奔向月球及更遠之地：讓月球定位導航授時（lunar PNT）照進現(xiàn)實的新技術(shù)
國際社會在開發(fā)月球定位、導航與授時（PNT）技術(shù)及服務方面的努力正不斷加快步伐。近期，一場由Inside GNSS雜志主辦的網(wǎng)絡研討會就當前進展情況展開了探討。
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今年3月，太空探索領域書寫了歷史新篇，當時螢火蟲太空公司(Firefly Aerospace)的“藍幽靈”（Blue Ghost）月球著陸器成為首個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國家航空航天局（NASA）的十項有效載荷，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)的月球及更遠深空探測任務提供規(guī)劃依據(jù)。隨著這些探測計劃的逐步推進，一個關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時實現(xiàn)有效導航。
由此帶來的對月球PNT服務的投資，正推動整個行業(yè)在接收機設計、PNT基礎設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
為探討這些最新進展，我很高興能在近期由Inside GNSS雜志舉辦的網(wǎng)絡研討會上發(fā)表演講，與我同臺的還有QASCOM公司導航技術(shù)部門負責人Samuele Fantinato，以及日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）月球定位導航授時（Lunar PNT）與低軌衛(wèi)星定位導航授時（LEO PNT）項目負責人Masaya Murata。
“月球GNSS接收機實驗”（LuGRE）在月表捕獲GNSS信號
“藍幽靈”（Blue Ghost）著陸器搭載的十項有效載荷中，有一項是“月球GNSS接收機實驗”（簡稱LuGRE），這是美國國家航空航天局（NASA）與意大利航天局（ASI）的聯(lián)合項目。
LuGRE是一款高靈敏度GNSS接收機，由QASCOM公司設計研發(fā)，旨在評估在月球接收GNSS信號的潛力。
Samuele Fantinato分享了這些實驗的一些引人入勝的成果，展示了LuGRE如何首次實現(xiàn)在月球軌道及月表捕獲GNSS信號。
LuGRE將接收到的信號以IQ文件形式記錄，這些文件將于今年10月向公眾開放——這對于實現(xiàn)逼真的月球GNSS仿真而言前景可期。
專用月球PNT服務的新進展
然而，僅靠GNSS信號并不足以確保月球?qū)Ш降目煽啃?，目前國際社會正在推進一項計劃，開發(fā)可互操作的PNT服務，以便將其部署至月球軌道。
在LunaNet框架下，首次任務將包含四顆繞月軌道衛(wèi)星，其中包括美國國家航空航天局（NASA）的“月球通信與導航系統(tǒng)”（LCRNS）、歐洲空間局（ESA）的“月光”導航通信系統(tǒng)（Moonlight LCNS）以及日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）的月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（LNSS）。
Masaya Murata展示了這三個系統(tǒng)將如何廣播標準化的增強前向信號（Augmented Forward Signal，AFS）。該信號將在S波段頻率范圍內(nèi)廣播，原因包括以下幾點：
● 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的隔離
這給月球PNT基礎設施開發(fā)者帶來了新的仿真挑戰(zhàn)——而日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）正使用思博倫PNT X仿真器應對這一挑戰(zhàn)，該仿真器能夠根據(jù)當前的“月球網(wǎng)絡”(LunaNet)互操作性規(guī)范（LNIS）生成逼真的增強前向信號（AFS）。
月球PNT仿真能力的進展
模擬未來的LunaNet信號，只是思博倫在PNT X仿真平臺上努力解決的眾多月球PNT開發(fā)需求之一。我介紹了其他一些關鍵挑戰(zhàn)的最新進展，以及我們解決這些問題的方法，具體包括：
● 軌道動力學建模：月球軌道模型需考慮地球上不存在的動力學因素，例如月球引力不均、不同天體的攝動影響，以及太陽輻射壓等效應。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應用的逼真軌道模型集成至我們的SimORBIT軟件中。
● 月球大地測量參考系統(tǒng)（Selenodetic Reference System）：目前尚未發(fā)布月球空間與時間的參考坐標系。不過，LunaNet計劃已啟動相關研究工作，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)中予以實現(xiàn)。作為前瞻性布局，我們已在PNT X中集成了美國國家航空航天局（NASA）的SPICE工具包，用于管理和現(xiàn)場更新參考坐標系。這將確保PNT X系統(tǒng)能夠持續(xù)滿足未來月球任務，以及火星及更遠深空探測任務的規(guī)劃需求。
● 月球星歷與地形：月球PNT信號的仿真在衛(wèi)星幾何構(gòu)型和月球地形導致的信號衰減效應方面面臨獨特挑戰(zhàn)。深邃的隕石坑與低仰角衛(wèi)星相結(jié)合可能導致信號遮擋，而月球類陶瓷風化層的高反射特性則可能引發(fā)多徑效應，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
為展示思博倫如何模擬月球表面逼真的信號效應，我演示了如何利用PNT X的三維環(huán)境建模能力，逼真復現(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，我們添加了來自四顆軌道衛(wèi)星的模擬增強前向信號（AFS），并規(guī)劃了不同漫游車任務的軌跡——包括一條400米的短途路徑和一條4公里的長途路徑。我們針對三種不同約束條件下的場景分析了信號接收情況，這些約束條件包括漫游車海拔高度和幾何精度因子（GDoP）。
諸如此類的仿真能夠深入揭示月球車輛在不同場景下接收PNT信號的實際體驗，助力航天機構(gòu)和技術(shù)研發(fā)方自信地規(guī)劃任務、設計新技術(shù)。您可在網(wǎng)絡研討會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，我非常樂意解答您關于月球定位導航授時（PNT）仿真挑戰(zhàn)，或PNT X系統(tǒng)月球定位導航授時（PNT）功能的任何疑問。