當(dāng)嫦娥六號(hào)成功從月球背面帶回珍貴樣本，國(guó)際月球科研站的藍(lán)圖正逐步展開(kāi)，人類對(duì)月球的探索正從短期探訪邁向長(zhǎng)期定居。然而，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題擺在眼前：在月球上，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航？地球上的GPS和北斗系統(tǒng)信號(hào)無(wú)法穿透地月距離，月球背面更是長(zhǎng)期處于通信盲區(qū)。為破解這一難題，北京郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一套月球?qū)俚亩ㄎ幌到y(tǒng)方案——LGPS，旨在打造“月球版GPS”。

構(gòu)建月球?qū)Ш较到y(tǒng)的首要挑戰(zhàn)是選擇合適的衛(wèi)星軌道。在地球軌道上，GPS衛(wèi)星可以穩(wěn)定運(yùn)行于近地軌道，但月球所處的地月空間引力場(chǎng)復(fù)雜，軌道選擇直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)方案如Halo軌道存在穩(wěn)定性差、維護(hù)成本高的問(wèn)題，且對(duì)月球極區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域的覆蓋不足。北京郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光投向“近直線暈軌道（NRHO）”。這種軌道屬于Halo軌道的優(yōu)化版本，距離月球較近且軌道面外幅值大，具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，能夠減少軌道維持頻率，穩(wěn)定性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)軌道。2018年，NASA的“月球門戶”任務(wù)已選擇NRHO作為參考軌道，2022年CAPSTONE探測(cè)器成功進(jìn)入該軌道并穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，驗(yàn)證了其可靠性。

NRHO之所以成為月球?qū)Ш降睦硐脒x擇，關(guān)鍵在于其空間幾何優(yōu)勢(shì)。地月系統(tǒng)存在5個(gè)特殊的平動(dòng)點(diǎn)，NRHO分布在L?和L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)附近，分為南北兩個(gè)軌道族。其中，L? NRHO的近月點(diǎn)半徑在1850至17350公里之間，軌道周期6至10天；L? NRHO的近月點(diǎn)半徑更寬，從900公里延伸至19000公里，周期為8至10天。這種布局使衛(wèi)星既能近距離“觀察”月球表面，又能借助地月引力平衡保持軌道穩(wěn)定，為全球覆蓋奠定基礎(chǔ)。

解決了軌道問(wèn)題后，科研團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)。他們提出了單軌4星、雙軌8星和四軌16星三種方案，并通過(guò)仿真分析不同構(gòu)型的導(dǎo)航性能。單軌4星方案雖然簡(jiǎn)單，但存在明顯短板：僅能覆蓋軌道同側(cè)的極區(qū)，對(duì)另一側(cè)極區(qū)完全不可見(jiàn)。例如，L?北族NRHO的4星星座無(wú)法覆蓋月球南極，覆蓋率為零，無(wú)法滿足全球?qū)Ш叫枨蟆ｋp軌8星方案通過(guò)兩種組合方式優(yōu)化覆蓋效果：一種是在同一平動(dòng)點(diǎn)部署南北對(duì)稱的兩個(gè)NRHO，形成“X”形構(gòu)型，能同時(shí)覆蓋南北兩極，低緯度區(qū)域覆蓋率可達(dá)100%；另一種是在L?和L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)部署同側(cè)軌道，雖無(wú)法覆蓋對(duì)側(cè)極區(qū)，但能顯著提升同側(cè)極區(qū)的定位精度，GDOP值（幾何精度因子，數(shù)值越小精度越高）可降至3以內(nèi)。這兩種方案各有側(cè)重，為最終構(gòu)型提供了重要參考。

經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真驗(yàn)證，四軌16星構(gòu)型脫穎而出，成為L(zhǎng)GPS的理想方案。該方案在L?和L?兩個(gè)平動(dòng)點(diǎn)的南北族NRHO上各部署4顆衛(wèi)星，形成一個(gè)全方位的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果顯示，這種構(gòu)型能實(shí)現(xiàn)月球表面100%區(qū)域覆蓋，所有觀測(cè)點(diǎn)的最小可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)達(dá)到6顆，完全滿足定位需求。當(dāng)NRHO的近月點(diǎn)半徑選擇12000公里時(shí)，系統(tǒng)的GDOP值可穩(wěn)定在3以內(nèi)，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)Halo軌道24星構(gòu)型的定位精度，真正實(shí)現(xiàn)了“少衛(wèi)星、高精度”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。LGPS的定位原理與地球GPS類似，但針對(duì)月球環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。衛(wèi)星向月面發(fā)送信號(hào)，用戶設(shè)備接收至少4顆衛(wèi)星的偽距數(shù)據(jù)后，通過(guò)構(gòu)建方向余弦矩陣和求解誤差方程，即可計(jì)算出精確位置?？蒲袌F(tuán)隊(duì)采用圓型限制性三體問(wèn)題（CRTBP）模型，充分考慮了地月引力場(chǎng)的復(fù)雜影響，確保定位算法的準(zhǔn)確性。在50天的仿真周期內(nèi)，無(wú)論是赤道、中緯度區(qū)域，還是曾難以覆蓋的南極、北極地區(qū)，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定的定位性能，覆蓋率和精度均滿足未來(lái)月球探測(cè)任務(wù)的要求。

隨著月球開(kāi)發(fā)進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段，LGPS的應(yīng)用價(jià)值將日益凸顯，尤其在太空采礦領(lǐng)域。月球蘊(yùn)藏著豐富的氦-3、稀土元素等寶貴資源，這些資源是未來(lái)太空探索和地球能源轉(zhuǎn)型的重要支撐。然而，月球表面地形復(fù)雜，采礦設(shè)備的精準(zhǔn)導(dǎo)航是高效開(kāi)采的前提。有了LGPS，無(wú)人采礦車可以在月球表面精準(zhǔn)定位礦點(diǎn)位置，規(guī)劃最優(yōu)行駛路線，避開(kāi)隕石坑等危險(xiǎn)區(qū)域；采礦設(shè)備與月球基地之間的物資運(yùn)輸也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航監(jiān)控，確保運(yùn)輸安全高效。在月球極區(qū)，那里存在著可能含有水冰的永久陰影區(qū)，是太空采礦的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域，也是傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋盲區(qū)。而基于NRHO的LGPS在極區(qū)的定位精度可達(dá)GDOP<3，能為采礦設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)，幫助人類安全開(kāi)采這些關(guān)鍵資源。隨著LGPS的完善，月球采礦將從概念走向現(xiàn)實(shí)，形成“探測(cè)-定位-開(kāi)采-運(yùn)輸”的完整產(chǎn)業(yè)鏈，為人類邁向深空探索提供堅(jiān)實(shí)的資源保障。