文/松堂

除了歐空局的“月光”計(jì)劃外，美國(guó)和日本也在開展關(guān)于月球?qū)Ш降挠?jì)劃。

美國(guó)宇航局的“月神網(wǎng)”

美國(guó)宇航局正在實(shí)施阿爾忒彌斯計(jì)劃，在重返月球之后，打算在月球上建立長(zhǎng)期基地，進(jìn)而實(shí)施廣泛深入的月球表面探索。為此，需要建立新的、更強(qiáng)大的通信、導(dǎo)航和網(wǎng)絡(luò)能力。美國(guó)宇航局提出建立“月神網(wǎng)”（LunaNet）架構(gòu)來(lái)滿足這些需求，提供4 種不同的服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航、探測(cè)和信息以及無(wú)線電/光學(xué)科學(xué)服務(wù)。

具體到月球?qū)Ш?，LunaNet 要建立不依賴地球的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位，為各種月球任務(wù)定軌、制導(dǎo)和表面定位測(cè)量，同時(shí)服務(wù)于繞月飛行和月表自主導(dǎo)航。

月球?qū)Ш叫l(wèi)星只是LunaNet 導(dǎo)航功能的一部分。LunaNet 首先考慮的導(dǎo)航定位手段是輻射測(cè)量、光學(xué)測(cè)量和激光測(cè)高。利用電磁傳輸?shù)奶匦裕瑴y(cè)量航天器相對(duì)于月球的距離和速度。其中輻射測(cè)量和光學(xué)測(cè)量，分別使用其無(wú)線電鏈路和紅外光通信鏈路，測(cè)量航天器與月球表面天線或其他航天器之間的距離和速度。在激光測(cè)高和空間激光測(cè)距中，航天器或地面測(cè)量設(shè)備要主動(dòng)發(fā)射激光，通過(guò)反射信號(hào)來(lái)判斷距離。

其次考慮的是天文導(dǎo)航，利用明亮天體（如恒星、衛(wèi)星和行星）的信號(hào)，確定航天器的方向，并可以用相對(duì)角度來(lái)測(cè)量自己與它們的距離。在向月球降落的過(guò)程中，采用地形相對(duì)導(dǎo)航方式，靠相機(jī)圖像和計(jì)算機(jī)處理來(lái)識(shí)別已知的月球表面特征，計(jì)算航天器的飛行路線。

美國(guó)宇航局把這項(xiàng)任務(wù)外包給了意大利航天局，稱為月球GNSS 接收機(jī)實(shí)驗(yàn)（LuGRE），將采用美國(guó)螢火蟲航天公司提供的商業(yè)載荷服務(wù)前往月球危海，對(duì)相關(guān)能力做演示和完善，為后續(xù)系統(tǒng)的發(fā)展做準(zhǔn)備。

▲ 月球表面活動(dòng)需要大量導(dǎo)航服務(wù)

上述導(dǎo)航能力如果實(shí)現(xiàn)，可以在不依靠地球支持的情況下，實(shí)現(xiàn)月球航天器的自主導(dǎo)航。這不僅減輕了地面的負(fù)擔(dān)，更重要的是可以自主響應(yīng)動(dòng)態(tài)事件。地球到月球的通信延遲雖然只有秒級(jí)，但是在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也不可能靠地面遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)航天器控制。有了自主導(dǎo)航之后，月球航天器或者月表機(jī)器人的運(yùn)行，就可以實(shí)現(xiàn)自主控制了。

美國(guó)宇航局蘭利研究中心的科學(xué)家開發(fā)了月球?qū)Ш郊夹g(shù)，叫做反向星歷技術(shù)。在GNSS 系統(tǒng)中，衛(wèi)星要把星歷發(fā)射給地球上的接收機(jī)。所以，GNSS 衛(wèi)星上要安裝三四個(gè)原子鐘，來(lái)生成精確的時(shí)間信息，在導(dǎo)航電文中發(fā)射出去。蘭利中心的想法是反其道而行之，把月面終端變成發(fā)射機(jī)，向繞月飛行的衛(wèi)星發(fā)射星歷，衛(wèi)星則作為具備已知星歷表的參考物體。這簡(jiǎn)化了衛(wèi)星的設(shè)計(jì)要求，并減輕了GNSS 類型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的中斷。該設(shè)計(jì)考慮，在月球表面設(shè)置S 波段發(fā)射機(jī)，在橢圓月球凍結(jié)軌道上設(shè)置3 顆衛(wèi)星的星座，衛(wèi)星攜帶模擬轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)發(fā)器，可以同時(shí)為300 個(gè)用戶提供連續(xù)覆蓋和服務(wù)，帶寬超過(guò)1.8 MHz。

