人类探测器首次在月球背面实现软着陆——说说通信中继与嫦娥4号月球背面着陆
新年伊始，备受关注的嫦娥四号月球探测器，承载着全人类的好奇心，从距离月球表面15公里处实施下降，她一边对着月球拍照，一边不断调整速度和姿态。用了11分钟，自主软着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内，这是人类探测器首次在月球背面实现软着陆，意味着月球那自古就不曾以真面目示人的背后的一面终于近距离呈现在全人类眼前。
其实，除了此次成功着陆的着陆器以及她搭载的巡视器，嫦娥四号系统里还有一个至关重要的角色——那就是2018年5月21日发射升空的人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星——“鹊桥”。可以说，没有它，这次对月球背面的探测无从谈起。为什么需要多了这么一个先行者呢？且听小墨慢慢道来。
神秘古老的“月之暗面”
熟悉地月知识的你可能听说过“潮汐锁定”这个词。它是什么意思呢？在地球和月球亿万年互通款曲的过程中，月球靠近地球的部分与远离地球的部分感受到的引力是不完全一样的，这种引力不平衡产生的“撕扯”将月球拉扯成一个不那么圆的形状，在月球自转和公转过程中，地球不平衡的引力会产生一个力矩。最终，在亿万年的“磨合”下，月球的自转周期与公转周期趋向于基本一致，所以月球便总以同一面目面向地球，而背面的80-90%从不曾进入人类的视野。
一直以来，月球朝向茫茫宇宙的神秘的另一面始终能激起人们无数的想象，在很多科幻小说家的笔下，月球背面被叫做“月之暗面”，它似乎是外星文明最好的隐蔽之处。人们幻想着，也许在那不为人知的一面，也有着古老悠远的文明痕迹和生生不息的“人类”。
上个世纪五十年代开始，随着人类逐步进入太空，逐渐想要将目光对准更深邃的太空，其中，也包括“月之暗面”。
1959年10月7日，苏联Luna3号探测器成功传回了人类历史上第一张月球背面图片，人类第一次一窥月球背面粗略的地质面貌；1962 年 4 月 26 日，美国“徘徊者 4 号”探测器成为首个在月球背面硬着陆的探测器，但并未传回任何数据；1968年12月，执行阿波罗8号任务的三名宇航员第一次用肉眼观测到月球背面的样子；2010年 12 月 21 日，NASA 的“月球勘测轨道器”拍摄到了一组细节精度前所未有的月球背面照片。
长达半个世纪的冒险历程，足以展示人们对月之暗面的渴望。可是为什么迄今为止还没有宇航员或月球车登上月球的背面，对月球背面进行直接的勘探、观测和研究呢？
除了月球背面的复杂地形地貌、特殊的环境对登月和巡月提出巨大考验之外，最重要的问题在于通信信号传输。
月球背面的通信
我们可以先看看不久之前美国火星探测器“洞察”号面临的情况。
将近两个月前，美国国家航空航天局（NASA）的火星探测器“洞察”号经过6个月的太空旅程，航行4.84亿公里，终于成功着陆于火星赤道以北的艾利希平原。要知道人类几十年里虽然已经发射了40多个火星探测器，但成功率只有一半，其中的主要原因就是火星距离地球非常遥远，最近的距离也有5000万公里。2018年适合探测火星就是因为距离火星比较近，大约只有5760万公里，此时通信延迟也有将近4分钟。
可以说宇宙探索就是空间与时间的艺术，无论是月球还是火星探测，遥远的距离导致探测器需要飞行很长时间，通信的延迟非常大，这就对探测器的发射入轨精度、自主控制、能源等技术提出了苛刻的要求。对于火星，如果入轨精度低，在地火转移轨道每秒1米的速度差就会导致抵达火星时位置误差超过10万公里。而通信延迟4分钟意味着如果探测器遇到一个问题，我们收到信号已经至少是4分钟以后，就算立即做出反应，探测器再收到也是8分钟以后的事了，考虑到探测器的速度极快，这种情况下，远程控制是不现实的，探测器必须具有很强的自主控制能力。嫦娥4号遇到问题稍好一些，但是单程的通信延迟至少也有12.7s，问题同样严重。
