【文/觀察者網(wǎng) 嚴珊珊】據(jù)香港英文媒體《南華早報》7月14日報道，中國科學家近日提出了一項設計方案，擬建立一個類似于北斗導航系統(tǒng)的能夠服務于全月面的通信導航星座。
報道援引6月在《中國空間科學技術》上發(fā)表的論文《近月空間星座軌道設計方法》介紹了這一研究進展，該文作者為來自北京空間飛行器總體設計部的陳詩雨、倪彥碩以及中國航天科技集團五院嫦娥八號探測器系統(tǒng)總設計師彭兢。
中國研究團隊綜合考慮了中繼通信、月面導航、星座建設及維護成本三個方面的各項指標，提出了由21顆衛(wèi)星組成的近月空間導航星座設想方案，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航。
《南華早報》提到，雖然該論文沒有給出具體建設時間表，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
“近月空間導航星座可為月面移動、著陸和起飛等任務提供實時高精度導航定位，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)正在被廣泛運用，比如美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）和中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）應用都很廣，為用戶提供全天候、高精度的定位、導航等服務。
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計部研究團隊的月面導航方案也與此類似，導航時要求至少4顆衛(wèi)星同時對目標可見。
2024年6月25日，嫦娥六號返回器準確著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預定區(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航定位。
研究團隊表示，后續(xù)研究中將結(jié)合軌道參數(shù)優(yōu)化技術，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月球通信導航星座的計劃。
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。
當?shù)貢r間2022年11月16日，美國佛羅里達州，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號任務將發(fā)射無人航天器繞月飛行，以測試航天器的推進、導航和動力系統(tǒng)，為之后的月球表面載人任務做準備。視覺中國
歐洲也在全面推進月球通信服務計劃。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)服務的月球共享通信與導航系統(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)軌道上開展技術驗證。
2022年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(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航定位服務。
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