浪漫“鵲橋”：嫦娥四號成功著陸背後的重要“功臣”

1月3日，嫦娥四號探測器成功軟著陸月球，月球背面迎來人類第一個軟著陸探測器。

在嫦娥四號成功著陸背面的背後有一個值得一提的“功臣”——“鵲橋”中繼衛星。

深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離資料通訊鏈路的可靠建立，實現航天器和地面的實時通訊聯絡，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。

而月球背面的通訊問題一直是困擾人類登陸月球背面不可逾越的“鴻溝”，因此，嫦娥四號探測器要到月球背面安家落戶，首先遇到的就是它與地球不僅相隔遙遠的地月距離，而且還要隔著通訊訊號無法穿透的月球球體。

圖為嫦娥四號著陸器月面著陸效果圖。國防科工局探月與航天工程中心 供圖

如何解決嫦娥四號與地球的通訊問題？

採用資料中繼是解決地球與遙遠月球背面的通訊問題。而實現資料中繼的方法不止一個。比如，可以發射很多通訊衛星繞著月球轉，保證始終至少有一顆衛星繞到落在月球背面嫦娥四號著陸器的通訊範圍內，把訊號傳到地球。但這一方法由於需要研製發射多顆通訊衛星，因此，雖然可行但成本比較高。還有一個同樣有效但可降低成本的方案，就是用一顆資料中繼衛星來幫忙，實現地球與身處月球背面嫦娥四號之間的實時通訊。

此前，我國曾發射多顆“天鏈”資料中繼衛星。那麼，為什麼不能“就湯下麵”使用“天鏈”衛星，還要再單獨發射一顆中繼衛星為嫦娥四號提供資料中繼服務呢？由於現有的中繼衛星都是執行在地球同步軌道上，夠不到月球背面，因此，只能為在進近地空間執行的航天器透過中繼服務，而無法實現地球與月球背面之間的通訊聯絡，比較經濟的辦法就是發射一顆中繼衛星，把它放在一個不被月球遮擋適當的位置，來實現嫦娥四號與地球之間的資料傳輸。茫茫宇宙浩渺無垠，中繼衛星放在哪裡才能為嫦娥四號提供中繼服務呢？我國科學家想到了地月拉格朗日L2點，並且已派嫦娥二號去察看過了，航天人還為這顆中繼衛星取了一個很“文藝”的名字叫“鵲橋”。

由於嫦娥四號要在月球背面靠近南極一個叫馮·卡門撞擊坑的地方軟著陸實施巡視勘測，科技人員決定把“鵲橋”架在“地月系統拉格朗日2點”上，這個位置處於地球和月球兩點連線的延長線上，且在較小的天體也就是月球一側，在這個位置“鵲橋”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同時與地球和月球背面進行資訊和資料交換，完成“中繼”任務。

我們不妨可以在腦海裡畫張幾何圖形：月球在中間，地球和中繼衛星分別在月球兩邊。跟地球相比月球比較小，所以位於中間的月球幾乎遮擋不住地球和中繼衛星之間的訊號傳播。只要月球上的訊號傳到位於地月拉格朗日L2點的中繼衛星上，就能實現與地球之間的通訊聯絡。同時，由於這個點受地月引力作用保持相對穩定平衡的狀態，因而可以最大限度地節省衛星的燃料，有利於保證對中繼星進行軌道控制。

“鵲橋”是我國中繼衛星家族中的新成員，用途和技術途徑雖然與“天鏈”系列中繼衛星相似，但由於路途遙遠，孤身作戰，環境惡劣，面臨的任務更艱鉅，技術挑戰更大。在“鵲橋”研製中，技術人員攻克了地月拉格朗日L2點軌道設計與控制、遠距離中繼通訊等關鍵技術，其各項效能和指標完全符合任務需求。

透過發射中繼衛星為航天器和地球搭建天地通訊鏈路，是一種較為常見的做法。中國的中繼衛星技術已經相當成熟，十年前，第一顆中繼衛星上天，十年間，相繼發射的4顆“天鏈一號”衛星組網執行，成功實現對中、低軌航天器全球100%覆蓋。

但與“天鏈一號”相比，嫦娥四號中繼衛星有點不一樣。首先，最大的不同是“天鏈一號”對資料採取透明轉發方式，即不對資料做處理，保持“原汁原味”，嫦娥四號中繼星則屬於“再生轉發”，即先對資料進行“解碼”、“去格式”、“復接”、“編碼”等處理，再發送。

