浪漫“鹊桥”：嫦娥四号成功着陆背后的重要“功臣”

1月3日，嫦娥四号探测器成功软着陆月球，月球背面迎来人类第一个软着陆探测器。

在嫦娥四号成功着陆背面的背后有一个值得一提的“功臣”——“鹊桥”中继卫星。

深空探测任务中难度最大的就是如何确保远距离数据通信链路的可靠建立，实现航天器和地面的实时通信联络，这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术。

而月球背面的通信问题一直是困扰人类登陆月球背面不可逾越的“鸿沟”，因此，嫦娥四号探测器要到月球背面安家落户，首先遇到的就是它与地球不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着通信信号无法穿透的月球球体。

图为嫦娥四号着陆器月面着陆效果图。国防科工局探月与航天工程中心 供图

如何解决嫦娥四号与地球的通信问题?

采用数据中继是解决地球与遥远月球背面的通信问题。而实现数据中继的方法不止一个。比如，可以发射很多通信卫星绕着月球转，保证始终至少有一颗卫星绕到落在月球背面嫦娥四号着陆器的通信范围内，把信号传到地球。但这一方法由于需要研制发射多颗通信卫星，因此，虽然可行但成本比较高。还有一个同样有效但可降低成本的方案，就是用一颗数据中继卫星来帮忙，实现地球与身处月球背面嫦娥四号之间的实时通信。

此前，我国曾发射多颗“天链”数据中继卫星。那么，为什么不能“就汤下面”使用“天链”卫星，还要再单独发射一颗中继卫星为嫦娥四号提供数据中继服务呢？由于现有的中继卫星都是运行在地球同步轨道上，够不到月球背面，因此，只能为在进近地空间运行的航天器通过中继服务，而无法实现地球与月球背面之间的通信联系，比较经济的办法就是发射一颗中继卫星，把它放在一个不被月球遮挡适当的位置，来实现嫦娥四号与地球之间的数据传输。茫茫宇宙浩渺无垠，中继卫星放在哪里才能为嫦娥四号提供中继服务呢？我国科学家想到了地月拉格朗日L2点，并且已派嫦娥二号去察看过了，航天人还为这颗中继卫星取了一个很“文艺”的名字叫“鹊桥”。

由于嫦娥四号要在月球背面靠近南极一个叫冯·卡门撞击坑的地方软着陆实施巡视勘测，科技人员决定把“鹊桥”架在“地月系统拉格朗日2点”上，这个位置处于地球和月球两点连线的延长线上，且在较小的天体也就是月球一侧，在这个位置“鹊桥”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，完成“中继”任务。

我们不妨可以在脑海里画张几何图形：月球在中间，地球和中继卫星分别在月球两边。跟地球相比月球比较小，所以位于中间的月球几乎遮挡不住地球和中继卫星之间的信号传播。只要月球上的信号传到位于地月拉格朗日L2点的中继卫星上，就能实现与地球之间的通信联系。同时，由于这个点受地月引力作用保持相对稳定平衡的状态，因而可以最大限度地节省卫星的燃料，有利于保证对中继星进行轨道控制。

“鹊桥”是我国中继卫星家族中的新成员，用途和技术途径虽然与“天链”系列中继卫星相似，但由于路途遥远，孤身作战，环境恶劣，面临的任务更艰巨，技术挑战更大。在“鹊桥”研制中，技术人员攻克了地月拉格朗日L2点轨道设计与控制、远距离中继通信等关键技术，其各项性能和指标完全符合任务需求。

通过发射中继卫星为航天器和地球搭建天地通信链路，是一种较为常见的做法。中国的中继卫星技术已经相当成熟，十年前，第一颗中继卫星上天，十年间，相继发射的4颗“天链一号”卫星组网运行，成功实现对中、低轨航天器全球100%覆盖。

但与“天链一号”相比，嫦娥四号中继卫星有点不一样。首先，最大的不同是“天链一号”对数据采取透明转发方式，即不对数据做处理，保持“原汁原味”，嫦娥四号中继星则属于“再生转发”，即先对数据进行“解码”、“去格式”、“复接”、“编码”等处理，再发送。

