圖片說明： NASA的"月球網"架構可以為月球附近提供導航和通信服務。
[本報特約記者: 晨 陽]
隨著新一輪月球探測和開發計劃的熱度提升，建立月球導航系統的提議也被擺上日程。據香港《南華早報》7月14日報導，中國科學家近日提出了一項設計方案，擬建立一個類似於北鬥導航系統的能服務於全月面的通信導航星座。此前美國、歐洲和日本均提出了各自的月球導航計劃。
那麽建立月球導航系統的挑戰在哪裏？
中國學者提出月球導航計劃
《南華早報》援引6月在《中國空間科學技術》期刊上發表的論文稱，中國研究團隊綜合考慮了中繼通信、月面導航、星座建設及維護成本等方面的各項指標，提出由21顆衛星組成的近月空間導航星座設想方案，目標是為人類在月球長期、高密度的探測活動提供長時間的高精度導航。
《南華早報》稱，目前在地球表面或近地空間，主要使用美國全球定位系統（GPS）、中國的北鬥衛星導航系統、歐洲的「伽利略」衛星導航系統和俄羅斯的「格洛納斯」衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、高精度的定位導航等服務。
這些全球衛星導航系統通常由20-35顆衛星組成，精度可達數米，用戶能利用至少4顆衛星的信號組合來精確定位和獲取時間信息。
而中國科學家提出的月面導航方案也與此類似，導航時要求至少4顆衛星同時對目標可見。報道稱，該研究還提出一種近月空間星座建設路線，分三個階段逐步實現對全月的導航。中國研究團隊表示，後續研究將結合軌道參數優化技術，形成更系統的月球導航方案。
報導提到，雖然該論文沒有給出具體建設時間表，但中國探月工程的初步方案和國際月球科研站的規劃此前已經公布：中國計劃在2030年之前將航天員送上月球，並在2035年前以月球南極為核心，建成功能基本齊備、要素基本配套的國際月球科研站，2045年前建成拓展型。
美歐日都已提出月球導航計劃
近年來，近月空間星座建設正在成為航天研究的熱點方向。
伴隨著越來越多的月球探測和開發活動，建立月球導航系統的設想也不斷被提出。
為滿足美國「阿爾忒彌斯」載人登月計劃的導航需求，2020年美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室的科學家經過計算後確認，GPS衛星信號在38萬公里外的月球附近依然能夠提供服務，據稱在月球軌道上的航天器能獲取5-13顆GPS衛星的信號，定位精度在200到300米之間。
但如果想在月球表面展開大規模的探測和開發活動，這樣的定位精度就遠遠不夠了。
日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的報告顯示，運行在地球附近的全球衛星導航系統，在38萬公里外的月球附近的信號強度只有地面信號強度的1/30，而且由於月球自身的遮擋，月球背面也無法收到這些導航信號。
同時月球表面覆蓋環形山，來自地球的微弱導航信號容易被山丘、火山口邊緣擋住，因此需要專門的中繼通信衛星提供支持。在月球通信的中繼方面，中國已經有了成功經驗，先後於2018年和2024年發射的鵲橋一號和鵲橋二號衛星為多項探月任務提供了中繼通信支持。
2020年，NASA為支持「阿爾忒彌斯」計劃提出了「月球網」架構，可以滿足在月球表面和附近的宇航員與航天器之間的通信需求，也可以讓宇航員和漫遊車能在崎嶇的月球表面獲得位置和時間信息。
為此NASA在2022年1月啟動「月球通信中繼與導航系統」，計劃發射多顆運行在月球軌道上的衛星。2022年6月28日，美國「頂石」探測器升空。這個只有微波爐大小的探測器被宣傳為「世界上第一顆月球導航衛星」，其任務之一是驗證並測試新型導航技術，以降低未來任務的風險。
歐洲也在推進月球通信服務計劃。2021年，歐洲航天局（ESA） 發布「月光」計劃，提出將在2027年前後建成可持續服務的月球共享通信與導航系統（LCNS），並計劃於2025年發射首顆「月球探路者」衛星，在橢圓凍結軌道上開展技術驗證。
2022年，日本JAXA也提出「月球導航衛星系統（LNSS）」，計劃在月球橢圓軌道上部署8顆衛星，可為月球南極地區的探測器提供中繼通信和導航定位服務。
想建立月球導航系統不容易
盡管地球附近已經有四大全球導航定位系統，但想要把它們「搬」到月球表面卻並不容易。NASA網站介紹說，首先影響建設月球導航系統的就是月球時間問題。
NASA的最新計算表明，根據相對論的「時間膨脹」效應，相比地球表面時間，月球表面時間在每個地球日快57.5微秒，甚至月球表面與月球軌道上的時間也有差別。