其次，“天鏈一號”具有廣泛的通用性，嫦娥四號中繼衛星更像是為執行月球背面探測任務而專屬定製。嫦娥四號是嫦娥三號的備份衛星，主要裝置已經生產出來，所以需要專門研製一顆中繼星，去跟它的介面進行匹配。

還可為其他國家探索月球背面提供中繼通訊服務

由於地月拉格朗日L2點位於地月連線的延長線上，該點軌道包括李薩茹軌道和Halo軌道，綜合考慮“鵲橋”中繼星與“嫦娥四號”著陸器、巡視器的距離穩定性、覆蓋率、軌道進入和維持、月球遮擋影響等因素，科研人員經反覆研究，最終確定將Halo軌道作為“鵲橋”中繼星使命軌道。

Halo軌道中文稱為“暈軌道”（“暈”字借自日暈、月暈）。在慣性空間中，Halo軌道其實是一個比月球軌道略高的繞地軌道。一般來說軌道越高執行速度越慢，週期越長，但是受月球的影響，這個軌道的週期和月球公轉週期基本接近，所以從地月連線的轉動視角看過去，衛星的飛行軌跡在視覺上變成了一個環繞L2點附近的軌道。軌道形狀不同於地球衛星的橢圓軌道，而是三維非規則曲線，軌道控制非常複雜。

當然，如果中繼星“守”在地月拉格朗日L2點不動，由於受月球遮擋，仍然“看不見”地球。所以，設計師為其設計了Z向振幅約1。3萬千米，繞地月拉格朗日L2點的Halo軌道。“鵲橋”在這一軌道上做擬週期運動，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時與地球和月球背面進行資訊和資料交換，透過定期軌道控制來保持軌道的穩定性，實現對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通訊覆蓋。

人類探測器在月球背面軟著陸是第一次。探月活動中，利用中繼星實現地球與月球背面進行通訊，是我國科技人員的創舉。相當於在距離月球62800多千米的地方布了一個通訊站，透過這個通訊站與地球保持全天候的通訊。不僅如此，這個“鵲橋”還可以為其它國家探索月球背面，提供中國中繼星的通訊服務。

2018年5月21日，“鵲橋”肩負重任在西昌衛星發射中心奔向太空，進入預定地月轉移軌道，開始了搭建地月資訊聯通“鵲橋”的航程。經過1次中途修正，於5月25日到達近月點，在成功實施近月制動後，順利進入月球至地月拉格朗日L2點的轉移軌道。6月14日，“鵲橋”中繼衛星實施軌道捕獲，進入環繞距月球約6。5萬千米的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆執行在地月拉格朗日L2點Halo軌道的衛星，在此軌道陸續開展在軌測試和中繼通訊鏈路聯試後，等待“嫦娥”的到來。

“鵲橋”攜帶了一副展開後口徑達近5米的傘狀天線，在人類上天的深空探測器上，還沒有這麼大口徑的通訊天線，它直指地球在月球背面和地球之間架設了一個宏偉的資訊高速橋樑。除了這副最大天線外，研製人員還給它配備了多副小一些的天線，透過這些天線，不僅可以將地面的測控指令說給巡視器聽，還可以聽清楚巡視器都說了些啥。

“鵲橋”不大，整個重量才約448公斤，衛星本體橫向尺寸1。4米×1。4米，高度才850毫米，加上天線高約3米，整個衛星尺寸與中型保險櫃相仿。

“鵲橋”中繼星在浩瀚的太空中，會經歷一段沒有光照的日子，沒有太陽的時候，陰影區的溫度是零下200攝氏度左右，最冷的地方將達到零下230攝氏度，在如此嚴寒下，天線全身肯定都“凍僵了”，這些天線在太空中需要經歷嚴酷的考驗。為了使它在“冰窖”似的環境裡不被“凍壞”，研製中，科技人員除了採用特殊的材料外，還進行了了大量的極端環境下的試驗，有效保證了這些天線能夠應對嚴酷環境的考驗。

為迎接嫦娥四號的到來，2018年11月9日～11月23日，五院研製人員又對“鵲橋”中繼星進行了一次在軌的“體檢”。“體檢”報告顯示，我們的“鵲橋”非常健康！中繼星將在使命軌道上繼續“遨遊”，靜待嫦娥四號探測器，屆時，嫦娥四號將在資料中繼衛星的引導下，安全著陸在月球背面南極馮·卡門撞擊坑附近，首開人類探測器在月球背面軟著陸巡視探測的先河。