在天體運(yùn)行過程中，月球永遠(yuǎn)以同一面朝向地球，留給人類關(guān)于月球“背面”的無盡遐想。中國的嫦娥四號探測器將在人類歷史上首次登陸月球“背面”，揭開其神秘面紗
“嫦娥”未動，“鵲橋”先行。2018年5月21日，由中國航天科技集團(tuán)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(shù)據(jù)的橋梁。
神秘的月球“背面”
由于月球永遠(yuǎn)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(diǎn)和難點(diǎn)。然而，人類目前還沒有探測器到達(dá)過月球背面
眾所周知，宇宙中的天體都處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)，月球也不例外。然而，月球在自轉(zhuǎn)的同時，也在圍繞著地球公轉(zhuǎn)，這兩種運(yùn)動恰好達(dá)到了一種平衡——導(dǎo)致月球永遠(yuǎn)都僅有一面面向地球，而另一面則永遠(yuǎn)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(diǎn)和難點(diǎn)。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(shí)施。目前，人類還沒有探測器到達(dá)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(yùn)行到月球背面的著陸器和巡視器無法與地球之間進(jìn)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(guān)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(diǎn)，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(shè)，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(wǎng)絡(luò)的聯(lián)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(zhuǎn)發(fā)站，負(fù)責(zé)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?qū)崿F(xiàn)著陸器和巡視器與地面之間的通信。
“鵲橋”的運(yùn)行軌道
“鵲橋”的運(yùn)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(diǎn)
每一顆衛(wèi)星在宇宙中都有自己的運(yùn)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(yùn)行軌道設(shè)定要求較高。
“鵲橋”的運(yùn)行軌道為繞地月L2平動點(diǎn)的Halo軌道。這一運(yùn)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(diǎn)。
“地月L2平動點(diǎn)”，也稱作地月拉格朗日點(diǎn)，是指在地球和月球這一二體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的引力動平衡點(diǎn)。自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們將其運(yùn)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(guān)系。在僅有兩個天體的情況下，運(yùn)用牛頓理論可以很容易地得到天體的運(yùn)行軌道。然而，3個天體之間的作用力關(guān)系就非常復(fù)雜了，以至于難以求解，稱為“三體問題”。對此，瑞士科學(xué)家歐拉和法國科學(xué)家拉格朗日針對三體問題求解出了5個特殊解，即L1-L5點(diǎn)，也稱為“拉格朗日點(diǎn)”。由于它特殊的空間位置和動力學(xué)特性，拉格朗日點(diǎn)成為開展空間探測的最佳位置。很多科學(xué)衛(wèi)星都運(yùn)行在拉格朗日點(diǎn)附近的軌道上。其中，L2平動點(diǎn)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(diǎn)與月球的距離也是變化的，通過對使命軌道的設(shè)計，“鵲橋”與月球的距離不大于8萬公里，可實(shí)現(xiàn)對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。根據(jù)設(shè)計，“鵲橋”衛(wèi)星將在L2點(diǎn)做擬周期運(yùn)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(jù)他的構(gòu)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(wù)?；谶@一構(gòu)想，美國國家航空航天局（NASA）曾計劃在阿波羅17號任務(wù)中實(shí)施，但最終由于風(fēng)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(shí)現(xiàn)中繼通信
中繼通信分系統(tǒng)是“鵲橋”衛(wèi)星最核心的部分，它建立了3條鏈路，可以實(shí)現(xiàn)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(dāng)“鵲橋”順利飛達(dá)拉格朗日L2點(diǎn)后，有效載荷將全部開通，實(shí)現(xiàn)中繼服務(wù)。那么，“鵲橋”究竟如何履行“嫦娥先行官”的職責(zé)呢？
提供中繼服務(wù)是通過中繼通信分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這一系統(tǒng)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(shù)傳鏈路，這3條鏈路可以實(shí)現(xiàn)“鵲橋”與后續(xù)發(fā)射的嫦娥四號探測器的雙向通信，以及“鵲橋”與地面的雙向通信。據(jù)中國航天科技集團(tuán)五院西安分院“鵲橋”衛(wèi)星副總設(shè)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?yàn)槲覀儽仨氃谛巧腺Y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。”
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(diǎn)的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，嫦娥四號探測器和“鵲橋”之間有相對運(yùn)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，接球手需要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(lǐng)，隨時接住嫦娥四號探測器發(fā)出的信號。為練就這個本領(lǐng)，“鵲橋”衛(wèi)星的中繼通信分系統(tǒng)與嫦娥四號探測器在地面的聯(lián)試做了9次，設(shè)計師們通過不斷優(yōu)化方案，終于成功實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致其發(fā)射信號較弱。為了能夠保障中繼星和探測器的聯(lián)系，中繼通信分系統(tǒng)設(shè)置了多種不同的碼速率，具備了“自適應(yīng)數(shù)字調(diào)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(tuán)自主研發(fā)，其成功發(fā)射，標(biāo)志著我國率先掌握了地月中繼通信技術(shù)，這是我國在月球探測領(lǐng)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(wù)奠定關(guān)鍵性基礎(chǔ)，為嫦娥四號探月工程的圓滿完成提供有力保障。