“月光”计划告诉你，月球导航如何实现

文/迟惑

随着各航天国家对月球探索的热情越来越高，怎样才能安全快捷地在月球表面和月球附近活动，正在成为新的热点。人类要开展一项活动，时间、位置信息是必不可少的。在地球上，我们已经习惯了靠导航卫星与其他技术相结合确定自己位置、方向和当前时间信息，这为我们带来了巨大的便利。那么，在月球上是不是也能享受到类似的服务呢？根据有关航天机构科研人员的计算，在月球上建立类似地球上的GNSS 系统后，这是完全可以做到的。

小知识：GNSS 是指能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度及时间信息的空基无线电导航定位系统。我国的北斗导航系统、美国的GPS、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统都属于GNSS 的一种。GNSS 主要由空间卫星星座、地面控制站和接收机三部分组成。

基于伽利略系统的“月光”计划

欧空局近些年来一直在考虑自己的月球导航方式。他们的想法。是充分利用伽利略系统的信号。伽利略系统的主要信号功率是向地球发射的，但是有一部分能量会辐射到深空。

伽利略卫星是绕地球旋转飞行的，在有些时候，卫星会位于月球-地球连线的远端，发射的信号超越地球之后，会抵达月球所在的空间。按理说，当这些信号到达月球时，它们已经跨越了20 多倍于设计轨道高度的距离，信号已经非常微弱了，只有常规地面用户接收到卫星导航信号的数百万分之一，相当于用一对汽车前灯去照射整个欧洲。

更困难的是，卫星导航星座不是为了向太空发射信号而设计的，所以必须依赖于旁瓣信号。但即使这样困难，天基卫星导航专家也开发出了独特的信号处理技术，表明伽利略系统用于月球导航是有希望的。为此，欧空局展开了名为“月光”计划的研究。

▲“月光”计划的LOGO

▲伽利略卫星对月球的导航潜能

“月球导航”样机

为了探索“月光”计划的具体实现方式，欧空局启动了“月球导航”（NaviMoon）硬件研制，试图用上面所说的微弱信号来实现月球附近的导航。

有关解决方案是一个动态软件模型，考虑到了作用在卫星上的所有扰动因素，包括月球、地球、太阳和行星的引力影响，太阳光压，以及时钟误差和无线电信号方向等因素。通常，卫星导航接收机需要来自4 颗卫星的信号来定位，但使用新的软件模型，即使少于4 颗卫星也足以获得有用的信息，从而限制误差漂移。

▲ 月球导航接收机的样机

▲ “月光”计划导航样机送到英国萨利公司准备集成

NaviMoon 接收机由瑞士SpacePNT 公司负责研制。该公司负责人表示：“我们早在2013 年就开始研究月球卫星导航定位的想法。伽利略卫星双频信号与现有GPS 卫星的双频信号相结合，让我们看到了可能性。除了需要极高的接收机灵敏度外，另一个大问题是，从月球上看，所有导航卫星都处于地球周围的一个狭窄几何形状中，还周期性地被地球挡住离开视野。

这套接收机的核心，信号放大器是一款高端定制双工器，覆盖双频卫星导航频段，结合散热器技术以进一步降低不必要的噪音。

第一套NaviMoon 重量只有1.4千克，在洁净室组装和测试后，交付英国萨里卫星技术有限公司，集成在该公司制造的月球探路者卫星上。这颗卫星的主要任务是通过S波段和UHF 链路与月球表面和月球轨道上的卫星建立联系，与地球建立X 波段链路，为月球任务提供成本合理的通信服务。这颗卫星将于2025 年发射。

“月球探路者”入轨之后，将有固定的试验时间，把卫星定向到地球，来测试NaviMoon 接收器。这个设备测量到的导航定位信息，将与另外两个定位信号相比较，包括X 波段发射器进行的传统无线电测距，以及美国宇航局提供、KBR 公司开发的后向反射器激光测距。

