劉磊（北京航天飛行控制中心航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

月球背面、兩極和邊緣等對(duì)地不可見(jiàn)區(qū)域的探測(cè)或?qū)⑹俏磥?lái)月球探測(cè)中的重點(diǎn)，其中繼通信與導(dǎo)航問(wèn)題亟待解決。為此，筆者對(duì)月面中繼通信、月面定位與連續(xù)巡視的導(dǎo)航以及星間自主導(dǎo)航需求，廣泛調(diào)研月球探測(cè)的中繼通信和導(dǎo)航方式的國(guó)外研究進(jìn)展，提出基于平動(dòng)點(diǎn)的中繼通信和導(dǎo)航方式作為未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)的通信與導(dǎo)航手段，并給出了后續(xù)研究建議及應(yīng)用前景，可為我國(guó)后續(xù)月球及深空探測(cè)任務(wù)中的中繼通信與導(dǎo)航方式提供有益借鑒和參考。

1 引言

月球探測(cè)活動(dòng)對(duì)于人類具有十分重要的意義，在過(guò)去50多年深空探測(cè)任務(wù)中，實(shí)施載人探測(cè)的只有月球，從技術(shù)難度和應(yīng)用價(jià)值來(lái)看，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，月球探測(cè)將仍然是國(guó)際深空探測(cè)活動(dòng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

從月球探測(cè)內(nèi)容來(lái)看，美國(guó)和蘇聯(lián)的9次月球軟著陸和采樣返回任務(wù)均在月球正面，從而使得人類對(duì)于月球背面和兩極地區(qū)知之甚少。然而，1994年“克萊門汀”(C lem entine)探測(cè)器在月球南極發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系中最大最深的撞擊盆地——“艾托肯”（A itk en）盆地，1998年“月球勘探者”(Lunar Proproctor)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了月球南北極水冰，使得人們意識(shí)到月球兩極和背面可能蘊(yùn)含豐富資源，具有更大的探測(cè)價(jià)值。美國(guó)航空航天局（NASA）空間探測(cè)構(gòu)想中的10個(gè)載人登月著陸點(diǎn)，有6個(gè)在地面不可見(jiàn)的月球兩極、背面和邊緣地區(qū)。因此，這些月球?qū)Φ夭豢梢?jiàn)區(qū)域或?qū)⒊蔀槲磥?lái)月球探測(cè)的重點(diǎn)，對(duì)這些不可見(jiàn)區(qū)域的中繼通信、月面定位和月面巡視探測(cè)的導(dǎo)航成為其中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，未來(lái)自主采樣返回和載人登月甚至月球基地建立等，將會(huì)使得地月、月地、環(huán)月、月面下降和上升，以及對(duì)接等飛行任務(wù)常規(guī)化，從而使得地面測(cè)控網(wǎng)壓力倍增，甚或不能滿足未來(lái)任務(wù)需要，因而未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)必須具備自主導(dǎo)航能力以減輕地面測(cè)控壓力，月球探測(cè)器的自主導(dǎo)航由此成為未來(lái)月球探測(cè)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2 研究現(xiàn)狀

在以往月球探測(cè)任務(wù)中，月球探測(cè)器各飛行階段的導(dǎo)航均依靠地面支持，載人登月的著陸探測(cè)點(diǎn)和月面下降及上升段也位于月球正面，因而月球中繼通信需求相對(duì)較小。然而，在月球兩極發(fā)現(xiàn)水冰后，月球兩極和背面等對(duì)地不可見(jiàn)區(qū)域蘊(yùn)含的巨大探測(cè)價(jià)值凸顯，月球中繼通信與月面定位導(dǎo)航受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。從目前國(guó)外研究進(jìn)展看，月球中繼通信與導(dǎo)航主要有利用環(huán)月軌道和基于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道兩種方式。

環(huán)月方式的中繼與導(dǎo)航

環(huán)月軌道可以實(shí)現(xiàn)全月面覆蓋，并且可與月面巡視器近距離通信，同時(shí)其軌道特性與地球衛(wèi)星近似而便于理解和應(yīng)用，一直以來(lái)是月球探測(cè)中繼通信和導(dǎo)航定位的首要考慮手段。

