進入使命軌道的“鵲橋”月球中繼衛星

2018年5月21日，我國用長征－4C火箭成功從西昌衛星發射中心將“鵲橋”（Magpie Bridge)月球中繼衛星送入太空，該衛星于6月14日進入了地月拉格朗日2點（L2點）的暈軌道，這是世界上第一個進入到該軌道的月球中繼衛星。那么，“鵲橋”月球中繼衛星有何用途？它為什么要運行在地月L2點暈軌道？簡單地說，它將為2018年年底我國發射的首個在月球背面著陸的嫦娥－4落月探測器提供信息傳輸。

1 為何青睞月球背面

發射“鵲橋”月球中繼衛星并進入地月L2點暈軌道運行，對嫦娥－4落到月球背面進行探測具有重要作用。

目前，全球已進行過130多次探月活動，但是從來沒有一個探測器在月球背面進行軟著陸，其原因與月球的特性有關。

大量繞月探測器所獲信息表明，月球背面與正面存在很大差異。從整體上講，月球表面可分為月海和月陸兩大地理單元。月海主要是玄武巖，月陸主要是斜長巖。月球上共有22個月海，其中19個分布在月球的正面，月球背面只有東海、莫斯科海和智海3個月海。月球上顏色較淺的部分類似地球上的陸地，稱為月陸，月陸比月海更古老，保留著更為原始的狀態。月球背面顏色較亮，月陸居多，撞擊坑分布密度也比正面高，地形更崎嶇。其斜長巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結晶，這是月球形成的兩大學說之一。對其開展形貌、物質組成、月壤和月表淺層結構的就位綜合探測，有望獲得月球最古老月殼的物質組成、斜長巖高地的月壤厚度等重要成果。

月海大多在月球的正面

因為月球背面具有不同于月球正面的地質構造，多“山”多“谷”，所以對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。地球上經歷了多次滄海桑田，早期地質歷史的痕跡早已消失殆盡，只能寄希望于從月球上仍保存完好的地質記錄中挖掘地球的早期歷史。因此，對月球背面開展形貌、物質組成、月壤和月表淺層結構的就位與巡視綜合探測，可促進對月球早期演化歷史的新認知，對研究地球的早期歷史也有重要價值。

月球背面有更多的隕石坑

另外，由于被地球潮汐鎖定、月球的自轉與公轉周期相同和天平動的作用等原因，在地球上永遠看不到月球的背面，只能觀測到約59%的月面，也就是說，月球背面41%的地方始終受月球阻擋。所以對天文學研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發出的射電輻射是研究天體的重要手段，稱為射電觀測。由于遙遠天體的距離遙遠，電磁信號十分微弱，而在地球上，日常生產生活的電磁環境會對射電天文觀測產生明顯干擾，因此天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區，監聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，所以在那里能監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，研究恒星起源和星云演化，有望取得重大天文學成果。

被潮汐鎖定的月球

由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10MHz的射電天文觀測，而在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測也會受到地球電離層反射和人工無線電的干擾。而月球背面能屏蔽人類活動產生的無線電干擾以及閃電、極光帶來的無線電發射，因此被認為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點。利用月球背面獨特的無線電環境，開展低頻射電天文觀測，可填補100kHz～10MHz頻段的空白，有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束的產生機理等方面取得原創性的成果，為未來對宇宙“黑暗時代”和“黎明時期”的探索打下基礎。

2 這個軌道為什么暈

眾所周知，世上很多事情都是“雙刃劍”，既有利又有弊，探測月球背面也是如此。正是由于在地球上永遠看不到月球的背面，而在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信，所以對月球背面進行落月探測是很困難的，這也正是至今世界上還沒有一個國家把落月探測器發射到月球背面軟著陸的重要原因。

目前，最好的方案就是先發射一顆月球中繼衛星到地月L2點暈軌道上，在該軌道上運行的月球中繼衛星可以同時“看到”地球和月球背面，從而能為地球站與在月球背面著陸的探測器之間搭建一座用于通信聯系的“橋梁”。而且由于地球和月球引力平衡的作用，所以月球中繼衛星在該軌道上運行比較穩定。

