摘要：地月空間正在逐漸成為人類太空探索活動的熱點區域。高精度時間、空間基準的構建和傳遞是確保地月空間任務規劃與實施的重要基礎，既是地球時空基準的體系化拓展，也是提升地月空間時空信息保障水平的重要手段。隨著 GNSS 系統的發展和穩定服務，地球區域時空基準設施相對完備。月球區域的導航系統與地球類似，國內外也提出了多種方案，但地月空間還包括地球、月球區域以外的區域，其時空基準實施的構建需要充分考慮空域大、動力學特殊等因素，在高效益實現時空信息服務的同時，將地球和月球的時空基準進行有機銜接。立足當前發展需求，開展了地月空間時空基準架構的設計，并針對地球、月球區域之外地月區域特點，研究并提出基于地月平動點的天基時空基準構建、溯源和傳遞方案，可支持實現地月空間時空基準信息服務，為地月空間時空基準的一體化構建與發展提供參考。

　　0 引言

　　地月空間通常是指地球大氣以外延伸至月球軌道的宇宙空間，其中包括地月拉格朗日點。隨著人類月球和深空探測活動的不斷深入開展，地月空間正在逐漸成為人類太空探索活動的熱點空間區域，地月空間基礎設施的論證建設也成為各國爭相發展的戰略領域。其中時空基準是精確描述地月空間活動、保障多方同步聯動的基礎框架，更是保障任務實施、激發探索需求的重要手段。

　　近年來隨著全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)的發展建設與運行服務，地球區域實現了時空基準的高精度構建與維持，有效支持了地表全球及近地空間用戶確定連續精確的三維位置、三維運動和時間。當前，中國的北斗系統與美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 Galileo 作為 4 個獨立建設與運行的全球衛星導航系統，協同為地球區域用戶提供高精度的時空信息服務。月球區域當前主要通過地球站或星座支持相關探測任務的時空信息服務，完成用戶的測定軌和時間同步服務，軌道確定精度一般在千米量級。隨著月球探測任務區域跨度、協同精度及用戶數量的增加，時空信息的需求將逐步增加。環月區域可以參考近地 GNSS 系統的組成和運行模式，建設月球導航系統(LNSS)構建高精度時空基準。國內外進行了廣泛的方案設計論證，可實現全月覆蓋的時空信息服務。除地球區域和月球區域之外的地月區域，包含地月拉格朗日點周邊，其空域跨度巨大且動力學特性相對復雜，另外還存在用戶相對稀疏且直接利用 GNSS 或 LNSS 的效益較低等特點，給時空基準的構建和傳遞帶來了新的挑戰。面向地月空間的發展和建設趨勢，開展地月空間時空基準架構的一體化設計，重點針對地球、月球區域之外地月區域特點，研究并提出地月空間天基時空基準構建、溯源和傳遞方案，可實現高精度、高效益的時空信息服務，可作為地月空間時空基準的一體化構建與發展的參考。

　　1 地月空間時空基準架構

　　“統一的時空架構” 不等于 “統一的時空基準”。地月時空基準的一體化構建是要解決不同環境下的用戶時空信息各自為政的問題，關鍵是保證各類用戶所采用的不同時空基準間能精確轉換，不同類型用戶仍可以用方便自己使用的時空基準來描述空間和時間信息。地月空間時空基準一體化架構由地球區域、月球區域和地月區域的時間和空間基準組成，各自之間獨立運行又有機銜接。

　　整體架構的內部采用高精度原子鐘以及節點間的相互測量實現基準的建立與維持，外部可引入對恒星、射電源、脈沖星等目標的高精度觀測，不斷提升地月空間時空基準的長期高精度維持能力。

　　地球區域通過 GNSS 系統可實現高精度時空基準建立、維持與服務能力;月球區域通過建設環月導航星座系統同樣可實現相應能力的時空信息服務;但在此之外的地月空域用戶，特別是地月轉移軌道用戶，數量相對稀疏且分布空域較大，其對時空信息服務的需求可通過構建覆蓋全域的時空基準基礎設施，實現大空域高效益時空信息服務的同時，又是地月全空域一體化時空基準構建的重要組成部分。

