利用地月平動(dòng)點(diǎn)軌位資源拓展航天器應(yīng)用

張立華 王鵬 張燕

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

平動(dòng)點(diǎn)(Libration Point)也叫拉格朗日點(diǎn)(Lagrange Point)，是二體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的引力動(dòng)平衡點(diǎn)。地月平動(dòng)點(diǎn)是地月旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的引力動(dòng)平衡點(diǎn)，運(yùn)行在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上的航天器能夠俯瞰地月空間，以較低的推進(jìn)劑消耗保持與地球和月球的相對(duì)幾何關(guān)系，地月平動(dòng)點(diǎn)特殊的動(dòng)力學(xué)特性和在地月系統(tǒng)中相對(duì)固定的幾何位置,使其具有重要的開發(fā)利用價(jià)值。

1950年，英國科幻小說家阿瑟·克拉克就提出了在地月L2點(diǎn)放置飛行器實(shí)現(xiàn)月球背面與地球之間通信轉(zhuǎn)發(fā)的想法，這是人類第一次提出針對(duì)平動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)用[1]。1963年,美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Kliore提出了利用地月平動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面和極區(qū)中繼通信的方案設(shè)想，還對(duì)利用地月平動(dòng)點(diǎn)開展天文觀測(cè)、星際塵埃觀測(cè)、建立導(dǎo)航信標(biāo)的可能性進(jìn)行了論證[2]。

盡管地月平動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)用首先進(jìn)入人類視野，但日地平動(dòng)點(diǎn)卻先得到應(yīng)用。1978年8月，NASA向日地L1點(diǎn)發(fā)射了長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)的國際日地探測(cè)器-3(ISEE-3)。由于日地L1和L2點(diǎn)軌道是進(jìn)行一些空間天文觀測(cè)的理想場(chǎng)所，至今，各國已經(jīng)發(fā)射了10多顆繞日地L1和L2點(diǎn)軌道運(yùn)行的航天器，并有更多的探測(cè)任務(wù)正在計(jì)劃中,包括詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡。

地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的進(jìn)入則姍姍來遲，直到2010年，美國的ARTEMIS任務(wù)才進(jìn)入到地月L1和L2點(diǎn)，運(yùn)行了不到一年時(shí)間，開展了一些科學(xué)探測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。隨后，我國的嫦娥五號(hào)飛行試驗(yàn)器在完成了預(yù)定任務(wù)后，也于2015年初進(jìn)入了繞地月L2點(diǎn)運(yùn)行的軌道，開展了短期的拓展試驗(yàn)。

地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用的研究主要集中在中繼通信、導(dǎo)航和深空探測(cè)中轉(zhuǎn)站等方面。美國的約翰·霍普金斯大學(xué)(JHU)、麻省理工學(xué)院(MIT)、科羅拉多大學(xué)等高校，NASA的JPL、戈達(dá)德(Goddard)航天中心、格倫(Glenn)研究中心等研究機(jī)構(gòu)以及休斯公司、波音公司、微衛(wèi)星(MicroSat)公司等工業(yè)部門都開展了專題研究和方案論證，提出了很多解決方案[3]。

20世紀(jì)60年代至70年代初，伴隨著月球探測(cè)任務(wù)的興起和阿波羅(Apollo)登月計(jì)劃的實(shí)施，在NASA的組織下，結(jié)合月球中繼通信任務(wù)需求，掀起了地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用研究的第一輪熱潮，很多中繼通信衛(wèi)星方案都采用了地月L1/L2點(diǎn)軌道。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)能力等條件限制，研究論證工作還停留在設(shè)想和概念階段，工程可實(shí)現(xiàn)性不強(qiáng)。

在20世紀(jì)90年代開始的新一輪月球探測(cè)熱潮中，美國和歐洲對(duì)利用地月平動(dòng)點(diǎn)軌道實(shí)現(xiàn)中繼通信和導(dǎo)航定位的方案又開展了大量的研究論證工作，很多方案也都選擇了地月平動(dòng)點(diǎn)軌道，這一階段的論證大多基于已有的成熟衛(wèi)星平臺(tái)，具有較好的工程可實(shí)現(xiàn)性?；诘卦翷1/L2點(diǎn)軌道支持月球和深空探測(cè)任務(wù)的中轉(zhuǎn)站是這一時(shí)期研究論證的另一個(gè)重點(diǎn)方向。

