【文/觀察者網(wǎng) 嚴(yán)珊珊】據(jù)香港英文媒體《南華早報》7月14日報道，中國科學(xué)家近日提出了一項設(shè)計方案，擬建立一個類似于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的能夠服務(wù)于全月面的通信導(dǎo)航星座。
報道援引6月在《中國空間科學(xué)技術(shù)》上發(fā)表的論文《近月空間星座軌道設(shè)計方法》介紹了這一研究進(jìn)展，該文作者為來自北京空間飛行器總體設(shè)計部的陳詩雨、倪彥碩以及中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥八號探測器系統(tǒng)總設(shè)計師彭兢。
中國研究團(tuán)隊綜合考慮了中繼通信、月面導(dǎo)航、星座建設(shè)及維護(hù)成本三個方面的各項指標(biāo)，提出了由21顆衛(wèi)星組成的近月空間導(dǎo)航星座設(shè)想方案，旨在采用可持續(xù)和成本效益好的方式，為人類在月球長期、高密度的探測活動提供長時間的高精度導(dǎo)航。
《南華早報》提到，雖然該論文沒有給出具體建設(shè)時間表，但中國探月工程的初步方案和國際月球科研站的規(guī)劃已經(jīng)公布：中國計劃在2030年之前將航天員送上月球，并在2035年前以月球南極為核心，建成功能基本齊備、要素基本配套的國際月球科研站，2045年前建成拓展型。
論文截圖
據(jù)該論文介紹，月球南極對地球仰角極小，易被月面環(huán)形山遮擋，難以保證直接對地的測控通信鏈路。而月球背面由于被月球遮擋，也無法通過地基測控系統(tǒng)實現(xiàn)測控通信。因此，需要在包括地月L1、L2平動點的近月空間部署中繼衛(wèi)星，輔助月球南極極區(qū)和背面對地測控通信。
地月拉格朗日點，鵲橋一號中繼星就在L2點的暈軌道，而鵲橋二號則在繞月軌道澎湃新聞
“近月空間導(dǎo)航星座可為月面移動、著陸和起飛等任務(wù)提供實時高精度導(dǎo)航定位，是支持人類在月球長期、高密度的探測活動所必要的基礎(chǔ)保障。”文章寫道。
《南華早報》在梳理該論文的研究方案時提到，目前在地球表面或近地空間，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)正在被廣泛運(yùn)用，比如美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）應(yīng)用都很廣，為用戶提供全天候、高精度的定位、導(dǎo)航等服務(wù)。
報道介紹稱，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)通常由20-35顆衛(wèi)星組成，精度通常達(dá)到幾米，用戶能夠利用至少四顆衛(wèi)星的信號組合來定位和獲取時間信息。北京空間飛行器總體設(shè)計部研究團(tuán)隊的月面導(dǎo)航方案也與此類似，導(dǎo)航時要求至少4顆衛(wèi)星同時對目標(biāo)可見。
2024年6月25日，嫦娥六號返回器準(zhǔn)確著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域，工作正常，實現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回。視覺中國
該研究提出一種近月空間星座建設(shè)路線，分三個階段逐步實現(xiàn)全月的100%四重覆蓋（四重覆蓋率指星座中至少存在4顆星同時對目標(biāo)可見的時間占比），三階段分別如下：
第一階段，部署2顆橢圓凍結(jié)軌道衛(wèi)星，可為月球南極極區(qū)提供全時對地中繼通信，實現(xiàn)月球南極極區(qū)100%一重覆蓋；
第二階段，部署6顆橢圓凍結(jié)軌道衛(wèi)星、2顆近直線暈軌道衛(wèi)星、1顆L2暈軌道衛(wèi)星，可為月球南極極區(qū)提供全時導(dǎo)航定位，同時實現(xiàn)月球極區(qū)及月球背面100%一重覆蓋，使全月任一位置的探測器或人類均可全時對地通信；
第三階段，部署4顆橢圓凍結(jié)軌道衛(wèi)星、2顆近直線暈軌道衛(wèi)星、1顆L1暈軌道衛(wèi)星、3顆遠(yuǎn)距離逆行軌道衛(wèi)星，實現(xiàn)全月100%四重覆蓋，可為全月任一位置的探測器或人類提供全時導(dǎo)航定位。
研究團(tuán)隊表示，后續(xù)研究中將結(jié)合軌道參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，形成更加系統(tǒng)的近月空間星座優(yōu)化方法，對軌道類型等離散變量和軌道參數(shù)等連續(xù)變量進(jìn)行全局優(yōu)化，從而得到理論上最優(yōu)的星座構(gòu)型。
近年來，近月空間星座建設(shè)正在成為航天研究的熱點方向。中國先后于2018年和2024年發(fā)射了“鵲橋一號”和“鵲橋二號”中繼星，為多項探月任務(wù)提供中繼通信支持。
據(jù)微信公眾號“中國的航天”此前介紹，“鵲橋二號”中繼星采用環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道作為使命軌道。由于月球外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則，靠近月球飛行的航天器受到月球引力等因素作用，飛行軌道易產(chǎn)生偏差。環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道是處于穩(wěn)定狀態(tài)的環(huán)月軌道，航天器在該軌道飛行，能夠使飛行軌道的偏差最小化。
2024年3月20日，海南文昌，搭載探月工程四期鵲橋二號中繼星的長征八號遙三運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場點火升空。視覺中國
與此同時，美國、歐洲和日本也紛紛提出了建設(shè)月球通信導(dǎo)航星座的計劃。
2020年，美國國家航空航天局（NASA）為支撐“阿爾忒彌斯”計劃提出了“月球網(wǎng)”（LunaNet）架構(gòu)，用于短期內(nèi)滿足月球南極探測和月球背面探測的通信需求，由2-3顆橢圓凍結(jié)軌道上的中繼星和近直線暈軌道上的Gateway空間站提供中繼通信服務(wù)。
當(dāng)?shù)貢r間2022年11月16日，美國佛羅里達(dá)州，阿爾忒彌斯1號空間發(fā)射系統(tǒng)火箭，連同獵戶座太空艙，在卡納維爾角的美國宇航局肯尼迪航天中心發(fā)射。阿爾忒彌斯1號任務(wù)將發(fā)射無人航天器繞月飛行，以測試航天器的推進(jìn)、導(dǎo)航和動力系統(tǒng)，為之后的月球表面載人任務(wù)做準(zhǔn)備。視覺中國
歐洲也在全面推進(jìn)月球通信服務(wù)計劃。2021年，歐洲航天局（ESA） 發(fā)布“月光”計劃，提出將在2027年前后建成可持續(xù)服務(wù)的月球共享通信與導(dǎo)航系統(tǒng)（LCNS），并計劃于2025年發(fā)射首發(fā)“月球探路者”（Lunar Pathfinder）衛(wèi)星，在橢圓凍結(jié)軌道上開展技術(shù)驗證。
2022年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）提出了月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（LNSS），計劃在橢圓軌道上部署8顆衛(wèi)星，可為月球南極探測器提供中繼通信和導(dǎo)航定位服務(wù)。
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