探索月球與地月空間

「我依然相信，『追尋月球，也許您真的能抵達那裏。』」
— Buzz Aldrin

1957 年 10 月 4 日星期五，史普尼克一號成為第一顆成功進入地球軌道的人造衛星。儘管體積不大，史普尼克一號卻開啟了一個全新的時代：以月球與地月空間 (即地球與月球之間的空間範圍) 為目標的任務時代，這股潮流一直延續至今。

舉例來說，知名的阿波羅計畫就設定了兩大目標：一是對月球進行科學探索任務，二是發展人類在月球環境中工作的能力。為達成這些目標，阿波羅計畫自 1967 年至 1972 年之間執行多次任務，不僅大幅拓展人類對月球任務的知識，也啟發了後續數代太空創新者。

進入近代，阿提米絲計畫登場，迅速成為最重要的月球任務之一。阿提米絲是一項以月球為目標的載人太空計畫，但其任務範圍遠比過去的計畫來得更廣泛、更具長遠願景。

阿提米絲的重點在於長期進展，例如在月球上建立常駐基礎設施、設立基地營，以及定期派遣太空人登月。該計畫也與眾不同，採用了先前從未探索過的軌道選項，例如遠距逆行軌道 (DRO)。此外，阿提米絲更仰賴國際合作，促成全球政府與商業太空機構之間的攜手合作。

隨著每一次任務的成功，太空產業持續證明人類有能力穿越月球與地月空間。然而，這並不代表這條道路就能走得輕鬆愜意。要確保這類任務萬無一失，必須仰賴縝密規劃與精準且專業的軌道設計，而隨著太空產業持續擴張，這項挑戰也越來越艱鉅。

月球與地月的導航

最基本而言，月球與地月的導航，就是找出一條正確的路徑，讓您抵達目標位置。雖然推進器能將火箭推向目的地，但真正決定是否能抵達正確位置的，是追蹤與導航過程。

傳統上，所有太空任務的追蹤都依賴地面系統來完成。這種「地面追蹤」是透過一系列地面天線網路與太空船通信，並觀測其位置來實現。

然而，如同任何任務操作人員都會告訴您的，地面追蹤並非萬無一失。首先，地面追蹤資源有限的問題一直存在，而隨著即將上線的任務數量持續增加，這種資源限制將變得更加嚴峻。

其次，與地面追蹤相關的各種物理效應會周期性地為軌道解決方案增添不確定性。圖 1 與圖 2 顯示在為期一個月 (也就是月球繞行地球一圈的週期) 期間，透過距離與都卜勒效應進行「視距追蹤」時，不確定性出現波動的情形。

為了解決地面追蹤的侷限，研究人員正積極探索其他適用於太空產業的追蹤方式。

太空中繼系統

相對於地面追蹤的替代方案之一是太空中繼系統。事實上，這種方式已有成功案例，例如中國部署的鵲橋中繼衛星，其可用於追蹤並與位於月球背面的嫦娥四號探測器進行通訊。

如圖三所示，透過距離與都卜勒效應進行的太空中繼追蹤，有潛力提供月球軌道的全覆蓋能力。此外，這些中繼系統也能協助通訊。

另一種目前已實際應用的追蹤方式是太空光學追蹤。這種方式是利用一顆帶有光學感應器的衛星，對另一顆衛星進行觀測，並拍攝其相對於星空背景的位置。

太空光學追蹤的一項優勢在於，感應平台本身具備高度可移動性，能改變觀測角度，有助於進行更精確的軌道決定。儘管某些情況下太空光學追蹤的準確度可能不如地面儀器，但由於不受天氣影響中斷，在可用性上反而具有優勢。

月球地面站

目前尚未實施的另一種導航方案是從月球上的地面站進行追蹤，這正是阿提米絲計畫中所提出的構想之一。這些地面站將可實現在月球上進行地面追蹤，而非從地球進行。透過月球地面站來追蹤月球軌道器，將能受益於類似地球地面站追蹤地球衛星時所產生的幾何變化。

