進(jìn)入使命軌道的“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星

2018年5月21日，我國用長征－4C火箭成功從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心將“鵲橋”（Magpie Bridge)月球中繼衛(wèi)星送入太空，該衛(wèi)星于6月14日進(jìn)入了地月拉格朗日2點(diǎn)（L2點(diǎn)）的暈軌道，這是世界上第一個進(jìn)入到該軌道的月球中繼衛(wèi)星。那么，“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星有何用途？它為什么要運(yùn)行在地月L2點(diǎn)暈軌道？簡單地說，它將為2018年年底我國發(fā)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(fā)射“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星并進(jìn)入地月L2點(diǎn)暈軌道運(yùn)行，對嫦娥－4落到月球背面進(jìn)行探測具有重要作用。

目前，全球已進(jìn)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(jìn)行軟著陸，其原因與月球的特性有關(guān)。

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(tài)。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(jié)晶，這是月球形成的兩大學(xué)說之一。對其開展形貌、物質(zhì)組成、月壤和月表淺層結(jié)構(gòu)的就位綜合探測，有望獲得月球最古老月殼的物質(zhì)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?yàn)樵虑虮趁婢哂胁煌谠虑蛘娴牡刭|(zhì)構(gòu)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(jīng)歷了多次滄海桑田，早期地質(zhì)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(zhì)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(zhì)組成、月壤和月表淺層結(jié)構(gòu)的就位與巡視綜合探測，可促進(jìn)對月球早期演化歷史的新認(rèn)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(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期相同和天平動的作用等原因，在地球上永遠(yuǎn)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(xué)研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)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(yuǎn)天體的距離遙遠(yuǎn)，電磁信號十分微弱，而在地球上，日常生產(chǎn)生活的電磁環(huán)境會對射電天文觀測產(chǎn)生明顯干擾，因此天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧靜的地區(qū)，監(jiān)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(jiān)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(xué)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(chǎn)生的無線電干擾以及閃電、極光帶來的無線電發(fā)射，因此被認(rèn)為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點(diǎn)。利用月球背面獨(dú)特的無線電環(huán)境，開展低頻射電天文觀測，可填補(bǔ)100kHz～10MHz頻段的空白，有望在太陽風(fēng)激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)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(chǔ)。

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(yuǎn)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(jìn)行無線電通信，所以對月球背面進(jìn)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(fā)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(fā)射一顆月球中繼衛(wèi)星到地月L2點(diǎn)暈軌道上，在該軌道上運(yùn)行的月球中繼衛(wèi)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(lián)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(wèi)星在該軌道上運(yùn)行比較穩(wěn)定。

為此，我國在2018年年底發(fā)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(fā)射了“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星，把它送入地月L2點(diǎn)暈軌道上。地月L2點(diǎn)是在地月球心連線上靠近月球的一側(cè)，距月球約65000～80000km（由于地月距離是變化的，因此地月L2點(diǎn)與月球的距離也是變化的，最大距離不大于80000km）。需要強(qiáng)調(diào)的是，“鵲橋”不能在地月L2點(diǎn)上運(yùn)行，而是在繞地月L2點(diǎn)暈軌道上運(yùn)行，否則會被月球擋住，無法與地球聯(lián)系。

5個地月引力平衡點(diǎn)L點(diǎn)

在地月L2點(diǎn)暈軌道上的月球中繼衛(wèi)星與地球、月球的相對位置關(guān)系

地月L2點(diǎn)暈軌道是繞地月L2點(diǎn)運(yùn)行的一種軌道，形狀為三維非規(guī)則曲線，周期14天，Z軸振幅高達(dá)13000km，軌道控制非常復(fù)雜，所以叫暈軌道?！谤o橋”在該軌道上運(yùn)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(fā)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(jìn)行遙測、遙控，嫦娥－4所獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)也能用“鵲橋”傳回地球。

另外，地月L2點(diǎn)暈軌道實(shí)際上是一個“躲”在月球遠(yuǎn)端，隨著月球一起運(yùn)行的繞地軌道。在這個軌道上運(yùn)行的“鵲橋”可以和地月保持相對穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)，因而能節(jié)省衛(wèi)星燃料，延長壽命。“鵲橋”一年只需消耗2kg燃料，并且比運(yùn)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(diǎn)暈軌道

