美義聯手挑戰極限：GNSS 衛星導航實驗登上月球
2025 年 1 月底，一項美國與義大利合作的太空任務傳來捷報，月球全球導航衛星系統接收器實驗 (LuGRE) 在飛往月球途中，成功接收 GNSS 訊號並完成定位，創下了離地球最遠的 GNSS 導航紀錄。這項由美國太空總署 (NASA) 和義大利太空總署 (ASI) 合作的計畫，是利用現有地球軌道上的 GNSS 衛星，開發未來月球導航系統的重要一步。
LuGRE 實驗想驗證什麼？
雖然我們大致了解如何在月球接收 GNSS 訊號，但這項技術離真正成熟可用（達到足夠的技術整備度）還有很長一段路。目前，像是在地球同步軌道 (Geostationary Orbit) 運行的衛星，已經在使用 GNSS 進行定位了；不過，那裡離地球還是比較近，到了更遠的地月空間 (Cislunar space)，情況就完全不同。
首先，地月空間的環境嚴苛，遠在地球磁層 (magnetosphere) 保護範圍之外，更重要的是，那裡的 GNSS 訊號強度只有地球表面的萬分之一，非常微弱；而且，從月球看過去，所有 GNSS 衛星幾乎都擠在一個小小的 10 度視角範圍內，這讓計算位置的幾何條件變得特別棘手；過去，我們對地月空間 GNSS 訊號狀況的了解，幾乎只來自 NASA 在 2019 年的磁層多尺度任務 (MMS)；當時，四艘 MMS 太空船在距離地球超過 187,000 公里（將近地月距離的一半）的地方，成功收到了美國 GPS 系統的訊號。
LuGRE 的任務就是要飛得更遠，直接接收美國 GPS 和歐盟 伽利略 (Galileo) 系統的訊號，實際驗證在地月空間和月球表面進行導航的可行性。具體來說，主要有三個目標：
- 成功接收 GNSS 訊號，實際了解月球附近的訊號特性，並把資料傳回地球。
- 利用收到的月球 GNSS 資料，嘗試進行導航定位和時間校準。
- 收集的資料也能幫助科學家開發更適合在月球使用的 GNSS 接收器。
LuGRE 的合作夥伴與儀器設計
這個實驗由 NASA 的戈達德太空飛行中心 (GSFC) 主導，負責整體的系統工程和任務管理，經費則來自 NASA 的太空通訊與導航 (SCaN) 計畫；至於發射升空以及將實驗裝置送上月球的「便車」，則由 NASA 的商業月球酬載服務 (CLPS) 計畫出資，委託 Firefly Aerospace 的 Blue Ghost 1 登陸器執行。
義大利太空總署 (ASI) 則是共同主持人，負責 LuGRE 酬載（也就是實驗儀器）的測試、組裝與實際操作；這個酬載的核心是 QN400 GNSS 接收器，由義大利公司 Qascom 特別為地月空間的微弱訊號環境所開發。它已經在探空火箭和低地球軌道的小衛星任務中測試過；QN400 是一台軟體定義無線電接收器，可以彈性調整訊號處理方式；它配備一個可調整方向的平面天線，用來追蹤 GPS L1 C/A 和 L5，以及 Galileo E1 和 E5a 這幾種訊號；LuGRE 會直接在接收器上處理收到的訊號，進行即時導航的測試，大部分時候，它會把計算出的虛擬距離 (pseudorange)、載波相位、都卜勒頻移量測和其他感測數據 (telemetry) 傳回地球。
LuGRE 的任務時程
LuGRE 會在 Blue Ghost 登陸器任務的三個不同階段收集資料：
- 地月轉移階段 (Cislunar Transit): 從地球飛往月球途中。
- 繞月軌道階段 (Lunar Orbit): 進入環繞月球的軌道。
- 月球表面操作階段 (Lunar Surface Operations): 成功登陸月球後。
飛行與繞月階段：
在飛往月球的路上，LuGRE 並不能一直開機收訊號，因為它的天線是平放在 Blue Ghost 登陸器的頂部甲板上，而這個甲板為了讓太陽能板發電，必須一直朝向太陽；所以，只有當地控中心特別調整登陸器的姿態，讓天線朝向地球時，LuGRE 才能收集資料。但每次調整姿態都要消耗登陸器寶貴的燃料；因此，在從發射到登陸月球這 45 天的飛行過程中，LuGRE 總共只有 15 小時的預算可以用來開機測試和收集資料。
