月球版GPS怎么建？北郵團(tuán)隊(duì)提出新方法

當(dāng)嫦娥六號(hào)帶著月球背面的珍貴樣本順利返回地球，當(dāng)國(guó)際月球科研站的規(guī)劃藍(lán)圖逐漸清晰，人類(lèi)探索月球的腳步正從 “探訪” 邁向 “定居”。但你有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在月球上，我們用什么導(dǎo)航？地球的 GPS 和北斗系統(tǒng)信號(hào)難以穿透地月距離的阻隔，月球背面更是長(zhǎng)期處于通信盲區(qū)。為了解決這個(gè) “太空導(dǎo)航難題”，北京郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一套月球?qū)俚亩ㄎ幌到y(tǒng)方案來(lái)構(gòu)建 “月球版 GPS”（LGPS）

（圖片由AI生成）

PART.01

衛(wèi)星住哪兒

要建月球?qū)Ш较到y(tǒng)，首先得解決 “衛(wèi)星住哪兒” 的問(wèn)題。在地球軌道上，GPS 衛(wèi)星可以沿著近地軌道平穩(wěn)運(yùn)行，但月球所處的地月空間是一個(gè)復(fù)雜的引力場(chǎng)，衛(wèi)星軌道的選擇直接決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。過(guò)去，科學(xué)家們?cè)紤]過(guò) Halo 軌道等常見(jiàn)方案，但這類(lèi)軌道穩(wěn)定性較差，衛(wèi)星每年需要多次調(diào)整位置才能維持軌道，不僅維護(hù)成本高，對(duì)月球極區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域的覆蓋也不盡如人意。

北京郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光投向了一種名為 “近直線暈軌道（NRHO）” 的特殊軌道。這種軌道是 Halo 軌道家族中的 “優(yōu)等生”，距離月球較近且軌道面外幅值大，更重要的是它具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，能在一定程度上減少軌道維持的頻率，穩(wěn)定性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)軌道。早在 2018 年，NASA 的 “月球門(mén)戶(hù)” 任務(wù)就選擇 NRHO 作為參考軌道，2022 年 CAPSTONE 探測(cè)器成功進(jìn)入該軌道并穩(wěn)定運(yùn)行 6 個(gè)月，充分驗(yàn)證了其可靠性。

L1 和 L2 Halo 軌道和 NRHO

NRHO 之所以成為月球?qū)Ш降睦硐脒x擇，關(guān)鍵在于它的空間幾何優(yōu)勢(shì)。地月系統(tǒng)存在 5 個(gè)特殊的平動(dòng)點(diǎn)，NRHO 就分布在 L?和 L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)附近，分為南北兩個(gè)軌道族。其中 L? NRHO 的近月點(diǎn)半徑在 1850 至 17350 公里之間，軌道周期 6 到 10 天；L? NRHO 的近月點(diǎn)半徑更寬，從 900 公里延伸到 19000 公里，周期為 8 到 10 天。這種布局讓衛(wèi)星既能近距離 “觀察” 月球表面，又能借助地月引力平衡保持軌道穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)全球覆蓋打下基礎(chǔ)。

地月三體系統(tǒng)的平動(dòng)點(diǎn)

PART.02

衛(wèi)星怎么擺

解決了軌道問(wèn)題，接下來(lái)是 “衛(wèi)星怎么擺” 的構(gòu)型設(shè)計(jì)。科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了單軌 4 星、雙軌 8 星和四軌 16 星三種方案，通過(guò)仿真分析不同構(gòu)型的導(dǎo)航性能。單軌 4 星方案雖然簡(jiǎn)單，但存在明顯短板 —— 只能覆蓋軌道同側(cè)的極區(qū)，對(duì)另一側(cè)極區(qū)則完全不可見(jiàn)，比如 L?北族 NRHO 的 4 星星座無(wú)法覆蓋月球南極，覆蓋率為零，顯然滿(mǎn)足不了全球?qū)Ш叫枨蟆?/p>

