基于地球-GPS 时间传递的月球导航卫星系统设计案例研究分析

近来，人们对使用 SmallSat 平台构建未来月球导航卫星系统（LNSS）以实现成本效益和快速部署的兴趣日益增长。然而，基于 SmallSat 的 LNSS 的许多设计选择尚待确定，包括星载时钟和轨道类型。与传统的地球-GPS 相比，设计 LNSS 带来了独特的挑战：（a）星载时钟的尺寸、重量和功率（SWaP）受限，限制了定时稳定性；（b）月球地面监测站有限，这导致更倾向于稳定的 LNSS 卫星轨道。在当前工作中，我们分析了与星载时钟和月球轨道类型相关的不同设计考量之间的权衡，以设计具有地球-GPS 时间传递的 LNSS。我们提出的时间传递架构将间歇可用的地球-GPS 信号结合到定时滤波器中，以缓解星载时钟的成本和 SWaP 要求。具体而言，我们使用不同等级的低 SWaP 时钟和各种先前研究过的月球轨道类型进行了多个案例研究。我们估计月球用户等效距离误差（UERE）度量来表征从 LNSS 卫星发射信号的测距精度。使用 Analytical Graphics, Inc. (AGI) 的基于 Systems Tool Kit (STK) 的仿真设置，我们评估了 LNSS 设计各种案例研究中的月球 UERE，以展示即便使用低 SWaP 星载时钟也能达到与传统地球-GPS 相当的性能。我们进一步进行敏感性分析，以研究当地球-GPS 测量更新速率变化时，不同案例研究中月球 UERE 度量的变化。