“月光”計劃告訴你，月球導航如何實現

文/遲惑

隨著各航天國家對月球探索的熱情越來越高，怎樣才能安全快捷地在月球表面和月球附近活動，正在成為新的熱點。人類要開展一項活動，時間、位置信息是必不可少的。在地球上，我們已經習慣了靠導航衛星與其他技術相結合確定自己位置、方向和當前時間信息，這為我們帶來了巨大的便利。那么，在月球上是不是也能享受到類似的服務呢？根據有關航天機構科研人員的計算，在月球上建立類似地球上的GNSS 系統后，這是完全可以做到的。

小知識：GNSS 是指能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標、速度及時間信息的空基無線電導航定位系統。我國的北斗導航系統、美國的GPS、歐洲的伽利略系統、俄羅斯的格洛納斯系統都屬于GNSS 的一種。GNSS 主要由空間衛星星座、地面控制站和接收機三部分組成。

基于伽利略系統的“月光”計劃

歐空局近些年來一直在考慮自己的月球導航方式。他們的想法。是充分利用伽利略系統的信號。伽利略系統的主要信號功率是向地球發射的，但是有一部分能量會輻射到深空。

伽利略衛星是繞地球旋轉飛行的，在有些時候，衛星會位于月球-地球連線的遠端，發射的信號超越地球之后，會抵達月球所在的空間。按理說，當這些信號到達月球時，它們已經跨越了20 多倍于設計軌道高度的距離，信號已經非常微弱了，只有常規地面用戶接收到衛星導航信號的數百萬分之一，相當于用一對汽車前燈去照射整個歐洲。

更困難的是，衛星導航星座不是為了向太空發射信號而設計的，所以必須依賴于旁瓣信號。但即使這樣困難，天基衛星導航專家也開發出了獨特的信號處理技術，表明伽利略系統用于月球導航是有希望的。為此，歐空局展開了名為“月光”計劃的研究。

▲“月光”計劃的LOGO

▲伽利略衛星對月球的導航潛能

“月球導航”樣機

為了探索“月光”計劃的具體實現方式，歐空局啟動了“月球導航”（NaviMoon）硬件研制，試圖用上面所說的微弱信號來實現月球附近的導航。

有關解決方案是一個動態軟件模型，考慮到了作用在衛星上的所有擾動因素，包括月球、地球、太陽和行星的引力影響，太陽光壓，以及時鐘誤差和無線電信號方向等因素。通常，衛星導航接收機需要來自4 顆衛星的信號來定位，但使用新的軟件模型，即使少于4 顆衛星也足以獲得有用的信息，從而限制誤差漂移。

▲ 月球導航接收機的樣機

▲ “月光”計劃導航樣機送到英國薩利公司準備集成

NaviMoon 接收機由瑞士SpacePNT 公司負責研制。該公司負責人表示：“我們早在2013 年就開始研究月球衛星導航定位的想法。伽利略衛星雙頻信號與現有GPS 衛星的雙頻信號相結合，讓我們看到了可能性。除了需要極高的接收機靈敏度外，另一個大問題是，從月球上看，所有導航衛星都處于地球周圍的一個狹窄幾何形狀中，還周期性地被地球擋住離開視野。

這套接收機的核心，信號放大器是一款高端定制雙工器，覆蓋雙頻衛星導航頻段，結合散熱器技術以進一步降低不必要的噪音。

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

“月球探路者”入軌之后，將有固定的試驗時間，把衛星定向到地球，來測試NaviMoon 接收器。這個設備測量到的導航定位信息，將與另外兩個定位信號相比較，包括X 波段發射器進行的傳統無線電測距，以及美國宇航局提供、KBR 公司開發的后向反射器激光測距。

▲ “月光”計劃探路者衛星

▲ 月球探路者衛星的服務模式

▲ “月光”計劃原理圖

歐空局的導航工程師解釋，“月球激光測距有著悠久的歷史，可以追溯到阿波羅任務，我們使用的后向反射器是從美國宇航局月球勘測軌道器演變而來的。所有測距技術的結合將進一步改善軌道測量，可能超出無線電測距所能達到的水平。原則上，這可能意味著未來的任務可以在沒有地面幫助的情況下，僅使用衛星導航信號，自主導航到月球。

詳解“月光”

歐空局對月光計劃進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表論文，討論了專用月球PNT 系統的實現方式。