針對(duì)基于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的航天器進(jìn)行中繼通信和導(dǎo)航應(yīng)用，國內(nèi)也開展了一些研究和論證工作，包括軌道方案研究[4]、系統(tǒng)方案研究和發(fā)展建議[5-6]、中繼通信和導(dǎo)航應(yīng)用效能分析[7]等。

60多年來，針對(duì)地月平動(dòng)點(diǎn)的開發(fā)利用，國內(nèi)外開展了很多研究論證和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，但真正的應(yīng)用一直未能實(shí)現(xiàn)，直到2018年，隨著運(yùn)行在地月L2點(diǎn)Halo軌道上的嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”的發(fā)射和在軌運(yùn)行，解決了嫦娥四號(hào)月球背面軟著陸和巡視勘察探測(cè)任務(wù)的中繼通信問題，開啟了地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用的新篇章，為未來地月平動(dòng)點(diǎn)的開發(fā)利用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

除了航天器中繼通信，地月平動(dòng)點(diǎn)在航天器導(dǎo)航定位、對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)探測(cè)等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合國內(nèi)外研究情況，對(duì)地月平動(dòng)點(diǎn)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析，并提出了一些具體的應(yīng)用方案設(shè)想，梳理了地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，提出了盡快研制一顆運(yùn)行于地月L4或L5三角平動(dòng)點(diǎn)的技術(shù)試驗(yàn)星，推動(dòng)基于地月L3、L4、L5三點(diǎn)、覆蓋地球的實(shí)時(shí)觀測(cè)和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)建設(shè)的未來發(fā)展建議。

1 地月平動(dòng)點(diǎn)及其軌道特點(diǎn)

平動(dòng)點(diǎn)上的航天器受到兩個(gè)天體引力的合力，恰好等于它繞兩個(gè)天體系統(tǒng)質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)需要的向心力，航天器在這些點(diǎn)上，與兩個(gè)天體之間的相對(duì)位置始終保持不變。在由“大質(zhì)量天體—小質(zhì)量天體—航天器”組成的圓型限制性三體問題中，共存在5個(gè)平動(dòng)點(diǎn)，其中3個(gè)位于兩天體的連線上，稱為共線平動(dòng)點(diǎn)(Collinear Points)，包括L1、L2和L3三點(diǎn)；另外2個(gè)分別和兩天體構(gòu)成等邊三角形，稱為三角平動(dòng)點(diǎn)(Triangular Points)，記為L(zhǎng)4和L5兩點(diǎn)。

在地球附近有7個(gè)平動(dòng)點(diǎn)，包括地月系統(tǒng)的5個(gè)平動(dòng)點(diǎn)以及日地系統(tǒng)2個(gè)共線平動(dòng)點(diǎn)L1和L2，如圖1所示。

圖1 近地平動(dòng)點(diǎn)分布Fig.1 Libration points in the vicinity of earth

平動(dòng)點(diǎn)因其特殊的空間位置，能夠自然維持與兩個(gè)天體的相對(duì)幾何構(gòu)型，運(yùn)行于平動(dòng)點(diǎn)附近軌道上的航天器也可以保持與兩個(gè)天體系統(tǒng)幾何構(gòu)型基本不變而只需消耗少量的推進(jìn)劑。地月系統(tǒng)的5個(gè)平動(dòng)點(diǎn)是離地球和月球最近的平動(dòng)點(diǎn)，地月平動(dòng)點(diǎn)軌道具有其它軌道所不具備的特點(diǎn)，是地月空間非常寶貴的資源，應(yīng)用潛力很大。

在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上的航天器同時(shí)存在兩類運(yùn)動(dòng)軌道：一是繞地球運(yùn)行的公轉(zhuǎn)軌道(與月球繞地球的軌道周期相同)；二是繞平動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行軌道。地月平動(dòng)點(diǎn)距地球的平均距離為38萬千米，其公轉(zhuǎn)軌道周期平均27.3天。與月球軌道類似，地月平動(dòng)點(diǎn)公轉(zhuǎn)軌道面與赤道面存在一個(gè)18.3°～28.6°的震蕩傾角。地月平動(dòng)點(diǎn)相對(duì)月球是靜止的，而相對(duì)于地球，存在一個(gè)由地球自轉(zhuǎn)引起的相對(duì)速度。地月平動(dòng)點(diǎn)的公轉(zhuǎn)軌道如圖2所示。

