奔向月球及更遠(yuǎn)之地：讓月球定位導(dǎo)航授時(shí)（lunar PNT）照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的新技術(shù)

國(guó)際社會(huì)在開(kāi)發(fā)月球定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）技術(shù)及服務(wù)方面的努力正不斷加快步伐。近期，一場(chǎng)由Inside GNSS雜志主辦的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)就當(dāng)前進(jìn)展情況展開(kāi)了探討。

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今年3月，太空探索領(lǐng)域書(shū)寫(xiě)了歷史新篇，當(dāng)時(shí)螢火蟲(chóng)太空公司(Firefly Aerospace)的“藍(lán)幽靈”（Blue Ghost）月球著陸器成為首個(gè)成功在月球表面著陸的商業(yè)航天器。

著陸器上搭載了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的十項(xiàng)有效載荷，用于收集數(shù)據(jù)和樣本，這些數(shù)據(jù)和樣本將為后續(xù)的月球及更遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)提供規(guī)劃依據(jù)。隨著這些探測(cè)計(jì)劃的逐步推進(jìn)，一個(gè)關(guān)鍵要素將是確保航天器和宇航員能夠在往返月球及在月表活動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)有效導(dǎo)航。

由此帶來(lái)的對(duì)月球PNT服務(wù)的投資，正推動(dòng)整個(gè)行業(yè)在接收機(jī)設(shè)計(jì)、PNT基礎(chǔ)設(shè)施及仿真能力等方面取得振奮人心的新突破。

拓展月球PNT的邊界

為探討這些最新進(jìn)展，我很高興能在近期由Inside GNSS雜志舉辦的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上發(fā)表演講，與我同臺(tái)的還有QASCOM公司導(dǎo)航技術(shù)部門(mén)負(fù)責(zé)人Samuele Fantinato，以及日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）月球定位導(dǎo)航授時(shí)（Lunar PNT）與低軌衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)（LEO PNT）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Masaya Murata。

“月球GNSS接收機(jī)實(shí)驗(yàn)”（LuGRE）在月表捕獲GNSS信號(hào)

“藍(lán)幽靈”（Blue Ghost）著陸器搭載的十項(xiàng)有效載荷中，有一項(xiàng)是“月球GNSS接收機(jī)實(shí)驗(yàn)”（簡(jiǎn)稱LuGRE），這是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與意大利航天局（ASI）的聯(lián)合項(xiàng)目。

LuGRE是一款高靈敏度GNSS接收機(jī)，由QASCOM公司設(shè)計(jì)研發(fā)，旨在評(píng)估在月球接收GNSS信號(hào)的潛力。

Samuele Fantinato分享了這些實(shí)驗(yàn)的一些引人入勝的成果，展示了LuGRE如何首次實(shí)現(xiàn)在月球軌道及月表捕獲GNSS信號(hào)。

LuGRE將接收到的信號(hào)以IQ文件形式記錄，這些文件將于今年10月向公眾開(kāi)放——這對(duì)于實(shí)現(xiàn)逼真的月球GNSS仿真而言前景可期。

專用月球PNT服務(wù)的新進(jìn)展

然而，僅靠GNSS信號(hào)并不足以確保月球?qū)Ш降目煽啃?，目前?guó)際社會(huì)正在推進(jìn)一項(xiàng)計(jì)劃，開(kāi)發(fā)可互操作的PNT服務(wù)，以便將其部署至月球軌道。

在LunaNet框架下，首次任務(wù)將包含四顆繞月軌道衛(wèi)星，其中包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“月球通信與導(dǎo)航系統(tǒng)”（LCRNS）、歐洲空間局（ESA）的“月光”導(dǎo)航通信系統(tǒng)（Moonlight LCNS）以及日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（LNSS）。

Masaya Murata展示了這三個(gè)系統(tǒng)將如何廣播標(biāo)準(zhǔn)化的增強(qiáng)前向信號(hào)（Augmented Forward Signal，AFS）。該信號(hào)將在S波段頻率范圍內(nèi)廣播，原因包括以下幾點(diǎn)：

