文/遲惑

隨著各航天國(guó)家對(duì)月球探索的熱情越來(lái)越高，怎樣才能安全快捷地在月球表面和月球附近活動(dòng)，正在成為新的熱點(diǎn)。人類要開展一項(xiàng)活動(dòng)，時(shí)間、位置信息是必不可少的。在地球上，我們已經(jīng)習(xí)慣了靠導(dǎo)航衛(wèi)星與其他技術(shù)相結(jié)合確定自己位置、方向和當(dāng)前時(shí)間信息，這為我們帶來(lái)了巨大的便利。那么，在月球上是不是也能享受到類似的服務(wù)呢？根據(jù)有關(guān)航天機(jī)構(gòu)科研人員的計(jì)算，在月球上建立類似地球上的GNSS 系統(tǒng)后，這是完全可以做到的。

小知識(shí)：GNSS 是指能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)都屬于GNSS 的一種。GNSS 主要由空間衛(wèi)星星座、地面控制站和接收機(jī)三部分組成。

基于伽利略系統(tǒng)的“月光”計(jì)劃

歐空局近些年來(lái)一直在考慮自己的月球?qū)Ш椒绞?。他們的想法。是充分利用伽利略系統(tǒng)的信號(hào)。伽利略系統(tǒng)的主要信號(hào)功率是向地球發(fā)射的，但是有一部分能量會(huì)輻射到深空。

伽利略衛(wèi)星是繞地球旋轉(zhuǎn)飛行的，在有些時(shí)候，衛(wèi)星會(huì)位于月球-地球連線的遠(yuǎn)端，發(fā)射的信號(hào)超越地球之后，會(huì)抵達(dá)月球所在的空間。按理說(shuō)，當(dāng)這些信號(hào)到達(dá)月球時(shí)，它們已經(jīng)跨越了20 多倍于設(shè)計(jì)軌道高度的距離，信號(hào)已經(jīng)非常微弱了，只有常規(guī)地面用戶接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)百萬(wàn)分之一，相當(dāng)于用一對(duì)汽車前燈去照射整個(gè)歐洲。

更困難的是，衛(wèi)星導(dǎo)航星座不是為了向太空發(fā)射信號(hào)而設(shè)計(jì)的，所以必須依賴于旁瓣信號(hào)。但即使這樣困難，天基衛(wèi)星導(dǎo)航專家也開發(fā)出了獨(dú)特的信號(hào)處理技術(shù)，表明伽利略系統(tǒng)用于月球?qū)Ш绞怯邢Ｍ?。為此，歐空局展開了名為“月光”計(jì)劃的研究。

▲“月光”計(jì)劃的LOGO

▲伽利略衛(wèi)星對(duì)月球的導(dǎo)航潛能

“月球?qū)Ш健睒訖C(jī)

為了探索“月光”計(jì)劃的具體實(shí)現(xiàn)方式，歐空局啟動(dòng)了“月球?qū)Ш健保∟aviMoon）硬件研制，試圖用上面所說(shuō)的微弱信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)月球附近的導(dǎo)航。

有關(guān)解決方案是一個(gè)動(dòng)態(tài)軟件模型，考慮到了作用在衛(wèi)星上的所有擾動(dòng)因素，包括月球、地球、太陽(yáng)和行星的引力影響，太陽(yáng)光壓，以及時(shí)鐘誤差和無(wú)線電信號(hào)方向等因素。通常，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)需要來(lái)自4 顆衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)定位，但使用新的軟件模型，即使少于4 顆衛(wèi)星也足以獲得有用的信息，從而限制誤差漂移。

▲ 月球?qū)Ш浇邮諜C(jī)的樣機(jī)

▲ “月光”計(jì)劃導(dǎo)航樣機(jī)送到英國(guó)薩利公司準(zhǔn)備集成

NaviMoon 接收機(jī)由瑞士SpacePNT 公司負(fù)責(zé)研制。該公司負(fù)責(zé)人表示：“我們?cè)缭?013 年就開始研究月球衛(wèi)星導(dǎo)航定位的想法。伽利略衛(wèi)星雙頻信號(hào)與現(xiàn)有GPS 衛(wèi)星的雙頻信號(hào)相結(jié)合，讓我們看到了可能性。除了需要極高的接收機(jī)靈敏度外，另一個(gè)大問題是，從月球上看，所有導(dǎo)航衛(wèi)星都處于地球周圍的一個(gè)狹窄幾何形狀中，還周期性地被地球擋住離開視野。