（小知識：PNT 系統指的是綜合定位導航授時系統。就是以衛星導航作為核心和基礎，把現在認知里的各種技術融合在一起，使之更安全、更高性能、更可靠。PNT 系統是GNSS系統提供的，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有的GNSS 星座建立初始系統，然后通過專用的月球軌道衛星和月球信標測距源進行擴充，實現一個完全自主的月球導航系統。

按照歐空局的認識，新月球經濟已經浮現，這是一個由航天機構、私營公司和公私伙伴關系組成的新經濟生態，涉及到機器人、人員住艙和地月空間運輸。所有計劃中的任務都有相似的導航和通信需求，如果能建立一個專用的月球導航定位授時系統，可以有效地滿足這些需求。

月球增強

理論上說，建立一個環繞月球運行的導航衛星系統才能最終解決月球表面乃至近月空間的導航問題，但短期內這還是不現實的。所以，還是要考慮用現有條件來實現月球導航，其中就包括地球GNSS 系統。此外，鑒于實現自主著陸和月球車導航所需的精度和可用性，只靠圍繞地球運行的GNSS 系統信號是不夠的。

目前，用于月球任務的導航依賴于探測器本身的傳感器組合，以及與地球測控團隊的互動，這限制了探測器的自主導航能力，必須考慮地月之間的通信延遲。對于月球背面，難度就更大了。如果建立專用的月球導航系統，可以大大改善目前月球探測器測控方法。允許在沒有直接對地能見度的地區進行月球導航，提高全月用戶定位精度，并提高整體服務可用性。

▲ 為月球南極覆蓋優化的閃電軌道

在地球上，衛星導航經歷了一個只有衛星到衛星配合地面增強的階段。所以歐空局提出，月球導航一開始就要考慮月球軌道衛星和月球表面靜態測距信標的組合。

南極覆蓋

“月光”計劃的基礎，是橢圓月球凍結軌道（ELFO），這是歐空局先前幾次內部研究和工業研究的主題。這個軌道并不類似于地球靜止軌道，而是大橢圓軌道。它在遠月點附近的飛行速度非常慢，可以長時間覆蓋星下點；在近月點的速度又非常快，可以迅速離開，回到遠月點。這樣一來，如果打算覆蓋月球上的某個位置，把遠月點選在上空就好。這與地球上的閃電軌道原理完全相同。如果把遠月點選定在月球南極上空，能實現良好的長時間覆蓋，不需要太多的空間位置保持，因此特別適合用于月球無線電導航系統。

歐空局選定的凍結軌道，周期是24 小時，遠月點正好在月球南極上空，這樣可以保證南極地區的用戶在大約20 小時內看到它們，在衛星飛越北極時有4 小時的中斷。學者們還分析評估了在3 個橢圓月球凍結軌道上部署一組3 顆衛星的效應。

月球PNT 信標

雖然環繞月球的衛星可以在更大的空間上進行定位，但測距信標是在月球表面某個區域進行定位的最直接手段。與衛星相比，使用信標的一個主要優點是，信標的位置不需要頻繁確定。而對于月球軌道上的衛星，則需要連續精確的軌道確定。其實，地球上的導航技術演進過程也是如此，在GNSS 技術普遍使用之前，人們就是靠地面信標來導航的。古希臘時代發明的燈塔，就是一種地面信標，只不過它使用可見光來發射信號，用肉眼來識別。在無線電時代，地球上的海空導航大量使用羅蘭系統。有人提出在月球上設置此類設施。如果在月球上設置信標，不僅僅可以為月表提供導航，還能支持月球導航衛星，比如說：

·向月球同步軌道飛行器同步發射測距信息（主要目的）；

▲ 覆蓋月球兩級的導航衛星方案

·作為軌道飛行器的參考站；

·提供本地月球表面差分導航服務；

·向月球用戶提供地球導航衛星系統導航數據，以便利使用地球GNSS 系統發來的信號；

·作為多種月球測量技術的共同定位點，如激光回復反射器、地球全球導航衛星系統接收機和兼容甚長基線干涉測量的發射器，可提供更多有趣的科學可能性。

信標發射信號的可用性范圍主要由可用的射頻發射功率（通常稱為等效全向輻射功率）、發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，因此信標的位置將對接收終端的可用性起到重要作用。簡單說，就是站得越高，作用距離越遠。