圖2 地月平動(dòng)點(diǎn)公轉(zhuǎn)軌道特點(diǎn)Fig.2 Characteristic of the orbit that libration points run along earth

在平動(dòng)點(diǎn)附近存在著大量的周期和擬周期軌道，不同的軌道具有不同的特性。地月平動(dòng)點(diǎn)附近主要的軌道類型如圖3所示，其中Lyapunov軌道和Halo軌道是周期軌道，Lissajous軌道和擬Halo軌道是擬周期軌道。這些軌道通常是不穩(wěn)定的，但航天器通過維持控制可以長(zhǎng)期運(yùn)行在這些軌道上，軌道維持控制的推進(jìn)劑消耗量很小。

圖3 平動(dòng)點(diǎn)附近的軌道類型Fig.3 Orbit types around libration point

2 地月平動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域和方案設(shè)想

2.1 中繼通信

由于月球背面始終無法與地球相見，而地月L2點(diǎn)附近軌道上的航天器是唯一可以同時(shí)對(duì)地球和月球背面可見的位置，此航天器可實(shí)現(xiàn)地面站與月球背面探測(cè)器的連續(xù)中繼通信。雖然環(huán)月軌道用于月球中繼通信與導(dǎo)航方面，具有距離月面近等優(yōu)點(diǎn)，但是其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定單顆衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面區(qū)域的連續(xù)覆蓋。

早在1966年，美國的Farquhar就提出了地月L2點(diǎn)Halo軌道的概念和在這一軌道上放一顆中繼衛(wèi)星對(duì)月球背面著陸的探測(cè)器提供中繼通信的想法[8]，如圖4所示。近年來，美國和歐洲等多個(gè)國家和地區(qū)也論證提出了多個(gè)月球背面著陸探測(cè)任務(wù)[9-11]，其中的中繼通信衛(wèi)星大都采用了繞地月L2點(diǎn)運(yùn)行的軌道。

圖4 地月L2點(diǎn)Halo軌道上的中繼衛(wèi)星與 月球背面通信構(gòu)想圖Fig.4 Communication between the lunar farside and the relay satellite in earth-moon L2 halo orbit

我國的嫦娥四號(hào)任務(wù)首先將在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上實(shí)現(xiàn)中繼通信的想法變成了現(xiàn)實(shí)[12]。為解決嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器在月球背面的中繼通信問題，專門研制了一顆中繼通信小衛(wèi)星——“鵲橋”[13]，運(yùn)行在繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的Halo軌道上，如圖5所示。

2018年5月21日，嫦娥四號(hào)中繼星成功發(fā)射，6月14日，經(jīng)過5次精準(zhǔn)的軌道控制后，進(jìn)入到繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道，至今，已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過1年，為嫦娥四號(hào)任務(wù)的圓滿成功提供了穩(wěn)定可靠的中繼通信保障。

圖5 嫦娥四號(hào)中繼星在軌運(yùn)行示意圖Fig.5 On-orbit operation general view of relay satellite for Chang’e-4 mission

2.2 自主導(dǎo)航定位

對(duì)于月球正面的探測(cè)器而言，有多種導(dǎo)航方式可用，包括利用地面系統(tǒng)和地球軌道GNSS系統(tǒng)的信號(hào)來進(jìn)行導(dǎo)航定位，但定位精度和覆蓋性能受限，并且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面探測(cè)器的導(dǎo)航定位，利用平動(dòng)點(diǎn)引力場(chǎng)非對(duì)稱的自主導(dǎo)航——行星際聯(lián)合自主導(dǎo)航(LiAISON)技術(shù)提供了一種有效的解決方案[14]。