這套接收機(jī)的核心，信號(hào)放大器是一款高端定制雙工器，覆蓋雙頻衛(wèi)星導(dǎo)航頻段，結(jié)合散熱器技術(shù)以進(jìn)一步降低不必要的噪音。

第一套NaviMoon 重量只有1.4千克，在潔凈室組裝和測(cè)試后，交付英國(guó)薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司，集成在該公司制造的月球探路者衛(wèi)星上。這顆衛(wèi)星的主要任務(wù)是通過(guò)S波段和UHF 鏈路與月球表面和月球軌道上的衛(wèi)星建立聯(lián)系，與地球建立X 波段鏈路，為月球任務(wù)提供成本合理的通信服務(wù)。這顆衛(wèi)星將于2025 年發(fā)射。

“月球探路者”入軌之后，將有固定的試驗(yàn)時(shí)間，把衛(wèi)星定向到地球，來(lái)測(cè)試NaviMoon 接收器。這個(gè)設(shè)備測(cè)量到的導(dǎo)航定位信息，將與另外兩個(gè)定位信號(hào)相比較，包括X 波段發(fā)射器進(jìn)行的傳統(tǒng)無(wú)線電測(cè)距，以及美國(guó)宇航局提供、KBR 公司開發(fā)的后向反射器激光測(cè)距。

▲ “月光”計(jì)劃探路者衛(wèi)星

▲ 月球探路者衛(wèi)星的服務(wù)模式

▲ “月光”計(jì)劃原理圖

歐空局的導(dǎo)航工程師解釋，“月球激光測(cè)距有著悠久的歷史，可以追溯到阿波羅任務(wù)，我們使用的后向反射器是從美國(guó)宇航局月球勘測(cè)軌道器演變而來(lái)的。所有測(cè)距技術(shù)的結(jié)合將進(jìn)一步改善軌道測(cè)量，可能超出無(wú)線電測(cè)距所能達(dá)到的水平。原則上，這可能意味著未來(lái)的任務(wù)可以在沒有地面幫助的情況下，僅使用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，自主導(dǎo)航到月球。

詳解“月光”

歐空局對(duì)月光計(jì)劃進(jìn)行了比較深入的研究。早在2020 年，歐空局的幾位科研人員就發(fā)表論文，討論了專用月球PNT 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

（小知識(shí)：PNT 系統(tǒng)指的是綜合定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)。就是以衛(wèi)星導(dǎo)航作為核心和基礎(chǔ)，把現(xiàn)在認(rèn)知里的各種技術(shù)融合在一起，使之更安全、更高性能、更可靠。PNT 系統(tǒng)是GNSS系統(tǒng)提供的，但是PNT 的范疇比GNSS 要更廣泛。）

這次研究為兩部分，首先介紹了如何利用現(xiàn)有的GNSS 星座建立初始系統(tǒng)，然后通過(guò)專用的月球軌道衛(wèi)星和月球信標(biāo)測(cè)距源進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全自主的月球?qū)Ш较到y(tǒng)。

按照歐空局的認(rèn)識(shí)，新月球經(jīng)濟(jì)已經(jīng)浮現(xiàn)，這是一個(gè)由航天機(jī)構(gòu)、私營(yíng)公司和公私伙伴關(guān)系組成的新經(jīng)濟(jì)生態(tài)，涉及到機(jī)器人、人員住艙和地月空間運(yùn)輸。所有計(jì)劃中的任務(wù)都有相似的導(dǎo)航和通信需求，如果能建立一個(gè)專用的月球?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r(shí)系統(tǒng)，可以有效地滿足這些需求。

月球增強(qiáng)

理論上說(shuō)，建立一個(gè)環(huán)繞月球運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)才能最終解決月球表面乃至近月空間的導(dǎo)航問題，但短期內(nèi)這還是不現(xiàn)實(shí)的。所以，還是要考慮用現(xiàn)有條件來(lái)實(shí)現(xiàn)月球?qū)Ш?，其中就包括地球GNSS 系統(tǒng)。此外，鑒于實(shí)現(xiàn)自主著陸和月球車導(dǎo)航所需的精度和可用性，只靠圍繞地球運(yùn)行的GNSS 系統(tǒng)信號(hào)是不夠的。

