登錄月背與月面釋放：驚心動魄24小時

環月降軌

從距離月球38萬千米之遙的地球到距離月背100千米的環月軌道，“嫦娥四號”離月背越來越近了。

根據既定方案，“嫦娥四號”要從距月面15千米處開始動力下降。因此，飛控中心首先要對它進行環月降軌控制，將“嫦娥四號”的飛行軌道從100千米×100千米的圓形軌道調整為100千米×15千米的橢圓軌道。

實施降軌控制前，飛控軌道專家們經過反復測算發現，按照當前的飛行狀態，“嫦娥四號”雖然可以準確進入動力下降的起始點，但是時間上會比預定計劃晚50秒。盡管這個時間滿足不超過1分鐘的誤差約定，完全在可控范圍內，但飛控軌道專家們綜合考量后續可能產生的控制誤差，決定再次調整環月降軌控制策略，進一步提高控制精度，修正時間偏差。

2018年12月30日8時53分許，“嫦娥四號”發動機點火，按照飛控中心新制訂的策略實施15千米環月降軌控制。5分鐘后，軌控標定結果顯示，“嫦娥四號”成功進入100千米×15

千米的環月橢圓軌道。根據最新的軌道參數推算，“嫦娥四號”進入動力下降起始點的時間偏差不會超過20秒，遠遠滿足任務精度要求。

倒計時6小時

2019年1月3日凌晨4時左右，距離“嫦娥四號”實施動力下降還有6小時。

又一個新的情況出現了，根據最新地形文件及動力下降打靶分析結果，發現預定著陸點附近的地形不利于探測器落月，需要將落點位置向南調整1.7千米。

根據“嫦娥四號”運行軌道分析，只能通過調整動力下降時刻來規避不利地形。軌道專家組立刻展開“動力下降時刻對落點影響”的分析。調整參數、輸入模型、計算分析……在不到10分鐘的時間里，一個將動力下降時刻推遲1秒鐘以實現落點向南調整1.7千米的嶄新方案出爐，并交由任務現場的飛控組專家們審議確定其可行性。

凌晨5點，新的動力下降注入數據迅速生成并通過復核，一切準備就緒。

2019年1月3日上午10時15分，激動人心的時刻終于到來了，動力下降開始的指令從飛控大廳里發出，通過“鵲橋”中繼星，發送至遠在38萬千米之外的環月軌道上的“嫦娥四號”，7500牛變推力發動機準確開機，動力下降開始。

此時，“嫦娥四號”在距離月背表面15千米的近月點以大約1.7千米/秒的速度環月飛行，在7500牛發動機反推作用下，相對月球的飛行速度正逐步下降。

約5分鐘后，“嫦娥四號”攜帶的降落相機開機，圖像通過“鵲橋”中繼星傳回地面，此時，它已經可以清晰地看見月背這片神秘之地了。38萬千米外的飛控大廳里，大家都屏住呼吸，緊盯著眼前的巨型液晶屏，期待著能夠盡快親眼見證降落月背的壯觀景象。

月面越來越近，2019年1月3日10時26分，“嫦娥四號”穩穩地落在月球背面南極—艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內，中國成為世界上第一個成功實現月球背面軟著陸的國家！

經過飛控中心的精確計算，中國首次獲得“嫦娥四號”的落月點的坐標為東經177.5991°、南緯45.4446°，這也是人類首次到達月背的精確位置坐標，在人類探月征程中具有重要的里程碑意義！

科普時間：“嫦娥四號”的著陸點坐標是怎么計算出來的？

“嫦娥四號”要著陸月球背面，由于月球遮擋，傳統的測距、測速及甚長基線干涉測量技術在“嫦娥四號”動力下降階段無法發揮作用，整個降落過程中無法獲得無線電的定位結果。因此，基于視覺的定位技術成為“嫦娥四號”著陸點快速、高精度定位的主要技術手段。“嫦娥四號”是該技術首次。

在執行任務前，飛控中心利用“嫦娥二號”獲取的高分辨率數字正射影像圖（DOM圖），制作了覆蓋范圍約51千米×30千米的無縫高精度預選著陸區高清底圖，為“嫦娥四號”基于視覺的著陸點定位及著陸區的地形分析提供了重要的基礎數據。

接下來的工作就是運用計算機視覺技術將著陸過程中的降落序列圖像與著陸區高清底圖進行匹配，從而求解著陸點的位置信息。由于著陸過程實時下傳的降落圖像斑塊效應嚴重，我們在匹配定位處理前引入拋物線模型對圖像進行了增強處理，有效提升了圖像質量。