▲ “月光”计划探路者卫星

▲ 月球探路者卫星的服务模式

▲ “月光”计划原理图

欧空局的导航工程师解释，“月球激光测距有着悠久的历史，可以追溯到阿波罗任务，我们使用的后向反射器是从美国宇航局月球勘测轨道器演变而来的。所有测距技术的结合将进一步改善轨道测量，可能超出无线电测距所能达到的水平。原则上，这可能意味着未来的任务可以在没有地面帮助的情况下，仅使用卫星导航信号，自主导航到月球。

详解“月光”

欧空局对月光计划进行了比较深入的研究。早在2020 年，欧空局的几位科研人员就发表论文，讨论了专用月球PNT 系统的实现方式。

（小知识：PNT 系统指的是综合定位导航授时系统。就是以卫星导航作为核心和基础，把现在认知里的各种技术融合在一起，使之更安全、更高性能、更可靠。PNT 系统是GNSS系统提供的，但是PNT 的范畴比GNSS 要更广泛。）

这次研究为两部分，首先介绍了如何利用现有的GNSS 星座建立初始系统，然后通过专用的月球轨道卫星和月球信标测距源进行扩充，实现一个完全自主的月球导航系统。

按照欧空局的认识，新月球经济已经浮现，这是一个由航天机构、私营公司和公私伙伴关系组成的新经济生态，涉及到机器人、人员住舱和地月空间运输。所有计划中的任务都有相似的导航和通信需求，如果能建立一个专用的月球导航定位授时系统，可以有效地满足这些需求。

月球增强

理论上说，建立一个环绕月球运行的导航卫星系统才能最终解决月球表面乃至近月空间的导航问题，但短期内这还是不现实的。所以，还是要考虑用现有条件来实现月球导航，其中就包括地球GNSS 系统。此外，鉴于实现自主着陆和月球车导航所需的精度和可用性，只靠围绕地球运行的GNSS 系统信号是不够的。

目前，用于月球任务的导航依赖于探测器本身的传感器组合，以及与地球测控团队的互动，这限制了探测器的自主导航能力，必须考虑地月之间的通信延迟。对于月球背面，难度就更大了。如果建立专用的月球导航系统，可以大大改善目前月球探测器测控方法。允许在没有直接对地能见度的地区进行月球导航，提高全月用户定位精度，并提高整体服务可用性。

▲ 为月球南极覆盖优化的闪电轨道

在地球上，卫星导航经历了一个只有卫星到卫星配合地面增强的阶段。所以欧空局提出，月球导航一开始就要考虑月球轨道卫星和月球表面静态测距信标的组合。

南极覆盖

“月光”计划的基础，是椭圆月球冻结轨道（ELFO），这是欧空局先前几次内部研究和工业研究的主题。这个轨道并不类似于地球静止轨道，而是大椭圆轨道。它在远月点附近的飞行速度非常慢，可以长时间覆盖星下点；在近月点的速度又非常快，可以迅速离开，回到远月点。这样一来，如果打算覆盖月球上的某个位置，把远月点选在上空就好。这与地球上的闪电轨道原理完全相同。如果把远月点选定在月球南极上空，能实现良好的长时间覆盖，不需要太多的空间位置保持，因此特别适合用于月球无线电导航系统。

欧空局选定的冻结轨道，周期是24 小时，远月点正好在月球南极上空，这样可以保证南极地区的用户在大约20 小时内看到它们，在卫星飞越北极时有4 小时的中断。学者们还分析评估了在3 个椭圆月球冻结轨道上部署一组3 颗卫星的效应。

月球PNT 信标

虽然环绕月球的卫星可以在更大的空间上进行定位，但测距信标是在月球表面某个区域进行定位的最直接手段。与卫星相比，使用信标的一个主要优点是，信标的位置不需要频繁确定。而对于月球轨道上的卫星，则需要连续精确的轨道确定。其实，地球上的导航技术演进过程也是如此，在GNSS 技术普遍使用之前，人们就是靠地面信标来导航的。古希腊时代发明的灯塔，就是一种地面信标，只不过它使用可见光来发射信号，用肉眼来识别。在无线电时代，地球上的海空导航大量使用罗兰系统。有人提出在月球上设置此类设施。如果在月球上设置信标，不仅仅可以为月表提供导航，还能支持月球导航卫星，比如说：