LiAISON導(dǎo)航技術(shù)基于平動(dòng)點(diǎn)獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，僅利用星間測(cè)距或測(cè)速方式，即可實(shí)現(xiàn)地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星與用戶衛(wèi)星的聯(lián)合自主定軌，如圖6所示。采用該種導(dǎo)航技術(shù)，只需要一顆運(yùn)行在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星，通過星間測(cè)量信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)月探測(cè)器的定軌、月面探測(cè)器(特別是月球背面探測(cè)器)的定位、地球軌道衛(wèi)星(特別是高軌衛(wèi)星)的定軌以及地月平動(dòng)點(diǎn)軌道衛(wèi)星的自主定軌。以月球背面探測(cè)器的定位為例，仿真結(jié)果表明，對(duì)月球背面探測(cè)器的定位精度可達(dá)到百米內(nèi)，如果再輔以地面深空測(cè)控網(wǎng)，定位精度有望達(dá)到10 m內(nèi)，能夠滿足月球探測(cè)任務(wù)的基本需求。

圖6 基于L2點(diǎn)Halo軌道的LiAISON導(dǎo)航示意圖Fig.6 LiAISON navigation scheme based on earth-moon L2 halo orbit

2.3 對(duì)地遙感和態(tài)勢(shì)感知

地月L3、L4、L5點(diǎn)呈120°角均布地球周圍，與地球靜止軌道(GEO)相比，地月L3、L4、L5點(diǎn)軌道上的航天器能夠以較小的視場(chǎng)角實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的覆蓋，如圖7所示，并且與GEO軌道相比，軌道進(jìn)入的代價(jià)相當(dāng)甚至略小，軌道維持的代價(jià)遠(yuǎn)小于GEO軌道南北位置保持的代價(jià)。因此在對(duì)地觀測(cè)方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值，氣象等大尺度對(duì)地觀測(cè)是未來可應(yīng)用的方向，還可以開展地表熱異常監(jiān)測(cè)，全球能量平衡觀測(cè)等對(duì)地觀測(cè)任務(wù)。

圖7 地月L3、L4、L5點(diǎn)對(duì)地覆蓋特性Fig.7 Earth coverage characteristics of earth-moon L3，L4，L5

地月空間的態(tài)勢(shì)感知也是一個(gè)重要的應(yīng)用方向，圖8為本文提出的在地月L3、L4、L5點(diǎn)上建立全球遙感和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)覆蓋整個(gè)地球及地球軌道的航天器，可以作為目前地球軌道系統(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，3顆衛(wèi)星之間還可以通過星間測(cè)距，采用LiAISON導(dǎo)航方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期自主運(yùn)行。

圖8 基于L3、L4、L5點(diǎn)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Earth observation system based on earth-moon L3，L4，L5

2.4 空間科學(xué)與空間探測(cè)

甚長(zhǎng)基線(VLBI)是當(dāng)前各種天文觀測(cè)手段中空間分辨率較高的觀測(cè)技術(shù)，由于地月平動(dòng)點(diǎn)間距離遠(yuǎn)(L3、L4、L5之間的距離是66萬千米)，可以進(jìn)行VLBI觀測(cè)應(yīng)用[15]。地月L3、L4、L5是布設(shè)空間射電望遠(yuǎn)鏡的理想選擇，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三星之間以及與地面之間的干涉測(cè)量，如圖9所示。該空間VLBI系統(tǒng)的測(cè)量精度高，還能接收到比地面VLBI更多的宇宙信息，具有重要的科學(xué)價(jià)值。

圖9 空間VLBI系統(tǒng)示意圖Fig.9 Space based VLBI system

利用地月平動(dòng)點(diǎn)還可以實(shí)現(xiàn)地球掩星探測(cè)的應(yīng)用，根據(jù)初步分析結(jié)果，提出的基于地月L1和L3點(diǎn)軌道上的8星星座方案可實(shí)現(xiàn)每天約20萬次的掩星事件，具有較高的探測(cè)效率，如圖10所示。

太陽-木星系統(tǒng)的L4、L5點(diǎn)，存在特洛伊小行星帶。根據(jù)一些科學(xué)家的推測(cè)，地月空間的L4、L5點(diǎn)也有一些小的顆粒/塵埃云，稱為Kordylewski云，但是否存在一直有爭(zhēng)議。本文提出了研制一顆小衛(wèi)星在地月L4或L5點(diǎn)進(jìn)行顆粒/塵埃探測(cè)的方案設(shè)想。由于L4/L5點(diǎn)遠(yuǎn)離地球和月球，目前其附近也沒有其它航天器運(yùn)行，還是低頻射電觀測(cè)的一個(gè)理想場(chǎng)所，未來也可以考慮這方面的應(yīng)用。

