人類首次實(shí)現(xiàn)月表GPS導(dǎo)航定位！NASA三大技術(shù)方案詳解

圖蟲創(chuàng)意

2025年3月3日，NASA與意大利航天局合作開展的“月球全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收實(shí)驗(yàn)”（LuGRE）取得了歷史性成就——人類首次在月球表面成功接收并跟蹤來(lái)自地球的GPS信號(hào)。那么，這次在月球表面接收地球GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)人類首次月球?qū)Ш?，技術(shù)上有哪些突破？下面我們來(lái)聊聊月球?qū)Ш脚c地球?qū)Ш接泻萎愅?？目前有哪幾種備選方案？中國(guó)是否有類似技術(shù)？

首先，這一突破不僅標(biāo)志著深空導(dǎo)航技術(shù)的重大進(jìn)展，更為未來(lái)的月球探索和星際航行提供了全新可能。地球全球定位系統(tǒng)（例如我國(guó)的北斗、美國(guó)的GPS）依托于遍布全球的衛(wèi)星星座，通過(guò)精密的原子鐘和三角定位算法，在導(dǎo)航衛(wèi)星上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，地面接收設(shè)備（比如我們的手機(jī)）接收導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了米級(jí)乃至亞米級(jí)定位精度。而這次的月球?qū)Ш綄?shí)驗(yàn)，通過(guò)搭載美國(guó)螢火蟲航天公司的藍(lán)色幽靈號(hào)月球著陸器，將專為捕捉極微弱信號(hào)設(shè)計(jì)的高靈敏度接收LuGRE實(shí)驗(yàn)設(shè)備送至月球表面，著陸后不久成功獲取了地球GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航定位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了距地球超過(guò)30萬(wàn)公里遠(yuǎn)處的導(dǎo)航定位。這一成就證明了地球?qū)Ш较到y(tǒng)的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)展到深空，為未來(lái)的月球和火星探索任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

在地球?qū)Ш綍r(shí)，導(dǎo)航芯片接收的是導(dǎo)航衛(wèi)星的主瓣信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)。但在月球上，由于接收的多為衛(wèi)星旁瓣信號(hào)、信號(hào)衰減極為嚴(yán)重及時(shí)延明顯等原因，傳統(tǒng)的地面導(dǎo)航設(shè)備難以直接套用。本次實(shí)驗(yàn)中，NASA團(tuán)隊(duì)在使用了經(jīng)過(guò)專門改造的高靈敏接收設(shè)備（相當(dāng)于更加靈敏的北斗導(dǎo)航信號(hào)接收芯片），使其能捕捉到微弱的GPS信號(hào)。NASA首次在月球上接收GPS信號(hào)的成功，不僅驗(yàn)證了利用來(lái)自地球?qū)Ш叫亲鶎?duì)深空目標(biāo)進(jìn)行定位的可行性，也為未來(lái)載人登月、月面基建和深空探測(cè)任務(wù)提供了新型導(dǎo)航手段。

目前關(guān)于月球定位系統(tǒng)的解決路徑，已提出幾種主要備選方案：
第一種是利用擴(kuò)展地球全球定位系統(tǒng)信號(hào)的覆蓋范圍，通過(guò)更高靈敏度的接收設(shè)備捕捉極弱旁瓣信號(hào)； 第二種是建設(shè)專用的月球?qū)Ш叫亲?，通過(guò)在月球軌道上部署導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)自主定位；第三種采用采用混合導(dǎo)航系統(tǒng)，即融合上面兩種技術(shù)手段，形成冗余保障系統(tǒng)以滿足復(fù)雜環(huán)境需求。

我國(guó)在深空導(dǎo)航與月面通信領(lǐng)域也在積極布局?！谤o橋”中繼衛(wèi)星計(jì)劃已初步實(shí)現(xiàn)地月之間的信息傳輸，將為未來(lái)月面定位導(dǎo)航提供中繼支持；在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上，也在考慮建立專用月球?qū)Ш叫亲?，以?shí)現(xiàn)后期依靠自主系統(tǒng)為月球科研站及探測(cè)器提供高精度定位服務(wù)。我國(guó)依托北斗系統(tǒng)及自主研發(fā)的深空通信導(dǎo)航技術(shù)正迎頭趕上，未來(lái)有望構(gòu)建起屬于我們的“月球北斗”。當(dāng)中國(guó)航天員走上月球、在月面展開多樣化活動(dòng)時(shí)，我們一定能夠通過(guò)自主掌握的導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸、平穩(wěn)巡視和高效協(xié)同，為人類探索宇宙貢獻(xiàn)更多中國(guó)智慧！

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：周炳紅 中國(guó)航天科普大使 研究員

審核：孫志斌 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司