　　2 地月天基時空基準的構建與溯源

　　天基時空基準的構建主要包括衛星星座設計、參考系優選定義、框架基準的構建與維持、框架基準的溯源等內容。

　　2.1 星座設計

　　地月區域天基時空基準的物理實現主要通過在地月空間內相對穩定的位置部署導航衛星的方式實現。在地月空間內，地月系共線平動點、三角平動點的獨特空間位置可以為衛星提供相對穩定的定點區域和大空域覆蓋特性，可通過部署地月平動點衛星星座實現地月全空域的時空基準構建。

　　地月平動點附近的有界軌道均可以為系統提供理想的目標工作軌道，不同工作軌道的組合構成的不同星座構型在覆蓋性、可見性和鏈路特性等方面具有不同的性能表現，需根據性能要求不斷優化。其中三角平動點具有俯瞰地月全域、軌道簇相對穩定的特殊優勢，是一種高效益構建時空基準設施的理想途徑，同時星座中也可通過增加地球或月球區域的衛星實現星座性能的提升。

　　2.2 時空基準參考系的優選

　　2.2.1 空間參考系的優選

　　地月空間有必要定義、建立、維持一套基本空間參考系，用于研究、描述地月空間范圍內物體(主要是各種人造飛行器)的位置坐標、運動速度及幾何關系。定義一個空間坐標參考系，必須明確地指出原點、尺度、定向三要素。參考系的定義或選擇，應盡可能接駁現有的常用參考系，同時明確給出優選參考系與現有常用的參考系之間相互轉換的方法和轉換參數，繼而將地月空間范圍內包括地球、月球、地月區域在內的各類節點的幾何關系聯系起來。

　　目前常用的空間坐標參考系包括太陽系質心天球參考系、月心天球參考系、地心天球參考系(北斗坐標系 BDCS)、地球參考系(國際地球參考系 ITRS)、會合參考系等。其中地球區域使用的參考系相對較為成熟，如北斗衛星導航系統選取的北斗坐標系 BDCS，與其他參考系之間轉換關系明確，便于在地固系下描述地球區域的用戶位置;月球區域及月面可使用月心天球參考系，與其他參考系之間轉換關系明確，便于站在月球視角描述月球區域的用戶位置;地月區域的空間飛行器受到太陽系多天體引力場作用，需要考慮太陽系大天體動力學應用描述的便利性，同時兼顧地球用戶地心坐標系應用的習慣，將太陽系質心天球參考系平移到地心，構建以地心為原點的地心 - 太陽系質心天球參考系，簡稱為 EBCRS。

　　2.2.2 時間參考系的優選

　　時間基準為事件發生時刻和持續時間提供統一時間參考，通常表現為時間尺度。時間基準參考系的定義或選擇，同樣應盡可能接駁現有的常用參考系，同時相互轉換方法和轉換參數成熟、簡單。

　　目前常用的時間參考系包括北斗時(BDT)、地球時(TT)、原子時(TAI)、太陽系質心力學時(TDB)等。地月區域中為與優選的空間參考系地心 - 太陽系質心天球參考系(EBCRS)相匹配，時間坐標系優選與坐標框架相統一的太陽系質心力學時(TDB);地球區域使用的參考系相對較為成熟，如北斗衛星導航系統使用的北斗時(BDT)，與其他時間參考系之間具備明確的轉換關系;受限于應用需求，月球區域精確的時間參考系尚在研究構建中，在當前時空基準的構建中為便于一體化表述和計算，可保持與地月空間 TDB 一致的時間坐標系，而在人類日常應用場景中，需轉換為與地球常用的北斗時、協調時(UTC)等時間系統。

