NASA月球中继导航载荷：3.5磅接收机承载月球GPS之梦
NASA宣布已交付一款名为NavCube3的月球中继导航载荷，这款仅重3.5磅（约1.6公斤）的小型接收机，将用于验证在月球轨道上接收和利用地球GNSS（全球导航卫星系统）信号的可行性。如果验证成功，未来的月球探测器甚至月球表面的着陆器和巡视器，都有可能像我们在地球上用GPS导航一样，实现精准的月球导航。
听起来似乎理所当然——GPS信号不是覆盖全球吗？月球离地球也不算太远，应该也能收到GPS信号吧？但实际上，在月球轨道上用GNSS导航，比想象的要困难得多。
为什么月球需要GNSS导航？
在深入讨论技术细节之前，先说说为什么要费这么大劲在月球上用GNSS导航。
月球探测任务，导航是基础需求。探测器要知道自己在哪里、飞得对不对、什么时候变轨、着陆点在哪里……这些都需要导航。目前，月球探测器的导航主要依靠地面测控——地面站通过测量和计算，确定探测器的位置和速度，然后把导航结果发给探测器。
地面测控导航虽然可靠，但也有明显的不足：
一是有延迟。月球离地球约38万公里，无线电信号往返一次需要两秒多。再加上地面处理的时间，导航信息的延迟就更大了。对于需要快速决策的任务来说，这个延迟可能是个问题。
二是依赖地面。如果地面站出了问题，或者探测器飞到了月球背面（和地球通信中断），导航就会受影响。而且，地面测控资源是有限的，不可能同时支持很多探测器。
三是精度有限。地面测控的导航精度，对于很多任务来说是够用的，但对于一些高精度的任务——比如精确着陆、轨道交会对接等——可能还不够。
如果能在月球上用GNSS导航，这些问题就能得到很大改善。GNSS导航是自主的，探测器自己就能算出位置，不需要等地面；GNSS导航是连续的，只要能收到信号就能导航；GNSS导航的精度也比较高，能满足大多数任务的需求。
而且，用GNSS导航还有一个很大的好处——成本低。不需要专门建一套月球导航系统，直接利用现有的GPS、伽利略、北斗等GNSS星座就行。这对于日益增多的月球探测任务来说，吸引力很大。
在月球上收GNSS信号难在哪里？
GNSS卫星的轨道高度大约是2万公里（GPS是20200公里），而月球距离地球38万公里，是GNSS轨道高度的近20倍。在这么远的距离上接收GNSS信号，难度可想而知。
第一个难点是信号弱。GNSS卫星的发射功率不大，而且信号是向地球方向发射的，主要覆盖地球表面。在月球轨道上，能接收到的GNSS信号是从地球边缘"漏"过去的那一点点——也就是GNSS卫星天线方向图的旁瓣。主瓣的信号都打在地球上，月球是收不到的。旁瓣信号比主瓣弱很多，大概弱20到30分贝，也就是信号强度只有原来的几十分之一到几百分之一。
第二个难点是可见卫星少。在地球上，随便哪个地方都能看到十几颗甚至更多的GNSS卫星，导航定位很容易。但在月球轨道上，因为只能看到地球方向的一小部分GNSS卫星，可见的卫星数量要少得多。而且，导航定位至少需要4颗卫星的信号，如果可见卫星太少，就没法定位，或者定位精度很差。
第三个难点是信号的动态范围大。月球探测器的飞行速度很快，相对于GNSS卫星的运动速度也很大，这会导致很大的多普勒频移。接收机必须能在很大的频率范围内搜索和跟踪信号，这增加了接收机的设计难度。
第四个难点是几何构型差。在地球上，GNSS卫星分布在天空的各个方向，几何构型好，定位精度高。而在月球上，能看到的GNSS卫星都集中在地球方向的一个很小的角度范围内，几何构型很差，这会导致定位精度下降——尤其是在沿地月连线方向上的精度会比较差。
正因为有这么多难点，所以"月球上能不能用GNSS导航"不是一个想当然的问题，而是需要通过实际试验来验证的。
