Lunar PNT collaboration
proposal between LNSS(JAXA), Moonlight (ESA),
and LCRNS (NASA)
Masaya Murata (JAXA)

Japan Status
Lunar Navigation Satellite System(LNSS)LNSS is GPS-like satellite system for the moon designed by JAXA

Target:South Poleregion

LNSS satellite
functioning as
data relay
satellite

LNSS satellite
broadcastingnavigation
signal3

Earth data
relay satellite

LNSS provides communication, positioning, navigation, andtiming (CPNT) service

Cis-lunarspace
10 Mbpsand more

1 Gbpsand more

LNSS satellite
functioning as
data relaysatellite

4

LNSS real-time PNT service at South Pole region

PNT calculation
by LNSS receiver
onboard rover

LNSS satellite
broadcastingnavigation
signalStable moonorbits covering
South Poleregion
5

LNSS satellite constellation for South Pole region

HDOP of around
1.3 always atSouth Pole region
6

GNSS navigation (real-time OD) for LNSS satellites, making the LNSS autonomous

GNSS satellite

Cis-lunarspace

JAXA LNSS
satellite

weak signal

SISE of less than
20m (2σ) afterfilter convergence

7

・単独測位平均精度（エポック毎の推定精度）位置（3次元）37.7m
水平 13.8m、垂直 32.8m、クロック6.6E-08s

8NASA Status1011

Lunar Communications Relay andNavigation Systems (LCRNS)

12

13

ESA Status⇒2026

15

16

17

Published by NASA and ESA

18

According to the LunaNet Interoperability Specification (LNIS),
Lunar augmented navigation system (LANS) is the GNSS-like system for the moon
Augmented
forward signal(AFS)

Augmented
forward signal(AFS)JAXA LNSS
satellite
NASA LCRNS
satellites
ESA Moonlightsatellite

LANS
19

The AFS structure is called PFS5 having the following message titles:

Frequency: The signal will be broadcasted in the2483.5-2500 MHz frequency range (S-band)
Modulations: Modulations adopted will be inline with current GNSS signals, by utilizing BiPhase Shift Keying (BPSK) and/or Binary
Offset Carrier (BOC) modulations

20

In the AFS, GNSS information such as the ephemeris is also sent to lunar users

GNSS augmentation: Provision for LunaNet todistribute ephemeris information for Earthcentric GNSS constellations to support the useof the GNSS weak signals by GNSS sensitive
receivers in cislunar.

21Each LunaNet service providers (LNSP) shall ensure the AFS maintains Signal-InSpace-Errors (SISE) within the requirement specified in Table C-1
LANS initialoperations
capability(IOC) service
volumeBoth based on lunar reference
frame and time, which will bedefined in the applicable
documents called Lunar
Reference Frame Standard andLunar Time System Standard
22

LNSS demonstration mission
targeting around 2028

LNSS demonstration mission under planning

JAXA
LNSS
satellite

JAXA H3rocket

JAXA smalllander carrying
LNSS receiver24

We deploy one LNSS satellite and one LNSS receiver at South Pole region
GNSS satellite

JAXA LNSS
satellite
LNSS
receiver atSouth Poleregion

weak signal

weak signal

25

Proposing first-ever lunar PNT and interoperability demonstration
GNSS satellite

JAXA LNSS
satellite
LNSS
receiver atSouth Poleregion

weak signal

weak signal
ESAMoonlightsatellite

NASA LCRNS
satellites
26

（航法メッセージの精度/SISURE解析）

疑似距離の観測モデル

南極域受信機の位置・クロックバイアス値が必要
27

・単独測位の平均水平精度は20m以下（エポック毎の推定精度）↓
・実証ミッションにおいて、南極域受信機の位置及びクロックを数m、数nsレベルで決定する必要がある。単独測位ではなく、フィルタの推定精度は？
・フィルタ推定とはLNSSの観測値（疑似距離や搬送波位相）をシーケンシャルに処理して推定精度を高めるリ
アルタイム推定（例、GPS航法）※MoonlightやLCRNSではこのフィル
タ推定が前提になっている（特にIOCでは機数が少ないため）

28

（LNSS2機を用いた南極点受信機の精密測位）

フィルタの収束後は数mの精度フィルタの収束後は数nsの精度
29

（参考：LNSS8機を用いた南極点受信機の精密測位）

収束が早くなり、フィルタの収束後は1m級の精度フィルタの収束後は数nsの精度

30

・機数が多くなればフィルタの収束性・推定精度共に高くなる。2028年にはLNSS1機、Moonlight1機、LCRNS2機が期待されるため、シミュレーションによると南極域受信機の位置・クロック推定は数m、数nsレベルで実行可能
・南極域受信機の位置・クロックの真値相当データが取得できれば、航法メッセージのSISURE評価が可能に。つまり、本実証ミッションでLNSSのみならず、LANSを構成する各国システムの精度評価に貢献することができる・MoonlightのIOCは2027年、FOCは2030年、LCRNSは2024～2026年という状況の中で、LNSS実証ミッションを2028年に達成することで日本の存在感を示す・受信機の相互運用性（interoperability）が大前提（LNISに準拠すること）。また、
International Committee on GNSS (ICG)やInteragency Operations Advisory Group(IOAG)といった国際会議・調整の場で、LNSSを積極的にアピールし続けることも重要
31

China Status中国も欧米並みのスピードで取り組んでいる模様。
以下最近のSPACENEWSの記事 (Jan. 18th, 2023)

鵲橋（じゃっきょう、英語: Queqiao）

嫦娥（英語ではChang'e）33

このELFOはNASA LCRNS, ESA Lunar
Pathfinder, JAXA LNSSのELFOと類似

このニュースによると、Queqiao-2はESA Lunar Pathfinder
並みの線表。欧米だけでなく、中国の動向も注視する必要がある

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