衛(wèi)星矢量圖

嫦娥四號(hào)通過中繼衛(wèi)星“鵲橋”的通信支持，在月球背面進(jìn)行科考（假想圖）

地月系統(tǒng)拉格朗日點(diǎn)示意圖。其中，中心處圓為“地球”所在位置，右側(cè)較小圓為“月球”所在位置，L2為中繼衛(wèi)星“鵲橋”預(yù)定到達(dá)的位置。

近日，一顆即將于5月份發(fā)射的衛(wèi)星成了人們“刷屏”的明星，這不僅在于它有極具中國(guó)傳統(tǒng)文化特色的名字“鵲橋”，而且在于它將為計(jì)劃于今年底奔月的嫦娥四號(hào)提供衛(wèi)星“中繼服務(wù)”，是名副其實(shí)的“嫦娥先行官”。

嫦娥四號(hào)發(fā)射之前為什么要先架“鵲橋”呢?“鵲橋”所提供的中繼服務(wù)究竟是什么?“鵲橋”是中國(guó)第一顆中繼衛(wèi)星嗎?它發(fā)射后將在怎樣的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)?它將與嫦娥四號(hào)一起演繹怎樣的“奔月故事”……這些無疑都是人們關(guān)心的問題。

“鵲橋”將飛架在地月L2點(diǎn)

“鵲橋”是一顆“中繼衛(wèi)星”。該類衛(wèi)星屬于通信衛(wèi)星，被形象地稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，因?yàn)樗鼈兛蔀樾l(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳。

嫦娥四號(hào)登月探測(cè)器是嫦娥三號(hào)的備份星，計(jì)劃將登陸月球背對(duì)地球一面的南極附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐鎖定，它只能永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。這就意味著，在月球背面登陸的嫦娥四號(hào)與地球上的測(cè)控中心不僅相隔遙遠(yuǎn)的地月距離，而且還要隔著月球球體進(jìn)行通信聯(lián)系。但通信信號(hào)無法穿透月球抵達(dá)其背面，這就需要中繼衛(wèi)星的幫助來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成地面測(cè)控任務(wù)。這是“嫦娥”此次發(fā)射奔月之前先發(fā)射“鵲橋”衛(wèi)星的原因。

茫茫宇宙浩渺無垠，“鵲橋”發(fā)射升空后將架設(shè)在哪里才能充分發(fā)揮其提供中繼服務(wù)的作用呢?這就必須提到一個(gè)概念：拉格朗日點(diǎn)。根據(jù)天體力學(xué)，一個(gè)小物體在兩個(gè)大物體的引力作用下居于空間中的一點(diǎn)，在該點(diǎn)處，小物體相對(duì)于兩個(gè)大物體基本保持靜止。這些點(diǎn)的存在由瑞士數(shù)學(xué)家歐拉于1767年推算出前3個(gè)，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日于1772年推導(dǎo)證明剩下的兩個(gè)。1906年，首次發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)于木星軌道上的小行星在木星和太陽的作用下處于拉格朗日點(diǎn)上。在每個(gè)由兩大天體構(gòu)成的系統(tǒng)中，按推論有5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，但只有兩個(gè)是穩(wěn)定的，即小物體在該點(diǎn)處即使受外界引力的攝擾，仍然有保持在原來位置處的傾向。每個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)同兩大物體所在的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。

“鵲橋”發(fā)射后預(yù)定進(jìn)發(fā)的位置為“地月系統(tǒng)拉格朗日-2點(diǎn)”(簡(jiǎn)稱地月L2點(diǎn))，這個(gè)點(diǎn)位于地球和月球兩點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，在月球背對(duì)地球的一側(cè)。“鵲橋”架設(shè)在該點(diǎn)上既可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換，即完成“中繼”任務(wù)，又因?yàn)槭艿卦乱ψ饔闷胶舛３窒鄬?duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省衛(wèi)星燃料，有利于對(duì)其進(jìn)行軌道控制。

中國(guó)中繼衛(wèi)星已形成“家族”

中繼衛(wèi)星的主要功能是進(jìn)行天基測(cè)控和空天數(shù)據(jù)中繼，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)。相比于地基測(cè)控，天基測(cè)控的最大優(yōu)勢(shì)就是覆蓋率高，具有實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。該類衛(wèi)星作為在太空中運(yùn)行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，扮演著“太空偵查員”“通信接線員”“太空導(dǎo)航員”的角色，對(duì)中、低軌道衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳，為太空運(yùn)行的航天器提供預(yù)警預(yù)報(bào)、導(dǎo)航定位，使太空航行準(zhǔn)確安全。作為航天大國(guó)，中國(guó)對(duì)中繼衛(wèi)星的需求無疑是強(qiáng)烈的，這也驅(qū)動(dòng)了中國(guó)中繼衛(wèi)星的研制、發(fā)射和組網(wǎng)運(yùn)行。

2003年，中國(guó)立項(xiàng)并啟動(dòng)了天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程。2008年4月25日，該系統(tǒng)01星成功發(fā)射，當(dāng)年就參與并圓滿完成了“神舟七號(hào)”數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。作為中國(guó)第一顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，天鏈一號(hào)01星采用成熟的東方紅三號(hào)通用平臺(tái)并突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著中國(guó)航天測(cè)控覆蓋率提升到新水平，使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等應(yīng)用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳、及時(shí)應(yīng)用，效能倍增。2011年、2012年相繼成功發(fā)射天鏈一號(hào)02、03星，它們同時(shí)運(yùn)行并與地面應(yīng)用系統(tǒng)、中繼終端等組成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，中國(guó)由此成為世界第二個(gè)擁有對(duì)中、低軌道航天器全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。在中國(guó)重大航天任務(wù)實(shí)施過程中，比如神十一飛船和天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)中，天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為航天員與地面“天地通話”“天地雙向視頻通話”和航天員與地面同步收看電視新聞立下了汗馬功勞。2016年11月，天鏈一號(hào)04星成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)中國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