目前，用于月球任務(wù)的導(dǎo)航依賴于探測(cè)器本身的傳感器組合，以及與地球測(cè)控團(tuán)隊(duì)的互動(dòng)，這限制了探測(cè)器的自主導(dǎo)航能力，必須考慮地月之間的通信延遲。對(duì)于月球背面，難度就更大了。如果建立專用的月球?qū)Ш较到y(tǒng)，可以大大改善目前月球探測(cè)器測(cè)控方法。允許在沒有直接對(duì)地能見度的地區(qū)進(jìn)行月球?qū)Ш?，提高全月用戶定位精度，并提高整體服務(wù)可用性。

▲ 為月球南極覆蓋優(yōu)化的閃電軌道

在地球上，衛(wèi)星導(dǎo)航經(jīng)歷了一個(gè)只有衛(wèi)星到衛(wèi)星配合地面增強(qiáng)的階段。所以歐空局提出，月球?qū)Ш揭婚_始就要考慮月球軌道衛(wèi)星和月球表面靜態(tài)測(cè)距信標(biāo)的組合。

南極覆蓋

“月光”計(jì)劃的基礎(chǔ)，是橢圓月球凍結(jié)軌道（ELFO），這是歐空局先前幾次內(nèi)部研究和工業(yè)研究的主題。這個(gè)軌道并不類似于地球靜止軌道，而是大橢圓軌道。它在遠(yuǎn)月點(diǎn)附近的飛行速度非常慢，可以長(zhǎng)時(shí)間覆蓋星下點(diǎn)；在近月點(diǎn)的速度又非?？欤梢匝杆匐x開，回到遠(yuǎn)月點(diǎn)。這樣一來(lái)，如果打算覆蓋月球上的某個(gè)位置，把遠(yuǎn)月點(diǎn)選在上空就好。這與地球上的閃電軌道原理完全相同。如果把遠(yuǎn)月點(diǎn)選定在月球南極上空，能實(shí)現(xiàn)良好的長(zhǎng)時(shí)間覆蓋，不需要太多的空間位置保持，因此特別適合用于月球無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。

歐空局選定的凍結(jié)軌道，周期是24 小時(shí)，遠(yuǎn)月點(diǎn)正好在月球南極上空，這樣可以保證南極地區(qū)的用戶在大約20 小時(shí)內(nèi)看到它們，在衛(wèi)星飛越北極時(shí)有4 小時(shí)的中斷。學(xué)者們還分析評(píng)估了在3 個(gè)橢圓月球凍結(jié)軌道上部署一組3 顆衛(wèi)星的效應(yīng)。

月球PNT 信標(biāo)

雖然環(huán)繞月球的衛(wèi)星可以在更大的空間上進(jìn)行定位，但測(cè)距信標(biāo)是在月球表面某個(gè)區(qū)域進(jìn)行定位的最直接手段。與衛(wèi)星相比，使用信標(biāo)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，信標(biāo)的位置不需要頻繁確定。而對(duì)于月球軌道上的衛(wèi)星，則需要連續(xù)精確的軌道確定。其實(shí)，地球上的導(dǎo)航技術(shù)演進(jìn)過(guò)程也是如此，在GNSS 技術(shù)普遍使用之前，人們就是靠地面信標(biāo)來(lái)導(dǎo)航的。古希臘時(shí)代發(fā)明的燈塔，就是一種地面信標(biāo)，只不過(guò)它使用可見光來(lái)發(fā)射信號(hào)，用肉眼來(lái)識(shí)別。在無(wú)線電時(shí)代，地球上的?？諏?dǎo)航大量使用羅蘭系統(tǒng)。有人提出在月球上設(shè)置此類設(shè)施。如果在月球上設(shè)置信標(biāo)，不僅僅可以為月表提供導(dǎo)航，還能支持月球?qū)Ш叫l(wèi)星，比如說(shuō)：

