美日的月球導航計劃

文/松堂

除了歐空局的“月光”計劃外，美國和日本也在開展關于月球導航的計劃。

美國宇航局的“月神網”

美國宇航局正在實施阿爾忒彌斯計劃，在重返月球之后，打算在月球上建立長期基地，進而實施廣泛深入的月球表面探索。為此，需要建立新的、更強大的通信、導航和網絡能力。美國宇航局提出建立“月神網”（LunaNet）架構來滿足這些需求，提供4 種不同的服務：網絡、導航、探測和信息以及無線電/光學科學服務。

具體到月球導航，LunaNet 要建立不依賴地球的數據處理能力，實現高精度導航定位，為各種月球任務定軌、制導和表面定位測量，同時服務于繞月飛行和月表自主導航。

月球導航衛星只是LunaNet 導航功能的一部分。LunaNet 首先考慮的導航定位手段是輻射測量、光學測量和激光測高。利用電磁傳輸的特性，測量航天器相對于月球的距離和速度。其中輻射測量和光學測量，分別使用其無線電鏈路和紅外光通信鏈路，測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。在激光測高和空間激光測距中，航天器或地面測量設備要主動發射激光，通過反射信號來判斷距離。

其次考慮的是天文導航，利用明亮天體（如恒星、衛星和行星）的信號，確定航天器的方向，并可以用相對角度來測量自己與它們的距離。在向月球降落的過程中，采用地形相對導航方式，靠相機圖像和計算機處理來識別已知的月球表面特征，計算航天器的飛行路線。

美國宇航局把這項任務外包給了意大利航天局，稱為月球GNSS 接收機實驗（LuGRE），將采用美國螢火蟲航天公司提供的商業載荷服務前往月球危海，對相關能力做演示和完善，為后續系統的發展做準備。

▲ 月球表面活動需要大量導航服務

上述導航能力如果實現，可以在不依靠地球支持的情況下，實現月球航天器的自主導航。這不僅減輕了地面的負擔，更重要的是可以自主響應動態事件。地球到月球的通信延遲雖然只有秒級，但是在高速運動過程中，也不可能靠地面遙控來實現航天器控制。有了自主導航之后，月球航天器或者月表機器人的運行，就可以實現自主控制了。

美國宇航局蘭利研究中心的科學家開發了月球導航技術，叫做反向星歷技術。在GNSS 系統中，衛星要把星歷發射給地球上的接收機。所以，GNSS 衛星上要安裝三四個原子鐘，來生成精確的時間信息，在導航電文中發射出去。蘭利中心的想法是反其道而行之，把月面終端變成發射機，向繞月飛行的衛星發射星歷，衛星則作為具備已知星歷表的參考物體。這簡化了衛星的設計要求，并減輕了GNSS 類型衛星導航系統中可能出現的中斷。該設計考慮，在月球表面設置S 波段發射機，在橢圓月球凍結軌道上設置3 顆衛星的星座，衛星攜帶模擬轉換轉發器，可以同時為300 個用戶提供連續覆蓋和服務，帶寬超過1.8 MHz。

美軍情機構的月球導航探索

不但是科研機構，連美國的軍事情報機構如今也對月球導航有興趣。而且，他們走得比月球導航更遠，已經開始考慮月球電子地圖了。

美國國家地理空間情報局（NGA）正在開發月球參考框架——本質上是支持類似GPS 的月球測繪基礎設施。

NGA 主任弗蘭克·惠特沃斯中將在2023 年5 月22 日的地理空間情報會議上說：“我們正在與美國宇航局、美國地質調查局、美國太空軍和美國太空司令部合作開發一種月球大地測量系統，該系統將像GPS 在地球上一樣，準確安全地引導未來的探索者在月球表面導航。”

月球參考框架將發揮與世界大地測量系統類似的功能，該系統將提供精確和準確的緯度、經度和時間數據。據說，這是為了開發月球經濟而服務的。

▲ 通過月球導航衛星中繼地球導航信號

最近幾年，美國國防部對月球行動越來越積極，空軍研究實驗室和國防高級研究計劃局啟動了許多計劃，探索在月球環境如何開展衛星遙感和后勤。

NGA 數據來源和運營管理局局長詹姆斯·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據，但不一定知道如何在月球環境中采集數據，因為現有的工具不是為月球而構建的。因此，從現在到實際開發出參考框架，還有很多探索性工作要做。”

至于時間表，格里菲斯表示，現在還無可奉告。

日本的月球導航設想

日本研究人員同樣在關心月球導航技術問題。2022 年，日本宇宙航空研究開發機構提出了月球導航衛星系統的理念，預計在2028 年實施。這個理念更接近于GPS。衛星分為兩類，第一類是橢圓月球凍結軌道衛星，在兩個軌道面上各部署4 顆，用來實施導航電文的播發；另一類是地月通信中繼衛星，部署在月球靜止軌道上，用來幫助地面站實施導航校正。衛星的遠月點位于月球南極上空，因此能對這個可能存在水冰的區域做重點覆蓋，支持艙外航天員、機器人月球車的活動，定位精度優于40 米。日本宇宙航空研究開發機構設想的月面活動一般持續不超過8 個小時，考慮到備份，那么需要提供24 小時的不間斷覆蓋來支持一次月面活動。

月球靜止軌道上的中繼衛星，能夠在地月之間提供10 兆比特/秒的通信帶寬，確保地球和月球導航衛星之間能建立通信聯系，這樣就可以對導航衛星上的原子鐘和星歷進行校準。

當然，作為美國的追隨者，日本宇宙航空研究開發機構的這個系統是不可能“獨立”的，該系統充分考慮了與美國宇航局的LunaNet和歐空局“月光”系統的兼容互操作。其實，日本宇宙航空研究開發機構的想法和歐空局的“月光”計劃是十分相似的。