攻克地月導航“無人區”(“咖”說科技)
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地月空間通常指從地球低軌延伸至月球及遠至200萬公裡的空間,目前多指距離地球4萬公裡(同步軌道帶)到45萬公裡(地月L2點)的廣闊宇宙空間。隨著人類的活動范圍越來越廣,地月空間正成為科技前沿探索的新焦點。歐空局數據預測,到2030年全球政府和私營企業預計有超過100個探月任務。
每一次跨越地月星海的飛行,都充滿未知和艱險,人類要錨定自己和地月空間其他飛行器之間的相對位置,離不開一項至關重要的能力——地月導航。
當前,地球上的實時導航已融入日常生活。可是,一旦跨越40萬公裡的大尺度空間,航天器便進入了沒有經過文明標記的“蠻荒之地”,沒有高精度地圖和通信系統,出行保障成了挑戰。因此,面向未來的月球探索與開發,不僅要“造好車”,更要“鋪好路”,要能夠知道自身位置、目的地和路線。地月導航是我們走向月球,在月球開展日常活動的重要基礎保障。
然而,地月空間人類鮮少踏足,建設地月導航系統面臨諸多技術難題與工程挑戰。首先,地月的時間基准是扭曲的。地球與月球附近的引力環境不同,運動速度也不同,由於時間流逝的速率與引力勢及運動速度直接相關,月面時鐘相對於地面時鐘有復雜的變化規律。因此,適用於地球的協調世界時無法在月球上直接使用。
其次,地月的空間基准是動蕩的。在地球上,我們可以依賴多個大地參考點來構建我們的地球坐標系,但地月空間無法建立長期固定的相對坐標框架,這種先天性的坐標飄移,使構建溯源到地球的高精度空間基准極為困難。
最后,源自地球的導航手段力不從心。現在我們常用的深空導航手段包括地基深空測控網、北斗空間服務技術、星間鏈路技術等,但各種技術都有局限性。比如,深空測控網受限於資源和覆蓋性,北斗空間服務技術受限於靈敏度和幾何分布。此外,地月航天任務覆蓋10余個階段,每個階段的需求都各不相同,沒有一種現有導航技術能夠獨自成為照亮地月空間全過程的燈塔。
構建能溯源到地球的月球時空基准理論,為地月活動提供可靠的宇宙標尺,是我們科研人員當下努力的前沿命題。在近地空間,可依靠北斗系統為航天器提供初始定位服務﹔在地月空間,可部署專用的地月導航衛星,構建自主運行的地月測量網﹔在近月區域,可通過月面設施實現協同,為月球用戶提供服務。三層網絡互聯同步,共同構成從地球延伸至月球的全域導航體系,採用多維多源融合的手段,來應對地月環境中不可預見的風險。
構建連接地月乃至深空的導航體系,不僅是跨越地月空間的必由之路,更是支撐月球科研站長期運行、載人登月常態化乃至邁向火星等更深宇宙的基石。
嫦娥奔月神話寄托了古人對於月亮的美好想象,今天,月球作為人類邁向太空的第一站,煥發出了新的科技生命力。從月背著陸到載人登月,月球作為地球活動的延續,不僅是一條技術突破的軌跡,更是一個文明向宇宙深處延伸的宣言。終有一天,北斗系統會實現從經天緯地、導航全球到錨定月球、引航寰宇的跨越。
(作者為中國科學院空天信息創新研究院研究員、博士生導師,本報記者吳月輝採訪整理)
《 人民日報 》( 2026年03月23日 19 版)
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