月球版GPS怎么建？北邮团队提出新方法

当嫦娥六号带着月球背面的珍贵样本顺利返回地球，当国际月球科研站的规划蓝图逐渐清晰，人类探索月球的脚步正从 “探访” 迈向 “定居”。但你有没有想过一个关键问题：在月球上，我们用什么导航？地球的 GPS 和北斗系统信号难以穿透地月距离的阻隔，月球背面更是长期处于通信盲区。为了解决这个 “太空导航难题”，北京邮电大学的科研团队提出了一套月球专属的定位系统方案来构建 “月球版 GPS”（LGPS）

（图片由AI生成）

PART.01

卫星住哪儿

要建月球导航系统，首先得解决 “卫星住哪儿” 的问题。在地球轨道上，GPS 卫星可以沿着近地轨道平稳运行，但月球所处的地月空间是一个复杂的引力场，卫星轨道的选择直接决定了导航系统的覆盖范围和稳定性。过去，科学家们曾考虑过 Halo 轨道等常见方案，但这类轨道稳定性较差，卫星每年需要多次调整位置才能维持轨道，不仅维护成本高，对月球极区等关键区域的覆盖也不尽如人意。

北京邮电大学的科研团队另辟蹊径，将目光投向了一种名为 “近直线晕轨道（NRHO）” 的特殊轨道。这种轨道是 Halo 轨道家族中的 “优等生”，距离月球较近且轨道面外幅值大，更重要的是它具有独特的动力学特性，能在一定程度上减少轨道维持的频率，稳定性远超传统轨道。早在 2018 年，NASA 的 “月球门户” 任务就选择 NRHO 作为参考轨道，2022 年 CAPSTONE 探测器成功进入该轨道并稳定运行 6 个月，充分验证了其可靠性。

L1 和 L2 Halo 轨道和 NRHO

NRHO 之所以成为月球导航的理想选择，关键在于它的空间几何优势。地月系统存在 5 个特殊的平动点，NRHO 就分布在 L₁和 L₂两个平动点附近，分为南北两个轨道族。其中 L₂ NRHO 的近月点半径在 1850 至 17350 公里之间，轨道周期 6 到 10 天；L₁ NRHO 的近月点半径更宽，从 900 公里延伸到 19000 公里，周期为 8 到 10 天。这种布局让卫星既能近距离 “观察” 月球表面，又能借助地月引力平衡保持轨道稳定，为实现全球覆盖打下基础。

地月三体系统的平动点

PART.02

卫星怎么摆

解决了轨道问题，接下来是 “卫星怎么摆” 的构型设计。科研团队设计了单轨 4 星、双轨 8 星和四轨 16 星三种方案，通过仿真分析不同构型的导航性能。单轨 4 星方案虽然简单，但存在明显短板 —— 只能覆盖轨道同侧的极区，对另一侧极区则完全不可见，比如 L₂北族 NRHO 的 4 星星座无法覆盖月球南极，覆盖率为零，显然满足不了全球导航需求。

双轨 8 星方案通过两种组合方式优化覆盖效果：一种是在同一平动点部署南北对称的两个 NRHO，形成 “X” 形构型，能同时覆盖南北两极，低纬度区域的覆盖率可达 100%；另一种是在 L₁和 L₂两个平动点部署同侧轨道，虽然仍无法覆盖对侧极区，但能显著提升同侧极区的定位精度，GDOP 值（几何精度因子，数值越小精度越高）可降至 3 以内。这两种方案各有侧重，为最终的最优构型提供了重要参考。

经过反复仿真验证，四轨 16 星构型脱颖而出，成为 LGPS 的理想方案。这个方案巧妙融合了双轨方案的优点，在 L₁和 L₂两个平动点的南北族 NRHO 上各部署 4 颗卫星，形成一个全方位的导航网络。仿真结果显示，这种构型能实现月球表面 100% 区域覆盖，所有观测点的最小可见卫星数都达到 6 颗，完全满足定位需求。此外，当 NRHO 的近月点半径选择 12000 公里时，系统的 GDOP 值可稳定在 3 以内，甚至优于传统 Halo 轨道 24 星构型的定位精度，真正实现了 “少卫星、高精度” 的设计目标。

这套系统的定位原理与地球 GPS 类似，但针对月球环境进行了优化。卫星通过向月面发送信号，用户设备接收至少 4 颗卫星的伪距数据后，通过构建方向余弦矩阵和求解误差方程，就能计算出精确位置。科研团队采用圆型限制性三体问题（CRTBP）模型，充分考虑了地月引力场的复杂影响，确保定位算法的准确性。在 50 天的仿真周期内，无论是赤道、中纬度区域，还是曾难以覆盖的南极、北极地区，系统都能保持稳定的定位性能，覆盖率和精度均满足未来月球探测任务的要求。

PART.03

太空应用

随着月球开发进入实质阶段，LGPS 的应用价值将日益凸显，尤其是在太空采矿领域。月球上蕴藏着丰富的氦 - 3、稀土元素等宝贵资源，这些资源是未来太空探索和地球能源转型的重要支撑，但月球表面地形复杂，采矿设备的精准导航是高效开采的前提。有了 LGPS，无人采矿车可以在月球表面精准定位矿点位置，规划最优行驶路线，避开陨石坑等危险区域；采矿设备与月球基地之间的物资运输也能实现实时导航监控，确保运输安全高效。

原文参考

晋守聪, 程潏, 刘磊, 陈钢. 基于NRHO的月球全球定位系统星座研究[J]. 空间科学学报, 2025, 45(2): 317-327. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0151

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本文转载自“太空采矿”，原标题《月球版GPS怎么建？北邮团队提出新方法》。

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