在利用環(huán)月星座的中繼通信方面，為了滿足美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)布什曾經(jīng)提出的返回月球構(gòu)想中的月球背面和兩極等區(qū)域的中繼定位需求，美國(guó)航空航天局進(jìn)行了一系列研究：①基于7個(gè)類型和構(gòu)型不同的環(huán)月星座，研究月球中繼覆蓋性能，提出可用于評(píng)估稀疏星座性能的精度因子概念，研究表明全月面覆蓋至少需要5顆衛(wèi)星。②研究4星混合星座和6星Lang-M eyer星座的月面覆蓋性能，但前者不能提供單重全月面覆蓋，而后者布設(shè)代價(jià)較高。③研究利用橢圓極月軌道作為月球南極探測(cè)的中繼通信手段，同時(shí)結(jié)合地基提供地月空間和月球附近的通信與導(dǎo)航。④研究低成本3星橢圓月球中繼星座，用于對(duì)月球南極的連續(xù)覆蓋。⑤研究基于高度50～400km的月球傾斜圓軌道星座和極月圓軌道星座，作為月球中繼衛(wèi)星網(wǎng)?？拷虑虻闹欣^衛(wèi)星獲得地面測(cè)控站信號(hào)，然后通過(guò)星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給其他不同傾角的中繼衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給月面終端或人員，各中繼衛(wèi)星同時(shí)完成月面終端之間或者到地面測(cè)控站的信號(hào)傳輸。⑥基于月球背面和南極探測(cè)需求，研究集成月球中繼通信和科學(xué)探測(cè)的衛(wèi)星，并選取極月橢圓軌道作為中繼探測(cè)軌道。

在月面巡視導(dǎo)航方面，目前主要包括地面遙操作、半自主和自主3種方式。1970年前，蘇聯(lián)的月球車-1和1997年美國(guó)的“旅居者”（Sojourner）火星巡視器均為地面遙操作，2004年美國(guó)的機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)火星車具備半自主能力，因此這些巡視器只能間歇運(yùn)動(dòng)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)巡視。

從發(fā)展趨勢(shì)、月面環(huán)境復(fù)雜性以及背面探測(cè)需求來(lái)看，未來(lái)月面探測(cè)必須具備支持連續(xù)巡視的自主導(dǎo)航能力。目前，月面巡視探測(cè)的自主導(dǎo)航方法主要有慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航具有誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)；因受測(cè)量?jī)x器精度限制，天文導(dǎo)航的短時(shí)精度不高，且輸出信息不連續(xù)而不能提供速度信息；視覺(jué)導(dǎo)航是一種相對(duì)導(dǎo)航，只適用于短距離的障礙檢測(cè)和路徑規(guī)劃。因此，如果要在月面長(zhǎng)距離導(dǎo)航中獲得魯棒性較好、精度較高，且能滿足不同定位需要的位置信息，往往考慮中繼衛(wèi)星導(dǎo)航或者組合導(dǎo)航方法。在月球中繼通信與導(dǎo)航應(yīng)用方面，未來(lái)還需做進(jìn)一步深入研究。

在月球背面進(jìn)行探測(cè)中繼的低軌衛(wèi)星

利用月球中繼衛(wèi)星和慣性設(shè)備的月面導(dǎo)航

基于平動(dòng)點(diǎn)的中繼與導(dǎo)航

雖然環(huán)月軌道用于月球中繼通信與導(dǎo)航方面，具有實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單、月面距離近等優(yōu)點(diǎn)，但是其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定單顆衛(wèi)星無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面等不可見(jiàn)區(qū)域的連續(xù)通信，如果利用多顆衛(wèi)星組成星座，又會(huì)帶來(lái)測(cè)控復(fù)雜和成本增加等問(wèn)題。而將中繼通信與導(dǎo)航衛(wèi)星放置于地月平動(dòng)點(diǎn)，借助平動(dòng)點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)特性，則可以利用單顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面等不可見(jiàn)區(qū)域的連續(xù)通信。

（1）平動(dòng)點(diǎn)中繼導(dǎo)航研究

月球自動(dòng)采樣返回軌道設(shè)計(jì)