　　2.3 時空基準的構建與維持

　　2.3.1 空間基準的構建與維持

　　在地月空間中，飛行器受三體擾動的情況提供了足夠的動力學不對稱性，采用 K.Hill 等提出的 LiAISON(linked autonomous interplanetary satellite orbit navigation)自主定軌方案，引入足夠的動力學差異，顯著改善兩顆衛星的狀態轉移矩陣相關性，使定軌的法化矩陣可求逆，僅利用星間測量即可實現自主定軌。地月平動點導航系統空間基準的建立與維持，是以星座衛星作為系統空間基準參考點，利用地月系引力場特征，通過星間鏈路測量及集中式批處理的方式，自主確定衛星在地心 - 太陽系質心天球坐標系(E-BCRS)中的位置、速度，實現空間基準的建立和維持。在條件允許的情況下，通過與地面基準站或北斗系統定期建立測量鏈路，將地面基準站或北斗系統的測量數據加入組合進行動力學定軌，提高定軌性能的同時，輔助實現動力學模型的精化。

　　在基準衛星精密定軌的過程中，主要需要考慮精確力模型的建立以及觀測量的系統誤差修正。精確力模型的建立主要包括所有作用于衛星的力精確模型化，包括天體引力場模型、地月及行星歷表以及太陽光壓模型等;觀測量的系統誤差修正主要包括衛星天線相位中心等。這其中相關的天體引力場模型、地月及行星歷表等均有高精度的成熟模型產品可供應用，衛星天線的相位中心等測量系統誤差也可以通過標定計算進行矢量修正，但太陽光壓參數與衛星布局設計、軌道位置、姿態相關，其誤差的在軌積累會影響衛星長弧定軌過程中的精度提升。以三角平動點 + DRO 衛星的四星星座、光壓模型誤差為 10% 為例，仿真了衛星兩兩測量建鏈情況下，不解算光壓參數和解算光壓參數導致的定軌誤差情況，對比發現，在定軌的同時解算光壓參數可提高基準衛星的定軌精度至優于 20m。

　　此外，地月空間飛行器可配置空間 VLBI 設備，與現有地基 VLBI 設備組成超遠距離的觀測基線，將觀測基線長度從地基的千千米提升至地 - 空 10 萬千米級別，分辨率提升 2 個數量級，支撐地月系統空間基準向 ICRF 坐標框架對準，實現定向精度邁向微角秒量級，支持地月衛星的亞米級位置確定。

　　2.3.2 時間基準的構建與維持

　　時間基準建立和維持是利用衛星配置的星載原子鐘以及測量鏈路，通過星座內部以及與北斗 / 月球導航星座、地面測控系統的時間比對和傳遞，實現地月衛星星座維持時間的高精度建立和長期維持。為了提升時間基準的穩健性，地月衛星星座需具備星座分布式守時能力，即利用多顆衛星配置的原子鐘和星間測量鏈路實現系統內統一時間的長期自主維持，同時支持天基脈沖星計時衛星的接入，通過駕馭算法進一步延長自主守時時間。

　　對地月時間維持的典型場景進行仿真，衛星配置原子鐘，星間建立雙向測量鏈路(測量精度 1m)，采用高精度鐘差歸算等方法，利用星座分布式守時算法，星座衛星間的時間自主維持同步精度優于 0.3ns。將最初時刻的偏差設置為 0 參考，由于星座原子鐘長時間自主維持下存在頻率漂移，隨著時間增加地月星座時間與北斗時間將出現偏差并逐漸增大，因此有必要將地月時間基準溯源至已有的高精度應用基準，如北斗系統或地面系統，實現時空基準一體化運行維持。

　　在極端條件下，系統可能不具備向北斗星座或地面系統的溯源渠道，可通過脈沖星觀測設備或與脈沖星計時衛星建立傳遞鏈路的方式，引入脈沖星時對系統時間進行駕馭，從而在精度降級的條件下長期自主維持地月時。

　　2.4 時空基準的溯源

　　地月星座通過配置星載原子鐘，構建高精度星間測量鏈路，采用高精度動力學建模，形成地月區域時空基準的建立與維持能力，通過建立與北斗衛星導航系統的測量鏈路，將時頻和位置的坐標轉換和比對，實現地月時空間基準與地球 / 月球高精度時空基準的溯源和對齊，面向地球應用為主則溯源至如 BDCS、BDT 的地球時空框架，面向月球應用為主可溯源至月球時空框架。