·向月球同步轨道飞行器同步发射测距信息（主要目的）；

▲ 覆盖月球两级的导航卫星方案

·作为轨道飞行器的参考站；

·提供本地月球表面差分导航服务；

·向月球用户提供地球导航卫星系统导航数据，以便利使用地球GNSS 系统发来的信号；

·作为多种月球测量技术的共同定位点，如激光回复反射器、地球全球导航卫星系统接收机和兼容甚长基线干涉测量的发射器，可提供更多有趣的科学可能性。

信标发射信号的可用性范围主要由可用的射频发射功率（通常称为等效全向辐射功率）、发射天线增益方向图和表面形貌决定。月球的地形具有高海拔特征，因此信标的位置将对接收终端的可用性起到重要作用。简单说，就是站得越高，作用距离越远。

而地面信标和月球轨道飞行器的结合使用将大大改善月球着陆器的定位几何结构，月球着陆器的目标是信标附近的位置，以及附近的地面用户。

可见性和几何学特征

欧空局的研究者针对两种不同的用户场景，分析了地球全球导航卫星系统信号、月球导航卫星、月球表面信标共同实现导航的效果。

·使用月球表面的静态接收机；

·处于最后下降和着陆阶段的月球着陆器。

为了进行模拟，考虑了多种因素，基本上覆盖了地球全球导航卫星系统信号传输和接收的所有方面，特别是：

·实际发射功率水平；

·逼真的3D 天线方向图；

·地球GNSS 系统卫星姿态规则；

·几何因素（包括自由空间路径损耗、地球和月球掩星）；

·接收机特性，如获取和跟踪地球GNSS 系统信号、解调导航信息数据所需的天线方向图和实际载波噪声密度比阈值。

具体的GNSS 星座状态，根据发射计划，模拟了2024 年时的状态,但是只考虑了GPS 和伽利略系统。其中，伽利略系统设置为分布在3个轨道平面上的24 颗卫星，GPS 设置为分布在6 个轨道平面上的31 颗卫星。

考虑到目前还没有对月球导航系统（LNS）卫星传输的信号进行定义，本次分析仅考虑了视线内信号。假定LNS 卫星或信标在不被月球遮挡时，用户就一定可以看到它们并收到信号。此外，研究者为月面用户考虑了一个10 度仰角掩模，以及一个用于信标发射信号的10 度仰角掩模。高于这个角度的信标或者卫星信号，都可以被接收机利用。最后假设，信标只能在阳光直射时才有电力供应，可以发射信号。

为了最大限度地降低成本、质量和功耗，研究人员假设只采用单一频率（E5a/L5）。接收机天线的指向/方向以及天线的数量因每个用户场景而异，接收机位于月球表面的静态情况，与作为月球着陆器一部分的动态情况之间存在差异。

@静态场景

第一个场景，研究在靠近南极的地面位置接收地球GNSS 系统和月球卫星的信号。连接脊的位置是月球任务的潜在着陆点和将来居住地设置点，因为这里的太阳光照条件优越（高达92.5% 的月昼）。美国月球勘测轨道器对月球南极区域地形进行了长期拍摄，选择了多个可以着陆的位置。

在这种情况下，假设用户地球GNSS 的L 频段天线始终完美地指向地球中心，接收来自LNS 卫星的信号受到地面以上10°的仰角掩模限制。这个假设是为了考虑月面地形和天线位置附近可能的山脉。