1961年，美國(guó)提出在地月平動(dòng)點(diǎn)放置中繼通信衛(wèi)星的設(shè)想，1966年又提出了平動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)航概念，其中包括地月L2點(diǎn)月球中繼衛(wèi)星導(dǎo)航，可以提供月球背面和大范圍月面導(dǎo)航和通信能力，利用地月L1點(diǎn)進(jìn)行探月任務(wù)交會(huì)對(duì)接，利用地月L4點(diǎn)和L5點(diǎn)提供深空中繼通信和導(dǎo)航。阿波羅-17載人登月飛船最初的著陸點(diǎn)就選在月球背向地球的一面，當(dāng)時(shí)計(jì)劃在地月L2點(diǎn)附近布置一顆中繼衛(wèi)星，以支持著陸任務(wù)，后來(lái)由于經(jīng)費(fèi)削減，著陸點(diǎn)改在了月球正面，L2點(diǎn)中繼計(jì)劃隨之取消。不過(guò)，此后美國(guó)航空航天局依然就一些應(yīng)用進(jìn)行了專項(xiàng)研究，如利用地月系共線平動(dòng)點(diǎn)軌道衛(wèi)星探測(cè)月球南極；利用月球背面大尺度暈軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)月球背面探測(cè)的中繼通信；利用地月暈軌道衛(wèi)星和繞月衛(wèi)星間的星-星測(cè)距實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航等。2002年，美國(guó)研究人員利用“星際公路”（IPS）理論初步設(shè)計(jì)并計(jì)算了利用平動(dòng)點(diǎn)暈軌道實(shí)施探月和月球取樣返回的軌道。由于計(jì)劃采樣的“艾托肯”月面盆地?zé)o法與地面直接通信，因而準(zhǔn)備將軌道器放置于月地L2點(diǎn)周期軌道上，形成與地面的中繼通信鏈路。

研究表明，僅利用兩顆暈軌道衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)對(duì)月球南極的連續(xù)覆蓋，3顆這樣的衛(wèi)星則可以提供冗余覆蓋。研究人員對(duì)結(jié)合“全球定位系統(tǒng)”（GPS）增強(qiáng)信號(hào)和地月L2點(diǎn)對(duì)地月轉(zhuǎn)移軌道的自主導(dǎo)航進(jìn)行了研究，結(jié)果表明導(dǎo)航精度可達(dá)1km和5cm/s；并在對(duì)比平動(dòng)點(diǎn)中繼和環(huán)月軌道中繼方式之后，認(rèn)為地月平動(dòng)點(diǎn)中繼與導(dǎo)航方式更適合于未來(lái)的月球和行星際探測(cè)任務(wù)。

在利用平動(dòng)點(diǎn)的自主導(dǎo)航方式上，有一種以星-星跟蹤測(cè)量（SST）方式實(shí)現(xiàn)自主定軌的方法，但是這種方法只能在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定軌，時(shí)間稍長(zhǎng)時(shí)航天器則會(huì)出現(xiàn)整體軌道漂移現(xiàn)象，因此普遍認(rèn)為SST方式無(wú)法用于星間絕對(duì)定軌。后來(lái)，又提出一種行星際聯(lián)合自主導(dǎo)航（LiA ISON）技術(shù)，該技術(shù)基于平動(dòng)點(diǎn)獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，僅利用SST星間測(cè)距或測(cè)速方式，即可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)航衛(wèi)星與用戶衛(wèi)星的聯(lián)合自主定軌，從而能大大提高航天器的自主導(dǎo)航能力，減輕地面測(cè)控壓力。研究人員基于LiA ISON技術(shù)研究了地球靜止軌道衛(wèi)星和地月L1點(diǎn)暈軌道衛(wèi)星的自主導(dǎo)航，不過(guò)LiA ISON技術(shù)在高精度濾波算法等方面有待提高。盡管如此，LiA ISON技術(shù)或許會(huì)使得平動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)航成為可能。

“阿蒂米斯”任務(wù)的兩個(gè)探測(cè)器軌道示意圖

（2）地月平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)

雖然世界上已經(jīng)發(fā)射了10余個(gè)平動(dòng)點(diǎn)衛(wèi)星或探測(cè)器，我國(guó)嫦娥-2月球探測(cè)器也進(jìn)入過(guò)日地L2點(diǎn)的利薩如軌道，但是在地月系平動(dòng)點(diǎn)實(shí)際利用方面，目前僅有歐洲“阿蒂米斯”（A rtem is）任務(wù)。該任務(wù)的兩顆衛(wèi)星在2010年分別進(jìn)入地月L1和L2平動(dòng)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)約11個(gè)月的軌道維持，最終進(jìn)入環(huán)月軌道。