2019年1月3日10時23分03秒，“嫦娥四號”向飛控中心下傳了其降落相機拍攝的月球背面的第一張圖像，標志著“嫦娥四號”正在一步步地接近月球背面，后續“嫦娥四號”陸續傳回多幅圖像，整個過程約10分鐘。

根據下傳地面的圖像信息可以判斷“嫦娥四號”實際降落區域就在我們的預選著陸區高清底圖內，具備定位條件。20分鐘后，根據高壓縮比的降落圖像，飛控中心計算得到了初始落月位置。在“嫦娥四號”著陸后的第二天，即北京時間2019年1月4日，“嫦娥四號”再次下傳了一部分低壓縮比的降落圖像。利用這些數據，飛控中心進一步精細化了著陸點的定位結果。

從“嫦娥四號”安全著陸月面那一刻開始，飛控中心的駕駛員立即進入了緊張的工作狀態。現場的每個人都盯著屏幕上著陸器（“嫦娥四號”）和巡視器（“玉兔二號”）的位置姿態信息，偏航、滾動和俯仰角度都很理想，按照任務確定的“兩器分離”10條準則，姿態這一關算是過了，可以按計劃實施“玉兔二號”月球車月面釋放后續程序。

月面釋放，所有可能都想到了嗎？

“兩器分離”是決定“嫦娥四號”任務成敗的關鍵環節。分離前后工作還有哪些問題？所有的可能都想到了嗎？

在實施任務前，我們做了最壞的打算，如果一旦出現故障，不能實現“兩器分離”，“玉兔二號”無法駛到月面，我們在“嫦娥四號”頂部也要完成拍照，并下傳至地面。

“嫦娥四號”登陸月背時是南向著陸，“玉兔二號”要從“嫦娥四號”的南側踏上月背。“兩器分離”前會使用“玉兔二號”的導航相機對周邊地形進行感知。最初設計的飛行程序中，只對“嫦娥四號”南側（“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”一側）實施兩次成像，每次成像的俯仰角度不同，分別用于看近處和稍遠處，而不進行北側地形感知。專家給出的理由是“玉兔二號”導航相機對南部成像主要用于“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”作策略選擇;導航相機如果360°環拍兩圈，成像和下傳耗時增加則會推遲“兩器分離”時間，此時正值月午，擔心“玉兔二號”散熱不及時而發生故障。

我們當時分析必須進行360°環拍，如果不對“嫦娥四號”北側及周邊地形進行考察，將無法全面掌握“嫦娥四號”周邊地形，若“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”后按照錯誤方向環繞“嫦娥四號”，將嚴重影響月晝下午行駛到“嫦娥四號”北面完成“兩器互拍”的任務。經與探測器系統專家分析研究，提出了調整導航相機俯仰角度進行環拍一圈的策略，在不增加成像耗時的基礎上，確保對南北向及周邊環境的成像感知，一舉兩得。

按照制定的環拍策略完成“嫦娥四號”頂部環拍后，所有人都焦急地等待地形數據處理結果。2019年1月3日19時40分，地形產品終于制作完成。

從環拍成像結果上看，“嫦娥四號”南面東側只有一個已經退化的撞擊坑T3，地形條件可能比西側更好，按照此前的后續移動策略，可能會選擇東側路徑。但是從“嫦娥四號”北面看，東側后續將無路可走，無法到達原定“兩器互拍”點。當看到這張圖的時候，所有人都驚出了一身冷汗。若是沒有進行環拍，按原計劃從東側向北部繞行是極可能誤入歧途的。幸好我們作出了正確的決定。

突如其來的多徑效應

異常總是不期而遇，飛控中心在進行測控遮擋和駛離區域地形分析的工作時，突然發現“玉兔二號”全向天線B機AGC（自動增益控制）電平在太陽翼展開、桅桿展開、桅桿動作以及移動時都會產生波動，影響指令發送和遙測信息接收。由于整個過程都未發現天線遮擋，因此懷疑是由于“嫦娥四號”桅桿和定向天線反射的中繼星電磁波造成了多徑效應，由相位相反的反射信號抵消了部分直射信號的功率，造成接收信號減弱。

大家的神經一下子就緊張起來，如果“玉兔二號”不能正常接收地面遙控指令，就可能永遠停在“嫦娥四號”的陰影里，如果出現這種情況，后果將是災難性的。

定位分析完成后，最終決策將桅桿收攏以完成后續分離過程。2019年1月3日22時26分，地面發令實施桅桿收攏，后續AGC電平雖仍有變化，但未再接近門限值，整個分離過程中繼鏈路鎖定正常，指令接收正常。“玉兔二號”終于“低著頭”安全駛下“嫦娥四號”，大家都松了一口氣。