如果考虑一个月的时间段，在椭圆月球冻结轨道的3 颗卫星中，至少有一颗卫星随时可见，通常可以看到3 颗卫星。GNSS 的能见度最高可达20 颗可见卫星，但在一个月的某一段时间内（约14 天），一颗GNSS 卫星都看不见。事实上，由于月球平动，在月球南极看不到地球，也看不到GNSS 卫星。如果在模拟中考虑到该地区更真实的地形图，考虑到所选连接山脊位置的高海拔，GNSS 信号可见的确切时间段可能会增加。如果仅仅考虑GNSS 和椭圆月球冻结轨道中的3 颗卫星，那么其几何结构非常差，导致PDOP 值较高，平均值甚至达到2436，最佳情况下也只有1000，因此根本不可能直接获得地理位置。如果椭圆月球冻结轨道上部署更多卫星，PDOP 值显著提高到1.7，平均值为18.5。

（小知识：PDOP 值是指卫星分布的空间几何强度因子，一般卫星分布越好时，PDOP 值越小，一般小于3 为比较理想的状态。）

▲ GNSS 卫星服务深空导航的详解

@动态场景

在第二个场景中，接收机位于月球着陆器上，其着陆位置靠近静态场景中描述的位置。着陆通常分为几个阶段。欧空局这项研究的关注阶段通常被称为“刹车阶段”，也就是从绕月飞行急剧改变飞行方向，从平行于月面飞行改为垂直降落，并且大幅度减速。根据所选的着陆方案，该阶段的高度起点可能在15 千米～30 千米之间变化，着陆器离月面约2 千米～3千米时结束，然后只要保持方向，垂直下降到目标着陆位置就行了。

绝对位置和速度信息在制动阶段是至关重要的。在制动阶段，需要连续的高精度位置和速度信息，这样控制系统才能精确调整推力，确保该阶段结束时的最终位置离目标不太远。在最后垂直下降过程中，任何弥补位置误差的能力都要受到可用燃料量的限制。

为这项研究选择的轨道通过月球的近侧接近着陆点。因此在轨道的最后一部分，地球GNSS 可以达到预期中的最佳能见度。但是月球着陆器的姿态会有剧烈变化，不能假设它只有一个接收天线并且始终指向地球。着陆器的姿态剖面描述为一个轴指向天底点——月球中心，第二个轴指向速度方向（沿着推力器），第三个轴垂直于一二轴构成的平面。为了获得良好的GNSS 信号接收，假设在着陆器上安装了3 个不同指向方向的独立接收天线，参数都相同。

该方案还考虑了位于着陆点本身的月球信标，以便在着陆的最后阶段保证其能见度。在模拟中的最佳状态下，覆盖地球GNSS、月球信标、椭圆月球冻结轨道卫星及其组合的能见度。可见的地球GNSS 卫星数量在2～5 颗之间，大约在协调世界时11 时51 分，信标对着陆器可见。在所考虑的时间范围内，其中的3 颗卫星都是可见的，共有9 个可见测距信号源。

▲ 未来月球软着陆任务需要导航支持

这并不是说，欧空局打算只用9个信号源来实现未来月球着陆，而是通过模拟，来计算出如何去优化可见测距源的数量，从而提高整体性能。

在模拟中，为不同的星座显示了PDOP 值。地球GNSS 的PDOP值往往大于1000。由于可见卫星数量较少，通常甚至连计算PDOP 值都做不到。但是结合地球GNSS 和月面信标，PDOP 就会改善，达到低于50 的值。

月球轨道上的卫星影响更大。当地球GNSS 卫星和椭圆月球冻结轨道卫星组合定位时，PDOP 的值低于5，平均值为3.5。添加月球信标后，PDOP 的平均值为2.5。

面向全月覆盖

为了最终实现在月球和近月空间中提供PNT 服务的最终目标，需要在月球轨道上部署更多的卫星。有很多文献提出了许多解决方案来实现这一目标。但欧空局在“月光”计划里提出了一种更为保守的部署方法，分几个阶段实施，先集中保证南极的覆盖，然后逐步向全月球覆盖。因为未来10 年的许多计划将针对月球南极，明智的做法是首先确保良好服务覆盖该地区。

用3 颗卫星极低频星座可以实现这一目标，并可视为第三阶段的起点。还有一种办法，可以把星座扩展到全月覆盖。那就是新的卫星依然采用椭圆月球冻结轨道，但远月点位于北极上空，而不是南极，从而形成对称保持相同轨道稳定性的星座。