“阿蒂米斯”任務(wù)向地月平動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用邁出了可喜的一步，但是在利用平動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)中繼通信與導(dǎo)航方面還未能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。目前，國(guó)外平動(dòng)點(diǎn)衛(wèi)星自身的導(dǎo)航定軌主要依靠地面測(cè)控。國(guó)際日地探測(cè)者-3（ISEE-3）衛(wèi)星的定軌方式是使用21天地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，定軌精度6km；“太陽(yáng)與日光層觀測(cè)臺(tái)”（SOHO）衛(wèi)星則利用深空測(cè)控網(wǎng)的26m、34m和70m測(cè)控站21天數(shù)據(jù)來(lái)跟蹤定軌，定軌精度約7km；“先進(jìn)成分探測(cè)器”（ACE）衛(wèi)星是第一個(gè)運(yùn)行在日地利薩如軌道的航天器，它采用深空測(cè)控網(wǎng)的26m和34m測(cè)控站跟蹤，定軌弧長(zhǎng)4～14天，定軌精度約10km；“微波各向異性探測(cè)器”（MAP）衛(wèi)星是第一個(gè)在日地L2點(diǎn)的航天器，利用34m和70m天線跟蹤，定軌弧長(zhǎng)為14～72天，定軌精度約2km；我國(guó)嫦娥-2探測(cè)器執(zhí)行的日地L2點(diǎn)任務(wù)，定軌弧長(zhǎng)為20天，定軌精度優(yōu)于10km。相比之下，“阿蒂米斯”地月平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)的定軌精度可達(dá)100m和0.1cm/s。由此可見(jiàn)，由于距離地球較近，定位于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的探測(cè)器的測(cè)定軌精度遠(yuǎn)高于日地平動(dòng)點(diǎn)探測(cè)器，同時(shí)前者對(duì)通信載荷的要求也遠(yuǎn)低于后者，因此將衛(wèi)星放置于地月平動(dòng)點(diǎn)，從而為深空探測(cè)器提供中繼通信與導(dǎo)航服務(wù)是非常有利且可行的。

進(jìn)展分析

基于以上國(guó)外研究進(jìn)展可見(jiàn)，當(dāng)前在月球探測(cè)的中繼通信和定位導(dǎo)航方式上，主要有環(huán)月軌道和地月平動(dòng)點(diǎn)軌道兩種方式。前者具有實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、距離月球較近、有地球衛(wèi)星軌道理論研究基礎(chǔ)可供借鑒等優(yōu)點(diǎn)；后者則具備相對(duì)于地球和月球背面始終可見(jiàn)，同等月面覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)少，光照時(shí)間長(zhǎng)，月面用戶的視運(yùn)動(dòng)慢而易于天線跟蹤等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮這兩種方式的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為基于平動(dòng)點(diǎn)的中繼通信與導(dǎo)航或可成為未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)的首選方式。

從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，利用地月平動(dòng)點(diǎn)提供月球探測(cè)的中繼通信與導(dǎo)航服務(wù)還存在多方面問(wèn)題需要解決。雖然國(guó)外于50年前就已提出平動(dòng)點(diǎn)中繼通信概念，并開展了相關(guān)研究，但是研究深度有限。在月面巡視導(dǎo)航方面，國(guó)外已開始研究基于環(huán)月星座的月面連續(xù)巡視的導(dǎo)航問(wèn)題，但是尚無(wú)利用平動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行月面導(dǎo)航的相關(guān)研究。在導(dǎo)航方法上，國(guó)外基于地月平動(dòng)點(diǎn)提出了行星際聯(lián)合自主導(dǎo)航方法，得到初步仿真結(jié)果，不過(guò)仿真的用戶星軌道類型有限，尤其是在嚴(yán)格理論證明和高精度濾波算法等方面有待開展深入理論研究。

3 研究建議

對(duì)國(guó)外研究進(jìn)展的分析得出，相對(duì)于環(huán)月方式，基于平動(dòng)點(diǎn)的中繼通信與導(dǎo)航方式對(duì)于未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)更具價(jià)值，值得進(jìn)行深入研究。筆者建議，從以下方面開展進(jìn)一步的相關(guān)研究工作。

