进入使命轨道的“鹊桥”月球中继卫星

2018年5月21日，我国用长征－4C火箭成功从西昌卫星发射中心将“鹊桥”（Magpie Bridge)月球中继卫星送入太空，该卫星于6月14日进入了地月拉格朗日2点（L2点）的晕轨道，这是世界上第一个进入到该轨道的月球中继卫星。那么，“鹊桥”月球中继卫星有何用途？它为什么要运行在地月L2点晕轨道？简单地说，它将为2018年年底我国发射的首个在月球背面着陆的嫦娥－4落月探测器提供信息传输。

1 为何青睐月球背面

发射“鹊桥”月球中继卫星并进入地月L2点晕轨道运行，对嫦娥－4落到月球背面进行探测具有重要作用。

目前，全球已进行过130多次探月活动，但是从来没有一个探测器在月球背面进行软着陆，其原因与月球的特性有关。

大量绕月探测器所获信息表明，月球背面与正面存在很大差异。从整体上讲，月球表面可分为月海和月陆两大地理单元。月海主要是玄武岩，月陆主要是斜长岩。月球上共有22个月海，其中19个分布在月球的正面，月球背面只有东海、莫斯科海和智海3个月海。月球上颜色较浅的部分类似地球上的陆地，称为月陆，月陆比月海更古老，保留着更为原始的状态。月球背面颜色较亮，月陆居多，撞击坑分布密度也比正面高，地形更崎岖。其斜长岩高地可能形成于月球岩浆洋的分异结晶，这是月球形成的两大学说之一。对其开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位综合探测，有望获得月球最古老月壳的物质组成、斜长岩高地的月壤厚度等重要成果。

月海大多在月球的正面

因为月球背面具有不同于月球正面的地质构造，多“山”多“谷”，所以对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。地球上经历了多次沧海桑田，早期地质历史的痕迹早已消失殆尽，只能寄希望于从月球上仍保存完好的地质记录中挖掘地球的早期历史。因此，对月球背面开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位与巡视综合探测，可促进对月球早期演化历史的新认知，对研究地球的早期历史也有重要价值。

月球背面有更多的陨石坑

另外，由于被地球潮汐锁定、月球的自转与公转周期相同和天平动的作用等原因，在地球上永远看不到月球的背面，只能观测到约59%的月面，也就是说，月球背面41%的地方始终受月球阻挡。所以对天文学研究而言，月球背面是一片难得的宁静之地。接收遥远天体发出的射电辐射是研究天体的重要手段，称为射电观测。由于遥远天体的距离遥远，电磁信号十分微弱，而在地球上，日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生明显干扰，因此天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区，监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号，所以在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号，研究恒星起源和星云演化，有望取得重大天文学成果。

被潮汐锁定的月球

由于受到地球电离层的干扰，在地球上难以开展频率低于10MHz的射电天文观测，而在地球轨道甚至月球正面开展的空间射电天文观测也会受到地球电离层反射和人工无线电的干扰。而月球背面能屏蔽人类活动产生的无线电干扰以及闪电、极光带来的无线电发射，因此被认为是开展低频射电天文观测的绝佳地点。利用月球背面独特的无线电环境，开展低频射电天文观测，可填补100kHz～10MHz频段的空白，有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果，为未来对宇宙“黑暗时代”和“黎明时期”的探索打下基础。

2 这个轨道为什么晕

众所周知，世上很多事情都是“双刃剑”，既有利又有弊，探测月球背面也是如此。正是由于在地球上永远看不到月球的背面，而在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信，所以对月球背面进行落月探测是很困难的，这也正是至今世界上还没有一个国家把落月探测器发射到月球背面软着陆的重要原因。

目前，最好的方案就是先发射一颗月球中继卫星到地月L2点晕轨道上，在该轨道上运行的月球中继卫星可以同时“看到”地球和月球背面，从而能为地球站与在月球背面着陆的探测器之间搭建一座用于通信联系的“桥梁”。而且由于地球和月球引力平衡的作用，所以月球中继卫星在该轨道上运行比较稳定。

