislunari, la valutazione di percorsi differenziati in funzione del tipo di missione, delle modalità di avvicinamento e atterraggio sulla superficie, e delle caratteristiche della superficie lunare stessa, e altre interessanti applicazioni scientifiche planetarie ed eliosferiche.
Fabio Dovis conclude citando una delle più affascinanti ricerche: quella che ha a fare con la polvere: anche sulla Luna saremo perseguitati dalla polvere – un “farina” fatta di silicio e ossidi metallici provenienti dall’erosione delle rocce lunari – ma a causa dell’assenza di vento e dell’atmosfera sottile lunare, sarà davvero difficile da spazzare via!