月球中繼通信與導航技術研究進展和建議

劉磊（北京航天飛行控制中心航天飛行動力學技術重點實驗室）

月球背面、兩極和邊緣等對地不可見區(qū)域的探測或將是未來月球探測中的重點，其中繼通信與導航問題亟待解決。為此，筆者對月面中繼通信、月面定位與連續(xù)巡視的導航以及星間自主導航需求，廣泛調研月球探測的中繼通信和導航方式的國外研究進展，提出基于平動點的中繼通信和導航方式作為未來月球探測任務的通信與導航手段，并給出了后續(xù)研究建議及應用前景，可為我國后續(xù)月球及深空探測任務中的中繼通信與導航方式提供有益借鑒和參考。

1 引言

月球探測活動對于人類具有十分重要的意義，在過去50多年深空探測任務中，實施載人探測的只有月球，從技術難度和應用價值來看，未來很長一段時間內，月球探測將仍然是國際深空探測活動的一項重要內容。

從月球探測內容來看，美國和蘇聯(lián)的9次月球軟著陸和采樣返回任務均在月球正面，從而使得人類對于月球背面和兩極地區(qū)知之甚少。然而，1994年“克萊門汀”(C lem entine)探測器在月球南極發(fā)現(xiàn)了太陽系中最大最深的撞擊盆地——“艾托肯”（A itk en）盆地，1998年“月球勘探者”(Lunar Proproctor)探測器發(fā)現(xiàn)了月球南北極水冰，使得人們意識到月球兩極和背面可能蘊含豐富資源，具有更大的探測價值。美國航空航天局（NASA）空間探測構想中的10個載人登月著陸點，有6個在地面不可見的月球兩極、背面和邊緣地區(qū)。因此，這些月球對地不可見區(qū)域或將成為未來月球探測的重點，對這些不可見區(qū)域的中繼通信、月面定位和月面巡視探測的導航成為其中亟待解決的關鍵問題。同時，未來自主采樣返回和載人登月甚至月球基地建立等，將會使得地月、月地、環(huán)月、月面下降和上升，以及對接等飛行任務常規(guī)化，從而使得地面測控網壓力倍增，甚或不能滿足未來任務需要，因而未來月球探測任務必須具備自主導航能力以減輕地面測控壓力，月球探測器的自主導航由此成為未來月球探測需要解決的另一個關鍵問題。

2 研究現(xiàn)狀

在以往月球探測任務中，月球探測器各飛行階段的導航均依靠地面支持，載人登月的著陸探測點和月面下降及上升段也位于月球正面，因而月球中繼通信需求相對較小。然而，在月球兩極發(fā)現(xiàn)水冰后，月球兩極和背面等對地不可見區(qū)域蘊含的巨大探測價值凸顯，月球中繼通信與月面定位導航受到國內外學者的高度關注。從目前國外研究進展看，月球中繼通信與導航主要有利用環(huán)月軌道和基于地月平動點軌道兩種方式。

環(huán)月方式的中繼與導航

環(huán)月軌道可以實現(xiàn)全月面覆蓋，并且可與月面巡視器近距離通信，同時其軌道特性與地球衛(wèi)星近似而便于理解和應用，一直以來是月球探測中繼通信和導航定位的首要考慮手段。

在利用環(huán)月星座的中繼通信方面，為了滿足美國時任總統(tǒng)布什曾經提出的返回月球構想中的月球背面和兩極等區(qū)域的中繼定位需求，美國航空航天局進行了一系列研究：①基于7個類型和構型不同的環(huán)月星座，研究月球中繼覆蓋性能，提出可用于評估稀疏星座性能的精度因子概念，研究表明全月面覆蓋至少需要5顆衛(wèi)星。②研究4星混合星座和6星Lang-M eyer星座的月面覆蓋性能，但前者不能提供單重全月面覆蓋，而后者布設代價較高。③研究利用橢圓極月軌道作為月球南極探測的中繼通信手段，同時結合地基提供地月空間和月球附近的通信與導航。④研究低成本3星橢圓月球中繼星座，用于對月球南極的連續(xù)覆蓋。⑤研究基于高度50～400km的月球傾斜圓軌道星座和極月圓軌道星座，作為月球中繼衛(wèi)星網?？拷虑虻闹欣^衛(wèi)星獲得地面測控站信號，然后通過星間鏈路轉發(fā)給其他不同傾角的中繼衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將信號轉發(fā)給月面終端或人員，各中繼衛(wèi)星同時完成月面終端之間或者到地面測控站的信號傳輸。⑥基于月球背面和南極探測需求，研究集成月球中繼通信和科學探測的衛(wèi)星，并選取極月橢圓軌道作為中繼探測軌道。