·向月球同步軌道飛行器同步發(fā)射測(cè)距信息（主要目的）；

▲ 覆蓋月球兩級(jí)的導(dǎo)航衛(wèi)星方案

·作為軌道飛行器的參考站；

·提供本地月球表面差分導(dǎo)航服務(wù)；

·向月球用戶提供地球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以便利使用地球GNSS 系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信號(hào)；

·作為多種月球測(cè)量技術(shù)的共同定位點(diǎn)，如激光回復(fù)反射器、地球全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)和兼容甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量的發(fā)射器，可提供更多有趣的科學(xué)可能性。

信標(biāo)發(fā)射信號(hào)的可用性范圍主要由可用的射頻發(fā)射功率（通常稱為等效全向輻射功率）、發(fā)射天線增益方向圖和表面形貌決定。月球的地形具有高海拔特征，因此信標(biāo)的位置將對(duì)接收終端的可用性起到重要作用。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是站得越高，作用距離越遠(yuǎn)。

而地面信標(biāo)和月球軌道飛行器的結(jié)合使用將大大改善月球著陸器的定位幾何結(jié)構(gòu)，月球著陸器的目標(biāo)是信標(biāo)附近的位置，以及附近的地面用戶。

可見性和幾何學(xué)特征

歐空局的研究者針對(duì)兩種不同的用戶場(chǎng)景，分析了地球全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)、月球?qū)Ш叫l(wèi)星、月球表面信標(biāo)共同實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的效果。

·使用月球表面的靜態(tài)接收機(jī)；

·處于最后下降和著陸階段的月球著陸器。

為了進(jìn)行模擬，考慮了多種因素，基本上覆蓋了地球全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)傳輸和接收的所有方面，特別是：

·實(shí)際發(fā)射功率水平；

·逼真的3D 天線方向圖；

·地球GNSS 系統(tǒng)衛(wèi)星姿態(tài)規(guī)則；

·幾何因素（包括自由空間路徑損耗、地球和月球掩星）；

·接收機(jī)特性，如獲取和跟蹤地球GNSS 系統(tǒng)信號(hào)、解調(diào)導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)所需的天線方向圖和實(shí)際載波噪聲密度比閾值。

具體的GNSS 星座狀態(tài)，根據(jù)發(fā)射計(jì)劃，模擬了2024 年時(shí)的狀態(tài),但是只考慮了GPS 和伽利略系統(tǒng)。其中，伽利略系統(tǒng)設(shè)置為分布在3個(gè)軌道平面上的24 顆衛(wèi)星，GPS 設(shè)置為分布在6 個(gè)軌道平面上的31 顆衛(wèi)星。

考慮到目前還沒有對(duì)月球?qū)Ш较到y(tǒng)（LNS）衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行定義，本次分析僅考慮了視線內(nèi)信號(hào)。假定LNS 衛(wèi)星或信標(biāo)在不被月球遮擋時(shí)，用戶就一定可以看到它們并收到信號(hào)。此外，研究者為月面用戶考慮了一個(gè)10 度仰角掩模，以及一個(gè)用于信標(biāo)發(fā)射信號(hào)的10 度仰角掩模。高于這個(gè)角度的信標(biāo)或者衛(wèi)星信號(hào)，都可以被接收機(jī)利用。最后假設(shè)，信標(biāo)只能在陽(yáng)光直射時(shí)才有電力供應(yīng)，可以發(fā)射信號(hào)。

為了最大限度地降低成本、質(zhì)量和功耗，研究人員假設(shè)只采用單一頻率（E5a/L5）。接收機(jī)天線的指向/方向以及天線的數(shù)量因每個(gè)用戶場(chǎng)景而異，接收機(jī)位于月球表面的靜態(tài)情況，與作為月球著陸器一部分的動(dòng)態(tài)情況之間存在差異。

@靜態(tài)場(chǎng)景

第一個(gè)場(chǎng)景，研究在靠近南極的地面位置接收地球GNSS 系統(tǒng)和月球衛(wèi)星的信號(hào)。連接脊的位置是月球任務(wù)的潛在著陸點(diǎn)和將來(lái)居住地設(shè)置點(diǎn)，因?yàn)檫@里的太陽(yáng)光照條件優(yōu)越（高達(dá)92.5% 的月晝）。美國(guó)月球勘測(cè)軌道器對(duì)月球南極區(qū)域地形進(jìn)行了長(zhǎng)期拍攝，選擇了多個(gè)可以著陸的位置。

