欧美月球GNSS规划现状分析综述

月球是地球最重要的天然卫星,当前国际上正在迎来新一轮月球探索高潮,数十个机构和商业团队正在规划月球探索任务,并设想在未来实现航天员长期驻月,围绕月球的“太空竞赛”刚刚开始。月球GNSS（基于现有的地球GNSS以及新的环月卫星通信导航基础设施的月球卫星通信导航定位技术）是空间基准科研的基础,能够提供航天器着陆定位以及月面（及其覆盖空间）定位、导航与授时等服务,同时可以将月球作为试验场,将导航工具包扩展到更远的目的地（如火星）。对欧美近期发布的月球GNSS规划进行了整理归纳,其中包括美国月球GNSS接收机实验（LuGRE）计划和欧洲月光（MoonLight）计划,以及美国中远期月球通信中继和导航系统（LCRNS）计划,这些计划可以为我国开展月球GNSS规划提供参考。     

月球与深空探测频率规划研究

介绍国际电（ITU）和空间频率协调组（SFGC）关于月球与深空探测频率使用的一些规定和建议,研究国外月球与深空探测频率使用规划和发展趋势,探讨我国月球与深空探测频率使用需求,提出我国月球与深空探测频率建议和发展方向。     

美国和欧洲完成月球体系结构研究

据美国航天局7月9日宣称，美国航空航天局（NAsA）和欧洲航天局（EsA）所进行的一项联合研究，在研发月球货物着陆系统、通信和导航系统、月球轨道永久性设施以及月球表面系统等方面，开创了实质性的双赢局面。NASA探测系统飞行任务综合办公室主任杰夫·约德在一次讲话中指出，在美国航天局开始实施其到2020年前将航天员送上月球的计划过程中，此项联合研究堪称与其他潜在合作伙伴进行探讨的典范。     

月球探测器与地球轨道卫星测控通信干扰分析

对月球探测器的测控通信,通信距离遥远,信号空间损耗大,地面站接收机灵敏度高,因此更易受到外来信号干扰的影响。本文根据卫星网络间同频干扰计算方法,分析月球探测器测控通信下行链路受地球轨道卫星发射信号的干扰问题,主要包括月球探测器受地球静止轨道卫星（GEO）和地球非静止轨道卫星（NGSO）的干扰分析。在此基础上实现了仿真,计算其受干扰的可能性。     

诺·格公司LCROSS撞月航天器

“月球坑观测与感知卫星”（Lcross）是诺斯罗普·格鲁门公司为NASA艾姆斯研究中心建造并集成的撞月航天器。     

NASA公布月球基地计划新细节

美国航空航天局（NASA）20日公布了建立月球基地计划的最新细节。     

基于月球借力的低能DRO入轨策略

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）部署月球轨道站可显著降低月球开发成本,并可作为未来小行星探测和载人火星任务的跳板。月球轨道站的在轨建造和货物补给任务中,提高航天器入轨质量是重要问题。从地球至DRO的转移轨道可以采用弱稳定边界（WSB）转移轨道降低入轨脉冲,但是直接抵达WSB需要较高的火箭发射脉冲。研究了基于月球借力的弱稳定边界DRO入轨策略,首先通过“近月点庞加莱图”和“v无穷匹配”获得较好的轨道初值,接着采用“多步打靶”在星历下对转移轨道进行修正,上述方法有效提高了该类型转移轨道的计算效率。对于共振比2∶1的DRO轨道,总脉冲最优解的地球发射脉冲3.127 km/s（与直接抵达WSB相比降低60～70 m/s）,飞行总时间102.88 d,DRO入轨脉冲仅需66.1 m/s。     

基于MBSE的月球科研站任务分析

月球探测在完成“绕落回”三步走后，从单点短期探测向建设月面基础设施的月球科研站长期探测转变，给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求。本文采用基于模型的系统工程（MBSE）思想，提出适宜的基于模型的月球科研站系统分析正向流程，以系统模型作为载体依次深入剖析任务总体、任务使命需求和任务应用场景。通过开展基于模型的月球科研站任务分析，初步实现了月球科研站任务分析过程正向化、设计要素定义全量化、设计要素之间的关联表达显性化、月球科研站工程总体单位下发的研制要求有源化。     

面向月球基地设备交互场景的目标检测与路径规划算法研究

随着国际月球科研站计划的快速推进,针对月球基地相关技术的研究受到了广泛关注。面向月球基地场景下不同的设备间进行自主接触式交互这一应用背景展开研究。考虑不同的设备在进行自主接触式交互时,需要准确地完成相互识别,并且规划出畅行无阻且较优的行进路线以保证往返活动顺利进行,基于Webots搭建了月球基地仿真环境进行目标检测和路径规划相关实验。以前后配备高精度RGB相机的交互设备为载体实现基于TPH-YOLOv5月球基地场景下的目标检测。此外,设计并实现了交互设备在月球基地场景下基于双向快速扩展随机树（Bidirectional RTT）的路径规划算法,以保证交互设备在月球基地环境下的相关工作顺利进行。仿真结果显示,该目标检测及路径规划算法能够实现预期功能。     

