冻结轨道条件下月球 GNSS 设计空间的探索

过去十年间，对月球探测任务的兴趣日益增长。然而，月球表面与在轨任务的自主性依赖于准确且即时的导航服务。当前全球导航卫星系统（GNSS）无法提供此类服务，因其信号在月球附近几何与覆盖条件差。本文给出了一项围绕月球运行的新卫星导航系统体系架构研究的初步结果。研究假设在 J2、C22 与第三体摄动下的月球冻结轨道条件。公式化包含以下设计决策：(1) 轨道半长轴，(2) 卫星数量，(3) 轨道面数量，(4) 相邻轨道面内卫星相位，(5) 轨道偏心率，以及 (6) 近心点幅角。采用 Borg 多目标进化算法（MOEA）框架优化卫星星座设计问题，其适应度函数综合考虑性能、成本、可用性与保持轨道 deltaV。性能指标基于几何精度因子（GDOP），该因子在月球表面 500 个等距点网格上计算。此外，GDOP 计算中所用输入卫星轨道由基于 NASA 通用任务分析工具箱的高保真轨道传播获得。最后，卫星成本基于由功率预算分析推导的卫星干质量估计，假设卫星寿命为 10 年。结果表明，由 20 颗卫星构成的冻结轨道月球 GNSS 星座可在中纬度地区取得令人满意的性能，但在两极地区则不行。