在月面巡視導航方面，目前主要包括地面遙操作、半自主和自主3種方式。1970年前，蘇聯(lián)的月球車-1和1997年美國的“旅居者”（Sojourner）火星巡視器均為地面遙操作，2004年美國的機遇號和勇氣號火星車具備半自主能力，因此這些巡視器只能間歇運動，無法長時間連續(xù)巡視。

從發(fā)展趨勢、月面環(huán)境復雜性以及背面探測需求來看，未來月面探測必須具備支持連續(xù)巡視的自主導航能力。目前，月面巡視探測的自主導航方法主要有慣性導航、天文導航和視覺導航。慣性導航具有誤差隨時間積累的缺點；因受測量儀器精度限制，天文導航的短時精度不高，且輸出信息不連續(xù)而不能提供速度信息；視覺導航是一種相對導航，只適用于短距離的障礙檢測和路徑規(guī)劃。因此，如果要在月面長距離導航中獲得魯棒性較好、精度較高，且能滿足不同定位需要的位置信息，往往考慮中繼衛(wèi)星導航或者組合導航方法。在月球中繼通信與導航應用方面，未來還需做進一步深入研究。

在月球背面進行探測中繼的低軌衛(wèi)星

利用月球中繼衛(wèi)星和慣性設備的月面導航

基于平動點的中繼與導航

雖然環(huán)月軌道用于月球中繼通信與導航方面，具有實現(xiàn)方式較為簡單、月面距離近等優(yōu)點，但是其運動特點決定單顆衛(wèi)星無法實現(xiàn)對月球背面等不可見區(qū)域的連續(xù)通信，如果利用多顆衛(wèi)星組成星座，又會帶來測控復雜和成本增加等問題。而將中繼通信與導航衛(wèi)星放置于地月平動點，借助平動點軌道運動特性，則可以利用單顆衛(wèi)星實現(xiàn)對月球背面等不可見區(qū)域的連續(xù)通信。

（1）平動點中繼導航研究

月球自動采樣返回軌道設計

1961年，美國提出在地月平動點放置中繼通信衛(wèi)星的設想，1966年又提出了平動點導航概念，其中包括地月L2點月球中繼衛(wèi)星導航，可以提供月球背面和大范圍月面導航和通信能力，利用地月L1點進行探月任務交會對接，利用地月L4點和L5點提供深空中繼通信和導航。阿波羅-17載人登月飛船最初的著陸點就選在月球背向地球的一面，當時計劃在地月L2點附近布置一顆中繼衛(wèi)星，以支持著陸任務，后來由于經費削減，著陸點改在了月球正面，L2點中繼計劃隨之取消。不過，此后美國航空航天局依然就一些應用進行了專項研究，如利用地月系共線平動點軌道衛(wèi)星探測月球南極；利用月球背面大尺度暈軌道衛(wèi)星實現(xiàn)月球背面探測的中繼通信；利用地月暈軌道衛(wèi)星和繞月衛(wèi)星間的星-星測距實現(xiàn)自主導航等。2002年，美國研究人員利用“星際公路”（IPS）理論初步設計并計算了利用平動點暈軌道實施探月和月球取樣返回的軌道。由于計劃采樣的“艾托肯”月面盆地無法與地面直接通信，因而準備將軌道器放置于月地L2點周期軌道上，形成與地面的中繼通信鏈路。