打造完畢的“鵲橋”

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

3 中繼衛(wèi)星別開生面

地球中繼衛(wèi)星一般運(yùn)行在地球靜止軌道上，因而有較大的覆蓋范圍。它用于轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)回地面的數(shù)據(jù)、圖像和話音等進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)的中繼傳輸?shù)取５厍蛑欣^衛(wèi)星問世后大大減少了地面測控站或測量船的數(shù)量，尤其是可彌補(bǔ)在國外難以建立測控站的缺陷，現(xiàn)在已有多顆這種衛(wèi)星在地球軌道上運(yùn)行。

我國曾發(fā)射過4顆“天鏈”地球中繼衛(wèi)星。不過，我國2018年發(fā)射的“鵲橋”是月球中繼衛(wèi)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(zhí)行月球背面探測任務(wù)而專門定制的；“天鏈”采用透明式轉(zhuǎn)發(fā)器，它對所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理，也叫彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器；而“鵲橋”采用再生式轉(zhuǎn)發(fā)器，它先對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、去格式、復(fù)接、編碼等處理，然后再發(fā)送。

“鵲橋”是基于CAST－100衛(wèi)星平臺研制的，質(zhì)量為448kg。其本體為長方體構(gòu)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(jié)構(gòu)。它采用板式結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對地、對月、對日的三軸穩(wěn)定控制；采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，配置了12臺5N發(fā)動機(jī)和4臺20N發(fā)動機(jī)，攜帶約100kg無水肼推進(jìn)劑，可提供超過500m/s速度增量的軌道機(jī)動能力。

“鵲橋”還采用了一些新技術(shù)，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(yùn)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(tài)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(qiáng)的自主控制能力，讓地面實(shí)施軌道控制周期在7天左右，為“鵲橋”長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

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

“鵲橋”還采用了S頻段數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)，這是我國首臺數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)，具有對錯誤數(shù)據(jù)自我修正的功能，其靈敏度、信號捕獲能力等性能更為強(qiáng)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(tǒng)裝有大型傘狀高增益天線和螺旋狀中增益天線，設(shè)置了多種不同碼速率。它們具備自適應(yīng)數(shù)字調(diào)節(jié)能力，從而能克服嫦娥－4信號微弱、不穩(wěn)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?zhèn)銧顠佄锩嫣炀€（星載天線金屬網(wǎng)），這是人類深空探測任務(wù)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(shí)現(xiàn)對地、對月、對日和對慣性空間任意目標(biāo)指向與跟蹤的三軸穩(wěn)定控制，為著陸器、巡視器與地面站之間的測控和數(shù)據(jù)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(shù)傳鏈路，這3條鏈路可以實(shí)現(xiàn)“鵲橋”與后續(xù)發(fā)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(tǒng)一載波體制，返向鏈路采用X頻段二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）抑制載波體制?！谤o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(shí)現(xiàn)X頻段對地數(shù)據(jù)傳輸，碼速率可達(dá)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(nèi)的低頻天文陣列等地面天文觀測設(shè)施聯(lián)合，首次開展430000～460000km基線的地月空間甚長基線干涉測量（VLBI）實(shí)驗(yàn)。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(jìn)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(diǎn)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(xué)研制。它能配合地面0.5m激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和1m激光接收望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行精度優(yōu)于15mm的單程測距。這是人類歷史上最遠(yuǎn)距離的純反射式激光測距試驗(yàn)，達(dá)460000km，可使人類激光測距的紀(jì)錄再增加約80000km，并承擔(dān)“天琴計劃”的先導(dǎo)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(wèi)星表面的角反射鏡，通過發(fā)送、接收時間差計算出星地距離。目前掌握這項(xiàng)技術(shù)的國家不多，因?yàn)樵?00000km以外找到并瞄準(zhǔn)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(fā)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(xù)波發(fā)射功率最強(qiáng)和作用距離最遠(yuǎn)的天線，曾用于執(zhí)行嫦娥－3任務(wù)等。