当嫦娥六号成功从月球背面带回珍贵样本，国际月球科研站的蓝图正逐步展开，人类对月球的探索正从短期探访迈向长期定居。然而，一个关键问题摆在眼前：在月球上，如何实现精准导航？地球上的GPS和北斗系统信号无法穿透地月距离，月球背面更是长期处于通信盲区。为破解这一难题，北京邮电大学的科研团队提出了一套月球专属的定位系统方案——LGPS，旨在打造“月球版GPS”。
构建月球导航系统的首要挑战是选择合适的卫星轨道。在地球轨道上，GPS卫星可以稳定运行于近地轨道，但月球所处的地月空间引力场复杂，轨道选择直接影响导航系统的覆盖范围和稳定性。传统方案如Halo轨道存在稳定性差、维护成本高的问题，且对月球极区等关键区域的覆盖不足。北京邮电大学的科研团队另辟蹊径，将目光投向“近直线晕轨道（NRHO）”。这种轨道属于Halo轨道的优化版本，距离月球较近且轨道面外幅值大，具有独特的动力学特性，能够减少轨道维持频率，稳定性远超传统轨道。2018年，NASA的“月球门户”任务已选择NRHO作为参考轨道，2022年CAPSTONE探测器成功进入该轨道并稳定运行6个月，验证了其可靠性。
NRHO之所以成为月球导航的理想选择，关键在于其空间几何优势。地月系统存在5个特殊的平动点，NRHO分布在L₁和L₂两个平动点附近，分为南北两个轨道族。其中，L₂ NRHO的近月点半径在1850至17350公里之间，轨道周期6至10天；L₁ NRHO的近月点半径更宽，从900公里延伸至19000公里，周期为8至10天。这种布局使卫星既能近距离“观察”月球表面，又能借助地月引力平衡保持轨道稳定，为全球覆盖奠定基础。
解决了轨道问题后，科研团队转向卫星构型设计。他们提出了单轨4星、双轨8星和四轨16星三种方案，并通过仿真分析不同构型的导航性能。单轨4星方案虽然简单，但存在明显短板：仅能覆盖轨道同侧的极区，对另一侧极区完全不可见。例如，L₂北族NRHO的4星星座无法覆盖月球南极，覆盖率为零，无法满足全球导航需求。双轨8星方案通过两种组合方式优化覆盖效果：一种是在同一平动点部署南北对称的两个NRHO，形成“X”形构型，能同时覆盖南北两极，低纬度区域覆盖率可达100%；另一种是在L₁和L₂两个平动点部署同侧轨道，虽无法覆盖对侧极区，但能显著提升同侧极区的定位精度，GDOP值（几何精度因子，数值越小精度越高）可降至3以内。这两种方案各有侧重，为最终构型提供了重要参考。
经过反复仿真验证，四轨16星构型脱颖而出，成为LGPS的理想方案。该方案在L₁和L₂两个平动点的南北族NRHO上各部署4颗卫星，形成一个全方位的导航网络。仿真结果显示，这种构型能实现月球表面100%区域覆盖，所有观测点的最小可见卫星数达到6颗，完全满足定位需求。当NRHO的近月点半径选择12000公里时，系统的GDOP值可稳定在3以内，甚至优于传统Halo轨道24星构型的定位精度，真正实现了“少卫星、高精度”的设计目标。LGPS的定位原理与地球GPS类似，但针对月球环境进行了优化。卫星向月面发送信号，用户设备接收至少4颗卫星的伪距数据后，通过构建方向余弦矩阵和求解误差方程，即可计算出精确位置。科研团队采用圆型限制性三体问题（CRTBP）模型，充分考虑了地月引力场的复杂影响，确保定位算法的准确性。在50天的仿真周期内，无论是赤道、中纬度区域，还是曾难以覆盖的南极、北极地区，系统均能保持稳定的定位性能，覆盖率和精度均满足未来月球探测任务的要求。
随着月球开发进入实质阶段，LGPS的应用价值将日益凸显，尤其在太空采矿领域。月球蕴藏着丰富的氦-3、稀土元素等宝贵资源，这些资源是未来太空探索和地球能源转型的重要支撑。然而，月球表面地形复杂，采矿设备的精准导航是高效开采的前提。有了LGPS，无人采矿车可以在月球表面精准定位矿点位置，规划最优行驶路线，避开陨石坑等危险区域；采矿设备与月球基地之间的物资运输也能实现实时导航监控，确保运输安全高效。在月球极区，那里存在着可能含有水冰的永久阴影区，是太空采矿的重点目标区域，也是传统导航系统的覆盖盲区。而基于NRHO的LGPS在极区的定位精度可达GDOP<3，能为采矿设备提供持续稳定的导航服务，帮助人类安全开采这些关键资源。随着LGPS的完善，月球采矿将从概念走向现实，形成“探测-定位-开采-运输”的完整产业链，为人类迈向深空探索提供坚实的资源保障。