　　針對典型場景，對有北斗支持下地月星座 TDS 與北斗系統 BDT 的鐘差進行了仿真分析，對比發現，溯源手段的引入對維持地月星座基準的穩定性、一致性以及可用性具有重要的作用。

　　3 地月空間天基時空基準服務

　　3.1 服務體制的優選

　　為確定用戶空間位置，一般采用全球衛星導航系統的幾何交匯原理或者航天測控系統的動力學定軌方式實現。直接利用部署在平動點位的導航衛星，采用幾何交匯原理對用戶進行定位，對典型星座進行仿真，其平均 PDOP 值超過 300，無法實現地月全域的高精度時空信息服務。

　　同時，結合地月區域用戶稀疏的特點，可采用基于雙向測量的動力學定軌體制，通過基準衛星與用戶建立雙向測量鏈路，并向用戶播發基準衛星星歷信息和動力學模型參數，用戶采用長弧定軌的方式獲取高精度時空信息服務。

　　用于衛星時空信息傳遞的星歷參數表達方式不同。GLONASS 衛星導航系統用衛星位置、速度、加速度作為導航星歷參數，其優點在于運控端算法簡單，缺點是導航星歷參數未能充分反映衛星軌道動力學特點，星歷預報誤差隨時間衰減快，需要較短的星歷更新周期方能保持精度。同時，用戶為了獲取高精度，需要進行動力學軌道積分以補償衛星加速度計算誤差。GPS、GALILEO、北斗等衛星導航系統，基于導航衛星軌道攝動運動特點，采用具有軌道根數背景的 16 參數或 18 參數星歷形式。該星歷克服了 GLONASS 星歷預報誤差大、更新周期短的缺點，運控端和用戶端算法相對簡單。

　　平動點星座系統軌道受動力學約束明顯，通常沒有嚴格封閉的分析解，具有不確定性，需要星歷參數的表達不依賴平動點衛星軌道動力學特點，用戶端采用高精度動力學模型和積分算法可得到高精度星歷，同時需要播發的星歷參數相對較少，鏈路壓力小、用戶收集快，因此星歷表達采用位置、速度、加速度結合動力學模型參數的方式實現。

　　3.2 服務性能評估

　　在地月平動點位置部署基準衛星，通過上文的對空間基準和時間基準的仿真分析結果，基準衛星的空間基準可優于 20m，時間基準與北斗時的同步精度可優于 4ns。參考前期北斗和探月任務中星間測量精度和地月用戶飛行器初軌誤差，服務性能仿真場景中設置測量鏈路測距誤差為 1m，用戶采用典型的地月轉移軌道，初軌誤差為 10km。通過用戶接收系統播發的基準衛星 G-BCRS 星歷參數、行星歷表以及與 BDCS(北斗坐標系)轉換等參數，計算實現位置確定和時間同步服務。仿真結果顯示，用戶全弧段定軌精度優于 350m，初始階段定軌誤差有所增加，隨著定軌弧長增加以及模型誤差解算精度的提升，定軌精度逐步改善。

　　4 結論

　　本文在充分研究現有時空基準設施建設需求的基礎上，充分結合地月空間不同區域特點，設計了地月空間時空基準一體化架構，并針對地球、月球區域之外地月區域特點，研究并提出了基于地月平動點的天基時空基準構建、維持和溯源方案，優選提出適用于地月空間的時空參考系，進行了用戶服務體制的設計，并按所提方案進行了典型地月空間應用場景的性能仿真評估，可以作為一種可選的地月空間大空域時空基準構建的方案。

　　地月空間時空基準構建以及相應導航系統的建設，將會是地月空間基礎設施建設的重要戰略領域，是充分利用開發地月空間資源的有力保障。隨著后續月球探測及深空任務不斷提出新的規劃和需求，以及我國綜合定位、導航、授時服務體系的建設與發展，應充分利用各領域已有的技術和設施優勢，加強頂層統籌和體系謀劃，統籌地月空間及深空探測相關基礎設施的有效延伸和高效建設。

周會超;鄭晉軍;王海紅;畢少筠,中國空間技術研究院,202403