美日的月球导航计划

文/松堂

除了欧空局的“月光”计划外，美国和日本也在开展关于月球导航的计划。

美国宇航局的“月神网”

美国宇航局正在实施阿尔忒弥斯计划，在重返月球之后，打算在月球上建立长期基地，进而实施广泛深入的月球表面探索。为此，需要建立新的、更强大的通信、导航和网络能力。美国宇航局提出建立“月神网”（LunaNet）架构来满足这些需求，提供4 种不同的服务：网络、导航、探测和信息以及无线电/光学科学服务。

具体到月球导航，LunaNet 要建立不依赖地球的数据处理能力，实现高精度导航定位，为各种月球任务定轨、制导和表面定位测量，同时服务于绕月飞行和月表自主导航。

月球导航卫星只是LunaNet 导航功能的一部分。LunaNet 首先考虑的导航定位手段是辐射测量、光学测量和激光测高。利用电磁传输的特性，测量航天器相对于月球的距离和速度。其中辐射测量和光学测量，分别使用其无线电链路和红外光通信链路，测量航天器与月球表面天线或其他航天器之间的距离和速度。在激光测高和空间激光测距中，航天器或地面测量设备要主动发射激光，通过反射信号来判断距离。

其次考虑的是天文导航，利用明亮天体（如恒星、卫星和行星）的信号，确定航天器的方向，并可以用相对角度来测量自己与它们的距离。在向月球降落的过程中，采用地形相对导航方式，靠相机图像和计算机处理来识别已知的月球表面特征，计算航天器的飞行路线。

美国宇航局把这项任务外包给了意大利航天局，称为月球GNSS 接收机实验（LuGRE），将采用美国萤火虫航天公司提供的商业载荷服务前往月球危海，对相关能力做演示和完善，为后续系统的发展做准备。

▲ 月球表面活动需要大量导航服务

上述导航能力如果实现，可以在不依靠地球支持的情况下，实现月球航天器的自主导航。这不仅减轻了地面的负担，更重要的是可以自主响应动态事件。地球到月球的通信延迟虽然只有秒级，但是在高速运动过程中，也不可能靠地面遥控来实现航天器控制。有了自主导航之后，月球航天器或者月表机器人的运行，就可以实现自主控制了。

美国宇航局兰利研究中心的科学家开发了月球导航技术，叫做反向星历技术。在GNSS 系统中，卫星要把星历发射给地球上的接收机。所以，GNSS 卫星上要安装三四个原子钟，来生成精确的时间信息，在导航电文中发射出去。兰利中心的想法是反其道而行之，把月面终端变成发射机，向绕月飞行的卫星发射星历，卫星则作为具备已知星历表的参考物体。这简化了卫星的设计要求，并减轻了GNSS 类型卫星导航系统中可能出现的中断。该设计考虑，在月球表面设置S 波段发射机，在椭圆月球冻结轨道上设置3 颗卫星的星座，卫星携带模拟转换转发器，可以同时为300 个用户提供连续覆盖和服务，带宽超过1.8 MHz。

美军情机构的月球导航探索

不但是科研机构，连美国的军事情报机构如今也对月球导航有兴趣。而且，他们走得比月球导航更远，已经开始考虑月球电子地图了。

美国国家地理空间情报局（NGA）正在开发月球参考框架——本质上是支持类似GPS 的月球测绘基础设施。

NGA 主任弗兰克·惠特沃斯中将在2023 年5 月22 日的地理空间情报会议上说：“我们正在与美国宇航局、美国地质调查局、美国太空军和美国太空司令部合作开发一种月球大地测量系统，该系统将像GPS 在地球上一样，准确安全地引导未来的探索者在月球表面导航。”

月球参考框架将发挥与世界大地测量系统类似的功能，该系统将提供精确和准确的纬度、经度和时间数据。据说，这是为了开发月球经济而服务的。

▲ 通过月球导航卫星中继地球导航信号

最近几年，美国国防部对月球行动越来越积极，空军研究实验室和国防高级研究计划局启动了许多计划，探索在月球环境如何开展卫星遥感和后勤。

NGA 数据来源和运营管理局局长詹姆斯·格里菲斯表示，“月球与地球非常不同，我们知道需要什么类型的数据，但不一定知道如何在月球环境中采集数据，因为现有的工具不是为月球而构建的。因此，从现在到实际开发出参考框架，还有很多探索性工作要做。”

至于时间表，格里菲斯表示，现在还无可奉告。

日本的月球导航设想

日本研究人员同样在关心月球导航技术问题。2022 年，日本宇宙航空研究开发机构提出了月球导航卫星系统的理念，预计在2028 年实施。这个理念更接近于GPS。卫星分为两类，第一类是椭圆月球冻结轨道卫星，在两个轨道面上各部署4 颗，用来实施导航电文的播发；另一类是地月通信中继卫星，部署在月球静止轨道上，用来帮助地面站实施导航校正。卫星的远月点位于月球南极上空，因此能对这个可能存在水冰的区域做重点覆盖，支持舱外航天员、机器人月球车的活动，定位精度优于40 米。日本宇宙航空研究开发机构设想的月面活动一般持续不超过8 个小时，考虑到备份，那么需要提供24 小时的不间断覆盖来支持一次月面活动。

月球静止轨道上的中继卫星，能够在地月之间提供10 兆比特/秒的通信带宽，确保地球和月球导航卫星之间能建立通信联系，这样就可以对导航卫星上的原子钟和星历进行校准。

当然，作为美国的追随者，日本宇宙航空研究开发机构的这个系统是不可能“独立”的，该系统充分考虑了与美国宇航局的LunaNet和欧空局“月光”系统的兼容互操作。其实，日本宇宙航空研究开发机构的想法和欧空局的“月光”计划是十分相似的。