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在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?

发布日期: 2020-07-28
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在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


 

众所周知,人类登陆月球是人类首次对外太空进行探索并迈出的第一步。正如阿姆斯特朗所说,这是个人的一小步,却是人类的一大步。人类登月为探索月球资源及移民火星提供了参考的价值,对于人类探索太空的历史来说意义十分巨大。
 

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


我国的嫦娥探月工程,便是我国在探索月球资源的一个新的阶段。那么,如果想要进一步对月球的某一处进行精准的探索,比如在月球南极附近的火山口中开采冰层,我们又如何精准地将物资、设备以及宇航员送达探索的位置呢?是否能通过导航系统实现呢?
 
答案是肯定的!
 

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


据美国加州航空航天局喷气推进实验室的张家明和李查尔斯进行的数学计算,他们绘制了来自美国全球定位系统及欧洲的伽利略和俄罗斯的GLONASS系统的导航卫星的轨道,总共有81颗卫星。它们中的大多数都带有指向地球表面的定向天线,但是它们的信号也辐射到太空中。这些被辐射到太空中的强大的信号,足以被在月球附近装有相当紧凑的接收器的航天器读取。通过计算,在月球轨道上的航天器将能够在任何给定时间“看到” 5至13个卫星的信号,定位精度能达到 200 到 300 米。
 
在计算中,GNSS系统实现了定位导航。那么在实际操作上,GNSS系统在复杂的环境下可以为月球上的宇航员和设备提供怎样的定位导航支持呢?
 

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


了解定位导航原理的朋友都知道,GNSS系统进行定位的要素有以下几个:
  • 用户接收机能够收到4颗以上导航卫星的信号;
  • 能够从信号中测量出接收机与各颗导航卫星之间的伪距;
  • 能够解调出各个信号上的导航电文数据码,得到各颗导航卫星的轨道信息;
 
由于GNSS系统主要是为地面及3000km以下高度的用户提供导航定位服务。因此,大多数导航卫星的信号都是指向地球表面的定向天线,对于约385000km外高度的月球,只能接收来自地球同侧卫星的旁瓣信号或者地球另一面卫星的主瓣和旁瓣信号。
 
同时因为与地球以及卫星信号的距离远,信号的传输距离增大,从而导致信号减弱。加上在月球上只能接收到卫星发射天线相对更弱的旁瓣信号,因此在月球表面可接收的GNSS信号强度只能达到地面用户的1/1000。
 

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


除了信号强度,定位精度也会比地面上的用户更差。定位精度取决于可见的导航卫星相对用户的空间几何分布。通常采用位置精度因子(PDOP)来表征定位精度。在几何上,当可见的导航卫星均匀分布在用户四周时,几何分布较好,相应的PDOP值较小,定位精度较高;反之,当可见的导航卫星集中在一处或者排列在一条直线上时,几何分布较差,相应的PDOP值较大,定位精度较低。
 
在月球上,因为距离较远,导致了可见的导航卫星几何分布变差,位置精度因子也急剧增大。对于月面目标,PDOP值可能恶化至数百或千的量级,相应的单点定位精度约为数十千米量级。

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?

 
可以看出,在月球上使用GNSS系统进行定位导航,存在着信号弱,测量几何差的问题。那么,应该如何解决呢?
 
针对上述月球目标导航面临的信号弱,可以给接收机配置更多的接收天线,使之有更强的信号接收工作能力,实现弱信号的捕获,提升可见导航卫星的数量。
 
针对测量几何差,可以给接收机配置更稳定的原子钟、实现增强的导航滤波算法和钟差模型,从而能够使接收机进行轨道动力学和钟差模型的外推,解决某些时刻可见星数量少于4颗和PDOP值恶化带来的无法定位问题。
 
除了上述两个关键的问题,还要考虑因为潮汐锁定现象而导致的GNSS系统覆盖性问题,比如在月球背面,如何给目标提供定位导航服务等等的问题。
 
实际上,为了使GNSS的服务范围从近地扩展到更远的空间直至地月系空间,科学家和工程师们已经开展了大量的科研工作,开展了利用GNSS支持更高轨道航天器导航的试验,取得了好的应用成果以及科研结论。比如前文提到的计算以及2015年,NASA为研究“磁重连”现象而发射的4个航天器(任务代号MMS),通过GPS系统的精确定位,让4个卫星时刻都保持成一个四面体的结构,实现了在150000 km高度上的GPS导航,精度达到10m量级。
 

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?


而我国也于2014年10月在探月工程三期再入返回飞行探测器(CE-5T1)上首次搭载GNSS接收机,成功获取了60000km月球返回轨道上的GNSS数据和实时定位结果,为GNSS技术用于月球探测器导航提供了宝贵的经验。
 
基于这些研究成果和试验经验,利用GNSS技术支持月球探测器和登月宇航员的定位导航指日可待。此外,成功组网的我国北斗三号系统相比于单GPS系统,北斗三号系统的加入可以使月面目标可见的导航卫星数量增加1倍,导航卫星几何分布也得到很大改善,从而为月面目标的定位导航提供更可靠的保障。
 
今年是人类月球日的第51个年头,我们不仅可以在月球上使用GNSS系统进行导航,还随着技术的进步变得愈发高效。可以期待,往后会有更高效的技术应用帮助我们进行月球以及太空的探索!




本文综合自“今日北斗(bddaily)”,原标题《在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?》精酿

在月球上,还能使用高精度的定位导航系统吗?






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