比通信延迟更让工程师发疯的问题是遮挡。由于探测器在月球背面无法直接实现与地球的测控通信和数据传输，所以，别说探测了，连精准着陆过程中必须的测控通信都成问题。NASA的洞察号着陆火星，在关键的的着陆阶段，同样由于遮挡，探测器没法和地球之间通信，所以在洞察号发射的同时，火箭还携带了两个立方星，名字分别叫做“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva），它们互为备份，提供中继通信服务。
○“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva）
这两个立方星真的很小，尺寸只有30*20*10cm，看上去和一个卫星模型差不多。从洞察号到立方星使用的是通信频率是UHF，这个频段其实就是我们常使用的对讲机频率。从立方星到地球使用X频段，7-8kHz，通信速率8kbps。这个数据速率非常低，传输一张你的手机照片大概要10分钟时间。
嫦娥四号遇到的情况和洞察号非常类似，不过情况要更加苛刻。因为毕竟洞察号主要是在着陆阶段需要通信中继服务，而嫦娥四号要到月球背面着陆并长期工作，月球由于被地球潮汐锁定，背面对地球不可见，所以通信信号始终是被遮挡的，完全无法和地球直接通信。
其实，早在阿波罗载人登月计划中，美国曾经考虑过在月球背面进行着陆，为此，NASA考虑过用中继卫星帮助通信的方案，但后来由于难度太大，经费不足而放弃。那么，将中继卫星安放在哪里呢？科学家想到了拉格朗日点。
说起拉格朗日点，还和近几年家喻户晓的科幻小说《三体》有点关系。如果你在书里面看过三体人动荡不安的生活，一定对三体问题的复杂和难解记忆犹新。是的，一般意义上的三体问题是没有解析解的，但是对于所谓的限制性三体问题，也就是其中两个天体质量很大，另一个质量和体积与两个大天体相比能够忽略不计时，这个问题可以解。小物体在两个大物体的作用下，在某些点将保持相对静止，所以这个点被称为平动点。大数学家欧拉最先在1767年找到了其中的三个解。1772年，拉格朗日又写了一篇文章，名字就叫做《论三体问题》，给出了剩余的两个解。于是这五个特殊的平动点从此也被称为拉格朗日点。
○拉格朗日点。
对于地月系统，L1点很适合建立空间站，作为地月往返运输的交通枢纽。L2点在地月延长线上月球一侧，如果在这里部署一颗通信中继卫星，那么显然这颗卫星将相对地球和月球静止，维持轨道位置所需的燃料极少，可以长期工作；同时由于没有天体遮挡，所以日照条件完美，可以保证天阳能电池持续工作。当然，把卫星稳定在L2点也不行，因为对地球的通信将被月球遮挡，但如果将一颗卫星打到月球远端的L2点附近，我们可以通过轨道控制，很容易地令卫星围绕L2点旋转。
遗憾的是，当时因为成本等种种原因，这种背面着陆的登月方案没有能够付诸实施。而如今的嫦娥四号，计划将中继卫星方案变成现实。
在嫦娥四号的完整计划里，中国的科学家和工程师们首先于2018年5月21日发射了一颗名叫鹊桥的通信中继卫星。为了保证嫦娥四号任务的完成，鹊桥经过多次变轨后，它进入环绕地月拉格朗日L2点的晕轮轨道，该轨道距离L2点上空大约1.2万km。拉格朗日点是地球和月亮的引力平衡点，在那里由于引力平衡，所以航天器可以长期稳定运行，保持和地球及月亮的相对关系不变，这样就可以稳定的提供通信中继服务。
○中继星
今天嫦娥4号成功软着陆月球背面，为了保证能源，特意选择在月昼。过几天进入月夜，着陆器望向天空，虽然看不到地球，但可以看到鹊桥就如灯塔一般挂在暗黑色的星空之上。
大块头的“鹊桥”