月球表面操作階段：
Blue Ghost 預計降落在月球的危海 (Mare Crisium)，這個地點在阿波羅 11 號登陸點的東北邊。在登陸器下降前，LuGRE 和其他酬載會先關機。成功著陸幾小時後，LuGRE 會重新開機，然後幾乎不間斷地運作。
接下來的 12 天，LuGRE 會持續追蹤 GPS 和 Galileo 訊號，同時，它還會進行特別的觀測，每 2.5 秒就擷取一段原始的 L1 和 L5 訊號樣本（稱為 I/Q 基頻取樣），這些原始訊號資料會跟著一般操作數據一起慢慢傳回地球，讓科學家能更深入分析訊號特性，改進地面接收器的設計。
由於 Blue Ghost 登陸器和 NASA 的酬載並不是設計來承受月球夜晚的極低溫，預計只能在月夜開始後的幾個小時內繼續運作，只要登陸器的電池還有電，LuGRE 就會盡可能地持續收集和傳送資料。
刷新紀錄的太空 GNSS 定位
LuGRE 在任務初期就已經取得了驚人的成果，2025 年 1 月 15 日，SpaceX Falcon 9 火箭成功將 Blue Ghost 和其他酬載送入一個高橢圓的地球軌道；三天後，Blue Ghost 啟動引擎，調整軌道準備飛向月球（進行跨月注入 Trans-Lunar Injection），引擎噴射完成後，登陸器調整姿態，讓 LuGRE 的天線對準地球方向；就在這個時候，LuGRE 成功接收到 GPS 和 Galileo 衛星訊號，並計算出導航定位！當時它距離地球表面超過 331,000 公里，比先前 MMS 任務的紀錄遠了將近一倍，而且距離月球只剩下約 70,000 公里。
截至本文撰寫時，Blue Ghost 已經成功進入環繞月球的低橢圓軌道，Firefly Aerospace 計畫在 2025 年 3 月 2 日執行登陸，LuGRE 預計將持續運作到 3 月 14 日左右，或是直到登陸器在月夜中電力耗盡為止；任務結束六個月後，NASA 和 ASI 將會公開 LuGRE 收集到的所有數據，這些寶貴的實測資料將對未來月球 GNSS 接收技術的發展有極大幫助，對於確保未來數十年內地月空間和月球表面活動的安全導航至關重要。
在月球上如何定位？地月空間導航技術的新進展
今年的 ION GNSS+ 國際導航會議上，許多專家熱烈討論如何在地月空間（指月球周圍以及地球和月球之間的特殊引力平衡點——拉格朗日點區域）為太空船提供精準的定位與導航，隨著各國政府和私人企業的月球任務越來越多，類似 GNSS 這樣可靠的定位技術變得不可或缺。
接下來，我們將探討為什麼需要地月定位系統，有哪些新技術正在發展，以及 NASA 和歐洲太空總署 (ESA) 如何推動這些系統之間的相容性。
傳統的太空船導航怎麼做？
大家熟知的阿波羅計畫 (Apollo) 指揮艙雖然有自己的慣性導引系統 (inertial guidance systems)，但主要還是依靠 NASA 地面站和太空船之間的無線電訊號來導航，NASA 的深空網路 (Deep Space Network, DSN) 在全球（加州、澳洲、西班牙）設有巨大的碟型天線，專門負責和所有飛出地球軌道以外的探測器保持聯繫；透過分析這些無線電訊號，地面控制中心就能追蹤太空船在太陽系中的位置，DSN 常用的導航技巧包括：
- 分析太空船傳回訊號的頻率變化（都卜勒頻移）來推算相對速度。
- 從地面站發送特殊的測距脈衝訊號 (ranging pulses)，再分析太空船回應的訊號，算出距離。
- 利用分布在不同地點的兩個地面站，進行類似超長基線干涉測量 (VLBI) 的技術，例如三向都卜勒追蹤 (three-way Doppler tracking)，更精確地定位。
NASA 最近的 阿提米絲一號 (Artemis I) 無人繞月任務，在其長達 25 天的旅程中，就是主要使用第三種技術來追蹤獵戶座太空船 (Orion module) 的；此外，有些行星探測任務也會利用光學導航 (optical navigation)，拍攝遠方星空 (star fields) 的照片，讓地面人員分析後判斷太空船的指向和位置。
