月球中继卫星轨道设计分析

孙宝升，张俊丽

（北京空间信息中继传输技术研究中心，北京100094）

1 引言

月球是距离地球最近的自然天体，由于没有大气，它是天文观测的理想基地，更可作为深空探测的中继站[1]。20世纪六七十年代，美、苏两国在展开了月球探测活动的竞赛。近些年来，在全球范围内又掀起了新一轮的探月热潮。随着月球探测活动的不断深入，月球探测的范围逐步由“月球正面”向“月背”和“两极”发展；载人探月、建立有人长期居留的月球基地也被列为了许多国家和航天组织的探月计划。探月内容越来越丰富，探月活动越来越复杂，对测控通信系统的覆盖率、通信传输速率及导航能力的要求也越来越高。仅依靠地面上的深空探测站难以满足这些需求，而月球中继系统是满足这种需求的一条可行的技术途径。本文针对月球中继的任务需求，论证提出了满足不同要求的月球中继卫星轨道，并分析了相应的覆盖能力。

2 对月球中继卫星的任务需求

通过对世界各国月球探测任务（包括无人和载人）分析，月球中继卫星（Lunar Relay Satellite，LRS）的任务需求主要有以下几个方面：

（1）高覆盖率

由于月球的运动特性，地面无法实现对月球背面和南极地区的全面测控覆盖，因此，需要月球中继卫星能够为在月球背面和南极的月球探测器提供高性能、连续的通信和导航定位支持。而对于有人月球探测，其可靠性要求更高，除了在交会对接、轨道机动等关键弧段实现100%的测控覆盖，并要求中继卫星具备全月面覆盖的能力，为着陆器的下降着陆过程和上升返回过程提供实时状态监视，为航天员提供通信和定位支持。

（2）高速率

随着月球探测任务的多样化和复杂化，月球探测过程中的数据、图像会变得非常巨大，因此需要月球中继卫星具备高速率的数据传输能力，能够实时传送关键的遥控指令、遥测数据、上下行话音以及必要的航天员视频，为最大程度的监视月球探测活动提供有效手段。

（3）导航定位

导航定位是月球探测任务的基础。月球中继卫星要为月球探测器各飞行段提供多种无线电跟踪测量数据，实现对月球探测器的导航支持。联合使用月球中继卫星对月球探测器的测距数据、测速数据和地基干涉测量数据确定月球探测器的空间位置、速度等信息，有效提高轨道测量和控制精度，增强了地面控制的灵活性、可靠性和应急能力。

3 国外月球中继卫星轨道

目前，仅有日本发射了月球中继卫星。2007年日本发射的“月亮女神”号（SELENE）使用伴飞模式的中继卫星，完成其与地球间的通信。美国为支持其“重返月球”计划也设计了两种不同月球中继卫星星座，以提高月球轨道段导航精度和覆盖范围[2]。下面分别对日本和美国的月球中继卫星轨道情况进行介绍。

3.1 日本月球中继卫星

日本“月亮女神”号携带的一颗子卫星（翁），携带中继天线，其与主星在一个轨道平面内。当处于低轨道的主卫星飞行到月球背面地面观测站无法观测时，中继子星建立地面站与主卫星之间的联系，得到月球背面重力场的测量数据[6]。

“月亮女神”的轨道是极轨道，轨道倾角为90°。主星为圆轨道，轨道高度为100km，中继子星为椭圆轨道，远月点高度为2400km，近月点高度100km。如图1所示。

图1 日本“月亮女神”轨道

3.2 美国月球中继卫星

美国航空航天局正准备建设一个月球定位系统卫星星座，用于向月球基地及其运输工具提供通信和导航服务，并设计了两种不同的卫星星座，如图2所示。两颗月球中继卫星都是冻结轨道，轨道周期为12h，倾角57.7°。星座A中两颗卫星将处在同一轨道面上，相位相差180°，可实现对一个半球的覆盖，其中一颗卫星被用作备份。而在星座B中，两颗卫星将分别部署在相互正交的两个轨道面上，可使两个半球均得到覆盖[5]。

图2 美国月球中继卫星轨道

4 月球中继卫星轨道设计与分析

除了日本和美国设计的绕月类型的中继卫星星座，地月系的平动点L2点，也是实现月球背面通讯和广播的理想位置，可以用于月球背面探测和地球与月球通信的中继卫星星座设计[3，4]。基于这两种类型的月球中继轨道，下面分别对支持月球背面探测、月球南极探测任务以及月球全面探测任务3种不同类型的月球探测任务，提出多个月球中继卫星系统轨道设计方案，并对其覆盖特性进行分析[7，8]。