圖10 基于地月平動(dòng)點(diǎn)的掩星探測(cè)概念Fig.10 Earth occultation detection system concept based on earth-moon L1 and L3

2.5 載人空間站

在月球附近建立空間站能夠銜接近地載人活動(dòng)與深空載人探索，有效支持載人登月任務(wù)，作為任務(wù)的通信和監(jiān)控中心，提供中繼通信、導(dǎo)航支持，指揮、控制并監(jiān)視月面任務(wù)。同時(shí)可作為月面任務(wù)的后勤補(bǔ)給站，提供維護(hù)保障服務(wù)。

采用地月平動(dòng)點(diǎn)軌道便于從空間站往返月球和地球，沒有嚴(yán)格的窗口限制。近年來，美國月球空間站的論證主要是圍繞地月平動(dòng)點(diǎn)軌道進(jìn)行的，包括地月L1點(diǎn)和L2點(diǎn)軌道。2017年3月，NASA提出了“深空之門”(Deep Space Gateway)和“深空運(yùn)輸站”(Deep Space Transport)計(jì)劃?！吧羁罩T”為有人照料地月空間站，用作未來“深空運(yùn)輸站”的中轉(zhuǎn)補(bǔ)給站，并考慮作為未來機(jī)器人和載人月面任務(wù)的中轉(zhuǎn)基地?！吧羁罩T”選擇了月球附近的近直線暈軌道(NRHO)，該軌道也屬于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道[16]。

2.6 通往深空的跳板

太陽系的行星和衛(wèi)星間的平動(dòng)點(diǎn)Halo軌道及其衍生的不變流形在深空探測(cè)任務(wù)中備受青睞,這些軌道構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而蜿蜒的“交通網(wǎng)”通道，稱為“行星際高速公路”(Interplanetary Superhighway)[17]，如圖11所示，通過該低能轉(zhuǎn)移通道，航天器只需要較小的推進(jìn)劑消耗，就成實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。

圖11 行星際高速公路示意圖Fig.11 Interplanetary superhighway

地月L1和L2點(diǎn)是向行星際空間轉(zhuǎn)移的低能通道入口，可以作為行星際高速公路的起點(diǎn)，方便地到達(dá)日地L1和L2點(diǎn)以及火星、木星等深空探測(cè)目標(biāo)，圖12為美國的Farquer等提出的利用L2點(diǎn)軌道上的空間中轉(zhuǎn)站來實(shí)現(xiàn)月球、小行星、火星等探測(cè)任務(wù)的想法[18]。我國未來也可以考慮在地月L1或L2點(diǎn)建立中轉(zhuǎn)站，支持無人和載人月球及深空探測(cè)任務(wù)。

圖12 基于地月L2點(diǎn)開展深空探測(cè)示意圖Fig.12 Utilization of earth-moon L2 libration points for human deep space exploration

3 地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)和基礎(chǔ)

作為人類可以利用的重要空間資源，基于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道來構(gòu)建新型航天器系統(tǒng)，不僅能夠支持月球探測(cè)和深空探測(cè)任務(wù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地球軌道航天器系統(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)一些在地球軌道和其它軌道上無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用效能。

地月平動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)用也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：適合遠(yuǎn)距離條件下工作的新型有效載荷技術(shù)、地月平動(dòng)點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)和軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)、遠(yuǎn)距離高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、超穩(wěn)定姿態(tài)控制技術(shù)、航天器自主定軌與自主運(yùn)行管理技術(shù)，高效推進(jìn)技術(shù)等。