因此，只要把重点覆盖南极的轨道方案倒过来，就可以使远月点位于北极之上，可以提供对北半球的持续覆盖。然后，可以在两种椭圆月球冻结轨道上都增加一颗新卫星，达到8颗卫星。通过这种方式，可以实现几乎恒定的南极和北极覆盖。

基于地球GNSS 的概念，标准到达时间的独立位置、速度和时间（PVT）解决方案至少需要4 颗卫星，但是用南北椭圆月球冻结轨道星座并不总是能达到这一要求。所以欧空局研究人员提出，可以用美国宇航局的地月门户空间站来承载无线电导航有效载荷，来提供导航服务。如果这样，会使月球南极地区稳定看到4 颗卫星，因为所选空间站轨道在月球南半球上空的停留时间较长。

远距离逆行轨道的引入

欧空局的研究者们讨论了在经纬度方向上具有5 度空间分辨率的全月覆盖网格，并确定了一个月内所有经度（从-180°～+180°）的平均值。对于纬度在-90°～-80°之间的南极地区，98%的时间内至少可以有4颗卫星覆盖。然而，对于其他区域，特别是赤道地区，如果考虑到纬度在±20°左右的地区，至少4 颗卫星的覆盖率只有30%甚至更少。为了覆盖这些区域，还引入了另一种轨道类型，即远距离逆行轨道（DRO），这是一种极其稳定的轨道。

远距离逆行轨道中的物体绕着中心天体运行，以顺行方式运动，但受到第二个中心天体月球的扰动，看上去似乎在逆开普勒轨道上绕着第二个中心天体运行。欧空局考虑了一种距离月球45000 千米的远距离逆行轨道。

▲ 8 颗卫星能实现对南极的不间断覆盖

如果远距离逆行轨道上只有2 颗或3 颗卫星，间隔分别为180°和120°，那么月球赤道附近的可见卫星就增加到4 颗或更多，时间百分比从30%增加到55%或65%。有了这个星座，南半球从-90°到大约-40°的纬度，有至少80%的时间可以得到覆盖（对于远距离逆行轨道上有2 颗卫星而言），如果远距离逆行轨道上有3 颗卫星，甚至可以达到90%的覆盖时间。

如果接收机周围有发射测距信号的地面信标，见到3 颗卫星，足以求出位置解。因此，如果有4 颗卫星在南极椭圆月球冻结轨道，4 颗卫星在北极椭圆月球冻结轨道，加上地月门户空间站，月球南半球从-90°到-40°的纬度至少可以保证85%的覆盖时间。北半球纬度60°至90°之间的区域至少可以覆盖90%的时间。但是，赤道地区的覆盖率只有40%。在远距离逆行轨道中增加2 颗或3 颗卫星后，赤道周围地区的能见度可以得到显著提高。如果总共有11 或12颗卫星，那么全月至少有70%的时间可以见到3 颗卫星（远距离逆行轨道上部署2 颗卫星），甚至是80%（远距离逆行轨道上部署3 颗卫星）。这也凸显了月表信标将带来的好处。

基于上述结果，逐步部署月球导航系统似乎是合理的。其基本原理如下：随着月球星座的增加，最终PNT解决方案中地球GNSS 卫星的重要性可以稳步降低；虽然仅基于地球GNSS 卫星的解决方案能够满足地月转移和月球轨道用户的PNT 需求，但这不足以满足月球着陆或月球表面操作需求，有必要进行额外的测距“增强”。

如果把导航定位重点放在南极，那么在2030 年前要实施大量飞行任务。

在月球导航这个问题上，欧空局已经走在了前面。这个航天机构除了开展大量理论研究之外，已经把研究推进到了工程研制阶段。相信2025年的飞行将给人们带来一个明确的结论。地球GNSS 在月球附近能发挥什么作用？后续的月球导航应该向哪个方向推进？如果月球导航能够实现，那么无论是月球探索还是资源开发，都会比现在方便得多。

▲ “月光”计划导航的服务对象