我國“嫦娥四號”月球探測器在月球背面軟著陸，但由于潮汐鎖定，月球總是保持背對地球，而且潮汐鎖定還使得無線信號無法穿過月球到達地球。“嫦娥四號”探測器是如何與地球溝通的呢?答案是中繼通信衛(wèi)星“鵲橋”。描述相關成果的《中國月球中繼通訊衛(wèi)星的發(fā)展和展望》日前發(fā)表在期刊《空間科學與技術》(Space: Science & Technology)上。

期刊《空間科學與技術》(Space: Science & Technology)是北京理工大學(BIT)、中國空間技術研究院(CAST)和美國科學促進會(AAAS)/ Science共同打造的綜合性高水平國際化英文科技期刊，也是美國科學促進會(AAAS)自1880年創(chuàng)建Science期刊以來的第一本航天領域的伙伴期刊。

《中國月球中繼通訊衛(wèi)星的發(fā)展和展望》一文的作者是航天科技集團五院中國東方紅衛(wèi)星股份有限公司“鵲橋”項目經(jīng)理兼總工程師張立華。該文表示，“嫦娥四號”月球探測器標志著航天器首次在月球背面軟著陸，經(jīng)由“鵲橋”中繼通信衛(wèi)星與地面站建立通信。“鵲橋”圍繞月球背面的地月L2點做周期運動，實現(xiàn)地球和“嫦娥四號”的溝通。在綜述文章中，“鵲橋”中繼星的總設計師張立華解釋了他的構想，描繪了月球中繼通信系統(tǒng)的未來。

由于潮汐鎖定，月球總是保持背對地球。20世紀的首輪登月任務已經(jīng)驗證：在地球地面站和登月設備之間需要實現(xiàn)直線視距無線傳輸，以保證不間斷的無線電通訊。然而，潮汐鎖定令信號無法穿過月球到達地球，故而使得月球背面的探索任務極具挑戰(zhàn)性。

視距無線傳輸是指發(fā)射天線和接收天線在“能互相看見對方”的距離之間傳輸信號。

“嫦娥四號”月球探測器于2019年1月首次實現(xiàn)了航天器在月球背面軟著陸。著陸器和月球車在這塊從未開發(fā)過的區(qū)域采集圖像和數(shù)據(jù)，并將結果傳回地球。正如張立華在發(fā)表論文的綜述中說的，“鵲橋”是一顆前所未有的衛(wèi)星，它的設計只為滿足一個目的——充當“嫦娥四號”探測器和地球之間的溝通橋梁。“鵲橋”于2018年發(fā)射升空，進入月球背面的地月L2平動點的Halo軌道。此處的重力平衡具有特殊性，可以允許“鵲橋”處于特定位置，保持與月球背面、地球幾乎恒定的直線視距無線傳輸。將衛(wèi)星送入此特殊軌道需要精心規(guī)劃、仔細維護。而本次任務的成功也為今后將衛(wèi)星送入其他地月平動點特定軌道開創(chuàng)了先例。

“鵲橋”衛(wèi)星的空間位置固定，能指導“嫦娥四號”探測器的軟著陸和月表操作，擔任地球和“嫦娥四號”探測器的溝通媒介。“鵲橋”配備了兩種特殊的天線：一個傘形天線和多個螺旋天線。傘形天線的直徑為4.2米，在X波段(7-8GHz)完成針對著陸器和月球車的信號收發(fā)。其尺寸較大的原因與預計噪聲水平、地面設備的傳輸強度低有關。

螺旋天線在S波段(2-4 GHz)與地面站通信，對月表設備進行跟蹤、遙測和遙控。所有不同鏈路均可同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，因此“鵲橋”能同時執(zhí)行多項任務。該綜述也涉及“鵲橋”及未來中繼衛(wèi)星的設計考量，如再生傳輸模式、多鏈路數(shù)據(jù)速率，以及在無地面站接受情況下啟用的星上數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

在過去兩年多的服役時間中，“鵲橋”已經(jīng)協(xié)助完成了月球車和著陸器的大量的數(shù)據(jù)收發(fā)。張立華表示：中國和其他國家的科學家都根據(jù)這些數(shù)據(jù)開展了分析和研究，取得了有價值的科學成果。“鵲橋”運行壽命越長，所能取得的科學成果就越多。目前預計“鵲橋”通信衛(wèi)星可在任務軌道內(nèi)服役五年以上。

張立華展望了月球探測任務的前景。針對未來的探月任務，他也指明中繼星通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。月球上仍有許多未被探索的區(qū)域，比如處于月球南極的隕石坑。該區(qū)域可經(jīng)由多個中繼衛(wèi)星保持通信穩(wěn)定，不過此法花費高昂、耗時巨大。對此，張立華認為，應建立可持續(xù)的通信系統(tǒng)，使中繼通信衛(wèi)星服務于所有探月任務。該系統(tǒng)應該采用開放可延展的結構，保證服務靈活，實現(xiàn)互通操作、交叉支持和兼容通信。這項規(guī)劃對未來的探月任務至關重要，而國際合作也有助于未來中繼通信系統(tǒng)的開發(fā)。(記者 李禾)

標簽： 嫦娥四號 探測器 月球背面 與地球溝通