Currently, multiple missions to the lunar surface are being planned. This includes NASA’s Artemis program which intends on landing humans back on the surface of the Moon by 2024. Uninterrupted communication is a key safety element of the mission. This paper analyzes the possible landing regions and their topography for a subsequent detailed simulation of the communication between the Earth and those regions. The objective is to find the best possible communication system for excursions to the lunar south pole using as little resources as possible while also considering all the other planned missions. A MATLAB® script written within the scope of this paper analyzes the topography around potential regions of interest at the lunar south pole using DEM-data published by NASA. It determines the exact landing sites which allow for the best communication. This analysis unveiled that only few local mountain peaks around the Malapert and Leibnitz Massifs allow for uninterrupted direct communication to the Earth. These spots would therefore be prime candidates for landing sites when humans first return to the lunar surface. All other potential landing sites need relay satellites in lunar orbit to achieve full coverage. A simulation of multiple constellation types determined that at least two relay satellites in lunar orbit are necessary for full south pole coverage. NASA’s plan to return to the Moon includes the installation of the Lunar Gateway, a space station in a Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO) which is a L2 southern halo orbit in a 9:2 resonance with the lunar synodic period. The Gateway’s highly elliptical orbit with an apoapsis above the lunar south pole can establish a line of sight to the lunar south pole over 97% of the time. It is a fixed part of NASA’s Artemis Program and will be capable of acting as a communication relay node. Other places of interest for future missions on the lunar surface are the north pole and the far side. The Gateway alone achieves an average far side coverage time of 54.50%, a maximum far side coverage of over 97.43% between -80° and 80° latitude but only a 1.12% coverage time at the north pole. A MATLAB® script with an interface to AGI’s System Tool Kit written within the scope of this paper analyzes how the Gateway can be best implemented into a relay satellite constellation. The script simulates additional satellites around the Moon and measures the coverage achieved by the constellation at different regions on the lunar surface. A scoring system evaluates and determines the best overall constellation. It considers the communication gap durations, the coverage at multiple regions of interest at the south pole, the coverage around regions at the south pole with higher topography, the coverage at the lunar north pole and the coverage at the lunar far side. A constellation consisting of the Gateway and a satellite with the following traits attained the overall highest score: an apoapsis height of 54329.13059 km, a periapsis height of 10527 km, an inclination of 90°, an argument of periapsis of 270° and a true anomaly set to be above the south pole as the Gateway reaches its periapsis above the north pole. This constellation achieves 100.00% coverage for all potential landing regions at the south pole while also providing 87.71% coverage at the north pole, 99.99% coverage on a point on the far side of the Moon between -80° an 80° latitude, 89.30% average far side coverage and 100.00% coverage in the middle of the Shackleton crater. These results show that the communication needed for all the planned missions to the lunar surface can be achieved by launching just one additional satellite into lunar orbit.     «

Currently, multiple missions to the lunar surface are being planned. This includes NASA’s Artemis program which intends on landing humans back on the surface of the Moon by 2024. Uninterrupted communication is a key safety element of the mission. This paper analyzes the possible landing regions and their topography for a subsequent detailed simulation of the communication between the Earth and those regions. The objective is to find the best possible communication system for excursions to the lu...     »