向左還是向右

成功釋放“玉兔二號”后，它向哪里走非常關鍵，既要盡快駛離“嫦娥四號”陰影區，又不能出現行走安全問題。“玉兔二號”有3個選擇：直行、左轉、右轉。實際任務中，須對測控遮擋、陰影情況和月面地形進行綜合判斷，并最終確定駛離策略。

第一階段決策：根據中繼星的位置信息，“玉兔二號”隨“嫦娥四號”的轉移機構下降到月面上時，可能存在“嫦娥四號”對“玉兔二號”的測控遮擋。進一步分析表明，“嫦娥四號”南向的地形信息顯示路徑左轉向和右轉向均存在障礙，直行路徑上無障礙。

因此，最后決策采用自主直行不避障的方式駛離。事實上為了確保萬無一失，我們為防止出現控制系統故障，“玉兔二號”要一直開向前方的大坑，但為避免進入大坑，需要在“玉兔二號”安全駛離“嫦娥四號”后，地面立即發送遙控指令刪除直行指令。

第二階段決策：2019年1月3日21時58分左右，轉移機構下降到月面，開始第二階段決策過程，考慮“嫦娥四號”不遮擋“玉兔二號”中繼鏈路，建議采用地面控制“玉兔二號”移動3000毫米的方式駛離轉移機構。22時11分，最終駛離方式確認，地面刪除了之前上注的自主直行走出陰影區的指令，采用地面控制方式駛離。

從上面的控制過程可以看出，控制方案雖然在任務前已制定完成，但在著陸月面后，須根據實際情況分階段地不斷進行調整，這也是月面遙操作的復雜之處。

A點成像

“玉兔二號”移動至月面到達X點后，馬上開始了X點定位計算和X點向A點（“玉兔二號”在“嫦娥四號”南側預定成像點）感知規劃。在這一節點上，必須確保X點對A點完成感知且數據下傳完成，并在下一次進站之前完成X點向A點移動規劃。

開始實施X點對A點感知時距離出站設置還有2小時，X點對A點成像結果下傳時距離出站設置還有30分鐘。大家都盯著屏幕上一幅幅傳來的圖像。30分鐘完成傳圖，時間上應該是夠的，但是已經基本沒有余量，如果傳圖期間發生任何一個意外，對整個工作計劃就會產生較大的影響。

時間一秒一秒地流逝，最后一幅圖像下傳完成之后，也到了該進行出站設置的時間，所有人的心都踏實了。突然，圖像分析人員報告圖像描述文件中成像機構角度信息查詢數據庫返回錯誤，無法自動生成圖像描述文件。這又是一個始料未及的突發狀況，若是圖像描述文件無法建立，后面就沒有辦法生成地形圖，會直接影響后續的路徑規劃工作。

經過分析，得知是備份節點上數據庫存在異常，此時如果等待數據庫恢復再自動生成描述文件顯然已經來不及。大家在虛驚一場后，迅速開始一行一行地手動編輯生成圖像描述文件，最終順利完成了圖像描述文件的編輯和校對工作，確保了進站前路徑規劃工作的完成。

由于時間緊迫，沒來得及把“嫦娥四號”的桅桿直立，“玉兔二號”的這張“歪脖”照多少留下了一些遺憾，而這是“嫦娥四號”最后一次機會拍攝“玉兔二號”順光正面照。

科普時間：月球車為什么要“午休”？

當太陽在月球上升到最高點前后，月午來臨時，月球表面氣溫達到最高，“玉兔二號”表面的溫度將超過100℃。此外，再加上真空和強輻射等極端環境，如果月球車在此時運行，可能會導致設備故障和車體受損。

“玉兔二號”在月午前會轉動車頭向西，并進入最小工作模式，只保留綜合電子分系統、電源分系統、測控分系統工作的基本要求，關閉其他所有設備，進入月午“避暑”。之后，地面若是發現車體溫度仍然很高，會豎起太陽翼進行“遮陽”降溫。

（摘自北京科學技術出版社《月背征途：中國探月國家隊記錄人類首次登陸月球背面全過程》??? 作者：北京航天飛行控制中心）

（圖注：嫦娥四號;飛控大廳內緊張工作的飛控團隊;“玉兔二號”頂部環拍地形圖;“嫦娥四號”動力下降過程拍攝的圖像;“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”。這是人類探測器在月球背面留下 的第一履足跡）