为此，我国在2018年年底发射嫦娥－4落月探测器之前，先于2018年5月21日用长征－4C火箭从西昌先发射了“鹊桥”月球中继卫星，把它送入地月L2点晕轨道上。地月L2点是在地月球心连线上靠近月球的一侧，距月球约65000～80000km（由于地月距离是变化的，因此地月L2点与月球的距离也是变化的，最大距离不大于80000km）。需要强调的是，“鹊桥”不能在地月L2点上运行，而是在绕地月L2点晕轨道上运行，否则会被月球挡住，无法与地球联系。

5个地月引力平衡点L点

在地月L2点晕轨道上的月球中继卫星与地球、月球的相对位置关系

地月L2点晕轨道是绕地月L2点运行的一种轨道，形状为三维非规则曲线，周期14天，Z轴振幅高达13000km，轨道控制非常复杂，所以叫晕轨道。“鹊桥”在该轨道上运行，可解决月球背面“看不见、摸不着、无法通信”的问题，为此，后发射的嫦娥－4与地球站之间提供通信链路。这样，就可以在地球上对落在月球背面的嫦娥－4进行遥测、遥控，嫦娥－4所获得的科学数据也能用“鹊桥”传回地球。

另外，地月L2点晕轨道实际上是一个“躲”在月球远端，随着月球一起运行的绕地轨道。在这个轨道上运行的“鹊桥”可以和地月保持相对稳定的静止状态，因而能节省卫星燃料，延长寿命。“鹊桥”一年只需消耗2kg燃料，并且比运行在其他轨道都要省许多测控方面的事。

飞往地月L2平动点晕轨道

打造完毕的“鹊桥”

从地球到达L2点常用2种方案：①直接转移，即从地球直接经过地月转移轨道飞到L2点附近，这种方案比较简单，但费燃料。②月球绕掠，即先飞经月球，以借助月球引力“拐个弯”，再飞到L2点，这种方案省燃料，但时间长。“鹊桥”采用第2种方案。

3 中继卫星别开生面

地球中继卫星一般运行在地球静止轨道上，因而有较大的覆盖范围。它用于转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号，并对中、低轨道航天器发回地面的数据、图像和话音等进行实时、连续的中继传输等。地球中继卫星问世后大大减少了地面测控站或测量船的数量，尤其是可弥补在国外难以建立测控站的缺陷，现在已有多颗这种卫星在地球轨道上运行。

我国曾发射过4颗“天链”地球中继卫星。不过，我国2018年发射的“鹊桥”是月球中继卫星，它与“天链”有明显不同，例如：“天链”有广泛的通用性，而“鹊桥”是为嫦娥－4执行月球背面探测任务而专门定制的；“天链”采用透明式转发器，它对所转发的数据不进行处理，也叫弯管式转发器；而“鹊桥”采用再生式转发器，它先对数据进行解码、去格式、复接、编码等处理，然后再发送。

“鹊桥”是基于CAST－100卫星平台研制的，质量为448kg。其本体为长方体构型，横向尺寸为1.4m×1.4m，高为850mm，加上天线总高3m多，寿命大于3年，是一个长方体加太阳电池翼和天线的简单结构。它采用板式结构形式，可由锂电池和太阳电池翼供电；采用“星敏感器+光纤陀螺”定姿方式及整星零动量控制方式，从而实现对地、对月、对日的三轴稳定控制；采用单组元推进系统，配置了12台5N发动机和4台20N发动机，携带约100kg无水肼推进剂，可提供超过500m/s速度增量的轨道机动能力。

