我國成功發(fā)射嫦娥四號中繼衛(wèi)星

姜天驕

“嫦娥”未動，“鵲橋”先行。2018年5月21日，由中國航天科技集團研制的嫦娥四號中繼星“鵲橋”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，它的使命是在地球和未來將降落在月球背面的嫦娥四號探測器之間，搭建一座傳輸信號與數據的橋梁。

神秘的月球“背面”

由于月球永遠都僅有一面面向地球，月球“背面”探測成為航天事業(yè)中的一個熱點和難點。然而，人類目前還沒有探測器到達過月球背面

眾所周知，宇宙中的天體都處于自轉狀態(tài)，月球也不例外。然而，月球在自轉的同時，也在圍繞著地球公轉，這兩種運動恰好達到了一種平衡——導致月球永遠都僅有一面面向地球，而另一面則永遠處于背向地球的陰影中。因此，月球“背面”探測成為航天事業(yè)中的一個熱點和難點。美國、歐洲各國等都提出過探測月球背面的計劃，但由于種種原因，最終都未能實施。目前，人類還沒有探測器到達神秘的月球背面。

月球背面登陸探測面臨著一個很大的難題——那就是由于月球自身的遮擋阻隔，運行到月球背面的著陸器和巡視器無法與地球之間進行通信，可謂“兩眼一抹黑”。因此，如何解決著陸器和巡視器在月球背面時與地球之間的通信，成為月球背面登陸探測的關鍵難題。

令人欣喜的是，嫦娥四號的專用中繼衛(wèi)星“鵲橋”，可以解決這個難題。它發(fā)射到位于地球、月球延長線上的地月拉格朗日L2點，讓月球處于地球和中繼衛(wèi)星之間。這樣，“鵲橋”既能“看到”月球背面，也能“看到”地球。這座“鵲橋”的搭設，將建立起未來在月球背面著陸的嫦娥四號探測器與地面測控網絡的聯系，幫助揭開月球背面的神秘面紗。簡言之，“鵲橋”的使命猶如太空轉發(fā)站，負責把來自于地球的信息傳遞給位于月球背面的嫦娥四號探測器，再接收嫦娥四號探測器搜集到的信息傳送回地球，從而繞過月球實現著陸器和巡視器與地面之間的通信。

“鵲橋”的運行軌道

“鵲橋”的運行軌道要求較高，其與地球和月球背面之間必須無遮擋，具有長期與月球背面可見、地球方地面站對中繼星跟蹤弧段長等優(yōu)點

每一顆衛(wèi)星在宇宙中都有自己的運 行軌道，例如地球同步軌道、太陽同步軌道等，中繼星“鵲橋”也不例外。中繼星“鵲橋”與地球和月球背面之間必須無遮擋，這對“鵲橋”的運行軌道設定要求較高。

“鵲橋”的運行軌道為繞地月L2平動點的Halo軌道。這一運行軌道具有長期與月球背面可見、地球方地面站對中繼星跟蹤弧段長、軌道維持代價較小等優(yōu)點。

“地月L2平動點”，也稱作地月拉格朗日點，是指在地球和月球這一二體旋轉系統中的引力動平衡點。自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們將其運用于計算太陽系中天體的位置。但是，萬有引力定律描述的都是兩個天體之間的關系。在僅有兩個天體的情況下，運用牛頓理論可以很容易地得到天體的運行軌道。然而，3個天體之間的作用力關系就非常復雜了，以至于難以求解，稱為“三體問題”。對此，瑞士科學家歐拉和法國科學家拉格朗日針對三體問題求解出了5個特殊解，即L1-L5點，也稱為“拉格朗日點”。由于它特殊的空間位置和動力學特性，拉格朗日點成為開展空間探測的最佳位置。很多科學衛(wèi)星都運行在拉格朗日點附近的軌道上。其中，L2平動點處于月球背面的地月延長線上，與月球的距離約為6.5萬公里。由于地月距離是變化的，L2點與月球的距離也是變化的，通過對使命軌道的設計，“鵲橋”與月球的距離不大于8萬公里，可實現對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。根據設計，“鵲橋”衛(wèi)星將在L2點做擬周期運動，通過定期軌道控制保持軌道的穩(wěn)定性。