雙軌 8 星方案通過(guò)兩種組合方式優(yōu)化覆蓋效果：一種是在同一平動(dòng)點(diǎn)部署南北對(duì)稱(chēng)的兩個(gè) NRHO，形成 “X” 形構(gòu)型，能同時(shí)覆蓋南北兩極，低緯度區(qū)域的覆蓋率可達(dá) 100%；另一種是在 L?和 L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)部署同側(cè)軌道，雖然仍無(wú)法覆蓋對(duì)側(cè)極區(qū)，但能顯著提升同側(cè)極區(qū)的定位精度，GDOP 值（幾何精度因子，數(shù)值越小精度越高）可降至 3 以?xún)?nèi)。這兩種方案各有側(cè)重，為最終的最優(yōu)構(gòu)型提供了重要參考。

經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真驗(yàn)證，四軌 16 星構(gòu)型脫穎而出，成為 LGPS 的理想方案。這個(gè)方案巧妙融合了雙軌方案的優(yōu)點(diǎn)，在 L?和 L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)的南北族 NRHO 上各部署 4 顆衛(wèi)星，形成一個(gè)全方位的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果顯示，這種構(gòu)型能實(shí)現(xiàn)月球表面 100% 區(qū)域覆蓋，所有觀測(cè)點(diǎn)的最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)都達(dá)到 6 顆，完全滿(mǎn)足定位需求。此外，當(dāng) NRHO 的近月點(diǎn)半徑選擇 12000 公里時(shí)，系統(tǒng)的 GDOP 值可穩(wěn)定在 3 以?xún)?nèi)，甚至優(yōu)于傳統(tǒng) Halo 軌道 24 星構(gòu)型的定位精度，真正實(shí)現(xiàn)了 “少衛(wèi)星、高精度” 的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這套系統(tǒng)的定位原理與地球 GPS 類(lèi)似，但針對(duì)月球環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。衛(wèi)星通過(guò)向月面發(fā)送信號(hào)，用戶(hù)設(shè)備接收至少 4 顆衛(wèi)星的偽距數(shù)據(jù)后，通過(guò)構(gòu)建方向余弦矩陣和求解誤差方程，就能計(jì)算出精確位置。科研團(tuán)隊(duì)采用圓型限制性三體問(wèn)題（CRTBP）模型，充分考慮了地月引力場(chǎng)的復(fù)雜影響，確保定位算法的準(zhǔn)確性。在 50 天的仿真周期內(nèi)，無(wú)論是赤道、中緯度區(qū)域，還是曾難以覆蓋的南極、北極地區(qū)，系統(tǒng)都能保持穩(wěn)定的定位性能，覆蓋率和精度均滿(mǎn)足未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)的要求。

PART.03

太空應(yīng)用

隨著月球開(kāi)發(fā)進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段，LGPS 的應(yīng)用價(jià)值將日益凸顯，尤其是在太空采礦領(lǐng)域。月球上蘊(yùn)藏著豐富的氦 - 3、稀土元素等寶貴資源，這些資源是未來(lái)太空探索和地球能源轉(zhuǎn)型的重要支撐，但月球表面地形復(fù)雜，采礦設(shè)備的精準(zhǔn)導(dǎo)航是高效開(kāi)采的前提。有了 LGPS，無(wú)人采礦車(chē)可以在月球表面精準(zhǔn)定位礦點(diǎn)位置，規(guī)劃最優(yōu)行駛路線，避開(kāi)隕石坑等危險(xiǎn)區(qū)域；采礦設(shè)備與月球基地之間的物資運(yùn)輸也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航監(jiān)控，確保運(yùn)輸安全高效。

原文參考

晉守聰, 程潏, 劉磊, 陳鋼. 基于NRHO的月球全球定位系統(tǒng)星座研究[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2025, 45(2): 317-327. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0151

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本文轉(zhuǎn)載自“太空采礦”，原標(biāo)題《月球版GPS怎么建？北郵團(tuán)隊(duì)提出新方法》。

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