LiAISON自主导航（LiAISON Navigation）
本文作者：天疆说
定义
LiAISON（Linked Autonomous Interplanetary Satellite Orbit Navigation）即链路自主行星际卫星轨道导航，是由 Hill 等于 2005 年提出的导航概念。仅利用星间伪距测量信息即可进行卫星绝对导航，其可行性建立在平衡点轨道的非对称性和局部唯一性之上。通过交联测距可实现平衡点自主导航，实时在轨测量精度可达 10 米量级。
核心要素
LiAISON 导航原理
LiAISON 导航的核心思想是利用星间测距实现绝对定位：
- 星间伪距测量：两颗或多颗卫星之间通过微波或激光链路测量伪距，获得高精度的相对距离信息
- 绝对导航：与传统相对导航不同，LiAISON 利用平衡点轨道的动力学特性，仅凭星间测距即可确定卫星在惯性空间中的绝对位置
- 无地面依赖：导航完全自主进行，不依赖地面测控站或外部导航系统
平衡点轨道的动力学特性
LiAISON 导航可行性的理论基础是平衡点轨道的独特动力学性质：
- 非对称性：共线平动点（L1、L2、L3）附近的轨道在地月连线方向上具有非对称结构，不同位置对应不同的动力学环境
- 局部唯一性：在平衡点附近，给定一组星间测距观测值，对应唯一的轨道状态，这保证了导航解的唯一性
- 敏感性：平衡点轨道对初始条件高度敏感，测距信息的微小变化可反映轨道状态的显著差异，有利于提高导航精度
交联测距技术
交联测距是 LiAISON 导航的关键技术环节：
- 测距精度：微波测距精度可达米级，激光测距精度可达厘米级
- 链路设计：星间链路需满足视距条件和信号质量要求
- 几何构型：多颗卫星的几何构型影响导航精度，需优化卫星编队构型
- 测量频率：高频率测距可提高导航滤波器的收敛速度和精度
导航精度分析
LiAISON 导航的精度受多种因素影响：
- 实时精度：在轨实时测量精度可达 10 米量级
- 滤波算法：扩展卡尔曼滤波（EKF）等算法可用于融合星间测距和轨道动力学模型
- 误差源：测距误差、轨道模型误差、太阳光压等非引力摄动是主要误差源
- 精度提升：增加观测弧长和测距频率可进一步提高导航精度
应用价值
LiAISON 自主导航在地月空间探测中具有重要应用价值：
- 平衡点任务导航：为地月 L1/L2 平动点附近的卫星提供自主导航能力
- 月球背面通信中继：支持月球背面中继卫星的自主定轨
- 深空探测扩展：LiAISON 概念可推广至日地 L1/L2 等更远距离的深空任务
- 导航冗余：为 GNSS 不可达区域提供独立的导航备份手段
- 地月空间基础设施：支撑未来地月空间通信、导航和授时（PNT）体系建设
相关概念
参考文献
- Hill K, Born G H. Linked autonomous interplanetary satellite orbit navigation (LiAISON)[C]. AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, 2005.
- Hill K A. Autonomous Navigation in Libration Point Orbits[D]. University of Colorado, 2007.
- 刘林等. 地月系平动点动力学与轨道设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2019.