“鹊桥”还采用了一些新技术，例如，“鹊桥”装备了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元，从而摆脱了之前航天器姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚，大大提升了其轨道控制能力。在“鹊桥”1000m/s高速在轨飞行过程中，其速度控制精度误差不大于0.02m/s，这种超强的自主控制能力，让地面实施轨道控制周期在7天左右，为“鹊桥”长期稳定运行奠定了基础。

另外，“鹊桥”采用了多安全备份遥测遥控指令设计，即为“鹊桥”备好了多部“手机”，地面工作人员可同时给这几部“手机”打电话，发出相同的遥测指令，这可有效规避“因距离远或其他未知因素”造成的信号中断、信息传送不准确等问题。

“鹊桥”还采用了S频段数字化深空应答机，这是我国首台数字化深空应答机，具有对错误数据自我修正的功能，其灵敏度、信号捕获能力等性能更为强大。

4 史上最大的伞状天线

由于嫦娥－4落月探测器体积较小，所以配备的天线也不大，通信信号较弱。为此，“鹊桥”的通信分系统装有大型伞状高增益天线和螺旋状中增益天线，设置了多种不同码速率。它们具备自适应数字调节能力，从而能克服嫦娥－4信号微弱、不稳定等带来的信号捕捉困难。

“鹊桥”的最大特征就是采用了4.2m口径的高增益伞状抛物面天线（星载天线金属网），这是人类深空探测任务史上最大口径的通信天线。该天线采用整星零动量控制方式，可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制，为着陆器、巡视器与地面站之间的测控和数据传输提供了有力支撑。

“鹊桥”在地、月、星之间建立了3条链路：对月前向链路、对月返向链路和对地数传链路，这3条链路可以实现“鹊桥”与后续发射的嫦娥－4探测器的双向通信，以及其与地面的通信。

面向嫦娥－4，大型伞状天线前向链路采用X频段统一载波体制，返向链路采用X频段二进制相移键控（BPSK）抑制载波体制。“鹊桥”对嫦娥－4着陆器的最高通信速率为560kbit/s，对嫦娥－4巡视器的最高通信速率为280kbit/s。

面向地面站，“鹊桥”用S频段螺旋状中增益天线，码速率最大为2000kbit/s。在分时工作模式下，可改用伞状天线来实现X频段对地数据传输，码速率可达10000kbit/s。

采用伞状抛物面天线的“鹊桥”

“鹊桥”的通信链路

除了具有中继地月信号的功能以外，在“鹊桥”上还装载了荷兰的低频射电探测仪。它能与位于地球上荷兰境内的低频天文阵列等地面天文观测设施联合，首次开展430000～460000km基线的地月空间甚长基线干涉测量（VLBI）实验。它还将与嫦娥－4着陆器上我国研制的低频射电频谱仪之间形成干涉测量，有望对来自宇宙黑暗时期和黎明时期的21cm氢谱线辐射进行探测，研究在宇宙大爆炸后的几千万年到一两亿年间，宇宙如何摆脱黑暗，点亮了第一颗恒星。

激光角反射镜工作原理图

另外，“鹊桥”还携带了一个1.6kg、170mm大孔径激光角反射镜，由中山大学研制。它能配合地面0.5m激光发射望远镜和1m激光接收望远镜，进行精度优于15mm的单程测距。这是人类历史上最远距离的纯反射式激光测距试验，达460000km，可使人类激光测距的纪录再增加约80000km，并承担“天琴计划”的先导性研究工作。其原理是将高度同向性脉冲激光束射向放置在卫星表面的角反射镜，通过发送、接收时间差计算出星地距离。目前掌握这项技术的国家不多，因为在400000km以外找到并瞄准小小的激光反射镜，难如大海捞针。

地面给“鹊桥”的指令是从佳木斯林海深空测控站发送的，包括第一次中途修正指令和近月制动指令上注工作。林海是我国第一个深空测控站，天线口径有66m，这也是亚洲口径最大、接收灵敏度最高、连续波发射功率最强和作用距离最远的天线，曾用于执行嫦娥－3任务等。