考慮到全球導航定位系統的授時精度已達到微秒級別，因此月球時間的這一影響不容忽視。而且月球目前沒有獨立的時間標準。各國的探月計劃都使用自己的時間尺度，並轉換成「協調世界時」。
但探月活動越來越多，月球時間的標準不統一問題日益嚴重。2022年11月，全球航天機構和學術組織的代表在歐洲航天局的歐洲空間研究與技術中心召開會議，起草關於如何定義月球時間的建議。
國際計量局時間部部長帕特里齊亞·塔維拉表示，如果不確立官方月球時間，各國航天機構和私人公司就會各按各的方案行事。
其次，NASA表示，四大全球導航定位系統是建立在全球大地測量觀測系統（GGOS）基礎上的，只有通過後者才能獲得統一、協調的地球表面坐標和海拔高度。但目前月球表面還沒有建立類似的地理坐標系統。
美國國家地理空間情報局（NGA）正在推進相關的測量工作並建立「月球參考系統（LRS）」，但這需要大量的觀測數據。NASA承認，預計它很難在近年的「阿爾忒彌斯」計劃中發揮作用。
此外，月球導航計劃在具體實施過程中還會受到月球自身形狀和質量的影響。例如鵲橋二號中繼星采用環月大橢圓凍結軌道作為使命軌道，就是由於月球外形結構不規則，靠近月球飛行的航天器受到月球引力等因素作用，飛行軌道易產生偏差。
值得注意的是，美國、歐洲和日本的月球導航計劃正打算通過相互配合提供月球增強導航服務，並構建國際標準。美國和歐洲還將從2024年開始試點使用基於地球探測器發射的微弱衛星導航信號計算月球上的位置。▲---來源: 環球時報國際-
*未來職業：太空碎片工程師*
Stijn Lemmens 從事著一項與眾不同的清理工作。作為歐洲航天局（ESA）的高級太空碎片減緩分析師，Lemmens 致力於通過與航天器設計者及更廣泛行業合作，創造不易汙染軌道環境的航天任務，對抗太空汙染。
盡管將航天器發射進太空的事業備受人們關注，但對於航天器殘骸如何處理的問題卻基本上被忽視了。許多以往的任務並未規劃退出策略。衛星在其壽命終結時並未被推入可重新進入地球大氣層並燃燒的軌道，而只是遺留在軌道上，形成了必須被監控著且有可能需要規避碰撞的太空碎片。「過去 60 年來，我們一直將太空當作無限資源來使用，」Lemmens 表示，「但在過去的十年裏，情況已經相當明了，太空並非無盡之源。」
（來源：KATE DEHLER/mittr）
出入軌道的工程設計：減少軌道雜亂——通俗地說，即太空垃圾——的第一步，是設計能夠在任務完成後安全脫離太空的航天器。「作為一名學生，我曾天真地想，『這能有多難？』」Lemmens 回憶道。但答案比他預期的要複雜得多。
在 ESA，他與科學家和工程師們合作，針對特定任務設計有效方案。有些方案包括在發射數十年後仍能可靠工作的推進系統；另一些則涉及設計能夠移動航天器以避免與其他衛星及太空碎片碰撞的系統。他們還致力於製定計劃，以確保航天器殘骸能穿越大氣層而不對航空和基礎設施構成重大風險。
規範太空行為：地球大氣層對衛星產生的阻力最終會使其脫離軌道。國家和國際指導方針建議，衛星在其運行壽命結束時應降低軌道高度，以便它們能重新進入大氣層，實現這一自然清理過程。此前的目標是在最多 25 年內實現這一點；而 Lemmens 及其同行現在建議將時間縮短至五年或更少，這一時限必須從任務規劃和設計之初就予以考慮。
Lemmens 表示，解釋這一政策變更的必要性有時感覺像是布道，這是他工作中最不喜歡的部分。他說，挑戰在於說服人們不要將浩瀚的太空視為「無限多的軌道」。如果不做出改變，未來幾十年內太空碎片的數量可能會引發嚴重問題，導致軌道擁擠和碰撞事件增多。
塑造未來：Lemmens 希望他的職位在未來變得不再必要，但目前有大約 11,500 顆衛星和超過 35,000 個太空碎片物體被追蹤，而且還有更多發射計劃，這一願望似乎難以成真。
研究人員正在探索對太空任務運作方式更為激進的變革。例如，我們將來或許能拆解衛星，並找到在軌道上回收其組件的方法。Lemmens 表示，這樣的方法短期內不太可能實現。
但令他感到鼓舞的是，越來越多的航天器設計師開始考慮可持續性：「理想情況下，這將成為常態，也就是說，它將成為一種標準的工程實踐，讓你在設計航天器時自然而然地考慮到這一點。」---來源: DeepTech深科技-
作者簡介：埃爾娜·舒茨（Elna Schütz）是駐南非約翰內斯堡的兼職作者。
https://www.technologyreview.com/2024/06/26/1093649/space-debris-engineer-european-space-agency-job-titles-future/
