► 文 观察者网 严珊珊
据香港英文媒体《南华早报》7月14日报道，中国科学家近日提出了一项设计方案，拟建立一个类似于北斗导航系统的能够服务于全月面的通信导航星座。
报道援引6月在《中国空间科学技术》上发表的论文《近月空间星座轨道设计方法》介绍了这一研究进展，该文作者为来自北京空间飞行器总体设计部的陈诗雨、倪彦硕以及中国航天科技集团五院嫦娥八号探测器系统总设计师彭兢。
中国研究团队综合考虑了中继通信、月面导航、星座建设及维护成本三个方面的各项指标，提出了由21颗卫星组成的近月空间导航星座设想方案，旨在采用可持续和成本效益好的方式，为人类在月球长期、高密度的探测活动提供长时间的高精度导航。
《南华早报》提到，虽然该论文没有给出具体建设时间表，但中国探月工程的初步方案和国际月球科研站的规划已经公布：中国计划在2030年之前将航天员送上月球，并在2035年前以月球南极为核心，建成功能基本齐备、要素基本配套的国际月球科研站，2045年前建成拓展型。
据该论文介绍，月球南极对地球仰角极小，易被月面环形山遮挡，难以保证直接对地的测控通信链路。而月球背面由于被月球遮挡，也无法通过地基测控系统实现测控通信。因此，需要在包括地月L1、L2平动点的近月空间部署中继卫星，辅助月球南极极区和背面对地测控通信。
“近月空间导航星座可为月面移动、着陆和起飞等任务提供实时高精度导航定位，是支持人类在月球长期、高密度的探测活动所必要的基础保障。”文章写道。
《南华早报》在梳理该论文的研究方案时提到，目前在地球表面或近地空间，全球导航卫星系统正在被广泛运用，比如美国的全球定位系统（GPS）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）应用都很广，为用户提供全天候、高精度的定位、导航等服务。
报道介绍称，全球导航卫星系统通常由20-35颗卫星组成，精度通常达到几米，用户能够利用至少四颗卫星的信号组合来定位和获取时间信息。北京空间飞行器总体设计部研究团队的月面导航方案也与此类似，导航时要求至少4颗卫星同时对目标可见。
该研究提出一种近月空间星座建设路线，分三个阶段逐步实现全月的100%四重覆盖（四重覆盖率指星座中至少存在4颗星同时对目标可见的时间占比），三阶段分别如下：
第一阶段，部署2颗椭圆冻结轨道卫星，可为月球南极极区提供全时对地中继通信，实现月球南极极区100%一重覆盖；
第二阶段，部署6颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L2晕轨道卫星，可为月球南极极区提供全时导航定位，同时实现月球极区及月球背面100%一重覆盖，使全月任一位置的探测器或人类均可全时对地通信；
第三阶段，部署4颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L1晕轨道卫星、3颗远距离逆行轨道卫星，实现全月100%四重覆盖，可为全月任一位置的探测器或人类提供全时导航定位。
研究团队表示，后续研究中将结合轨道参数优化技术，形成更加系统的近月空间星座优化方法，对轨道类型等离散变量和轨道参数等连续变量进行全局优化，从而得到理论上最优的星座构型。
近年来，近月空间星座建设正在成为航天研究的热点方向。中国先后于2018年和2024年发射了“鹊桥一号”和“鹊桥二号”中继星，为多项探月任务提供中继通信支持。
据微信公众号“中国的航天”此前介绍，“鹊桥二号”中继星采用环月大椭圆冻结轨道作为使命轨道。由于月球外形结构不规则，靠近月球飞行的航天器受到月球引力等因素作用，飞行轨道易产生偏差。环月大椭圆冻结轨道是处于稳定状态的环月轨道，航天器在该轨道飞行，能够使飞行轨道的偏差最小化。
与此同时，美国、欧洲和日本也纷纷提出了建设月球通信导航星座的计划。
2020年，美国国家航空航天局（NASA）为支撑“阿尔忒弥斯”计划提出了“月球网”（LunaNet）架构，用于短期内满足月球南极探测和月球背面探测的通信需求，由2-3颗椭圆冻结轨道上的中继星和近直线晕轨道上的Gateway空间站提供中继通信服务。
当地时间2022年11月16日，美国佛罗里达州，阿尔忒弥斯1号空间发射系统火箭，连同猎户座太空舱，在卡纳维尔角的美国宇航局肯尼迪航天中心发射。阿尔忒弥斯1号任务将发射无人航天器绕月飞行，以测试航天器的推进、导航和动力系统，为之后的月球表面载人任务做准备。视觉中国
欧洲也在全面推进月球通信服务计划。2021年，欧洲航天局（ESA） 发布“月光”计划，提出将在2027年前后建成可持续服务的月球共享通信与导航系统（LCNS），并计划于2025年发射首发“月球探路者”（Lunar Pathfinder）卫星，在椭圆冻结轨道上开展技术验证。
2022年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提出了月球导航卫星系统（LNSS），计划在椭圆轨道上部署8颗卫星，可为月球南极探测器提供中继通信和导航定位服务。
来源|观察者网