在這種情況下，假設(shè)用戶地球GNSS 的L 頻段天線始終完美地指向地球中心，接收來(lái)自LNS 衛(wèi)星的信號(hào)受到地面以上10°的仰角掩模限制。這個(gè)假設(shè)是為了考慮月面地形和天線位置附近可能的山脈。

如果考慮一個(gè)月的時(shí)間段，在橢圓月球凍結(jié)軌道的3 顆衛(wèi)星中，至少有一顆衛(wèi)星隨時(shí)可見，通?？梢钥吹? 顆衛(wèi)星。GNSS 的能見度最高可達(dá)20 顆可見衛(wèi)星，但在一個(gè)月的某一段時(shí)間內(nèi)（約14 天），一顆GNSS 衛(wèi)星都看不見。事實(shí)上，由于月球平動(dòng)，在月球南極看不到地球，也看不到GNSS 衛(wèi)星。如果在模擬中考慮到該地區(qū)更真實(shí)的地形圖，考慮到所選連接山脊位置的高海拔，GNSS 信號(hào)可見的確切時(shí)間段可能會(huì)增加。如果僅僅考慮GNSS 和橢圓月球凍結(jié)軌道中的3 顆衛(wèi)星，那么其幾何結(jié)構(gòu)非常差，導(dǎo)致PDOP 值較高，平均值甚至達(dá)到2436，最佳情況下也只有1000，因此根本不可能直接獲得地理位置。如果橢圓月球凍結(jié)軌道上部署更多衛(wèi)星，PDOP 值顯著提高到1.7，平均值為18.5。

（小知識(shí)：PDOP 值是指衛(wèi)星分布的空間幾何強(qiáng)度因子，一般衛(wèi)星分布越好時(shí)，PDOP 值越小，一般小于3 為比較理想的狀態(tài)。）

▲ GNSS 衛(wèi)星服務(wù)深空導(dǎo)航的詳解

@動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

在第二個(gè)場(chǎng)景中，接收機(jī)位于月球著陸器上，其著陸位置靠近靜態(tài)場(chǎng)景中描述的位置。著陸通常分為幾個(gè)階段。歐空局這項(xiàng)研究的關(guān)注階段通常被稱為“剎車階段”，也就是從繞月飛行急劇改變飛行方向，從平行于月面飛行改為垂直降落，并且大幅度減速。根據(jù)所選的著陸方案，該階段的高度起點(diǎn)可能在15 千米～30 千米之間變化，著陸器離月面約2 千米～3千米時(shí)結(jié)束，然后只要保持方向，垂直下降到目標(biāo)著陸位置就行了。

絕對(duì)位置和速度信息在制動(dòng)階段是至關(guān)重要的。在制動(dòng)階段，需要連續(xù)的高精度位置和速度信息，這樣控制系統(tǒng)才能精確調(diào)整推力，確保該階段結(jié)束時(shí)的最終位置離目標(biāo)不太遠(yuǎn)。在最后垂直下降過(guò)程中，任何彌補(bǔ)位置誤差的能力都要受到可用燃料量的限制。

為這項(xiàng)研究選擇的軌道通過(guò)月球的近側(cè)接近著陸點(diǎn)。因此在軌道的最后一部分，地球GNSS 可以達(dá)到預(yù)期中的最佳能見度。但是月球著陸器的姿態(tài)會(huì)有劇烈變化，不能假設(shè)它只有一個(gè)接收天線并且始終指向地球。著陸器的姿態(tài)剖面描述為一個(gè)軸指向天底點(diǎn)——月球中心，第二個(gè)軸指向速度方向（沿著推力器），第三個(gè)軸垂直于一二軸構(gòu)成的平面。為了獲得良好的GNSS 信號(hào)接收，假設(shè)在著陸器上安裝了3 個(gè)不同指向方向的獨(dú)立接收天線，參數(shù)都相同。