地月平動(dòng)點(diǎn)應(yīng)用的特點(diǎn)是空間大尺度，大尺度帶來了良好的對(duì)地、對(duì)月覆蓋特性，但也帶來了工程實(shí)現(xiàn)上的挑戰(zhàn)，特別是遠(yuǎn)距離帶來的探測(cè)能量衰減和信號(hào)衰減問題。隨著技術(shù)進(jìn)步，這些問題正逐步得到解決，例如“鵲橋”上的4.2 m大口徑傘狀拋物面天線質(zhì)量不到50 kg，為遠(yuǎn)距離通信提供了可行的工程實(shí)現(xiàn)途徑。激光通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也為遠(yuǎn)距離、高碼速率的數(shù)據(jù)傳輸提供了有效的手段。另外，航天器有效載荷能力不斷增強(qiáng)，一些新型載荷也具備了在遠(yuǎn)距離下的探測(cè)能力。未來大尺寸、輕量化空間結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)及在軌服務(wù)與在軌建造技術(shù)的發(fā)展，能夠?yàn)榈卦缕絼?dòng)點(diǎn)的軌道航天器的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

與日地平動(dòng)點(diǎn)相比，地月平動(dòng)點(diǎn)由于受到太陽引力的干擾以及月球軌道偏心率的影響，其動(dòng)力學(xué)特性比較復(fù)雜，軌道設(shè)計(jì)和維持控制難度更大。經(jīng)過多年的研究，在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的設(shè)計(jì)和維持策略、轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與控制等多方面已有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，通過嫦娥五號(hào)試驗(yàn)飛行器、“鵲橋”的地月L2點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)與在軌運(yùn)行實(shí)踐，在共線平動(dòng)點(diǎn)軌道方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)重點(diǎn)要解決地月L4、L5兩個(gè)三角平動(dòng)點(diǎn)的軌道設(shè)計(jì)問題。

近年來，在高效電推進(jìn)、微牛級(jí)推進(jìn)及超高穩(wěn)定度姿態(tài)控制、高精度軌道測(cè)量與控制等相關(guān)技術(shù)方面也取得了實(shí)質(zhì)性突破，能夠有效支持地月平動(dòng)點(diǎn)軌道航天器的發(fā)展。

4 發(fā)展建議

與地球軌道相比，利用地月平動(dòng)點(diǎn)軌道構(gòu)建的航天器系統(tǒng)覆蓋面廣、自主性強(qiáng)、安全性好，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠產(chǎn)生顯著的應(yīng)用效益。國內(nèi)外對(duì)基于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的航天器系統(tǒng)開展的研究論證和“鵲橋”的在軌應(yīng)用結(jié)果表明，地月平動(dòng)點(diǎn)軌道具有很大的應(yīng)用潛力，本文也提出了一些具體的應(yīng)用方案設(shè)想。

目前地月L1和L2點(diǎn)軌道已有航天器在軌運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，地月L3、L4和L5點(diǎn)軌道還沒有人類航天器涉足，尚處于應(yīng)用空白，應(yīng)搶占先機(jī)，加快利用，盡早建立起相關(guān)系統(tǒng)。特別是地月L4、L5點(diǎn)屬于三角平動(dòng)點(diǎn)，其軌道特性和空間環(huán)境與地月L1/L2點(diǎn)有所不同，建議盡快研制一顆運(yùn)行于地月L4點(diǎn)或L5點(diǎn)軌道的技術(shù)試驗(yàn)星，結(jié)合塵埃云觀測(cè)等應(yīng)用，對(duì)三角平動(dòng)點(diǎn)的空間環(huán)境、軌道動(dòng)力學(xué)特性、應(yīng)用效能進(jìn)行驗(yàn)證，積累經(jīng)驗(yàn)，為未來基于地月L3、L4、L5點(diǎn)軌道、覆蓋地球的實(shí)時(shí)觀測(cè)和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的發(fā)展打好基礎(chǔ)。

地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的應(yīng)用剛剛起步，應(yīng)充分發(fā)揮地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的特點(diǎn)，進(jìn)一步深化運(yùn)行在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道的航天器任務(wù)的研究論證，提出創(chuàng)新性應(yīng)用，解決目前地球軌道航天器系統(tǒng)無法解決的問題。同時(shí)加快發(fā)展適合遠(yuǎn)距離條件下工作的新型有效載荷，為后續(xù)的工程應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。通過地月平動(dòng)點(diǎn)軌道航天器系統(tǒng)的發(fā)展，不斷解決新問題，形成新能力，推動(dòng)我國的航天器應(yīng)用邁向新的高度。