為此，我國在2018年年底發射嫦娥－4落月探測器之前，先于2018年5月21日用長征－4C火箭從西昌先發射了“鵲橋”月球中繼衛星，把它送入地月L2點暈軌道上。地月L2點是在地月球心連線上靠近月球的一側，距月球約65000～80000km（由于地月距離是變化的，因此地月L2點與月球的距離也是變化的，最大距離不大于80000km）。需要強調的是，“鵲橋”不能在地月L2點上運行，而是在繞地月L2點暈軌道上運行，否則會被月球擋住，無法與地球聯系。

5個地月引力平衡點L點

在地月L2點暈軌道上的月球中繼衛星與地球、月球的相對位置關系

地月L2點暈軌道是繞地月L2點運行的一種軌道，形狀為三維非規則曲線，周期14天，Z軸振幅高達13000km，軌道控制非常復雜，所以叫暈軌道。“鵲橋”在該軌道上運行，可解決月球背面“看不見、摸不著、無法通信”的問題，為此，后發射的嫦娥－4與地球站之間提供通信鏈路。這樣，就可以在地球上對落在月球背面的嫦娥－4進行遙測、遙控，嫦娥－4所獲得的科學數據也能用“鵲橋”傳回地球。

另外，地月L2點暈軌道實際上是一個“躲”在月球遠端，隨著月球一起運行的繞地軌道。在這個軌道上運行的“鵲橋”可以和地月保持相對穩定的靜止狀態，因而能節省衛星燃料，延長壽命。“鵲橋”一年只需消耗2kg燃料，并且比運行在其他軌道都要省許多測控方面的事。

飛往地月L2平動點暈軌道

打造完畢的“鵲橋”

從地球到達L2點常用2種方案：①直接轉移，即從地球直接經過地月轉移軌道飛到L2點附近，這種方案比較簡單，但費燃料。②月球繞掠，即先飛經月球，以借助月球引力“拐個彎”，再飛到L2點，這種方案省燃料，但時間長。“鵲橋”采用第2種方案。

3 中繼衛星別開生面

地球中繼衛星一般運行在地球靜止軌道上，因而有較大的覆蓋范圍。它用于轉發地球站對中、低軌道航天器的跟蹤測控信號，并對中、低軌道航天器發回地面的數據、圖像和話音等進行實時、連續的中繼傳輸等。地球中繼衛星問世后大大減少了地面測控站或測量船的數量，尤其是可彌補在國外難以建立測控站的缺陷，現在已有多顆這種衛星在地球軌道上運行。

我國曾發射過4顆“天鏈”地球中繼衛星。不過，我國2018年發射的“鵲橋”是月球中繼衛星，它與“天鏈”有明顯不同，例如：“天鏈”有廣泛的通用性，而“鵲橋”是為嫦娥－4執行月球背面探測任務而專門定制的；“天鏈”采用透明式轉發器，它對所轉發的數據不進行處理，也叫彎管式轉發器；而“鵲橋”采用再生式轉發器，它先對數據進行解碼、去格式、復接、編碼等處理，然后再發送。

“鵲橋”是基于CAST－100衛星平臺研制的，質量為448kg。其本體為長方體構型，橫向尺寸為1.4m×1.4m，高為850mm，加上天線總高3m多，壽命大于3年，是一個長方體加太陽電池翼和天線的簡單結構。它采用板式結構形式，可由鋰電池和太陽電池翼供電；采用“星敏感器+光纖陀螺”定姿方式及整星零動量控制方式，從而實現對地、對月、對日的三軸穩定控制；采用單組元推進系統，配置了12臺5N發動機和4臺20N發動機，攜帶約100kg無水肼推進劑，可提供超過500m/s速度增量的軌道機動能力。

“鵲橋”還采用了一些新技術，例如，“鵲橋”裝備了具有高智能化水平、全天候、全天時、全空域運行能力的光纖陀螺慣性測量單元，從而擺脫了之前航天器姿態敏感器需要借助地球、太陽等天體來定位的束縛，大大提升了其軌道控制能力。在“鵲橋”1000m/s高速在軌飛行過程中，其速度控制精度誤差不大于0.02m/s，這種超強的自主控制能力，讓地面實施軌道控制周期在7天左右，為“鵲橋”長期穩定運行奠定了基礎。