至于Halo軌道，則是由美國人Farquhar在1967年提出的概念。根據他的構想，如果在這一軌道上放置一顆中繼通信衛(wèi)星，可以為月球背面著陸的探測器提供通信中繼服務?；谶@一構想，美國國家航空航天局（NASA）曾計劃在阿波羅17號任務中實施，但最終由于風險較大等原因而放棄。因此，中國的“鵲橋”將是人類航天器首次涉足該軌道。

如何實現中繼通信

中繼通信分系統是“鵲橋”衛(wèi)星最核心的部分，它建立了3條鏈路，可以實現其與嫦娥四號探測器的雙向通信，以及與地面的雙向通信

當“鵲橋”順利飛達拉格朗日L2點后，有效載荷將全部開通，實現中繼服務。那么，“鵲橋”究竟如何履行“嫦娥先行官”的職責呢？

提供中繼服務是通過中繼通信分系統實現的，這一系統也是“鵲橋”衛(wèi)星最核心的部分。它在地、月、星之間建立了3條鏈路——對月前向鏈路、對月反向鏈路以及對地數傳鏈路，這3條鏈路可以實現“鵲橋”與后續(xù)發(fā)射的嫦娥四號探測器的雙向通信，以及“鵲橋”與地面的雙向通信。據中國航天科技集團五院西安分院“鵲橋”衛(wèi)星副總設計師張愛兵介紹：“在這3條鏈路中，對月反向鏈路的研制是最難的。因為我們必須在星上資源十分有限的情況下，解決信號高靈敏度接收和信號連續(xù)跟蹤等一系列難題?！?/p>

嫦娥四號探測器要在月球背面活動，而“鵲橋”則在圍繞拉格朗日L2點的軌道運轉，因此，嫦娥四號探測器和“鵲橋”之間有相對運動。這樣一來，“鵲橋”接收嫦娥四號發(fā)出的信號難度就非常大，就好像壘球手要接住對方擊打出的壘球一樣。對一般的衛(wèi)星而言，擊打壘球的位置是一定的，接球手判斷球的速度和方向相對容易一些；而對于“鵲橋”衛(wèi)星這名“接球手”來說，“擊球手”是滿場跑的，球飛出的速度和方向變化多端，“鵲橋”衛(wèi)星就得有“乾坤大挪移”的本領，隨時接住嫦娥四號探測器發(fā)出的信號。為練就這個本領，“鵲橋”衛(wèi)星的中繼通信分系統與嫦娥四號探測器在地面的聯試做了9次，設計師們通過不斷優(yōu)化方案，終于成功實現了所有功能需求。

由于嫦娥四號探測器的身材小，其隨身攜帶的信號收發(fā)天線裝置也相對較小，導致其發(fā)射信號較弱。為了能夠保障中繼星和探測器的聯系，中繼通信分系統設置了多種不同的碼速率，具備了“自適應數字調節(jié)”能力，可以克服嫦娥四號探測器發(fā)出的信號微弱、不穩(wěn)定等帶來的信號捕捉困難，為“鵲橋”和嫦娥四號探測器信息傳遞開辟出“綠色通道”。

“鵲橋”中繼通信衛(wèi)星由中國航天科技集團自主研發(fā)，其成功發(fā)射，標志著我國率先掌握了地月中繼通信技術，這是我國在月球探測領域取得的新突破。它將為后續(xù)嫦娥四號成功著陸月球背面開展探測任務奠定關鍵性基礎，為嫦娥四號探月工程的圓滿完成提供有力保障。