首先，面向中繼通信與導(dǎo)航應(yīng)用的平動(dòng)點(diǎn)星座設(shè)計(jì)。未來(lái)月面不可見(jiàn)區(qū)域探測(cè)及月面大范圍活動(dòng)等方面均有中繼通信需求，由此可能需要在多個(gè)平動(dòng)點(diǎn)軌道和相位上布設(shè)多顆中繼衛(wèi)星，形成一定構(gòu)型并組成平動(dòng)點(diǎn)星座才可滿足需求，因此需要研究多種約束條件下的平動(dòng)點(diǎn)星座最優(yōu)設(shè)計(jì)。

其次，基于平動(dòng)點(diǎn)星座的月面定位與導(dǎo)航。一方面，地月平動(dòng)點(diǎn)星座受限于衛(wèi)星數(shù)目，對(duì)月面的覆蓋較為稀疏，因此月面定位條件遠(yuǎn)不如GPS星座方式；同時(shí)由于獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性，地月平動(dòng)點(diǎn)星座不能直接采用GPS方式評(píng)估月面定位精度和星座定位性能等。另一方面，受限于星載設(shè)備的質(zhì)量與功率等限制，地月平動(dòng)點(diǎn)衛(wèi)星的通信和導(dǎo)航設(shè)備性能和精度會(huì)低于地面遙操作設(shè)備，其通信與導(dǎo)航信號(hào)異常情況也可能高于地面設(shè)備，因而需要研究對(duì)應(yīng)的平動(dòng)點(diǎn)導(dǎo)航技術(shù)和方法。

最后，基于平動(dòng)點(diǎn)星座的航天器自主導(dǎo)航。目前研究表明，基于平動(dòng)點(diǎn)的SST手段可以實(shí)現(xiàn)星間絕對(duì)定軌，不過(guò)該方法的適用性和理論性還有待深入研究；因此基于平動(dòng)點(diǎn)星間測(cè)量的自主導(dǎo)航可行性的理論證明，尤其是在有限SST觀測(cè)條件下的自主導(dǎo)航方法需要深入研究。

4 應(yīng)用前景

從我國(guó)航天發(fā)展來(lái)看，航天活動(dòng)范圍正從近地向深空發(fā)展，月球?qū)⑹俏覈?guó)未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)深空探測(cè)的重點(diǎn)。本文所討論的基于平動(dòng)點(diǎn)的中繼通信與導(dǎo)航方法，可用于未來(lái)月球探測(cè)的中繼通信、月面定位和巡視導(dǎo)航以及探測(cè)器各飛行階段的自主導(dǎo)航，在彌補(bǔ)地面測(cè)控不足、減輕地面測(cè)控壓力和提高探測(cè)器自主能力等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，因而該方法應(yīng)用前景廣闊。

第一，可用于月球?qū)Φ夭豢梢?jiàn)區(qū)域探測(cè)和大范圍月面活動(dòng)的中繼通信和月面定位與導(dǎo)航。地球中繼衛(wèi)星放置于地球靜止軌道上，即可和地面測(cè)控站形成相對(duì)穩(wěn)定的幾何關(guān)系。月面對(duì)地不可見(jiàn)區(qū)域的中繼衛(wèi)星只能放置于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道，才可與月球和地球形成較為穩(wěn)定且始終可見(jiàn)的觀測(cè)幾何。因此，可為我國(guó)探月三期工程和未來(lái)載人登月等月球探測(cè)提供可靠的中繼通信和月面定位與導(dǎo)航服務(wù)。

第二，可用于未來(lái)地月空間航天器的自主導(dǎo)航。利用地月平動(dòng)點(diǎn)星座對(duì)未來(lái)探月任務(wù)各飛行階段和導(dǎo)航衛(wèi)星自身進(jìn)行導(dǎo)航，有望提高航天器自主能力和軌道精度，降低地面測(cè)控壓力，節(jié)省任務(wù)成本，從而可為未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)提供高精度自主導(dǎo)航方案。

第三，可用于其他深空探測(cè)任務(wù)。利用地月共線和三角平動(dòng)點(diǎn)與地基測(cè)控網(wǎng)，可以組成地月空間甚長(zhǎng)基線，從而滿足火星等深空探測(cè)的行星際中繼通信和自主導(dǎo)航需求。另外，地月平動(dòng)點(diǎn)星座還可以考慮搭載其他載荷，作為觀測(cè)太陽(yáng)和宇宙背景的絕佳空間天文臺(tái)，從而將平動(dòng)點(diǎn)星座的效用最大化。