离地球160万公里布设“激光灯塔”:MIT提出LightHOUSE地月导航新构想
随着月球探测任务增多,如何让飞行器在地月空间及时、连续地知道“自己在哪里”,正在成为深空基础设施建设中的现实问题。
据《Universe Today》8月31日报道,美国麻省理工学院林肯实验室正在研究一种名为LightHOUSE的地月空间导航与通信构想:在远高于月球轨道的超高地球轨道部署一组卫星,以激光通信和光学测量方式充当“导航灯塔”,为往返地月空间的航天器提供类似GPS的定位支持
与已经进入建设阶段的月球通信导航星座不同,LightHOUSE目前仍处于系统分析、仿真和实验室试验阶段,尚不是已经立项部署的卫星工程。林肯实验室表示,近期工作重点是完善系统概念,并形成面向用户提供导航数据的详细架构。
LightHOUSE全称为“Light High-Orbit Utility Signal Emitter”。林肯实验室公布的示意架构中出现了LH1、LH2和LH3三颗卫星,研究团队将其描述为一个小型高轨卫星群。
这一方案最醒目的地方,是卫星轨道高度。
按照林肯实验室披露的设想,LightHOUSE信标卫星最高可部署在距地球约100万英里、即约160万公里的超高轨道,远远超过地月平均距离约38.4万公里。高轨部署能够显著拉开不同信标的观测几何关系,使地月空间航天器从不同方向获得测量信息,形成类似GPS多星导航所依赖的角度多样性。
更重要的是,这些卫星可以从地球之外的不同方向观察和联系目标航天器。当飞行器运行到月球背面、无法直接与地球建立视线链路时,部分高轨信标仍有机会保持可见,从而降低月球遮挡带来的导航和通信中断风险。
今年“阿尔忒弥斯2号”绕月飞行期间,航天器在月球背面曾出现约40分钟与地球失去直接联系的阶段。林肯实验室正是将这一场景列为LightHOUSE未来可能改善的问题之一。
LightHOUSE并非单纯给深空航天器增加一条高速激光通信链路。
按照目前方案,信标卫星将与用户航天器交换时间和通信信号,同时结合自由空间光通信、协同测距以及以恒星背景为参考的高分辨率光学成像,对目标航天器的位置和运动状态进行估计,最终获得其三维位置和速度。
这种设计还借鉴了GPS“基础设施复杂、用户终端尽量简单”的思路。
林肯实验室给出的初步技术设想是,LightHOUSE信标卫星可配置数十厘米口径望远镜和数十瓦级激光发射机,而用户航天器只需厘米级光学口径和数十毫瓦级激光器。也就是说,高功率、远距离捕获和精密测量等主要技术负担尽量放到导航基础设施一端,从而减少月球探测器、小型航天器对大型天线和高功率设备的依赖。
这一技术路线并非完全从零开始。林肯实验室近年来已经参与NASA多项激光通信试验,包括TBIRD以及“阿尔忒弥斯2号”搭载的O2O光通信系统。NASA资料显示,O2O已经在载人绕月任务中完成月球距离激光通信演示;更早的深空光通信试验也在持续验证远距离激光链路能力。
目前,执行深空任务的航天器仍高度依赖NASA深空网(DSN)进行通信和精密测轨。DSN由美国加利福尼亚州戈德斯通、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉三大深空通信站组成,三个站区沿地球经度方向大致相隔120度。随着深空任务数量增加,其天线时间已经成为需要统筹调度的重要资源。
LightHOUSE试图改变的,正是这种“地面站逐个服务航天器”的模式。
如果高轨信标能够让航天器更加及时、甚至更自主地获得导航信息,任务方就可能减少部分地面精密测轨需求,降低轨道修正频率和推进剂消耗,同时释放深空网资源。
但它并不是NASA现有月球导航计划的简单替代方案。
NASA正在推进LunaNet标准体系和月球中继通信导航能力,欧洲航天局也已启动Moonlight计划,后者规划由4颗导航卫星和1颗通信卫星组成月球轨道星座,重点覆盖月球南极。相比之下,LightHOUSE将导航信标布设到远超月球距离的高轨区域,更强调覆盖广阔地月空间、改善远距离观测几何以及服务月球背面航天器。几种路线未来更可能形成互补,而不是简单取代关系。
从公开进展看,LightHOUSE距离真正升空还有相当距离。林肯实验室估计,一个完整系统可能需要数亿美元级投入,远距离激光捕获、精确指向、稳定测距以及复杂轨道条件下的持续可用性仍需验证。(麻省理工学院
但其背后反映出的趋势已经比较清晰:随着载人登月、商业月球任务和地月空间活动增加,导航正在从单项任务的“地面保障能力”,逐步转变为需要提前建设、可供多用户共享的空间公共基础设施。未来地月空间竞争的一个重要环节,可能不只是“谁先到达月球”,还包括谁能够率先建立稳定、连续、标准化的通信与定位服务体系。
MIT林肯实验室:LightHOUSE项目介绍
MIT News:High-orbit satellites could light the way for travel to the moon
NASA:LunaNet月球通信导航体系
ESA:Moonlight月球通信导航计划
Universe Today原始报道
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