NavCube3是什么？
NavCube3就是NASA用来验证月球GNSS导航的一个载荷。它是一个小型化的GNSS接收机，重量只有3.5磅，体积也很小。
虽然体积小，但NavCube3的技术含量不低。为了能在月球轨道上接收到微弱的GNSS信号，它采用了很多特殊的设计：
一是高灵敏度的接收技术。普通的GNSS接收机，在信号强度降到一定程度以下就跟踪不上了。而NavCube3采用了更先进的信号处理算法，可以跟踪更弱的信号。这对于接收月球轨道上的微弱GNSS信号来说，至关重要。
二是多系统兼容。除了美国的GPS，NavCube3还能接收其他国家的GNSS信号，比如欧洲的伽利略、日本的准天顶卫星系统等。多系统兼容，可以增加可见卫星的数量，提高导航的可靠性和精度。
三是强大的计算能力。要在微弱信号条件下实现定位，需要复杂的信号处理和导航计算。NavCube3内置了高性能的处理器，可以实时完成这些计算。
四是小型化、低功耗设计。月球探测任务对载荷的重量和功耗都卡得很严。3.5磅的重量，说明NavCube3在小型化方面做得相当不错。这意味着它可以很容易地搭载在各种月球探测器上，不会占用太多宝贵的资源。
NavCube3将被搭载在月球中继卫星上，在月球轨道上开展试验。试验的主要内容包括：验证在月球轨道上能否稳定接收GNSS信号、能同时跟踪多少颗卫星、定位精度能达到多少、在不同轨道位置的接收情况如何等等。
如果成功了，意味着什么？
如果NavCube3的验证试验取得成功，那将是月球导航领域的一个重要突破。
首先，未来的月球探测器将拥有一种新的导航手段。GNSS导航可以作为传统地面测控导航的补充和备份，提高导航的可靠性和自主性。尤其是对于那些小型月球探测器——它们可能没有足够的预算和资源来建设复杂的地面测控支持——GNSS导航将是一个性价比很高的选择。
其次，月球表面的导航也可能成为现实。虽然月球表面比轨道上更难收到GNSS信号（因为月球本身会遮挡一部分信号），但如果技术进一步发展，未来的月球车、月球基地等，也有可能利用GNSS信号实现导航定位。
第三，这将为月球导航系统的建设提供新思路。未来，月球活动会越来越多，可能需要专门的月球导航系统。在月球GNSS验证成功的基础上，可以进一步研究"地球GNSS + 月球中继"的组合导航方案，甚至未来部署专门的月球导航卫星。
第四，深空导航也可能受益。月球GNSS验证的技术和经验，可以推广到更远的深空探测任务中。比如火星探测，能不能利用火星周围的导航卫星（如果未来有的话）或者地球的GNSS信号进行导航？这些都值得探索。
结语：一小步与一大步
3.5磅的NavCube3，在浩瀚的太空中显得微不足道。但它所承载的，是人类实现月球自主导航的梦想。
当年，阿波罗登月的时候，导航完全靠地面测控和宇航员的手动操作。那时候，如果有人说未来月球上也能用"GPS"导航，大概会被认为是科幻。而现在，我们正在把这个科幻变成现实。
当然，从技术验证到实际应用，还有很长的路要走。NavCube3只是第一步，它只是验证"能不能收到信号、能不能定位"的问题。要真正实现实用化的月球GNSS导航，还需要解决很多问题——比如如何提高定位精度、如何在月球表面也能使用、如何与其他导航手段融合等等。
但第一步总是最重要的。有了第一步，后面的路才有方向。随着人类重返月球、建设月球基地的步伐加快，月球导航的需求会越来越迫切。NavCube3这样的技术验证，正是在为未来的月球活动打基础。
3.5磅的接收机，是月球导航的一小步，但也是人类太空探索能力提升的一大步。我们期待着它的试验结果，期待着月球"GPS"时代的到来。