對(duì)中國(guó)中繼衛(wèi)星的發(fā)展，航天科技集團(tuán)五院院長(zhǎng)張洪太評(píng)價(jià)說，中國(guó)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)走出了一條符合國(guó)情、技術(shù)上自主創(chuàng)新的道路。比如，突破了星上自主閉環(huán)精密捕獲跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，解決了高速運(yùn)動(dòng)航天器之間跟蹤與高速數(shù)據(jù)中繼問題;建立了星——星、星——地技術(shù)體制和全程鏈路指標(biāo)體系。

“鵲橋”是中國(guó)中繼衛(wèi)星家族中新的成員，與天鏈一號(hào)系列中繼衛(wèi)星相比，雖然用途和技術(shù)途徑相似，但無疑面臨的任務(wù)更艱巨，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)更大。中國(guó)航天人已然成竹在胸，航天科技集團(tuán)五院黨委書記趙小津表示，“鵲橋”研制團(tuán)隊(duì)攻克了地月拉格朗日2點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)與控制、遠(yuǎn)距離中繼通信等關(guān)鍵技術(shù)，其各項(xiàng)性能和指標(biāo)完全符合任務(wù)需求。

嫦娥三號(hào)曾經(jīng)到此一游

實(shí)現(xiàn)探測(cè)器首次登陸月球背面無疑是人類航天史上的一項(xiàng)壯舉，對(duì)嫦娥四號(hào)的表現(xiàn)人們充滿期待。從“嫦娥”既往堪稱驚艷的奔月紀(jì)錄來看，人們也有充分的理由對(duì)計(jì)劃于年底出征的嫦娥四號(hào)抱有十足的信心。如果說有什么不確定性的話，在很大程度上來自于為嫦娥四號(hào)保駕護(hù)航的中繼衛(wèi)星“鵲橋”。實(shí)際上，“鵲橋”成功于預(yù)定位置搭建好并達(dá)到預(yù)期表現(xiàn)是嫦娥四號(hào)發(fā)射奔月的基本條件和前提，用航天科技集團(tuán)科技委主任包為民的話說就是“如果‘鵲橋’工作正常，中國(guó)將在下半年發(fā)射嫦娥四號(hào)探測(cè)器”。

“鵲橋”作為預(yù)期定點(diǎn)于地月L2點(diǎn)的中繼衛(wèi)星，其“工作正常”其實(shí)包含兩層含義：一是準(zhǔn)確架設(shè)入位，也就是發(fā)射后要準(zhǔn)確進(jìn)入定點(diǎn)位置即地月L2點(diǎn);二是其傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)的性能得到預(yù)期發(fā)揮，表現(xiàn)良好。否則就是處于不正常工作狀態(tài)。

“鵲橋”能否準(zhǔn)確架設(shè)到位當(dāng)然屆時(shí)才能最終確定，但是目前來看，對(duì)于中國(guó)航天機(jī)構(gòu)來說，把航天器送到地月L2點(diǎn)把握大嗎?對(duì)于熟悉中國(guó)航天發(fā)展的人來說，這個(gè)問題的答案非常明確：把握很大!因?yàn)榧韧慕?jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。實(shí)際上，早在3年多前，中國(guó)科學(xué)家就已經(jīng)把飛行器送抵地月L2點(diǎn)。不僅如此，早在約7年之前，中國(guó)科學(xué)家就已經(jīng)把飛行器精準(zhǔn)送抵日地L2點(diǎn)。而這兩個(gè)飛行器就是“嫦娥”，分別是嫦娥三號(hào)再入返回飛行器服務(wù)艙和嫦娥二號(hào)。

2014年11月1日，嫦娥三號(hào)服務(wù)艙與返回器分離后，返回到遠(yuǎn)地點(diǎn)54萬公里、近地點(diǎn)600公里的大橢圓軌道，開展拓展試驗(yàn)任務(wù)。11月23日，服務(wù)艙開始飛向地月L2點(diǎn)，4日后進(jìn)入環(huán)繞地月L2點(diǎn)的軌道。這是中國(guó)航天器首次到達(dá)地月L2點(diǎn)。服務(wù)艙實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞該點(diǎn)飛行三圈，開展了全新的科學(xué)探測(cè)任務(wù)，驗(yàn)證了軌道設(shè)計(jì)、軌道控制和軌道維持技術(shù)。

2011年8月25日，嫦娥二號(hào)經(jīng)過77天飛行，受控準(zhǔn)確進(jìn)入距離地球約150萬公里遠(yuǎn)的日地L2點(diǎn)的環(huán)繞軌道。這是中國(guó)第一次開展拉格朗日點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道和使命軌道的設(shè)計(jì)和控制，并實(shí)現(xiàn)150萬公里遠(yuǎn)距離測(cè)控通信。此舉也使中國(guó)成為世界上第三個(gè)造訪日地L2點(diǎn)的國(guó)家和組織，也是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)從月球軌道出發(fā)抵達(dá)該點(diǎn)的國(guó)家和組織。