美軍情機(jī)構(gòu)的月球?qū)Ш教剿?/h2>

不但是科研機(jī)構(gòu)，連美國(guó)的軍事情報(bào)機(jī)構(gòu)如今也對(duì)月球?qū)Ш接信d趣。而且，他們走得比月球?qū)Ш礁h(yuǎn)，已經(jīng)開始考慮月球電子地圖了。

美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）正在開發(fā)月球參考框架——本質(zhì)上是支持類似GPS 的月球測(cè)繪基礎(chǔ)設(shè)施。

NGA 主任弗蘭克·惠特沃斯中將在2023 年5 月22 日的地理空間情報(bào)會(huì)議上說(shuō)：“我們正在與美國(guó)宇航局、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、美國(guó)太空軍和美國(guó)太空司令部合作開發(fā)一種月球大地測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將像GPS 在地球上一樣，準(zhǔn)確安全地引導(dǎo)未來(lái)的探索者在月球表面導(dǎo)航?！?/p>

月球參考框架將發(fā)揮與世界大地測(cè)量系統(tǒng)類似的功能，該系統(tǒng)將提供精確和準(zhǔn)確的緯度、經(jīng)度和時(shí)間數(shù)據(jù)。據(jù)說(shuō)，這是為了開發(fā)月球經(jīng)濟(jì)而服務(wù)的。

▲ 通過(guò)月球?qū)Ш叫l(wèi)星中繼地球?qū)Ш叫盘?hào)

最近幾年，美國(guó)國(guó)防部對(duì)月球行動(dòng)越來(lái)越積極，空軍研究實(shí)驗(yàn)室和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了許多計(jì)劃，探索在月球環(huán)境如何開展衛(wèi)星遙感和后勤。

NGA 數(shù)據(jù)來(lái)源和運(yùn)營(yíng)管理局局長(zhǎng)詹姆斯·格里菲斯表示，“月球與地球非常不同，我們知道需要什么類型的數(shù)據(jù)，但不一定知道如何在月球環(huán)境中采集數(shù)據(jù)，因?yàn)楝F(xiàn)有的工具不是為月球而構(gòu)建的。因此，從現(xiàn)在到實(shí)際開發(fā)出參考框架，還有很多探索性工作要做?！?/p>

至于時(shí)間表，格里菲斯表示，現(xiàn)在還無(wú)可奉告。

日本的月球?qū)Ш皆O(shè)想

日本研究人員同樣在關(guān)心月球?qū)Ш郊夹g(shù)問(wèn)題。2022 年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提出了月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的理念，預(yù)計(jì)在2028 年實(shí)施。這個(gè)理念更接近于GPS。衛(wèi)星分為兩類，第一類是橢圓月球凍結(jié)軌道衛(wèi)星，在兩個(gè)軌道面上各部署4 顆，用來(lái)實(shí)施導(dǎo)航電文的播發(fā)；另一類是地月通信中繼衛(wèi)星，部署在月球靜止軌道上，用來(lái)幫助地面站實(shí)施導(dǎo)航校正。衛(wèi)星的遠(yuǎn)月點(diǎn)位于月球南極上空，因此能對(duì)這個(gè)可能存在水冰的區(qū)域做重點(diǎn)覆蓋，支持艙外航天員、機(jī)器人月球車的活動(dòng)，定位精度優(yōu)于40 米。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)想的月面活動(dòng)一般持續(xù)不超過(guò)8 個(gè)小時(shí)，考慮到備份，那么需要提供24 小時(shí)的不間斷覆蓋來(lái)支持一次月面活動(dòng)。

月球靜止軌道上的中繼衛(wèi)星，能夠在地月之間提供10 兆比特/秒的通信帶寬，確保地球和月球?qū)Ш叫l(wèi)星之間能建立通信聯(lián)系，這樣就可以對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘和星歷進(jìn)行校準(zhǔn)。

當(dāng)然，作為美國(guó)的追隨者，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的這個(gè)系統(tǒng)是不可能“獨(dú)立”的，該系統(tǒng)充分考慮了與美國(guó)宇航局的LunaNet和歐空局“月光”系統(tǒng)的兼容互操作。其實(shí)，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的想法和歐空局的“月光”計(jì)劃是十分相似的。