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MIT的月球项目或为航天器提供类似GPS的绕月导航网络
提议的卫星网络可帮助航天器在GPS无法覆盖的区域导航。
来源:ZME科学GPS已变得如此普通，大多数人只有在它出故障时才会注意到它。它可以找到手机、引导汽车穿过交通或在城市中追踪包裹。但随着航天器远离地球，使用GPS变得困难得多。其信号变弱，几何形状变差，而靠近月球的任务仍然不能依赖我们在地面上习以为常的连续定位服务。
对于前往月球的任务，导航更加繁琐，并且更依赖于地面基础设施。麻省理工学院林肯实验室希望解决这个问题。他们正在开发LightHOUSE，一个提议的高轨道激光信标网络，可以帮助地月空间中的航天器测量其位置和速度，而不必如此依赖地面天线。目标很简单：随着月球周围的交通增长，使月球导航更加可靠。
空间定位系统
全球定位系统之所以有效，是因为用户从大量卫星星座接收信号。在地月空间——地球和月球之间的广阔区域——没有类似的系统存在。
地球同步轨道以外的航天器仍然严重依赖NASA的深空网络，即地球上一组巨大的无线电天线。该网络很精确，但有其局限性。其天线都位于同一颗行星上，因此它们的间隔在地球-月球系统的尺度上看起来很小。这使得难以快速确定远处航天器的角度和运动。
深空网络也服务于许多任务。它一次只能支持有限数量，许多传统的跟踪测量需要航天器积极参与无线电链路。GPS的工作方式不同：它广播，用户监听。
随着政府和企业向月球轨道、月球表面和地月空间发送更多飞行器，这一差距将变得更加严重。
“这就是LightHOUSE旨在介入的地方，在这个广阔区域扩展关键和可靠的通信与导航服务，”麻省理工学院林肯实验室激光通信组的技术人员Aaron Greenberg在一份声明中说。
卫星星座
LightHOUSE代表“光高轨道实用信号发射器”。这个想法借鉴了GPS，但将其基本理念适应了一个广阔得多的空间区域。
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麻省理工学院的概念是将一个小型卫星星座放置在高达约一百万英里的超高空轨道上。这些卫星将充当光学信标。它们将与航天器交换计时和通信信号，然后使用相机测量每个飞行器相对于星空的背景。
该系统将依赖自由空间光通信——通过空间的激光链路。信标卫星将携带更大的望远镜，可能宽达数十厘米，以及更强的激光。另一方面，使用该系统的航天器可以携带小得多的接收器和较弱的激光。
这种设计将大部分负担放在信标网络而非每个航天器上。如果可行，LightHOUSE可以帮助任务减少轨道修正点火、节省推进剂，并减少对重型机载导航系统的依赖。
“这一概念依赖于自由空间光通信实现的协作测距能力，”激光通信组副负责人Timothy Yarnall表示。
它还可以帮助月球背面的航天器，那里基于地面的无线电链路可能会中断。麻省理工学院指出，阿尔忒弥斯II在月球背面飞行时遇到的通信中断，是这种系统可以帮助避免的问题。
该网络还可以与月球背面的航天器保持连接，那里由于月球本身阻挡，与地球的直接通信是不可能的。麻省理工学院特别指出，计划中阿尔忒弥斯II猎户座飞船在月球背面飞行时经历的大约40分钟的通信中断，是类似中继架构可以帮助克服的限制。
“在一个天文单位处左转”
LightHOUSE仍然是一个研究概念，而非一个可操作的月球导航系统。
麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在通过分析、模拟和实验室实验来完善该架构。该团队表示计划发布一个更详细的架构，解释LightHOUSE将如何向航天器提供导航数据。
这一概念建立在早期的光通信工作基础上，包括NASA支持的项目如TBIRD和O2O。一篇相关的2026年IEEE航空航天会议关于猎户座-阿尔忒弥斯II光通信有效载荷的论文描述了一种激光系统，设计用于以高达260兆比特每秒的速度从猎户座发送数据，使用1550纳米光链路以及较慢的S波段无线电链路。
换句话说，NASA已经在月球附近测试了激光通信，而LightHOUSE将在此基础上，利用激光不仅发送数据，还帮助航天器导航。
但导航比发送数据更难。LightHOUSE需要测量跨越巨大距离的位置、保持激光链路对齐，并在深空辐射中操作灵敏的相机和接收器。它还需要大量投资——麻省理工学院估计一个完整的系统可能耗资数亿美元。
“从设计角度看，一个主要挑战将是使这些服务尽可能方便所有潜在用户使用，”麻省理工学院林肯实验室先进能力与技术组的高级成员Seth Trotz解释道。
目前，LightHOUSE是一个蓝图。但它指向了一个未来，在那里月球导航是共享基础设施，而不是每个任务都必须从头解决的自定义问题。
如果月球探索的下一个时代如预期般拥挤，那么这种基础设施可能会变得与送我们到达那里的火箭同样重要。