地面站的通訊「塞車」問題
不論是哪種傳統方法，都離不開地面站，不管是 NASA 的 DSN 還是 ESA 的 Estrack 網路，地球上能用的巨型天線數量就是那麼多，這些天線必須輪流和眾多遙遠的太空船通訊，才能取得計算導航所需的數據。
Artemis I 任務就突顯了這個「塞車」問題，光是 Artemis I 任務本身，就佔用了 DSN 天線超過 900 小時的通訊時間，更別提跟著它一起發射的十顆小型立方衛星 (CubeSats)，也佔用了幾乎一樣多的時間；結果就是，在 Artemis I 任務期間，好幾個正在進行的火星任務，以及著名的韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope)，將近一個月都只能獲得有限的地面通訊支援。
把地球的 GNSS 拿到地月空間用？
過去幾十年，月球任務相對較少，但現在不同了，全球各地的太空機構和商業公司正計畫進行數十個繞月和登月任務，顯然，單靠 DSN 這類地面網路，已經無法應付這麼多任務的導航需求；一個很自然的想法是：能不能利用地球現有的 GNSS 衛星（像是 GPS、Galileo 等）？如果在月球任務的太空船上裝設能接收多種 GNSS 訊號的接收器，不就能利用這個龐大的現成設施，減輕地面站的負擔嗎？
早在 2000 年前後，就有實驗證明可以在比 GNSS 衛星 20,000 公里軌道更高的地方收到訊號，不過，目前最遠的成功接收紀錄，是 NASA 的 MMS 任務在 2016 年創下的：在 76,000 公里高空（約五分之一地月距離）收到了 GPS 訊號；要在更遠的月球附近接收 GNSS 訊號，挑戰更大，主要困難在於訊號太微弱，而且所有衛星都從同一個小角度範圍過來（訊號源集中），計算難度高；因此，要讓未來的機器人或載人登月任務能安心依賴 GNSS，還有很多研究工作要做。
月球 GNSS 接收器實驗 (LuGRE)
如前所述，NASA 和 ASI 的 LuGRE 實驗（預計 2024 年發射）就是為此而生，它在飛往月球途中和降落後，都會持續接收 GPS L1/L5 和 Galileo E1/E5a 訊號，實際測試在月球環境下產生定位資料的效果。
月球路徑探測者 (Lunar Pathfinder)
ESA 的月球路徑探測者 (Lunar Pathfinder) 是一個計畫中的通訊中繼衛星，它將為在月球軌道或表面的其他任務，提供 S 頻段 (S-band) 和 UHF 頻段 (UHF) 的通訊服務，再透過 X 頻段 (X-band) 將資料傳回地球，同時，它也會搭載一個名為 NAVIMOON 的實驗接收器，嘗試在繞月軌道上利用 GNSS 計算自身的位置、速度和時間。
其他創新的太空定位技術
雖然利用現有 GNSS 是個方便的起點，但也許不是地月導航的唯一解方。科學家們也在持續研究其他新技術，希望能用於月球附近，甚至更遙遠的深太空任務。
太空船互相定位
NASA 重返月球計畫有個關鍵設施叫做月球門戶 (Lunar Gateway)，是一個計畫建造在特殊繞月軌道（近直線暈輪軌道 NRHO）上的小型太空站，為了測試在這個軌道上的運作，NASA 在 2022 年發射了 CAPSTONE 探測器；CAPSTONE 任務的其中一個目標，就是測試太空船互相定位的技術，去年（2024）五月，CAPSTONE 和當時也在繞月飛行的 NASA 月球勘測軌道飛行器 (LRO) 互相交換無線電訊號，成功量測出彼此間的距離和相對速度；未來，如果一艘太空船沒有精密的定位接收器，或許可以透過和附近已知位置的其他太空船通訊，來推算出自己的相對位置。
利用脈衝星導航
宇宙中有種叫做毫秒脈衝星 (Millisecond pulsars) 的特殊中子星，它們會發出週期極其穩定的 X 射線 (X-rays)。理論上，只要同時觀測好幾顆已知位置的脈衝星，比較接收到的 X 射線訊號模式和已知的參考模型，太空船就能反推出自己在宇宙中的方向和位置；NASA 在國際太空站 (ISS) 上安裝了中子星內部組成探測器 (NICER) 來觀測這些 X 射線；2017 年，利用 NICER 數據進行的 SEXTANT 實驗，成功透過觀測毫秒脈衝星，將國際太空站的位置計算出來，誤差範圍僅約 10 英里；如果能開發出小型化的 SEXTANT 裝置，就能讓太空船擁有一套不依賴地球訊號的自主導航能力。
