面临月球时间难题 多国布局月球导航系统 随着新一轮月球探测和开发计划的热度提升,建立月球导航系统的提议也被摆上日程。据香港《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服务于全月面的通信导航星座。此前美国、欧洲和日本均提出了各自的月球导航计划。那么建立月球导航系统的挑战在哪里?
中国学者提出月球导航计划
《南华早报》援引6月在《中国空间科学技术》期刊上发表的论文称,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等方面的各项指标,提出由21颗卫星组成的近月空间导航星座设想方案,目标是为人类在月球长期、高密度的探测活动提供长时间的高精度导航。
NASA的“月球网”架构可以为月球附近提供导航和通信服务。
《南华早报》称,目前在地球表面或近地空间,主要使用美国全球定位系统(GPS)、中国的北斗卫星导航系统、欧洲的“伽利略”卫星导航系统和俄罗斯的“格洛纳斯”卫星导航系统,为全球用户提供全天候、高精度的定位导航等服务。这些全球卫星导航系统通常由20-35颗卫星组成,精度可达数米,用户能利用至少4颗卫星的信号组合来精确定位和获取时间信息。
而中国科学家提出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。报道称,该研究还提出一种近月空间星座建设路线,分三个阶段逐步实现对全月的导航。中国研究团队表示,后续研究将结合轨道参数优化技术,形成更系统的月球导航方案。
报道提到,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此前已经公布: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。
美欧日都已提出月球导航计划
近年来,近月空间星座建设正在成为航天研究的热点方向。伴随着越来越多的月球探测和开发活动,建立月球导航系统的设想也不断被提出。为满足美国“阿尔忒弥斯”载人登月计划的导航需求,2020年美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室的科学家经过计算后确认,GPS卫星信号在38万公里外的月球附近依然能够提供服务,据称在月球轨道上的航天器能获取5-13颗GPS卫星的信号,定位精度在200到300米之间。
但如果想在月球表面展开大规模的探测和开发活动,这样的定位精度就远远不够了。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的报告显示,运行在地球附近的全球卫星导航系统,在38万公里外的月球附近的信号强度只有地面信号强度的1/30,而且由于月球自身的遮挡,月球背面也无法收到这些导航信号。同时月球表面覆盖环形山,来自地球的微弱导航信号容易被山丘、火山口边缘挡住,因此需要专门的中继通信卫星提供支持。在月球通信的中继方面,中国已经有了成功经验,先后于2018年和2024年发射的鹊桥一号和鹊桥二号卫星为多项探月任务提供了中继通信支持。
2020年,NASA为支持“阿尔忒弥斯”计划提出了“月球网”架构,可以满足在月球表面和附近的宇航员与航天器之间的通信需求,也可以让宇航员和漫游车能在崎岖的月球表面获得位置和时间信息。为此NASA在2022年1月启动“月球通信中继与导航系统”,计划发射多颗运行在月球轨道上的卫星。2022年6月28日,美国“顶石”探测器升空。这个只有微波炉大小的探测器被宣传为“世界上第一颗月球导航卫星”,其任务之一是验证并测试新型导航技术,以降低未来任务的风险。
欧洲也在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年发射首颗“月球探路者”卫星,在椭圆冻结轨道上开展技术验证。
2022年,日本JAXA也提出“月球导航卫星系统(LNSS)”,计划在月球椭圆轨道上部署8颗卫星,可为月球南极地区的探测器提供中继通信和导航定位服务。
想建立月球导航系统不容易
尽管地球附近已经有四大全球导航定位系统,但想要把它们“搬”到月球表面却并不容易。NASA网站介绍说,首先影响建设月球导航系统的就是月球时间问题。NASA的最新计算表明,根据相对论的“时间膨胀”效应,相比地球表面时间,月球表面时间在每个地球日快57.5微秒,甚至月球表面与月球轨道上的时间也有差别。考虑到全球导航定位系统的授时精度已达到微秒级别,因此月球时间的这一影响不容忽视。而且月球目前没有独立的时间标准。各国的探月计划都使用自己的时间尺度,并转换成“协调世界时”。但探月活动越来越多,月球时间的标准不统一问题日益严重。2022年11月,全球航天机构和学术组织的代表在欧洲航天局的欧洲空间研究与技术中心召开会议,起草关于如何定义月球时间的建议。国际计量局时间部部长帕特里齐亚·塔维拉表示,如果不确立官方月球时间,各国航天机构和私人公司就会各按各的方案行事。
其次,NASA表示,四大全球导航定位系统是建立在全球大地测量观测系统(GGOS)基础上的,只有通过后者才能获得统一、协调的地球表面坐标和海拔高度。但目前月球表面还没有建立类似的地理坐标系统。美国国家地理空间情报局(NGA)正在推进相关的测量工作并建立“月球参考系统(LRS)”,但这需要大量的观测数据。NASA承认,预计它很难在近年的“阿尔忒弥斯”计划中发挥作用。
此外,月球导航计划在具体实施过程中还会受到月球自身形状和质量的影响。例如鹊桥二号中继星采用环月大椭圆冻结轨道作为使命轨道,就是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。
面临月球时间难题 多国布局月球导航系统 值得注意的是,美国、欧洲和日本的月球导航计划正打算通过相互配合提供月球增强导航服务,并构建国际标准。美国和欧洲还将从2024年开始试点使用基于地球探测器发射的微弱卫星导航信号计算月球上的位置。
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