月球版GPS怎么建？北郵團隊提出新方法

當嫦娥六號帶著月球背面的珍貴樣本順利返回地球，當國際月球科研站的規劃藍圖逐漸清晰，人類探索月球的腳步正從 “探訪” 邁向 “定居”。但你有沒有想過一個關鍵問題：在月球上，我們用什么導航？地球的 GPS 和北斗系統信號難以穿透地月距離的阻隔，月球背面更是長期處于通信盲區。為了解決這個 “太空導航難題”，北京郵電大學的科研團隊提出了一套月球專屬的定位系統方案來構建 “月球版 GPS”（LGPS）

（圖片由AI生成）

PART.01

衛星住哪兒

要建月球導航系統，首先得解決 “衛星住哪兒” 的問題。在地球軌道上，GPS 衛星可以沿著近地軌道平穩運行，但月球所處的地月空間是一個復雜的引力場，衛星軌道的選擇直接決定了導航系統的覆蓋范圍和穩定性。過去，科學家們曾考慮過 Halo 軌道等常見方案，但這類軌道穩定性較差，衛星每年需要多次調整位置才能維持軌道，不僅維護成本高，對月球極區等關鍵區域的覆蓋也不盡如人意。

北京郵電大學的科研團隊另辟蹊徑，將目光投向了一種名為 “近直線暈軌道（NRHO）” 的特殊軌道。這種軌道是 Halo 軌道家族中的 “優等生”，距離月球較近且軌道面外幅值大，更重要的是它具有獨特的動力學特性，能在一定程度上減少軌道維持的頻率，穩定性遠超傳統軌道。早在 2018 年，NASA 的 “月球門戶” 任務就選擇 NRHO 作為參考軌道，2022 年 CAPSTONE 探測器成功進入該軌道并穩定運行 6 個月，充分驗證了其可靠性。

L1 和 L2 Halo 軌道和 NRHO

NRHO 之所以成為月球導航的理想選擇，關鍵在于它的空間幾何優勢。地月系統存在 5 個特殊的平動點，NRHO 就分布在 L?和 L?兩個平動點附近，分為南北兩個軌道族。其中 L? NRHO 的近月點半徑在 1850 至 17350 公里之間，軌道周期 6 到 10 天；L? NRHO 的近月點半徑更寬，從 900 公里延伸到 19000 公里，周期為 8 到 10 天。這種布局讓衛星既能近距離 “觀察” 月球表面，又能借助地月引力平衡保持軌道穩定，為實現全球覆蓋打下基礎。

地月三體系統的平動點

PART.02

衛星怎么擺

解決了軌道問題，接下來是 “衛星怎么擺” 的構型設計。科研團隊設計了單軌 4 星、雙軌 8 星和四軌 16 星三種方案，通過仿真分析不同構型的導航性能。單軌 4 星方案雖然簡單，但存在明顯短板 —— 只能覆蓋軌道同側的極區，對另一側極區則完全不可見，比如 L?北族 NRHO 的 4 星星座無法覆蓋月球南極，覆蓋率為零，顯然滿足不了全球導航需求。

雙軌 8 星方案通過兩種組合方式優化覆蓋效果：一種是在同一平動點部署南北對稱的兩個 NRHO，形成 “X” 形構型，能同時覆蓋南北兩極，低緯度區域的覆蓋率可達 100%；另一種是在 L?和 L?兩個平動點部署同側軌道，雖然仍無法覆蓋對側極區，但能顯著提升同側極區的定位精度，GDOP 值（幾何精度因子，數值越小精度越高）可降至 3 以內。這兩種方案各有側重，為最終的最優構型提供了重要參考。

經過反復仿真驗證，四軌 16 星構型脫穎而出，成為 LGPS 的理想方案。這個方案巧妙融合了雙軌方案的優點，在 L?和 L?兩個平動點的南北族 NRHO 上各部署 4 顆衛星，形成一個全方位的導航網絡。仿真結果顯示，這種構型能實現月球表面 100% 區域覆蓋，所有觀測點的最小可見衛星數都達到 6 顆，完全滿足定位需求。此外，當 NRHO 的近月點半徑選擇 12000 公里時，系統的 GDOP 值可穩定在 3 以內，甚至優于傳統 Halo 軌道 24 星構型的定位精度，真正實現了 “少衛星、高精度” 的設計目標。

這套系統的定位原理與地球 GPS 類似，但針對月球環境進行了優化。衛星通過向月面發送信號，用戶設備接收至少 4 顆衛星的偽距數據后，通過構建方向余弦矩陣和求解誤差方程，就能計算出精確位置。科研團隊采用圓型限制性三體問題（CRTBP）模型，充分考慮了地月引力場的復雜影響，確保定位算法的準確性。在 50 天的仿真周期內，無論是赤道、中緯度區域，還是曾難以覆蓋的南極、北極地區，系統都能保持穩定的定位性能，覆蓋率和精度均滿足未來月球探測任務的要求。

PART.03

太空應用

隨著月球開發進入實質階段，LGPS 的應用價值將日益凸顯，尤其是在太空采礦領域。月球上蘊藏著豐富的氦 - 3、稀土元素等寶貴資源，這些資源是未來太空探索和地球能源轉型的重要支撐，但月球表面地形復雜，采礦設備的精準導航是高效開采的前提。有了 LGPS，無人采礦車可以在月球表面精準定位礦點位置，規劃最優行駛路線，避開隕石坑等危險區域；采礦設備與月球基地之間的物資運輸也能實現實時導航監控，確保運輸安全高效。

原文參考

晉守聰, 程潏, 劉磊, 陳鋼. 基于NRHO的月球全球定位系統星座研究[J]. 空間科學學報, 2025, 45(2): 317-327. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0151

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本文轉載自“太空采礦”，原標題《月球版GPS怎么建？北郵團隊提出新方法》。

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