研究表明，僅利用兩顆暈軌道衛(wèi)星即可實現(xiàn)對月球南極的連續(xù)覆蓋，3顆這樣的衛(wèi)星則可以提供冗余覆蓋。研究人員對結合“全球定位系統(tǒng)”（GPS）增強信號和地月L2點對地月轉移軌道的自主導航進行了研究，結果表明導航精度可達1km和5cm/s；并在對比平動點中繼和環(huán)月軌道中繼方式之后，認為地月平動點中繼與導航方式更適合于未來的月球和行星際探測任務。

在利用平動點的自主導航方式上，有一種以星-星跟蹤測量（SST）方式實現(xiàn)自主定軌的方法，但是這種方法只能在有限時間內實現(xiàn)定軌，時間稍長時航天器則會出現(xiàn)整體軌道漂移現(xiàn)象，因此普遍認為SST方式無法用于星間絕對定軌。后來，又提出一種行星際聯(lián)合自主導航（LiA ISON）技術，該技術基于平動點獨特的動力學特性，僅利用SST星間測距或測速方式，即可實現(xiàn)平動點導航衛(wèi)星與用戶衛(wèi)星的聯(lián)合自主定軌，從而能大大提高航天器的自主導航能力，減輕地面測控壓力。研究人員基于LiA ISON技術研究了地球靜止軌道衛(wèi)星和地月L1點暈軌道衛(wèi)星的自主導航，不過LiA ISON技術在高精度濾波算法等方面有待提高。盡管如此，LiA ISON技術或許會使得平動點導航成為可能。

“阿蒂米斯”任務的兩個探測器軌道示意圖

（2）地月平動點任務

雖然世界上已經發(fā)射了10余個平動點衛(wèi)星或探測器，我國嫦娥-2月球探測器也進入過日地L2點的利薩如軌道，但是在地月系平動點實際利用方面，目前僅有歐洲“阿蒂米斯”（A rtem is）任務。該任務的兩顆衛(wèi)星在2010年分別進入地月L1和L2平動點，經過約11個月的軌道維持，最終進入環(huán)月軌道。

“阿蒂米斯”任務向地月平動點的實際應用邁出了可喜的一步，但是在利用平動點實現(xiàn)中繼通信與導航方面還未能進入實際應用階段。目前，國外平動點衛(wèi)星自身的導航定軌主要依靠地面測控。國際日地探測者-3（ISEE-3）衛(wèi)星的定軌方式是使用21天地面觀測數(shù)據(jù)，定軌精度6km；“太陽與日光層觀測臺”（SOHO）衛(wèi)星則利用深空測控網的26m、34m和70m測控站21天數(shù)據(jù)來跟蹤定軌，定軌精度約7km；“先進成分探測器”（ACE）衛(wèi)星是第一個運行在日地利薩如軌道的航天器，它采用深空測控網的26m和34m測控站跟蹤，定軌弧長4～14天，定軌精度約10km；“微波各向異性探測器”（MAP）衛(wèi)星是第一個在日地L2點的航天器，利用34m和70m天線跟蹤，定軌弧長為14～72天，定軌精度約2km；我國嫦娥-2探測器執(zhí)行的日地L2點任務，定軌弧長為20天，定軌精度優(yōu)于10km。相比之下，“阿蒂米斯”地月平動點任務的定軌精度可達100m和0.1cm/s。由此可見，由于距離地球較近，定位于地月平動點軌道的探測器的測定軌精度遠高于日地平動點探測器，同時前者對通信載荷的要求也遠低于后者，因此將衛(wèi)星放置于地月平動點，從而為深空探測器提供中繼通信與導航服務是非常有利且可行的。

進展分析

基于以上國外研究進展可見，當前在月球探測的中繼通信和定位導航方式上，主要有環(huán)月軌道和地月平動點軌道兩種方式。前者具有實現(xiàn)方式簡單、距離月球較近、有地球衛(wèi)星軌道理論研究基礎可供借鑒等優(yōu)點；后者則具備相對于地球和月球背面始終可見，同等月面覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)少，光照時間長，月面用戶的視運動慢而易于天線跟蹤等優(yōu)點。綜合考慮這兩種方式的特點，筆者認為基于平動點的中繼通信與導航或可成為未來月球探測任務的首選方式。