而地面信標和月球軌道飛行器的結合使用將大大改善月球著陸器的定位幾何結構，月球著陸器的目標是信標附近的位置，以及附近的地面用戶。

可見性和幾何學特征

歐空局的研究者針對兩種不同的用戶場景，分析了地球全球導航衛星系統信號、月球導航衛星、月球表面信標共同實現導航的效果。

·使用月球表面的靜態接收機；

·處于最后下降和著陸階段的月球著陸器。

為了進行模擬，考慮了多種因素，基本上覆蓋了地球全球導航衛星系統信號傳輸和接收的所有方面，特別是：

·實際發射功率水平；

·逼真的3D 天線方向圖；

·地球GNSS 系統衛星姿態規則；

·幾何因素（包括自由空間路徑損耗、地球和月球掩星）；

·接收機特性，如獲取和跟蹤地球GNSS 系統信號、解調導航信息數據所需的天線方向圖和實際載波噪聲密度比閾值。

具體的GNSS 星座狀態，根據發射計劃，模擬了2024 年時的狀態,但是只考慮了GPS 和伽利略系統。其中，伽利略系統設置為分布在3個軌道平面上的24 顆衛星，GPS 設置為分布在6 個軌道平面上的31 顆衛星。

考慮到目前還沒有對月球導航系統（LNS）衛星傳輸的信號進行定義，本次分析僅考慮了視線內信號。假定LNS 衛星或信標在不被月球遮擋時，用戶就一定可以看到它們并收到信號。此外，研究者為月面用戶考慮了一個10 度仰角掩模，以及一個用于信標發射信號的10 度仰角掩模。高于這個角度的信標或者衛星信號，都可以被接收機利用。最后假設，信標只能在陽光直射時才有電力供應，可以發射信號。

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

@靜態場景

第一個場景，研究在靠近南極的地面位置接收地球GNSS 系統和月球衛星的信號。連接脊的位置是月球任務的潛在著陸點和將來居住地設置點，因為這里的太陽光照條件優越（高達92.5% 的月晝）。美國月球勘測軌道器對月球南極區域地形進行了長期拍攝，選擇了多個可以著陸的位置。

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

如果考慮一個月的時間段，在橢圓月球凍結軌道的3 顆衛星中，至少有一顆衛星隨時可見，通常可以看到3 顆衛星。GNSS 的能見度最高可達20 顆可見衛星，但在一個月的某一段時間內（約14 天），一顆GNSS 衛星都看不見。事實上，由于月球平動，在月球南極看不到地球，也看不到GNSS 衛星。如果在模擬中考慮到該地區更真實的地形圖，考慮到所選連接山脊位置的高海拔，GNSS 信號可見的確切時間段可能會增加。如果僅僅考慮GNSS 和橢圓月球凍結軌道中的3 顆衛星，那么其幾何結構非常差，導致PDOP 值較高，平均值甚至達到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。如果橢圓月球凍結軌道上部署更多衛星，PDOP 值顯著提高到1.7，平均值為18.5。

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

▲ GNSS 衛星服務深空導航的詳解

@動態場景

在第二個場景中，接收機位于月球著陸器上，其著陸位置靠近靜態場景中描述的位置。著陸通常分為幾個階段。歐空局這項研究的關注階段通常被稱為“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。根據所選的著陸方案，該階段的高度起點可能在15 千米～30 千米之間變化，著陸器離月面約2 千米～3千米時結束，然后只要保持方向，垂直下降到目標著陸位置就行了。

絕對位置和速度信息在制動階段是至關重要的。在制動階段，需要連續的高精度位置和速度信息，這樣控制系統才能精確調整推力，確保該階段結束時的最終位置離目標不太遠。在最后垂直下降過程中，任何彌補位置誤差的能力都要受到可用燃料量的限制。

為這項研究選擇的軌道通過月球的近側接近著陸點。因此在軌道的最后一部分，地球GNSS 可以達到預期中的最佳能見度。但是月球著陸器的姿態會有劇烈變化，不能假設它只有一個接收天線并且始終指向地球。著陸器的姿態剖面描述為一個軸指向天底點——月球中心，第二個軸指向速度方向（沿著推力器），第三個軸垂直于一二軸構成的平面。為了獲得良好的GNSS 信號接收，假設在著陸器上安裝了3 個不同指向方向的獨立接收天線，參數都相同。