4.1 支持月球背面探测任务的中继卫星

4.1.1 中继卫星系统方案

由于平动点L2点位于月球的背面，在L2点也可以放置两颗中继卫星，实现月球背面绝大部分区域的覆盖。对于绕月卫星，可设计卫星远月点处于月球背面上方，实现对月球背面较长时间的覆盖。综合以上分析，考虑以下月球中继卫星方案，其三维场景如图3～6所示：

（1）HALO轨道双星：L2HALO双星的轨道半长轴为12000km，星间相位180°，如图3所示。

（2）双星伴飞星座：两颗中继卫星运行在同一轨道面上，近地点高度为100km，远地点高度分别是2400km和6257km，轨道倾角为90°，如图4所示。

（3）双星共面极轨星座：两颗中继卫星运行在同一轨道上，半长轴为6500km，倾角为90°，偏心率为0.6，星间相位相差180°，如图5所示。

（4）双星异面极轨星座：两颗中继卫星运行在相互正交的轨道平面上，半长轴为6500km，倾角为90°，偏心率为 0.6，星间相位相差 180°，如图 6所示。

图3 HALO双星星座

图4 双星伴飞星座

图5 双星共面极轨星座

图6 双星异面极轨星座

4.1.2 覆盖率分析

4.1.2.1对月球覆盖分析

以月球背面（纬度-90°～90°，经度-90°～90°）和整个月球表面为覆盖目标，分析在特定的时间段内（2025-06-01 12:00:00～2025-06-02 12:00:00），星座对月球背面和整个月球表面的覆盖情况如表1所列。

从统计结果来看，在特定的时间段内，HALO双星对月球背面的双重覆盖率最高，其次是双星伴飞星座和双星共面极轨卫星星座。

表1 月球覆盖率统计

图7 HALO双星（背面100%，全球68.4%）

图8 双星伴飞星座（背面97.5%，全球81.3%）

图9 双星共面星座（背面99.3%，全球93%）

图10 双星异面星座（背面100%，全球92.2%）

各方案对月球覆盖情况如图7～图10所示，其中月球中心边框区域为月球背面，颜色较浅的区域代表一天内单重覆盖情况，颜色较深的区域代表一天内双重覆盖情况。

4.1.2.2 对环月轨道覆盖分析

以100km同平面的环月轨道的主星为覆盖目标，设定喀什、佳木斯和南美三个测站组成地基深空探测网，当主星运行到月球背面时，通过绕月中继卫星-地基深空探测网进行数据传输。

在特定的时间段内（2025-06-01 12:00:00～2025-06-02 12:00:00），星座对同平面的轨道高度100公里的环月卫星覆盖情况如表2所列。

表2 环月轨道覆盖分析

环月轨道对现有的深空探测站的可见率为61%，使用月球中继卫星以后，环月轨道对双星异面极轨的中继卫星可见率最高为87.9%，若同时使用测站和中继卫星，除双星伴飞星座外，其他星座都能够实现对环月轨道的100%的可见，若考虑月球中继卫星对深空探测站可见情况下，只有HALO双星星座和双星异面极轨能够实现对环月轨道的100%的实际可见。

4.2 支持月球南极探测任务的中继卫星

如果开展月球南极区域范围的有人探测考察，该区域可能不在地球可视范围内，此时需要建立月球中继卫星系统，为月球表面探测单元提供稳定的、无间断的测控通信支持。

4.2.1 中继卫星系统方案

通过轨道根数对覆盖率影响情况的探讨，另考虑双星或三星共面圆的方案，如图11和图12所示。由于HALO双星主要是支持月球背面的探测任务，这里不对其进行分析。

（1）双星共面椭圆星座：两颗中继卫星运行在同一椭圆轨道上，半长轴为6500km，偏心率为0.6，轨道倾角为90°，星间相位相差180°。

（2）三星共面圆星座：三颗中继卫星运行在同一圆轨道上，星间相位差120°。

（3）双星伴飞星座。

（4）双星共面极轨星座。

（5）双星异面极轨星座。

图11 双星共面椭圆星座

图12 三星共面圆星座

4.2.2 覆盖率分析

设定在月球南极[0，-90°]的观测站为覆盖目标，对其覆盖情况如表3所列。其中单星可见是南极站只能看到一颗中继卫星的情况，两星可见是南极站同时看到两颗中继卫星的情况。

表3 对月球南极站可见统计

从表中可知，除双星伴飞星座外，其余4种星座均能够实现对南极站全天候的可见。

4.3 支持覆盖全月球的中继卫星

实现全月面覆盖的中继卫星星座构型主要有以下两种：

（1）L1+L2HALO轨道方案。在平动点L1和L2点各放置一颗卫星，如图13所示，星座与地球之间的可见率为全时段的100%，星座对整个月球表面的单重覆盖率为100%，对月球表面的双重覆盖率为25.6%。如图14所示，其中颜色较深的区域为全月面双重覆盖区域。