從實際應用角度來說，利用地月平動點提供月球探測的中繼通信與導航服務還存在多方面問題需要解決。雖然國外于50年前就已提出平動點中繼通信概念，并開展了相關研究，但是研究深度有限。在月面巡視導航方面，國外已開始研究基于環(huán)月星座的月面連續(xù)巡視的導航問題，但是尚無利用平動點進行月面導航的相關研究。在導航方法上，國外基于地月平動點提出了行星際聯(lián)合自主導航方法，得到初步仿真結果，不過仿真的用戶星軌道類型有限，尤其是在嚴格理論證明和高精度濾波算法等方面有待開展深入理論研究。

3 研究建議

對國外研究進展的分析得出，相對于環(huán)月方式，基于平動點的中繼通信與導航方式對于未來月球探測任務更具價值，值得進行深入研究。筆者建議，從以下方面開展進一步的相關研究工作。

首先，面向中繼通信與導航應用的平動點星座設計。未來月面不可見區(qū)域探測及月面大范圍活動等方面均有中繼通信需求，由此可能需要在多個平動點軌道和相位上布設多顆中繼衛(wèi)星，形成一定構型并組成平動點星座才可滿足需求，因此需要研究多種約束條件下的平動點星座最優(yōu)設計。

其次，基于平動點星座的月面定位與導航。一方面，地月平動點星座受限于衛(wèi)星數(shù)目，對月面的覆蓋較為稀疏，因此月面定位條件遠不如GPS星座方式；同時由于獨特的運動特性，地月平動點星座不能直接采用GPS方式評估月面定位精度和星座定位性能等。另一方面，受限于星載設備的質量與功率等限制，地月平動點衛(wèi)星的通信和導航設備性能和精度會低于地面遙操作設備，其通信與導航信號異常情況也可能高于地面設備，因而需要研究對應的平動點導航技術和方法。

最后，基于平動點星座的航天器自主導航。目前研究表明，基于平動點的SST手段可以實現(xiàn)星間絕對定軌，不過該方法的適用性和理論性還有待深入研究；因此基于平動點星間測量的自主導航可行性的理論證明，尤其是在有限SST觀測條件下的自主導航方法需要深入研究。

4 應用前景

從我國航天發(fā)展來看，航天活動范圍正從近地向深空發(fā)展，月球將是我國未來較長時間內深空探測的重點。本文所討論的基于平動點的中繼通信與導航方法，可用于未來月球探測的中繼通信、月面定位和巡視導航以及探測器各飛行階段的自主導航，在彌補地面測控不足、減輕地面測控壓力和提高探測器自主能力等方面具有重要應用價值，因而該方法應用前景廣闊。

第一，可用于月球對地不可見區(qū)域探測和大范圍月面活動的中繼通信和月面定位與導航。地球中繼衛(wèi)星放置于地球靜止軌道上，即可和地面測控站形成相對穩(wěn)定的幾何關系。月面對地不可見區(qū)域的中繼衛(wèi)星只能放置于地月平動點軌道，才可與月球和地球形成較為穩(wěn)定且始終可見的觀測幾何。因此，可為我國探月三期工程和未來載人登月等月球探測提供可靠的中繼通信和月面定位與導航服務。

第二，可用于未來地月空間航天器的自主導航。利用地月平動點星座對未來探月任務各飛行階段和導航衛(wèi)星自身進行導航，有望提高航天器自主能力和軌道精度，降低地面測控壓力，節(jié)省任務成本，從而可為未來月球探測任務提供高精度自主導航方案。

第三，可用于其他深空探測任務。利用地月共線和三角平動點與地基測控網，可以組成地月空間甚長基線，從而滿足火星等深空探測的行星際中繼通信和自主導航需求。另外，地月平動點星座還可以考慮搭載其他載荷，作為觀測太陽和宇宙背景的絕佳空間天文臺，從而將平動點星座的效用最大化。