NovaMoon 月球在軌演示器和參考站計(jì)劃于 2031 年投入使用，它將提供基于月球的局部差分、大地測(cè)量和計(jì)時(shí)站，以將南極月球 PNT 服務(wù)的精度提高到亞米級(jí)。

歐洲航天局 (ESA) 的  JAVIER VENTURA-TRAVESET、 歐洲航天局歐洲空間研究與技術(shù)中心 (ESTEC) 的RICHARD D. SWINDEN、FLOOR T. MELMAN、DIMITRIOS V. PSYCHAS 和 YOANN AUDET 

人們對(duì)太空探索，尤其是月球探索的興趣再度高漲，促使各航天機(jī)構(gòu)大力發(fā)展月球通信和導(dǎo)航服務(wù)。事實(shí)上，月球探索正逐漸成為全球太空探索的下一個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)，未來幾十年，各國(guó)政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)將雄心勃勃地開展任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)人類永久重返月球的目標(biāo)。

歐洲正積極參與月球探索的新時(shí)代，并為多個(gè)重大項(xiàng)目做出切實(shí)貢獻(xiàn)，例如用于美國(guó)宇航局獵戶座飛船的歐洲服務(wù)艙 (ESM) [1]，該飛船將把宇航員送上月球及更遠(yuǎn)的地方；用于登月艙的 Esprit 和 I-Hab 艙 [2][3]，該艙是登月和火星任務(wù)的中轉(zhuǎn)站；用于支持人類可持續(xù)登月和高水平科學(xué)研究的 Argonaut 大型后勤著陸器 [4]；月球探路者初始通信服務(wù) [5]；以及提供商業(yè)月球通信和導(dǎo)航服務(wù)的月光計(jì)劃 [6]。月光計(jì)劃具有可擴(kuò)展性和可互操作性。為此，歐空局正與美國(guó)宇航局和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在 LunaNet [7] 上密切合作，這是一個(gè)新的月球通信和導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)框架，為多個(gè) LunaNet 服務(wù)提供商 (LNSP) 為廣泛、可互操作的月球全球通信和導(dǎo)航架構(gòu)做出貢獻(xiàn)鋪平了道路。其導(dǎo)航方面被稱為月球增強(qiáng)導(dǎo)航服務(wù) (LANS)，如圖 1 所示 。

歐洲通過“月光”系統(tǒng)為L(zhǎng)unaNet LANS做出貢獻(xiàn)，包括四顆導(dǎo)航衛(wèi)星，它們以橢圓月球凍結(jié)軌道（ELFO）繞月運(yùn)行，軌道周期為24小時(shí)。月光位置、速度和時(shí)間（PVT）服務(wù)的目標(biāo)是，在月球南極地區(qū)（緯度-70至-900）每個(gè)地球日至少15個(gè)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)高度約束水平精度因子（HHDOP，即假設(shè)高度信息由外部傳感器或數(shù)字高程模型等信息提供而計(jì)算出的HDOP）小于3.5。月光導(dǎo)航衛(wèi)星根據(jù)LunaNet標(biāo)準(zhǔn)[7]發(fā)射單頻S波段信號(hào)（稱為增強(qiáng)前向信號(hào)（AFS）），空間信號(hào)誤差（SISE）至少在95%的時(shí)間內(nèi)小于10米。該月光架構(gòu)旨在為月球用戶提供表面漫游車、著陸器和軌道器的定位精度分別為 10 米、50 米和 100 米。

作為月球全球通信和導(dǎo)航架構(gòu)的未來發(fā)展方向，歐洲航天局 (ESA) 正在研究在月球上放置一個(gè)參考站的可能性，該參考站將成為 ESA 首個(gè) Argonaut 著陸器的一部分。NovaMoon 在軌演示器將提供一個(gè)基于月球的局部差分、大地測(cè)量和授時(shí)站，顯著提升 Moonlight 月球 PNT 服務(wù)的精度，使其在整個(gè)南極達(dá)到亞米級(jí)。該站也將成為月球科學(xué)實(shí)驗(yàn)的寶貴資源。NovaMoon 有效載荷將作為首個(gè) Argonaut 任務(wù)（稱為 ArgoNET——導(dǎo)航、能源和電信）的關(guān)鍵演示有效載荷之一進(jìn)行開發(fā)和集成，如圖 2 所示。

