鵲橋

2018年4月24日上午，2018年“中國航天日”主場 活動開幕式在黑龍江哈爾濱舉行，活動主題為“共築航天新時代”。開幕式現場，國家國防科技工業局副局長、黨組成員，國家航天局副局長吳艷華宣布，嫦娥四號中繼星命名為“鵲橋”。

嫦娥四號登月探測器是嫦娥三號的備份星，計劃將登陸月球背對地球一面的南極附近的艾特肯盆地。由於月球自轉周期與繞地球公轉的周期相同，它只能永遠以同一面朝向地球。這就意味著，在月球背面登陸的嫦娥四號與地球上的測控中心不僅相隔遙遠的地月距離，而且還要隔著月球球體進行通信聯繫。但通信信號無法穿透月球抵達其背面，這就需要中繼衛星的幫助來實現數據傳輸，完成地面測控任務。

探月工程重大專項實施由國防科工局組織實施。此次中繼星任務由工程總體及衛星、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成。

工程總體承擔：國防科工局探月與航天工程中心；

衛星、運載火箭分別由中國航天科技集團有限公司中國空間技術研究院、上海航天技術研究院研製生產；

發射和測控任務負責：中國衛星發射測控系統部；

地面應用系統承擔：中國科學院國家天文台

“鵲橋”裝載有傘狀拋物面天線、測控天線和數傳天線三類低頻射電天線。其中，傘狀天線展開直徑達4.2米，是人類深空探測史上口徑最大的通信天線。它將直接指向月球，與嫦娥四號探測器對接，不僅要將地面的測控指令說給探測器聽，還要聽清楚探測器要對地球說些啥。

“鵲橋”要提供中繼服務，中繼通信分系統是最核心的部分。

鵲橋發射后預定進發的位置為“地月系統拉格朗日-2點”(簡稱地月L2點)，這個點位於地球和月球兩點連線的延長線上，在月球背對地球的一側。“鵲橋”架設在該點上既可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換，即完成“中繼”任務，又因為受地月引力作用平衡而保持相對穩定狀態，從而節省衛星燃料，有利於對其進行軌道控制。

地月L2點位於地月連線的延長線上，該點軌道包括李薩茹軌道和Halo軌道，綜合考慮中繼星與嫦娥四號著陸器、巡視器的距離穩定性、覆蓋率、軌道進入和維持、月球遮擋影響等因素，科研人員經反覆研究，最終確定將Halo軌道作為“鵲橋”中繼星使命軌道，實現對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

2018年6月14日11 時 06 分，探月工程嫦娥四號任務“鵲橋”中繼星成功實施軌道捕獲控制，成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。後續將在此軌道陸續開展在軌測試和中繼通信鏈路聯試，為年底擇機發射的嫦娥四號月球探測器提供地月中繼測控通信。

“鵲橋”中繼星將成為架設在嫦娥四號著陸器和巡視器與地球間的“通信站”，搭建地月信息聯通的“天橋”。嫦娥四號任務共搭載4台國際合作載荷，其中由荷蘭研製的低頻射電探測儀和由沙特研製的月球小型光學成像探測儀在此次“鵲橋”中繼星任務中搭載；德國月表中子與輻射劑量探測儀、瑞典中性原子探測儀將搭載在嫦娥四號探測器上。

鵲橋將為嫦娥四號探測器提供地月中繼通信支持，解決與月球背面通訊問題，提供地月中繼通信支持，其搭載的兩顆小衛星將實現月球軌道環繞編隊飛行，開展超長波天文觀測。

•2018年4月15日，“鵲橋”進抵發射場；

● 2018年5月8日，CZ-4C火箭完成轉載轉運及吊裝工作；

● 2018年5月14日，“鵲橋”衛星轉場工作順利完成；

● 2018年5月21日5時28分，CZ-4C火箭成功將嫦娥四號中繼星“鵲橋”送入預定軌道。 

● 2018年5月25日21時46分，“鵲橋”中繼星成功實施近月制動，進入月球至地月拉格朗日L2點的轉移軌道。 

● 2018年6月14日11時06分，探月工程嫦娥四號任務“鵲橋”中繼星成功實施軌道捕獲控制，進入環繞距月球約6.5萬公里的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。 