其次，“天链一号”具有广泛的通用性，嫦娥四号中继卫星更像是为执行月球背面探测任务而专属定制。嫦娥四号是嫦娥三号的备份卫星，主要设备已经生产出来，所以需要专门研制一颗中继星，去跟它的接口进行匹配。

还可为其他国家探索月球背面提供中继通信服务

由于地月拉格朗日L2点位于地月连线的延长线上，该点轨道包括李萨茹轨道和Halo轨道，综合考虑“鹊桥”中继星与“嫦娥四号”着陆器、巡视器的距离稳定性、覆盖率、轨道进入和维持、月球遮挡影响等因素，科研人员经反复研究，最终确定将Halo轨道作为“鹊桥”中继星使命轨道。

Halo轨道中文称为“晕轨道”（“晕”字借自日晕、月晕）。在惯性空间中，Halo轨道其实是一个比月球轨道略高的绕地轨道。一般来说轨道越高运行速度越慢，周期越长，但是受月球的影响，这个轨道的周期和月球公转周期基本接近，所以从地月连线的转动视角看过去，卫星的飞行轨迹在视觉上变成了一个环绕L2点附近的轨道。轨道形状不同于地球卫星的椭圆轨道，而是三维非规则曲线，轨道控制非常复杂。

当然，如果中继星“守”在地月拉格朗日L2点不动，由于受月球遮挡，仍然“看不见”地球。所以，设计师为其设计了Z向振幅约1.3万千米，绕地月拉格朗日L2点的Halo轨道。“鹊桥”在这一轨道上做拟周期运动，既能“看见”地球，又能“看见”月球，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，通过定期轨道控制来保持轨道的稳定性，实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

人类探测器在月球背面软着陆是第一次。探月活动中，利用中继星实现地球与月球背面进行通信，是我国科技人员的创举。相当于在距离月球62800多千米的地方布了一个通信站，通过这个通信站与地球保持全天候的通信。不仅如此，这个“鹊桥”还可以为其它国家探索月球背面，提供中国中继星的通信服务。

2018年5月21日，“鹊桥”肩负重任在西昌卫星发射中心奔向太空，进入预定地月转移轨道，开始了搭建地月信息联通“鹊桥”的航程。经过1次中途修正，于5月25日到达近月点，在成功实施近月制动后，顺利进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”中继卫星实施轨道捕获，进入环绕距月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月拉格朗日L2点Halo轨道的卫星，在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试后，等待“嫦娥”的到来。

“鹊桥”携带了一副展开后口径达近5米的伞状天线，在人类上天的深空探测器上，还没有这么大口径的通信天线，它直指地球在月球背面和地球之间架设了一个宏伟的信息高速桥梁。除了这副最大天线外，研制人员还给它配备了多副小一些的天线，通过这些天线，不仅可以将地面的测控指令说给巡视器听，还可以听清楚巡视器都说了些啥。

“鹊桥”不大，整个重量才约448公斤，卫星本体横向尺寸1.4米×1.4米，高度才850毫米，加上天线高约3米，整个卫星尺寸与中型保险柜相仿。

“鹊桥”中继星在浩瀚的太空中，会经历一段没有光照的日子，没有太阳的时候，阴影区的温度是零下200摄氏度左右，最冷的地方将达到零下230摄氏度，在如此严寒下，天线全身肯定都“冻僵了”，这些天线在太空中需要经历严酷的考验。为了使它在“冰窖”似的环境里不被“冻坏”，研制中，科技人员除了采用特殊的材料外，还进行了了大量的极端环境下的试验，有效保证了这些天线能够应对严酷环境的考验。

为迎接嫦娥四号的到来，2018年11月9日～11月23日，五院研制人员又对“鹊桥”中继星进行了一次在轨的“体检”。“体检”报告显示，我们的“鹊桥”非常健康！中继星将在使命轨道上继续“遨游”，静待嫦娥四号探测器，届时，嫦娥四号将在数据中继卫星的引导下，安全着陆在月球背面南极冯·卡门撞击坑附近，首开人类探测器在月球背面软着陆巡视探测的先河。

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