随着NASA准备在月球上维持人类存在，任务将越来越需要能够在没有直接与地球连接的情况下进行导航和通信的航天器。NASA的月球自主定位系统技术操作与导航实验（CAPSTONE）验证并推进了这些能力。CAPSTONE旨在测试和验证月球轨道中的技术，该航天器于2022年6月发射，成为首个美国商业月球任务。该航天器在月球周围的三体轨道中进行操作测试，利用地球和月球的引力组合来减少维持稳定月球路径所需的燃料。它成为第一个在未来探索和科学任务中飞行并描述此轨道的航天器。由Advanced Space拥有和运营，微波大小的航天器随后获得了15个月的任务延长，成为先进通信、网络、自动导航和软件定义卫星技术的试验平台。NASA的研究与技术任务局展示了CAPSTONE现有硬件能够在发射后承载新应用，将航天器转变为一种经济高效、灵活的月球技术展示平台。NASA的空间通信与导航（SCaN）部门现在将利用这些数据展示未来实验中的创新网络和导航技术。“在同一航天器上同时操作多个实验使NASA能够评估这些技术在真实月球环境中如何共同发挥作用，”NASA华盛顿总部的研究与技术任务局先进研究与技术部主任Greg Stover说道。“对自主操作和韧性通信基础设施的投资对确保美国在月球活动日益增多的背景下保持领导地位至关重要。”在CAPSTONE上，两个实验使用软件定义基础设施推进了未来任务的重要组成部分：自主导航和深空通信。自主导航、制导和控制软件（autoNGC）旨在使航天器能够确定其位置、去向以及如何到达所需位置，而无需等待来自地面的指令。尽管软件的部分内容以前已在地球轨道上飞行，但CAPSTONE标志着autoNGC首次在月球上进行测试。“要真正证明某项技术有效，必须在真实环境中使用它，”马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天飞行中心autoNGC技术开发项目的首席研究员Sun Hur-Diaz说。“真实环境是关键。”研究人员还评估了autoNGC在与地球有限联系时的表现。尽管NASA的深空网络天线在支持阿尔忒弥斯II号载人测试飞行，但CAPSTONE的通信窗口每周仅有几次通行。这些间隙成为实验中最有价值的测试之一。在没有地球数据的情况下，autoNGC利用机载恒星追踪相机确定CAPSTONE的位置，成像月球、地球和其他天体。这种基于相机的系统称为光学导航，在某些时候超越了基于地面的实时机载导航方法，推进了未来深空任务的技术。除了自主导航测试，CAPSTONE还测试了延迟/中断容忍网络（DTN），这是一种为深空设计的通信架构。与地球上的互联网系统不同，深空通信必须在长延迟和频繁信号中断的情况下正常运行。DTN系统通过在没有连接时将信息存储在航天器上，并在恢复通信后自动转发信息来解决这些挑战。通过这些演示，CAPSTONE成为首个在地球轨道之外飞行最新DTN协议的航天器，也是首个在NASA核心飞行系统中运行这些协议的航天器，后者是一个可以在任何航天器上实施的开源框架。在一次演示中，工程师开始将数据从CAPSTONE传输到地球，但连接在传输完成之前中断。航天器将剩余的数据存储，直到下一个通信机会，再次自动恢复传输。每条数据都成功到达地球。“你可以想象一个宇航员在月球山丘后面走动，或者降落到一个陨石坑中，暂时失去连接，”马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天飞行中心近太空网络的系统工程师Ben Anderson说。“这项技术允许数据在恢复通信后自动重新传输。”除了主要成就外，CAPSTONE作为软件定义测试平台的第二人生证明了新技术可以在可承受范围内发展。