图13 L1+L2全月面覆盖星座

图14 L1+L2全月面覆盖情况

（2）六星两平面极圆轨道方案。每个轨道面内3颗卫星，星间相位差60°，半长轴9250km，两个轨道面之间相位为90°。如图15所示。该方案能够覆盖月球全部区域，是全覆盖星座方案。轨道面内星间链路是各星全时段100%相互可见；第一个轨道面中至少两颗星与第二个轨道面中至少两颗星的可见率为全时段100%，保证了各颗卫星之间在任何时段都能够相互连通。

整个星座对月面的单重覆盖情况为全时段的100%；对月面的双重覆盖情况的平均覆盖率为95.9%，其随纬度的变化情况如图16所示，中低纬度上还不能实现任意时段的月面双重全覆盖。

图15 六星两平面极圆轨道星座

图16 双重覆盖率随纬度的变化情况

4.4 结果分析

通过以上分析比较，可以看出：

（1）针对月球背面探测任务的月球中继卫星可使用平动点HALO轨道两星或者双星共面中继卫星星座方案，能够实现对月球背面绝大部分区域的覆盖。

（2）对于支持月球两极探测任务，可使用单椭圆双星的方案，使其远地点指向两极，为月球两极探测提供稳定的、无间断的测控通信支持。

（3）对于支持全月球覆盖探测任务，使用平动点HALO轨道能够实现月球正面和背面的测控通信支持，可以实现全月面的覆盖。中继卫星可以通过行星际高速公路使用较少的能量滑行到平动点，发射成本较低，但是轨道稳定性较差，与月球和地球的距离较远，信号延迟大。六星两平面极圆轨道方案的覆盖性能和链路性能较好，同时具有较优的实效容许度、导航效用、可升级性、适应性和可扩展性，但是发射成本较高。

5 结论

我国的探月工程分为“绕”、“落”、“回”等共三个阶段。其中二期工程是月面软着陆探测与月球车月面巡视勘察；三期工程是进行月面巡视勘察与采样返回。随后，将实现载人登月飞行，进行科学探测活动并安全返回地球。为处于月球背面或者两极地区的航天员与登月飞行器提供测控通信支持，建立与任务相适应的月球中继系统尤为重要。

综合以上轨道设计方案，双星共面极轨是支持我国短期月球探测活动的中继卫星轨道的首要选择。一方面由主星搭载两颗中继子星在合适的地点释放，构成中继卫星星座，成本较低。另一方面中继卫星轨道是极轨，其即能为处于月球背面活动的航天员提供通信和定位支持，又能为月球两极地区的着陆器提供不间断的实时状态监视。

但是由于这种星座的惯性轨道平面并不随着月球的自转而旋转，所以轨道的远月点只能在每个月的一段时间里处于月球背面的上方，对短期月球探测任务能够实现对月球背面关键飞行段较高的覆盖率。因此，必需统筹月球两极任务和背面任务的中继需求，结合月球探测任务关键时间点，进一步对月球轨道优化设计。

平动点HALO轨道更适用于实时性要求不高，需要对月球背面重点探测任务的中继卫星。其通过行星际高速公路滑行至平动点，可长期为探测月球背面的着陆器提供测控通信保障。

对于全月面到达的探测任务，特别是载人月球全面探测任务，绕月中继卫星星座则更具有优势。其构形可以根据具体任务不同，综合卫星效能、费用等因素，合理进行选择和设计[9]。◇

［1］王丹丹，张守余，杜兰.基于月球平动点轨道的星座自主导航方案初探.深空探测研究，2009（9）:36-40.

［2］目标：占领月球.航空世界，2007（1）:18-18.

［3］徐明.平动点轨道的动力学与控制研究综述.宇航学报，2009（7）:1209-1312.

［4］周天帅，李东，陈新民，等.国外日一地动平衡点卫星应用及转移轨道实现方式.导弹与航天运载技术，2004（5）:30-34.

［5］空天瞭望，中国航天，2008（3）:46-46.

［6］平劲松，河野裕介，等.日本SELENE月球探测计划和卫星间多普勒跟踪的数学模型.天文学进展，2001，9（3）:354-364.

［7］杨嘉樨.航天器轨道动力学与控制.北京：宇航出版社，1990.

［8］张云燕，张科，李言俊，等.基于STK的月球任务设计与仿真.火力与指挥控制，2008（11）:13-16.

［9］欧阳自远，李春来，邹永廖等.深空探测的进展与我国深空探测的发展战略.中国航天，2002（12）:28-32.