該方案還考慮了位于著陸點本身的月球信標，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下，覆蓋地球GNSS、月球信標、橢圓月球凍結軌道衛星及其組合的能見度。可見的地球GNSS 衛星數量在2～5 顆之間，大約在協調世界時11 時51 分，信標對著陸器可見。在所考慮的時間范圍內，其中的3 顆衛星都是可見的，共有9 個可見測距信號源。

▲ 未來月球軟著陸任務需要導航支持

這并不是說，歐空局打算只用9個信號源來實現未來月球著陸，而是通過模擬，來計算出如何去優化可見測距源的數量，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。由于可見衛星數量較少，通常甚至連計算PDOP 值都做不到。但是結合地球GNSS 和月面信標，PDOP 就會改善，達到低于50 的值。

月球軌道上的衛星影響更大。當地球GNSS 衛星和橢圓月球凍結軌道衛星組合定位時，PDOP 的值低于5，平均值為3.5。添加月球信標后，PDOP 的平均值為2.5。

面向全月覆蓋

為了最終實現在月球和近月空間中提供PNT 服務的最終目標，需要在月球軌道上部署更多的衛星。有很多文獻提出了許多解決方案來實現這一目標。但歐空局在“月光”計劃里提出了一種更為保守的部署方法，分幾個階段實施，先集中保證南極的覆蓋，然后逐步向全月球覆蓋。因為未來10 年的許多計劃將針對月球南極，明智的做法是首先確保良好服務覆蓋該地區。

用3 顆衛星極低頻星座可以實現這一目標，并可視為第三階段的起點。還有一種辦法，可以把星座擴展到全月覆蓋。那就是新的衛星依然采用橢圓月球凍結軌道，但遠月點位于北極上空，而不是南極，從而形成對稱保持相同軌道穩定性的星座。

因此，只要把重點覆蓋南極的軌道方案倒過來，就可以使遠月點位于北極之上，可以提供對北半球的持續覆蓋。然后，可以在兩種橢圓月球凍結軌道上都增加一顆新衛星，達到8顆衛星。通過這種方式，可以實現幾乎恒定的南極和北極覆蓋。

基于地球GNSS 的概念，標準到達時間的獨立位置、速度和時間（PVT）解決方案至少需要4 顆衛星，但是用南北橢圓月球凍結軌道星座并不總是能達到這一要求。所以歐空局研究人員提出，可以用美國宇航局的地月門戶空間站來承載無線電導航有效載荷，來提供導航服務。如果這樣，會使月球南極地區穩定看到4 顆衛星，因為所選空間站軌道在月球南半球上空的停留時間較長。

遠距離逆行軌道的引入

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

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

▲ 8 顆衛星能實現對南極的不間斷覆蓋

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

如果接收機周圍有發射測距信號的地面信標，見到3 顆衛星，足以求出位置解。因此，如果有4 顆衛星在南極橢圓月球凍結軌道，4 顆衛星在北極橢圓月球凍結軌道，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%的覆蓋時間。北半球緯度60°至90°之間的區域至少可以覆蓋90%的時間。但是，赤道地區的覆蓋率只有40%。在遠距離逆行軌道中增加2 顆或3 顆衛星后，赤道周圍地區的能見度可以得到顯著提高。如果總共有11 或12顆衛星，那么全月至少有70%的時間可以見到3 顆衛星（遠距離逆行軌道上部署2 顆衛星），甚至是80%（遠距離逆行軌道上部署3 顆衛星）。這也凸顯了月表信標將帶來的好處。

基于上述結果，逐步部署月球導航系統似乎是合理的。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 衛星的重要性可以穩步降低；雖然僅基于地球GNSS 衛星的解決方案能夠滿足地月轉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，有必要進行額外的測距“增強”。

如果把導航定位重點放在南極，那么在2030 年前要實施大量飛行任務。

在月球導航這個問題上，歐空局已經走在了前面。這個航天機構除了開展大量理論研究之外，已經把研究推進到了工程研制階段。相信2025年的飛行將給人們帶來一個明確的結論。地球GNSS 在月球附近能發揮什么作用？后續的月球導航應該向哪個方向推進？如果月球導航能夠實現，那么無論是月球探索還是資源開發，都會比現在方便得多。

▲ “月光”計劃導航的服務對象