打造專屬的月球導航系統
雖然在月球附近接收地球的 GNSS 訊號是個可行的短期方案，但它並不能滿足所有需求；例如，在月球背面活動的任務，或是因為地形遮擋而無法直接看到地球的表面探測器，就收不到來自地球的 GNSS 訊號，除非未來能開發出體積小、重量輕又便宜的替代技術（像是前面提到的脈衝星導航），否則，未來大量的月球任務勢必需要一套專門環繞月球、服務月球的導航衛星系統。
目前，已經有好幾個這樣的系統正在開發中：
日本：月球導航衛星系統 (LNSS)
日本太空機構 JAXA 正在規劃一套由八顆衛星組成的 LNSS 星座，它們的軌道會特別設計，以便在未來探勘熱點——月球南極——提供高精度的定位服務，JAXA 計畫先發射一個示範衛星和一個登陸器來驗證技術。
歐洲：月球通訊與導航服務 (LCNS)
ESA 也計畫為公家和私人的月球任務，建立一套歐洲的服務系統 LCNS，它構想提供兩種服務：一種是類似 GNSS 的單向定位 (one-way positioning)，使用者只需接收訊號即可；另一種是雙向服務 (two-way service)，需要使用者和 LCNS 衛星之間進行主動的通訊互動。
美國：月球通訊中繼與導航系統 (LCRNS)
NASA 在 2022 年提出了 LCRNS 的概念，定義了一系列用來支援 NASA 月球活動所需的通訊與導航能力，LCRNS 會由多顆繞月衛星組成，向月球表面的太空人或機器人任務，廣播 PNT（定位、導航與授時）訊號。
LunaNet：讓大家都能通用的月球導航合作框架
考量到開發月球導航系統的技術難度和龐大花費，如果各家自搞一套互不相容的系統，顯然是浪費資源；因此，NASA 和 ESA 正在共同推動一個名為 LunaNet 的合作框架，希望讓未來這些環繞月球的衛星網路，也能像地球的 GNSS 一樣具有互通性 (interoperability)；這個框架定義了一套標準，讓遵守規範的系統營運商（不論是 NASA、ESA 還是其他國家或公司）可以互相提供共享的通訊、導航等服務給所有在地月空間的使用者；其中一項核心能力叫做月球增強導航服務 (LANS)，它規範了統一的訊號格式、訊息結構、月球坐標參考系統和時間系統，讓來自不同供應商的衛星訊號能結合在一起，形成一個更強大、更可靠的導航網路。
未來，每一個新的月球任務，只要符合 LunaNet 標準，就能為這個共享網路貢獻一份力量，服務供應商可以在提供自家專屬服務的同時，也為這個共通的導航資源做出貢獻，可以預見，未來在地月空間的導航，將會是結合傳統地面站追蹤、接收地球 GNSS 訊號、使用月球本地衛星網路，以及其他創新技術（如脈衝星導航）的多元混合模式。這樣做最大的好處是，沒有哪個單位需要獨自承擔建立所有基礎設施的成本，讓所有參與者的月球探索門檻都得以降低。
奧創系統提供的相關解決方案：從實驗室到真實世界的全方位支援
開發與驗證用於月球、地月空間乃至更遠深空的通訊與導航系統，是一項極具挑戰性的工程任務，正如本文所探討的，工程師必須克服訊號微弱、複雜的傳播路徑、潛在的干擾以及高動態環境等多重難題；為了協助工程師在進入實際部署前，能在可控的實驗室環境中充分進行設計、模擬、測試與驗證，奧創系統 (Ultrontek) 提供了涵蓋衛星通訊通道模擬、導航訊號模擬、慣性導航整合測試、以及射頻干擾產生與偵測等領域的一系列完整解決方案，這些工具能協助工程師打造更可靠、更精準的太空酬載與地面接收設備：
衛星通道模擬器解決方案：精準重現太空訊號傳播挑戰
在太空中，無線電訊號的傳播路徑遠比地面環境複雜，奧創的衛星通道模擬器能協助工程師在實驗室中重現這些效應：
- ACE9600 多功能衛星通道模擬器：
