地球 GNSS 弱信号导航
本文编辑来源：上官勇，郑鹏，张华，等．地月空间导航现状与技术发展研究[J]．遥测遥控, 2026.
本文作者：天疆说
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背景与基本原理
地球 GNSS 弱信号导航是地月空间四大导航技术路径之一。其核心思路是复用现有地球 GNSS 导航星座（GPS、北斗、伽利略等），通过高灵敏度接收设备捕获月球附近的微弱旁瓣信号，实现地月空间导航。
地球 GNSS 导航卫星的信号波束主瓣用于覆盖地球，旁瓣信号则辐射至月球周边区域。在月球表面接收的信号强度仅为地球表面的一百万分之一，且往往需要对多颗卫星信号进行持续跟踪才能完成位置解算。2025 年 3 月，NASA 与意大利航天局联合研发的 LuGRE 接收机在月球表面成功接收 GPS 和伽利略卫星信号，从信噪比 -30 dB 的噪声中提取信号，实现 ±15 米定位精度，首次验证了这一路径的工程可行性。
关键技术
弱信号导航的实现依赖四项核心技术突破：
超低温量子放大器：将接收系统噪声温度降至 20 K（约 -253 ℃）以下，显著提升系统灵敏度，降低热噪声对微弱信号的影响。
128 单元自适应阵列相控阵天线：实时追踪地球方向信号波前，抑制旁瓣干扰，针对 GNSS L1/L5 等频段优化，增益可达 15 dBic 以上。具备波束成形能力，可动态调整方向以避开太阳辐射等强干扰源。
高灵敏度基带处理算法：时域扩展相关算法将信号积分时间延长至传统接收机的 100 倍以上，通过能量累积提升信噪比，可在 C/N₀ = 15 dBHz 条件下成功捕获信号。
地面轨道预报辅助捕获：地面测控站提供精确的轨道预报和卫星可见性信息，减少接收机盲目搜索，进行星历修正，补偿导航电文传播时延带来的误差。
性能与局限
| 指标 | 性能 |
|---|---|
| 定位精度 | 月表 ±15 m，地月转移 ±50 m |
| 覆盖范围 | 地球可视区域，月背与极区覆盖能力弱 |
| 可靠性 | 一般，受地球可见性限制 |
| 建设周期 | 短 |
| 成本 | 最低（复用现有 GNSS 系统） |
GNSS 弱信号导航方案的定位精度可满足基础导航需求，但受信号衰减和地球可见性双重制约，在月球背面和极区覆盖能力较弱。月球背面信号遮挡率达 100%，极区信号质量亦显著下降。
发展路径
GNSS 弱信号导航是四大导航方案中成本最低、部署最快的路径。近期优先发展这一方案，适合作为探月任务的基础导航与应急备份手段。但从长期看，该方案仅适用于初期低成本任务，未来需与其他导航手段融合使用。
定义
地球 GNSS 弱信号导航是利用地球 GNSS 导航卫星（GPS、北斗、伽利略等）辐射至月球附近的微弱旁瓣信号，通过高灵敏度接收设备实现地月空间导航定位的技术方案。
核心要素
导航原理
GNSS 导航卫星信号主瓣覆盖地球，旁瓣信号辐射至月球附近，信号强度仅为地球表面的百万分之一。通过超低温量子放大器降低系统噪声、自适应阵列天线追踪信号波前、高灵敏基带算法延长积分时间，从极低信噪比环境中提取导航信号实现定位。
关键指标
- 月表定位精度：±15 m
- 地月转移轨道精度：±50 m
- 接收灵敏度：C/N₀ = 15 dBHz 条件下可捕获信号
- 系统噪声温度：低于 20 K
系统组成
- 超低温量子放大器：将接收系统噪声温度降至 20 K 以下
- 128 单元自适应阵列相控阵天线：增益 15 dBic 以上，动态波束成形
- 高灵敏度基带处理器：时域扩展相关算法，积分时间延长 100 倍以上
- 地面轨道预报辅助系统：提供精确轨道预报和星历修正
应用价值
GNSS 弱信号导航是四大导航方案中成本最低、部署最快的路径，适合作为探月任务的基础导航与应急备份手段。2025 年 LuGRE 实验首次验证了该路径的工程可行性，为未来载人登月和月面基建提供了新型导航手段。
相关概念
- 远距离逆行轨道（DRO）
- 近直线晕轨道（NRHO）
- 地月 L1/L2 晕轨道（EML1/EML2 Halo）
- X射线脉冲星导航
- 地月混合导航
- 月球导航星座
- 星间链路导航
参考文献
- 上官勇，郑鹏，张华，等．地月空间导航现状与技术发展研究[J]．遥测遥控, 2026.
- 武威，刘荟萃，曹建峰，等．GNSS 在地月空间航天器自主导航中的可用性[J]．大地测量与地球动力学，2023，43(8)：795-800，815.
- Miller J, Valencia, et al. GNSS on the moon: the lunar PNT era begins through blue ghost LuGRE[J]. GPS World, 2025, 36(4): 20-23.