NovaMoon 的主要目標(biāo)是將 Moonlight 的導(dǎo)航精度從大約 10 米提高到整個(gè)南極服務(wù)區(qū)（Artemis 任務(wù)的參考區(qū) [8]）的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的亞米級(jí)。由于月球上沒有電離層和對(duì)流層，而且 Moonlight 的橢圓月球凍結(jié)軌道 (ELFO) 在南極上空偏心率很高，因此差分改正隨時(shí)間和距離的下降幅度很小。在這些條件下，在南極附近放置一個(gè)月球差分站（例如 Argonaut-1 著陸點(diǎn)）可以為整個(gè)南極緯度范圍內(nèi)（從 -70 到 -900 緯度）的用戶提供卓越的性能。在用戶層面，標(biāo)準(zhǔn)化的 LunaNet LANS PNT 接收機(jī)無需任何額外的通信鏈路或硬件修改就能夠處理這些改正，從而使這種方法極其用戶友好并且完全兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。反過來，這種能力將推動(dòng)一系列進(jìn)步，朝著更可持續(xù)的長(zhǎng)期月球探索戰(zhàn)略邁進(jìn)。

NovaMoon 有效載荷還將包括一套大地測(cè)量?jī)x器以及機(jī)載原子鐘。這些儀器將共同幫助建立精確的月球參考框架和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。這一裝置將使月球表面的測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)，從而能夠詳細(xì)測(cè)量月球的潮汐變形和天平動(dòng)，并支持一系列科學(xué)研究。 

NovaMoon：使命和目標(biāo)

NovaMoon 的主要目標(biāo)是提供基于月球的局部差分、大地測(cè)量和計(jì)時(shí)站，以增強(qiáng)月光服務(wù)并支持科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 

這一總體任務(wù)目標(biāo)可分為五個(gè)主要領(lǐng)域： 

1. 為“月光”系統(tǒng)和其他月球定位、導(dǎo)航與導(dǎo)航 (PNT) 系統(tǒng)提供本地差分服務(wù)：  NovaMoon 將作為月球南極精確測(cè)量的本地參考站，通過生成并向整個(gè)南極地區(qū)的月球用戶（例如，月球車、宇航員、著陸器）傳輸“月光”系統(tǒng)和其他 LunaNet 導(dǎo)航衛(wèi)星的碼（和載波相位）測(cè)量值和校正值，增強(qiáng)“月光”系統(tǒng)的功能。這將使“月光”系統(tǒng)能夠在整個(gè)南極地區(qū)實(shí)現(xiàn)純碼差分GNSS（DGNSS）和碼加相位RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）定位。 

2. 持續(xù)監(jiān)測(cè)月光衛(wèi)星及其他月球定位與導(dǎo)航 (PNT) 系統(tǒng)。NovaMoon 將利用來自經(jīng)過嚴(yán)格勘測(cè)和監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化 LunaNet 接收機(jī)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測(cè)月光衛(wèi)星及其他 LunaNet 導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)質(zhì)量。此外，NovaMoon 將定期使用月光衛(wèi)星服務(wù)計(jì)算站點(diǎn)的 PVT，評(píng)估影響該信號(hào)及月光衛(wèi)星服務(wù)定位精度的相關(guān)誤差。NovaMoon 的這一獨(dú)立監(jiān)測(cè)功能將增強(qiáng)其為月球用戶提供的月球?qū)Ш椒?wù)的可靠性。 

3. 高精度月球大地測(cè)量參考站。NovaMoon 將包含四種不同的共置測(cè)距技術(shù)——甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 (VLBI) 發(fā)射器、激光反射器、NovaMoon-Moonlight 定位和直接對(duì)地測(cè)距——以及通過 Moonlight 進(jìn)行通信接入。該裝置將使 NovaMoon 站的定位精度達(dá)到亞分米級(jí)。這一能力將有助于改進(jìn)月球參考框架的實(shí)現(xiàn)，并顯著增強(qiáng)我們對(duì)月球成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解。 

4. 月球時(shí)間參考實(shí)驗(yàn)室。NovaMoon 將包含一組原子鐘，能夠提供連續(xù)的月球物理時(shí)間參考，支持 LunaNet 參考時(shí)間尺度的實(shí)現(xiàn)。

5. 為月球?qū)嶒?yàn)提供科學(xué)支持。 為了支持科學(xué)界，NovaMoon 將為國(guó)際研究團(tuán)體持續(xù)提供各個(gè)月球大地測(cè)量傳感器和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。

值得強(qiáng)調(diào)的是，Argonaut-1 任務(wù)計(jì)劃運(yùn)行 5 年，以便對(duì) NovaMoon 有效載荷進(jìn)行非常詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)。此外，Argonaut 還計(jì)劃定期執(zhí)行任務(wù)，頻率約為每?jī)赡暌淮巍＿@意味著，Argonaut-1 上的 NovaMoon 初始演示器可以作為未來 Argonaut 任務(wù)的一部分，觸發(fā) NovaMoon 的定期/永久服務(wù)。