另外，“鵲橋”采用了多安全備份遙測遙控指令設計，即為“鵲橋”備好了多部“手機”，地面工作人員可同時給這幾部“手機”打電話，發出相同的遙測指令，這可有效規避“因距離遠或其他未知因素”造成的信號中斷、信息傳送不準確等問題。

“鵲橋”還采用了S頻段數字化深空應答機，這是我國首臺數字化深空應答機，具有對錯誤數據自我修正的功能，其靈敏度、信號捕獲能力等性能更為強大。

4 史上最大的傘狀天線

由于嫦娥－4落月探測器體積較小，所以配備的天線也不大，通信信號較弱。為此，“鵲橋”的通信分系統裝有大型傘狀高增益天線和螺旋狀中增益天線，設置了多種不同碼速率。它們具備自適應數字調節能力，從而能克服嫦娥－4信號微弱、不穩定等帶來的信號捕捉困難。

“鵲橋”的最大特征就是采用了4.2m口徑的高增益傘狀拋物面天線（星載天線金屬網），這是人類深空探測任務史上最大口徑的通信天線。該天線采用整星零動量控制方式，可以實現對地、對月、對日和對慣性空間任意目標指向與跟蹤的三軸穩定控制，為著陸器、巡視器與地面站之間的測控和數據傳輸提供了有力支撐。

“鵲橋”在地、月、星之間建立了3條鏈路：對月前向鏈路、對月返向鏈路和對地數傳鏈路，這3條鏈路可以實現“鵲橋”與后續發射的嫦娥－4探測器的雙向通信，以及其與地面的通信。

面向嫦娥－4，大型傘狀天線前向鏈路采用X頻段統一載波體制，返向鏈路采用X頻段二進制相移鍵控（BPSK）抑制載波體制。“鵲橋”對嫦娥－4著陸器的最高通信速率為560kbit/s，對嫦娥－4巡視器的最高通信速率為280kbit/s。

面向地面站，“鵲橋”用S頻段螺旋狀中增益天線，碼速率最大為2000kbit/s。在分時工作模式下，可改用傘狀天線來實現X頻段對地數據傳輸，碼速率可達10000kbit/s。

采用傘狀拋物面天線的“鵲橋”

“鵲橋”的通信鏈路

除了具有中繼地月信號的功能以外，在“鵲橋”上還裝載了荷蘭的低頻射電探測儀。它能與位于地球上荷蘭境內的低頻天文陣列等地面天文觀測設施聯合，首次開展430000～460000km基線的地月空間甚長基線干涉測量（VLBI）實驗。它還將與嫦娥－4著陸器上我國研制的低頻射電頻譜儀之間形成干涉測量，有望對來自宇宙黑暗時期和黎明時期的21cm氫譜線輻射進行探測，研究在宇宙大爆炸后的幾千萬年到一兩億年間，宇宙如何擺脫黑暗，點亮了第一顆恒星。

激光角反射鏡工作原理圖

另外，“鵲橋”還攜帶了一個1.6kg、170mm大孔徑激光角反射鏡，由中山大學研制。它能配合地面0.5m激光發射望遠鏡和1m激光接收望遠鏡，進行精度優于15mm的單程測距。這是人類歷史上最遠距離的純反射式激光測距試驗，達460000km，可使人類激光測距的紀錄再增加約80000km，并承擔“天琴計劃”的先導性研究工作。其原理是將高度同向性脈沖激光束射向放置在衛星表面的角反射鏡，通過發送、接收時間差計算出星地距離。目前掌握這項技術的國家不多，因為在400000km以外找到并瞄準小小的激光反射鏡，難如大海撈針。

地面給“鵲橋”的指令是從佳木斯林海深空測控站發送的，包括第一次中途修正指令和近月制動指令上注工作。林海是我國第一個深空測控站，天線口徑有66m，這也是亞洲口徑最大、接收靈敏度最高、連續波發射功率最強和作用距離最遠的天線，曾用于執行嫦娥－3任務等。