此機種不僅能模擬基本的訊號衰減，更能精確模擬衛星與地面站或太空載具之間，因相對運動產生的都卜勒頻移 (Doppler Shift)、長距離傳播造成的路徑損耗 (Path Loss)、訊號反射形成的多路徑效應 (Multipath)，以及訊號穿透大氣層時產生的電離層/對流層延遲等複雜效應。這對於驗證接收機在真實太空環境下的訊號追蹤與解調能力至關重要。 - SATGEN 衛星軌道建模軟體：
精確的導航定位，始於對衛星運行軌道的精確掌握。SATGEN 能夠依據標準的軌道根數，高精度地模擬包含 LEO、MEO、GEO、HEO 乃至月球軌道等多種衛星星座的運行軌跡與相對動態，工程師可藉此產生高擬真度的多衛星場景，用以測試導航接收機的多星追蹤能力、位置解算演算法的效能，以及在高動態下的鎖定穩定性。 - 探索更多方案：衛星通道模擬器產品頁
衛星與慣性導航模擬解決方案：全方位驗證定位導航性能
從單純的 GNSS 訊號接收，到結合慣性量測單元 (IMU) 的整合導航系統，奧創提供多樣化的模擬工具，滿足不同層級的測試需求：
- Spaceborne 太空專用 GNSS 模擬器：
特別針對太空任務設計，能夠模擬太空載具在高速度、高加速度等嚴苛動態環境下接收 GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou 等多種 GNSS 星座訊號的情境，其高擬真度的訊號產生能力，是驗證星載接收機核心性能的關鍵工具。 - XPLORA-Pro / XPLORA-One多通道 GNSS 訊號模擬器：
提供高度的彈性與擴充性。從單通道的基本功能驗證，到多通道模擬複雜的多天線系統（如 CRPA 抗干擾天線）、多路徑訊號或多個干擾源場景，XPLORA 系列都能提供可靠且逼真的訊號模擬。 - CAST-1000 便攜式雙頻 GNSS 模擬器：
輕巧易攜的設計，方便工程師進行現場展示或外場初步測試，支援雙頻訊號模擬（例如 LuGRE 任務關注的 L1/L5），能更真實地反映現代 GNSS 接收機的工作模式。 - CSAT-GNSS 整合導航測試系統：
整合了 GNSS 訊號模擬與慣性導航系統 (INS) 的模擬功能，對於需要 GNSS 與 INS 數據融合以提供連續、可靠定位資訊的應用（如發射載具、登陸器），CSAT-GNSS 提供了一個完整的實驗室測試平台。 - CAST-CRPA GNSS 抗干擾模擬系統：
專門用於測試 CRPA（受控接收模式天線） 這類先進的抗干擾天線系統，能夠模擬多個干擾訊號源，驗證天線陣列與接收機演算法在複雜電磁環境下的抗干擾（Anti-Jamming, AJ）效能。 - GNSS 導航干擾模擬系統：
可產生多種類型的干擾與欺騙 (Jamming & Spoofing) 訊號，模擬真實世界中可能遭遇的有意或無意的射頻干擾，協助工程師評估並強化接收機在惡劣訊號環境下的穩健性 (Robustness) 與可靠度 (Reliability)。 - GNSS/INS 即時模擬平台：
具備強大的即時運算能力，能夠處理極高的載具動態（例如火箭發射、高速飛行器），特別適用於硬體在環 (Hardware-in-the-Loop, HIL) 的模擬測試，確保控制系統與導航演算法的即時響應與準確性。 - 探索更多方案：衛星與慣性模擬產品頁
衛星訊號干擾偵測：掌握真實世界的電磁環境
除了在實驗室模擬，了解實際部署場域的電磁環境也同樣重要，尤其是對於容易受干擾的微弱衛星訊號。
- GIDAS GNSS 干擾偵測與分析系統系列：
此系列產品用於監測、偵測、紀錄並分析實際環境中存在的 GNSS 頻段干擾訊號。協助使用者找出潛在的干擾源，評估其對 GNSS 接收效能的影響。
透過這些涵蓋模擬、測試到實際環境監測的完整解決方案，奧創系統致力於協助航太領域的工程師與研究人員，更有效率、更有信心地開發與驗證下一代的衛星通訊與導航技術，共同迎接太空探索的新時代。
參考資料
CAST Navigation
US-Italian GNSS Experiment Heading for the Moon
Positioning on the Moon: Developments in Cislunar Navigation