該方案還考慮了位于著陸點(diǎn)本身的月球信標(biāo)，以便在著陸的最后階段保證其能見度。在模擬中的最佳狀態(tài)下，覆蓋地球GNSS、月球信標(biāo)、橢圓月球凍結(jié)軌道衛(wèi)星及其組合的能見度?？梢姷牡厍騁NSS 衛(wèi)星數(shù)量在2～5 顆之間，大約在協(xié)調(diào)世界時(shí)11 時(shí)51 分，信標(biāo)對(duì)著陸器可見。在所考慮的時(shí)間范圍內(nèi)，其中的3 顆衛(wèi)星都是可見的，共有9 個(gè)可見測(cè)距信號(hào)源。

▲ 未來(lái)月球軟著陸任務(wù)需要導(dǎo)航支持

這并不是說(shuō)，歐空局打算只用9個(gè)信號(hào)源來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)月球著陸，而是通過(guò)模擬，來(lái)計(jì)算出如何去優(yōu)化可見測(cè)距源的數(shù)量，從而提高整體性能。

在模擬中，為不同的星座顯示了PDOP 值。地球GNSS 的PDOP值往往大于1000。由于可見衛(wèi)星數(shù)量較少，通常甚至連計(jì)算PDOP 值都做不到。但是結(jié)合地球GNSS 和月面信標(biāo)，PDOP 就會(huì)改善，達(dá)到低于50 的值。

月球軌道上的衛(wèi)星影響更大。當(dāng)?shù)厍騁NSS 衛(wèi)星和橢圓月球凍結(jié)軌道衛(wèi)星組合定位時(shí)，PDOP 的值低于5，平均值為3.5。添加月球信標(biāo)后，PDOP 的平均值為2.5。

面向全月覆蓋

為了最終實(shí)現(xiàn)在月球和近月空間中提供PNT 服務(wù)的最終目標(biāo)，需要在月球軌道上部署更多的衛(wèi)星。有很多文獻(xiàn)提出了許多解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但歐空局在“月光”計(jì)劃里提出了一種更為保守的部署方法，分幾個(gè)階段實(shí)施，先集中保證南極的覆蓋，然后逐步向全月球覆蓋。因?yàn)槲磥?lái)10 年的許多計(jì)劃將針對(duì)月球南極，明智的做法是首先確保良好服務(wù)覆蓋該地區(qū)。

用3 顆衛(wèi)星極低頻星座可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并可視為第三階段的起點(diǎn)。還有一種辦法，可以把星座擴(kuò)展到全月覆蓋。那就是新的衛(wèi)星依然采用橢圓月球凍結(jié)軌道，但遠(yuǎn)月點(diǎn)位于北極上空，而不是南極，從而形成對(duì)稱保持相同軌道穩(wěn)定性的星座。

因此，只要把重點(diǎn)覆蓋南極的軌道方案倒過(guò)來(lái)，就可以使遠(yuǎn)月點(diǎn)位于北極之上，可以提供對(duì)北半球的持續(xù)覆蓋。然后，可以在兩種橢圓月球凍結(jié)軌道上都增加一顆新衛(wèi)星，達(dá)到8顆衛(wèi)星。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)幾乎恒定的南極和北極覆蓋。

基于地球GNSS 的概念，標(biāo)準(zhǔn)到達(dá)時(shí)間的獨(dú)立位置、速度和時(shí)間（PVT）解決方案至少需要4 顆衛(wèi)星，但是用南北橢圓月球凍結(jié)軌道星座并不總是能達(dá)到這一要求。所以歐空局研究人員提出，可以用美國(guó)宇航局的地月門戶空間站來(lái)承載無(wú)線電導(dǎo)航有效載荷，來(lái)提供導(dǎo)航服務(wù)。如果這樣，會(huì)使月球南極地區(qū)穩(wěn)定看到4 顆衛(wèi)星，因?yàn)樗x空間站軌道在月球南半球上空的停留時(shí)間較長(zhǎng)。