●  天線尺寸與功率需求

●  與其他協(xié)議的互操作性

●  與射電天文傳輸信號(hào)的隔離

這給月球PNT基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了新的仿真挑戰(zhàn)——而日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正使用思博倫PNT X仿真器應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，該仿真器能夠根據(jù)當(dāng)前的“月球網(wǎng)絡(luò)”(LunaNet)互操作性規(guī)范（LNIS）生成逼真的增強(qiáng)前向信號(hào)（AFS）。

月球PNT仿真能力的進(jìn)展

模擬未來(lái)的LunaNet信號(hào)，只是思博倫在PNT X仿真平臺(tái)上努力解決的眾多月球PNT開(kāi)發(fā)需求之一。我介紹了其他一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)的最新進(jìn)展，以及我們解決這些問(wèn)題的方法，具體包括：

●  軌道動(dòng)力學(xué)建模：月球軌道模型需考慮地球上不存在的動(dòng)力學(xué)因素，例如月球引力不均、不同天體的攝動(dòng)影響，以及太陽(yáng)輻射壓等效應(yīng)。為此，我們與合作伙伴SpacePNT攜手，將適用于低軌衛(wèi)星（LEO）及月球PNT應(yīng)用的逼真軌道模型集成至我們的SimORBIT軟件中。

●  月球大地測(cè)量參考系統(tǒng)（Selenodetic Reference System）：目前尚未發(fā)布月球空間與時(shí)間的參考坐標(biāo)系。不過(guò)，LunaNet計(jì)劃已啟動(dòng)相關(guān)研究工作，一旦這些參考系在互操作性規(guī)范（LNIS）中發(fā)布，思博倫將立即在PNT X系統(tǒng)中予以實(shí)現(xiàn)。作為前瞻性布局，我們已在PNT X中集成了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的SPICE工具包，用于管理和現(xiàn)場(chǎng)更新參考坐標(biāo)系。這將確保PNT X系統(tǒng)能夠持續(xù)滿足未來(lái)月球任務(wù)，以及火星及更遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃需求。

●  月球星歷與地形：月球PNT信號(hào)的仿真在衛(wèi)星幾何構(gòu)型和月球地形導(dǎo)致的信號(hào)衰減效應(yīng)方面面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)。深邃的隕石坑與低仰角衛(wèi)星相結(jié)合可能導(dǎo)致信號(hào)遮擋，而月球類(lèi)陶瓷風(fēng)化層的高反射特性則可能引發(fā)多徑效應(yīng)，這些因素均需在仿真中予以精確建模。

使用思博倫PNT X仿真逼真的月球任務(wù)

為展示思博倫如何模擬月球表面逼真的信號(hào)效應(yīng)，我演示了如何利用PNT X的三維環(huán)境建模能力，逼真復(fù)現(xiàn)月球南極附近沙克爾頓環(huán)形山的地形特征。

在此環(huán)境中，我們添加了來(lái)自四顆軌道衛(wèi)星的模擬增強(qiáng)前向信號(hào)（AFS），并規(guī)劃了不同漫游車(chē)任務(wù)的軌跡——包括一條400米的短途路徑和一條4公里的長(zhǎng)途路徑。我們針對(duì)三種不同約束條件下的場(chǎng)景分析了信號(hào)接收情況，這些約束條件包括漫游車(chē)海拔高度和幾何精度因子（GDoP）。

諸如此類(lèi)的仿真能夠深入揭示月球車(chē)輛在不同場(chǎng)景下接收PNT信號(hào)的實(shí)際體驗(yàn)，助力航天機(jī)構(gòu)和技術(shù)研發(fā)方自信地規(guī)劃任務(wù)、設(shè)計(jì)新技術(shù)。您可在網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)存檔資料中查看我們的研究概述——我們還將于ION GNSS+ 2025就該主題發(fā)表完整論文。

與思博倫探討月球PNT仿真

與此同時(shí)，我非常樂(lè)意解答您關(guān)于月球定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）仿真挑戰(zhàn)，或PNT X系統(tǒng)月球定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）功能的任何疑問(wèn)。