那么我们会产生一个新的问题，为什么不像NASA那样只用一个很小的立方星，而是要专门提前发射一个巨大的鹊桥通信中继星呢？原因除了上面已经提到的，洞察号的通信中继服务主要针对关键的入轨、下降和着陆阶段，而鹊桥至少需要工作一年以上，以保障嫦娥4号着陆器达到6个月的设计寿命。另一个原因是虽然火星距离遥远，但美国有一个全世界最强大的深空通信网，也就是Deep SapceNeework (DSN)。DSN就是NASA探测宇宙的眼睛，在地球上间隔120度部署了3座规模巨大的测控天线，一个位于加州Mojave沙漠的Goldstone，另一个位于西班牙马德里附近，还有一个位于澳大利亚堪培拉。
○Deep SapceNeework(DSN)
谈到通信，就一定是收发两部分，发射能力强一些，则接受能力就可以弱一些，反之亦然。具体工程上如何取舍，则要看工程实现的难易程度，通常因为航天器的天线很难做的很大，所以就需要把地面的天线尽量做大一些。
因此，虽然NASA运行在火星轨道的立方星很小，能力很弱，但是地球上的DSN通信天线口径达到了70m，这是一个相当惊人的数字，要知道国际足联标准足球场的宽度也不过68m。70m口径的天线可以把信号放大10 000 000倍。
○DSN在美国加州Goldstone的70m通信天线
但是中国并没有如此强大的深空通信天线。为了开展深空探测，我国在中国东部、西部和南美洲设计了3额深空测控站，佳木斯林海深空测控站有一副66m天线，喀什有一副35m天线，但是这比DSN要弱一些，不过已经能够满足4亿公里火星探测的基本要求。
○佳木斯林海深空测控站 | 来源：中国军网
○佳木斯林海深空测控站 | 来源：科普中国
和NASA的洞察号中继通信任务另一个不同点是，嫦娥4号需要更高的通信速率，以便传输着陆器和巡视器的各种科学试验数据，而不只是传输关键段的测控数据。鹊桥和着陆器的最高通信速率可以达到560kbps，这是洞察号通信中继速率的70倍。因此，为了弥补地面系统的不足和达到更高的通信速率，就需要把鹊桥的通信天线尽量做大一些，达到了直径4.2m，这是人类深空探测器史上最大口径的通信天线。
“鹊桥”的工作速写
在这次嫦娥4号月球背面着陆过程中，信号先从着陆器发射到鹊桥中继星上，然后再传回佳木斯林海深空测控站，之后再通过地面光纤或者其它通信链路传输到北京指控中心。
○嫦娥三号和四号动力下降过程对比（图源：李飞等）
在嫦娥4号下降过程中，会把中等增益天线逐步指向鹊桥中继星，这样就可以回传降落相机拍摄的照片，但是由于通信速率不够，所以只能传输抽帧后的数据。
着陆后，着陆器上的定向天线就可以展开，对准鹊桥，那时候通信速率就大多了，这时候地面就可以收到全景相机拍摄的照片，然后由早就期盼已久的团队立即处理，得到今天广为传播的人类第一张近距离月球背面照片。
○近距离月球背面照片
当巡视器分离，登录月球表面之后，会直接和鹊桥通信，从而与地球指控中心建立链路。
○嫦娥四号巡视器 | 来源：航天面面观
在嫦娥4号月球背面着陆过程中，新华社记者在北京航天指挥控制中心拍到一张合影，叶培建院士与嫦娥4号探测器项目负责人张熇在一起庆祝的合影。这让我们想起鹊桥中极星2018年7月14日在地月拉格朗日L2点附近给地球和月亮拍摄的一张合影。
○两代“嫦娥人”庆祝嫦娥4号软着陆成功 | 来源：新华社
○鹊桥拍摄的地月合影
人类最害怕的就是孤独，但我们人类却有非常可能是这个宇宙中最孤独的存在，所以合影总是更动人。我们到月球背面去，不是人类知道那里有什么，而恰恰是因为我们对那里所知甚少，这就是探索的意义。
展望未来，中国深空探测还将继续前进，月球背面是人类首创，但并不是结束。鹊桥可以长期为月球探测服务，而中国航天的目标更远大。
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原文标题：千里相思寄鹊桥 ——说说通信中继与嫦娥4号月球背面着陆
文章出处：【微信号：bdtdsj，微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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