Derzeit sind mehrere Missionen zur Mondoberfläche in Planung. Dazu gehört auch das Artemis-Programm der NASA, welches bis 2024 wieder Menschen auf der Mondoberfläche landen soll. Eine unterbrechungsfreie Kommunikation ist ein wesentliches Sicherheitselement der Mission. In dieser Arbeit werden die möglichen Landegebiete und ihre Topographie analysiert, um anschließend eine detaillierte Simulation der Kommunikation zwischen der Erde und diesen Gebieten durchzuführen. Ziel ist es, das bestmögliche Kommunikationssystem für Exkursionen zum Mondsüdpol mit möglichst geringem Ressourceneinsatz zu finden und dabei auch alle anderen geplanten Missionen zu berücksichtigen. Ein im Rahmen dieser Arbeit geschriebenes MATLAB®-Skript analysiert die Topographie an potenziell interessanten Regionen am Mondsüdpol anhand der von der NASA veröffentlichten DEM-Daten. Es ermittelt die genauen Landeplätze, die die beste Kommunikation ermöglichen. Die Analyse ergibt, dass nur wenige lokale Bergspitzen um das Malapert- und das Leibnitz-Massiv eine ununterbrochene direkte Kommunikation mit der Erde ermöglichen. Diese Orte wären daher die Hauptkandidaten für Landeplätze bei der ersten Rückkehr der Menschen zum Mond. Alle anderen potenziellen Landeplätze benötigen Relay-Satelliten in der Mondumlaufbahn, um eine durchgehende Abdeckung zu erreichen. Eine Simulation mehrerer Konstellationstypen ergibt, dass für eine vollständige Abdeckung des Südpols mindestens zwei Relay-Satelliten in der Mondumlaufbahn erforderlich sind. Der Plan der NASA für die Rückkehr zum Mond sieht die Installation des Lunar Gateway vor, einer Raumstation in einem Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO). Dies ist ein südlicher Halo Orbit im L2-Punkt mit in einer 9:2-Resonanz mit der synodischen Periode des Mondes. Die stark elliptische Umlaufbahn des Gateway mit einer Apoapsis über dem Mondsüdpol kann in 97% der Zeit eine Sichtlinie zum Mondsüdpol herstellen. Es ist fester Bestandteil des Artemis-Programms der NASA und ist in der Lage als Relay-Knoten zu fungieren. Weitere interessante Orte für künftige Missionen auf der Mondoberfläche sind der Nordpol und die Rückseite des Mondes. Das Gateway allein erreicht eine durchschnittliche Abdeckung der Rückseite des Mondes von 54,50%, eine maximale Abdeckung der Rückseite von über 97,43% zwischen -80° und 80° geografischer Breite, aber nur eine Abdeckungszeit von 1,12% am Nordpol. Ein im Rahmen dieser Arbeit geschriebenes MATLAB®-Skript mit einer Schnittstelle zum System Tool Kit von AGI analysiert, wie das Gateway am besten in eine Relay-Satellitenkonstellation implementiert werden kann. Das Skript simuliert zusätzliche Satelliten um den Mond und misst die von der Konstellation erreichte Abdeckung in verschiedenen Regionen der Mondoberfläche. Ein Bewertungssystem evaluiert und bestimmt die beste Konstellation. Es berücksichtigt die Dauer der Kommunikationslücken, die Abdeckung mehrerer interessanter Regionen am Südpol, die Abdeckung von Regionen am Südpol mit höherer Topographie, die Abdeckung am Mondnordpol und die Abdeckung der Mondrückseite. Eine Konstellation, bestehend aus dem Gateway und einem Satelliten mit den folgenden Merkmalen, erreichte die höchste Gesamtpunktzahl: eine Apoapsis-Höhe von 54329,13059 km, eine Periapsis-Höhe von 10527 km, eine Inklination von 90°, ein Periapsis-Argument von 270° und eine wahre Anomalie, die so eingestellt ist, dass sie über dem Südpol liegt, wenn das Gateway seine Periapsis über dem Nordpol erreicht. Diese Konstellation erreicht eine Abdeckung von 100,00% für alle potenziellen Landegebiete am Südpol und bietet außerdem eine Abdeckung von 87,71% am Nordpol, eine Abdeckung von 99,99% an einem Punkt auf der Rückseite des Mondes zwischen -80° und 80° geografischer Breite, eine durchschnittliche Abdeckung der Rückseite des Mondes von 89,30% und eine Abdeckung von 100,00% in der Mitte des Shackleton-Kraters. Diese Ergebnisse zeigen, dass die für alle geplanten Missionen zur Mondoberfläche benötigte Kommunikation durch den Start eines einzigen zusätzlichen Satelliten in die Mondumlaufbahn erreicht werden kann.     «

Derzeit sind mehrere Missionen zur Mondoberfläche in Planung. Dazu gehört auch das Artemis-Programm der NASA, welches bis 2024 wieder Menschen auf der Mondoberfläche landen soll. Eine unterbrechungsfreie Kommunikation ist ein wesentliches Sicherheitselement der Mission. In dieser Arbeit werden die möglichen Landegebiete und ihre Topographie analysiert, um anschließend eine detaillierte Simulation der Kommunikation zwischen der Erde und diesen Gebieten durchzuführen. Ziel ist es, das bestmögliche...     »