印度发射首个月球探测器

印度空间研究组织10月22日在距离印度南部城市钦奈90km的萨迪什·达万航天中心用一枚极轨卫星运载火箭（PSLV）将印度首个月球探测器——“月船1号”发射升空。“月船1号”将环绕月球飞行2年。     

求解最优月球软着陆轨道的隐式打靶法

基于间接法思想推导出一种隐式打靶法对月球软着陆轨道优化问题进行了研究。建立月球软着陆轨道归一化系统模型,利用庞特亚金极大值原理将月球软着陆轨道优化问题转化为满足最优必要条件的两点边值问题（TPBVP）,采用一种新的时间变量使两点边值问题的终端时刻固定,同时将终端时刻看作状态变量并引入终端时刻的哈密尔顿函数值作为隐式终端条件,提出一种隐式打靶法对含有隐式终端条件的两点边值问题进行迭代求解,从而得出燃料消耗最优的月球软着陆轨道。仿真结果表明,与直接法和混合法相比,隐式打靶法优化精度高,收敛速度快,实现了月球软着陆过程燃料消耗最优。同时应用隐式打靶法求解不同发动机推力值的最优月球软着陆问题,得到燃料消耗最小的最优推重比,可为月面着陆器下降级发动机选型提供参考。     

NASA增加“战神”V火箭运载能力

美国重返月球的先期工作正在进行中,NASA规划者为“战神”V（Ares V）火箭尝试性地增加了一个发动机,还增加了航天飞机衍生型固体火箭助推器的长度,以便安装一个更大的液氢贮箱。     

NASA修订“重返月球计划”

2006年1月，美国国家航空航天局（NASA）修订了“重返月球计划”，强调采用通用性更好的乘员探索飞行器（CEV）与乘员运载火箭（CLV）。NASA不再为这2种飞行器分别研制上面级火箭发动机，而将采用“阿波罗”时代J-2发动机的衍生型号。此前NASA曾计划采用航天飞机的主发动机作为乘员运载火箭的上面级发动机。     

日本启动登月和载人飞船计划

日本航宇探索局（JAXA）4月12日宣布，他们将于8月发射日本的第一个月球轨道探测器。该探测器造价320亿日元，约合2．69亿美元，名为“塞勒涅”，将由日本制造的H-2A型火箭送人太空。日本方面称，日本月球探测计划是继美国“阿波罗计划”之后最大规模的探月计划。     

深空测控网信息接口设计及嫦娥三号任务验证

为了对“嫦娥三号”任务以及后续月球与深空探测任务提供测控支持,我国在喀什和佳木斯分别新建了35m和66 m深空测控站,并组成了深空测控网.考虑到新建深空测控网既需要与我国现行航天测控网进行信息交互,又可以为国际上其他国家和组织的月球和深空探测器提供支持,在信息接口设计时充分参考了CCSDS（Consultative Committee for Space Data System,空间数据系统咨询委员会）、ECSS （European Cooperation for Space Standardization,欧洲空间标准化组织）等国际标准.重点介绍了中国深空测控网的信息接口设计,具体接口包括深空测控设备与深空任务中心间接口、深空运行管理中心相关接口以及干涉测量系统相关接口.该接口设计在“嫦娥三号”任务中得到了充分的验证,各类信息传输正确、及时、有效,为任务过程中的决策提供了支持.     

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

载人月球基地选址的几个基本因素

载人月球基地选址有许多因素需要考虑,如战略意义、科学目标、工程能力约束和资源利用等。分析了国外载人登月着陆点选取及月球基地选址原则,确定了各种选址影响因素的优先级,为我国载人月球基地选址提供了参考依据。基于月球表面的特殊环境和月球基地建设过程中的工程能力约束,对载人月球基地选址约束进行了分析。结合国内外无人月球探测工程、载人登月工程选址点的分布情况,初选月球正面的虹湾、月球赤道的马留斯地区和南极Cabeus撞击坑进行了载人月球基地选址综合分析。分析结果表明,具有较好科学研究意义的虹湾地区和可能存在水冰资源的Cabeus撞击坑均能够满足载人月球基地的选址需求。     

基于月痕资源的月球开发新体系构想

针对月球开发目标问题,指出信息时代月球资源开发存在不同于阿波罗时代的新视角,并将月面对人类活动痕迹的长期保留能力定义为月痕资源,设计以月痕资源开发为核心的月球开发新体系,说明其体系运行原理,并对系统商业化的前景和存在问题进行初步定性分析。研究结果表明,在现有技术基础上,月球资源商业化开发存在可行空间,月球经济的兴起可以预期。     

月球巡视探测器自主定向算法研究

月球巡视探测器自主导航是其能在月面执行探测任务的关键,而定向又是月球巡视探测器自主导航的一个重要组成部分,其定向精度将直接影响到月球巡视探测器定位性能。将CCD(ChargeCoupleDevice)太阳敏感器应用到月球巡视探测器上,用太阳敏感器测量太阳位置矢量,结合加速度计测量的重力矢量,利用QUEST算法推算了月球巡视探测器的姿态和航向,为月球巡视探测器构建了一套适用于长时间、长距离导航的绝对定向方案,通过理论分析和实际推算描述了该定向方案的具体实现过程,最后以仿真结果验证了该方案的可行性,为下一步月球巡视探测器定位研究提供了技术参考。     

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。