非導航訊號

被動式射頻 (RF) 追蹤是一個利用非導航訊號來進行地月空間導航的範例。為瞭解這項技術，請參考圖 4 與圖 5：圖中顯示一顆衛星繞 L1 點運行，並將訊號下傳至地球上的兩座地面站。這種雙站接收下行訊號的方式，可用來產生到達時間差 (TDOA) 及到達頻率差 (FDOA) 測量值。透過這些測量值，可以直接用衛星本身的下行訊號來追蹤其位置。

光學導航

光學導航與光學追蹤不同，它是讓衛星透過拍攝影像自主進行導航的一種方式。如圖 6 所示，衛星從 L1 附近拍攝地球與月球，並藉此判斷兩者的方向與相對位置，進而推算出自身位置。這種技術成本相對較低，可視任務需求單獨使用，或與其他追蹤資料結合使用，以增強整體導航效果。

全球導航衛星系統

另一種導航方式，是使用既有的全球導航衛星系統 (GNSS) 訊號，例如全球定位系統 (GPS)。雖然 GNSS 最初是為地球近地空間設計，但實務上已證明其在遠離地球的任務中也相當有幫助。

其中一個範例是磁層多尺度任務 (MMS) 及其特別設計的 GPS 接收器。MMS 任務在遠高於 GPS 星座典型高度的區域探索 GNSS 的應用，並將 GPS 的使用範圍擴展到距離月球約一半的距離。

月球導航衛星系統 (LNSS)

最後，所謂月球導航衛星系統 (LNSS) 是指部署多顆衛星繞月球運行。與環繞地球運行的 GNSS 相比，LNSS 有潛力在月球周圍提供高精度的軌道定位能力，且所需衛星數量更少。

持續拓展至月球與地月空間

太空的未來一片光明。在未來幾年內，下一波阿提米絲任務將為新一代太空探索奠定基礎 — 而阿提米絲並非這波復興的唯一參與者。Ansys 研究人員暨 AGI 首席軌道科學家 Jim Woodburn 表示，NASA 的商業月球酬載服務計畫 (CLPS) 即將將幾項對「導航愛好者」極具吸引力的酬載送往月球。其中包括將由 Firefly 藍色幽靈一號「Ghost Riders in the Sky」發射的月球 GNSS 接收器實驗 (LuGRE)，以及下一代月球反射鏡 (NGLR)。

我們手中並沒有能預知太空未來的水晶球。不過，若您詢問產業中的專家，他們會給出一些理性推測。

「我認為太空導航的未來比以往都更加有趣且令人振奮。」Woodburn 說道。「除了整體興趣爆發式成長外，地月空間中最大的幾項趨勢包括：對太空船自主導航能力的高度需求，善用日益強大的運算能力，以及機載人工智慧和機器學習 (AI/ML) 演算法的潛力，減少與地面聯繫的依賴，並推動在月球區域建立一套定位、導航與時間 (PNT) 系統。」這樣的月球 PNT 系統，將為衛星導航、月表導航與月球通訊提供助力，在月球周邊實現類似 GPS 的能力。

Ansys 在未來也將扮演重要角色。正如太空任務不斷演進，Ansys 的模擬軟體也在不斷成長與調整中。Woodburn 分享了一項 Ansys 的新功能作為範例：Ansys 現可針對以月球地貌為標記點的光學導航模擬分析進行建模，例如針對繞月軌道衛星的導航任務。

「數位工程流程的導入，對於加速太空探索、開發與商業化具有巨大潛力。」Woodburn 表示。數位工程實踐在地球環境下是加速計畫開發的利器，但在太空中，數位工程實踐則是能否反覆修正那些無法在實地測試之設計的關鍵。

透過模擬，工程師能在數位環境中建構出與真實任務條件高度相符的挑戰場景，幫助我們更安全地往返月球。

深入瞭解

瞭解 Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) 軌道測量處理軟體如何支援任務設計與規劃。