Китайские ученые предложили проект коммуникационной и навигационной группировки, аналогичной навигационной системе Beidou, которая могла бы обслуживать всю лунную поверхность. В июне в журнале China Space Science and Technology опубликована статья «Методы проектирования орбит для окололунных космических группировок».

Соавторами статьи являются Чэнь Шию и Ни Яньшуо из пекинского отдела общего проектирования космических аппаратов, а также Пэн Цзином, главный конструктор системы зонда «Чанъэ-8» из академии Китайской корпорации аэрокосмической науки и техники (CASC), в которой представлен ход исследований.

Китайская исследовательская группа учла показатели ретрансляционной связи, лунной навигации, стоимости строительства и обслуживания группировки и предложила концепцию окололунной космической навигационной группировки, состоящей из 21 спутника, с целью обеспечения высокоточной навигации в течение длительного периода времени для долгосрочной деятельности по исследованию Луны человеком.

Хотя в документе не указаны конкретные сроки строительства, предварительная программа китайского проекта освоения Луны и план создания международной лунной исследовательской станции уже опубликованы: Китай планирует отправить астронавтов на Луну к 2030 году и построить международную лунную исследовательскую станцию с основными функциями и элементами в качестве ядра на южном полюсе Луны к 2035 году, а расширенный вариант будет построен к 2045 году.

Согласно документу, южный полюс Луны имеет очень малый угол возвышения над Землей и легко затеняется лунными кратерами, что затрудняет обеспечение прямой связи с Землей для измерений и управления. Обратная сторона Луны также не может обеспечить связь для измерений и управления через наземные системы измерения и управления, поскольку она заслонена Луной. Поэтому необходимо развернуть спутники-ретрансляторы в окололунном пространстве, включая точки выравнивания L1 и L2 между Землей и Луной, чтобы помочь в проведении измерений, контроля и связи между Землей и Луной в полярной области лунного южного полюса и на обратной стороне Луны.

Навигационная группировка в окололунном пространстве может обеспечить высокоточную навигацию и позиционирование в реальном времени для решения таких задач, как перемещение по лунной поверхности, посадка и взлет, и является необходимой базовой гарантией для поддержки долгосрочной эффективной деятельности по исследованию Луны человеком.

В настоящее время спутниковая навигация широко используются на поверхности Земли или в околоземном пространстве, например, американская система глобального позиционирования (GPS) и китайская система спутниковой навигации BeiDou (BDS), которые широко применяются для обеспечения пользователей всепогодным, высокоточным позиционированием, навигацией и другими услугами.

Для надежности навигации требуется 20-35 спутников, что обеспечивает точность до нескольких метров, и пользователи могут использовать комбинацию сигналов не менее чем от четырех спутников для определения местоположения и получения информации о времени. Программа лунной навигации, разработанная исследовательской группой Пекинского отдела общего проектирования космических аппаратов, аналогична: для навигации требуется одновременная видимость цели по меньшей мере четырьмя спутниками.

В исследовании предлагается алгоритм создания окололунной космической группировки, которая постепенно достигнет 100-процентного четырехкратного охвата (четырехкратный охват означает процент времени, когда по крайней мере четыре спутника в группировке видны для цели одновременно) над всей Луной в три этапа следующим образом:

На первом этапе развертываются два спутника на эллиптической орбите, которые могут обеспечить постоянную ретрансляционную связь с Землей для полярного района южного полюса Луны и достичь 100-процентного однократного охвата полярного района южного полюса Луны.

На втором этапе будут развернуты шесть спутников на эллиптической орбите, два спутника на линейной орбите и два спутника на гало-орбите. Спутники на линейной орбите и один спутник на гало-орбите L2 смогут обеспечить навигацию и позиционирование в южной полярной области Луны в течение полного рабочего дня и одновременно достичь 100-процентного покрытия полярной области Луны и обратной стороны Луны, чтобы зонды или люди в любой точке Луны могли поддерживать связь с Землей в течение полного рабочего дня;

На третьем этапе будут развернуты четыре спутника на эллиптической орбите, два спутника на линейной орбите, один спутник на гало-орбите L1 и три спутника на ретроградной орбите дальнего действия для достижения 100-процентного четырехкратного покрытия всей Луны, чтобы датчики или люди в любом месте на всей Луне могли быть обеспечены навигацией и позиционированием в режиме полного рабочего дня.

По словам исследовательской группы, последующие исследования объединят технологию оптимизации параметров орбиты и сформируют более систематический метод оптимизации окололунных космических группировок, который позволит глобально оптимизировать дискретные переменные, такие как типы орбит, и непрерывные переменные, такие как параметры орбиты, чтобы получить теоретически оптимальную конфигурацию группировки.

В последние годы создание окололунных космических группировок становится актуальным направлением космических исследований. Китай запустил ретрансляционные зонды Magpie Bridge 1 и Magpie Bridge 2 в 2018 и 2024 годах соответственно, обеспечив ретрансляционную связь для ряда лунных исследовательских миссий.

Ретрансляционный зонд «Magpie Bridge 2» имеет большую эллиптическую орбиту. Из-за неправильной формы и структуры Луны космические аппараты, пролетающие вблизи нее, подвержены воздействию гравитационной силы Луны и других факторов, и их полетные орбиты подвержены отклонениям. Эллиптическая орбита позволяет минимизировать отклонение орбиты полета космического корабля.

Параллельные работы в этом направлении проводят Соединенные Штаты, Европа и Япония.В 2020 году NASA предложило архитектуру «LunaNet» из двух-трех аппаратов на эллиптических орбитах для связи в районах южного полюса и обратной стороны Луны. Европейское космическое агентство в 2025 году планирует запустить спутник «Lunar Pathfinder» в 2025 году для проверки навигационных технологий на эллиптической орбите.  Япония предлагает лунную навигационную спутниковую систему, в рамках которой планируется развернуть восемь спутников на эллиптических орбитах.