通导一体化环月星座设计初探
王晓伟, 詹亚锋,*, 谢浩然,2, 陈 曦
(1. 北京信息科学与技术国家研究中心, 北京 100084; 2. 清华大学电子工程系, 北京 100084)
自1957年发射第一颗人造卫星以来,人类对太空的探索一直在不断深入。月球,作为离地球最近的自然天体,成为人类探测深空的首要目标,也是人类探测深空的理想跳板。目前,在新一轮探月高潮中,载人登月、建立月球科考站成为各航天大国的探月计划目标[1-5]。
对于月球探测任务,尤其是在月球背面的探测,贯穿始终的是导航与通信。考虑到月球公转与自转基本同步,只依靠地球上的深空测控站无法实现对月球的全面覆盖。地球上部署的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)在月球上的适用性并不高[6-7]。而探月活动的内容越来越丰富、技术越来越复杂,因此建立月球中继通信和导航星座势在必行。
月球探测中继通信和导航星座主要可分为环月轨道和地月平动点轨道两类。其中，环月轨道可实现全月面覆盖,能够与月面目标近距离通信,且其轨道特性与地球卫星近似,故而便于应用,是月球探测中继通信和导航定位的首要考虑手段。环月星座设计方案始于美国2004年提出的'重返月球计划“[8-9]。在该计划中，美国国家宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)针对不同的任务需求制定了不同的星座方案类型，以提高月面覆盖率和导航精度。同时，NASA还成立了专门的空间通信体系工作组(Space Communication Architecture Working Group, SCAWG),详细介绍了不同星座的需求分析和性能评估方法[10],其中首选方案为由两颗卫星组成的月球定位系统卫星星座:星座A将两颗卫星部署在同一轨道面,两颗卫星的相位相差180°,可覆盖半个月球;星座B将两颗卫星部署在两个相互正交的轨道平面上,可使两个半球均得到一定程度的覆盖。此外,SCAWG还设计了圆极轨道星座、椭圆轨道星座、倾斜圆轨道星座,以及基于拉格朗日点晕轨道星座等多种方案[11]。不过，该计划因美财政问题在2010年4月被 '新太空探索计划“所取代,并未得到实施。此外,2007年9月日本发射的'月亮女神“卫星率先在月球探测任务中成功应用了月球中继卫星[12-13]。
在地月平动点轨道类型星座中,卫星相对于地球和月球背面始终可见,具有同等月面覆盖所需卫星数更少、光照时间更长,且相对月面用户的视运动更慢因而易于天线跟踪等优点,被认为非常适合于月球和行星际探测任务[14]。在利用平动点...
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