遠(yuǎn)距離逆行軌道的引入

歐空局的研究者們討論了在經(jīng)緯度方向上具有5 度空間分辨率的全月覆蓋網(wǎng)格，并確定了一個(gè)月內(nèi)所有經(jīng)度（從-180°～+180°）的平均值。對(duì)于緯度在-90°～-80°之間的南極地區(qū)，98%的時(shí)間內(nèi)至少可以有4顆衛(wèi)星覆蓋。然而，對(duì)于其他區(qū)域，特別是赤道地區(qū)，如果考慮到緯度在±20°左右的地區(qū)，至少4 顆衛(wèi)星的覆蓋率只有30%甚至更少。為了覆蓋這些區(qū)域，還引入了另一種軌道類型，即遠(yuǎn)距離逆行軌道（DRO），這是一種極其穩(wěn)定的軌道。

遠(yuǎn)距離逆行軌道中的物體繞著中心天體運(yùn)行，以順行方式運(yùn)動(dòng)，但受到第二個(gè)中心天體月球的擾動(dòng)，看上去似乎在逆開普勒軌道上繞著第二個(gè)中心天體運(yùn)行。歐空局考慮了一種距離月球45000 千米的遠(yuǎn)距離逆行軌道。

▲ 8 顆衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)對(duì)南極的不間斷覆蓋

如果遠(yuǎn)距離逆行軌道上只有2 顆或3 顆衛(wèi)星，間隔分別為180°和120°，那么月球赤道附近的可見衛(wèi)星就增加到4 顆或更多，時(shí)間百分比從30%增加到55%或65%。有了這個(gè)星座，南半球從-90°到大約-40°的緯度，有至少80%的時(shí)間可以得到覆蓋（對(duì)于遠(yuǎn)距離逆行軌道上有2 顆衛(wèi)星而言），如果遠(yuǎn)距離逆行軌道上有3 顆衛(wèi)星，甚至可以達(dá)到90%的覆蓋時(shí)間。

如果接收機(jī)周圍有發(fā)射測(cè)距信號(hào)的地面信標(biāo)，見到3 顆衛(wèi)星，足以求出位置解。因此，如果有4 顆衛(wèi)星在南極橢圓月球凍結(jié)軌道，4 顆衛(wèi)星在北極橢圓月球凍結(jié)軌道，加上地月門戶空間站，月球南半球從-90°到-40°的緯度至少可以保證85%的覆蓋時(shí)間。北半球緯度60°至90°之間的區(qū)域至少可以覆蓋90%的時(shí)間。但是，赤道地區(qū)的覆蓋率只有40%。在遠(yuǎn)距離逆行軌道中增加2 顆或3 顆衛(wèi)星后，赤道周圍地區(qū)的能見度可以得到顯著提高。如果總共有11 或12顆衛(wèi)星，那么全月至少有70%的時(shí)間可以見到3 顆衛(wèi)星（遠(yuǎn)距離逆行軌道上部署2 顆衛(wèi)星），甚至是80%（遠(yuǎn)距離逆行軌道上部署3 顆衛(wèi)星）。這也凸顯了月表信標(biāo)將帶來(lái)的好處。

基于上述結(jié)果，逐步部署月球?qū)Ш较到y(tǒng)似乎是合理的。其基本原理如下：隨著月球星座的增加，最終PNT解決方案中地球GNSS 衛(wèi)星的重要性可以穩(wěn)步降低；雖然僅基于地球GNSS 衛(wèi)星的解決方案能夠滿足地月轉(zhuǎn)移和月球軌道用戶的PNT 需求，但這不足以滿足月球著陸或月球表面操作需求，有必要進(jìn)行額外的測(cè)距“增強(qiáng)”。

如果把導(dǎo)航定位重點(diǎn)放在南極，那么在2030 年前要實(shí)施大量飛行任務(wù)。

在月球?qū)Ш竭@個(gè)問題上，歐空局已經(jīng)走在了前面。這個(gè)航天機(jī)構(gòu)除了開展大量理論研究之外，已經(jīng)把研究推進(jìn)到了工程研制階段。相信2025年的飛行將給人們帶來(lái)一個(gè)明確的結(jié)論。地球GNSS 在月球附近能發(fā)揮什么作用？后續(xù)的月球?qū)Ш綉?yīng)該向哪個(gè)方向推進(jìn)？如果月球?qū)Ш侥軌驅(qū)崿F(xiàn)，那么無(wú)論是月球探索還是資源開發(fā)，都會(huì)比現(xiàn)在方便得多。

▲ “月光”計(jì)劃導(dǎo)航的服務(wù)對(duì)象