● 2019年1月11日，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器工作正常，在“鵲橋”中繼星支持下順利完成互拍，地面接收圖像清晰完好，中外科學載荷工作正常，探測數據有效下傳，搭載科學實驗項目順利開展，達到工程既定目標，標誌著嫦娥四號任務圓滿成功。至此，中國探月工程取得“五戰五捷”。

長征四號丙運載火箭飛行25分鐘后，星箭分離，將“鵲橋”號中繼星直接送入近地點高度200公里，遠地點高度40萬公里的預定地月轉移軌道，衛星太陽翼和中繼通信天線展開正常。後續，“鵲橋”號中繼星將經中途修正、近月制動和月球借力，並完成L2點捕獲、軌道修正後，最終進入環繞地月L2點的使命軌道。

“鵲橋”號是我國首顆，也是世界首顆運行於地月拉格朗日L2點的通信衛星，作為數據中轉站，它能夠實時的把在月球背面著陸的嫦娥四號探測器發出的科學數據第一時間傳回地球，具有重大的科學與工程意義，也是人類探索宇宙的又一有力嘗試。

根據設計，“鵲橋”衛星將在L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性，可實現對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

此前，僅有美國的Artemis任務和中國的探月三期飛行試驗器以拓展試驗的名義短暫造訪過這片神奇的空域，但都沒有實現長期運轉。因此，中繼星將首次實現地月L2新軌道的長期穩定運行。

“鵲橋”從西昌衛星發射中心升空，邁出了我國月球背面著陸與探測的第一步。

嫦娥四號成為人類首次在月球背面軟著陸的探測器，為地面與嫦娥四號探測器搭建起通信橋樑的中繼星“鵲橋”發揮了關鍵作用。 2018年4月24日上午，國防科工局副局長、國家航天局副局長吳艷華在2018年“中國航天日”主場活動開幕式上宣布，嫦娥四號中繼星命名為“鵲橋”。

根據設計，“鵲橋”衛星將在地月三體系統平衡點L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性，可實現對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋，首次實現地月L2點擬周期軌道的長期穩定運行。

“鵲橋”的主要功能是提供中繼服務，中繼通信分系統是其最核心的部分。該系統在地、月、星之間建立了三條鏈路——對月前向鏈路、對月反向鏈路以及對地數傳鏈路。這三條鏈路將能實現“鵲橋”與嫦娥四號探測器的雙向通信，以及與地面的雙向通信。

2018年12月8日，嫦娥四號探測器如期升空，開啟了人類首次月背探索之旅。“鵲橋”中繼星與在環月軌道運行的嫦娥四號著巡組合體進行了兩次中繼鏈路通信試驗。2019年1月3日，“鵲橋”中繼星支持嫦娥四號著巡組合體順利完成落月和兩器分離任務。至今，“鵲橋”中繼星支持嫦娥四號著陸器和巡視器完成了多個月晝的月面工作，提供了穩定可靠的中繼通信鏈路。在完成通信中繼任務的同時，中繼星上還攜帶低頻射電探測儀、激光反射鏡等科學和技術試驗載荷，開展科學探測和新技術試驗。中繼星上搭載了荷蘭與中國科學家聯合研製的低頻射電探測儀，可“聆聽”來自宇宙深處的“聲音”，並與地面上的探測設備聯合進行干涉測量。此外，中繼星上還搭載了中山大學研製的激光角反射鏡，以開展迄今最遠距離的激光測距試驗，為未來的應用奠定技術基礎。

採用Halo軌道

自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們將其運用於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係，在只有兩個天體的情況下，用牛頓理論可以很容易地得到天體的運行軌道，但是三個天體之間的作用力關係非常複雜以至於難以求解，稱為三體問題。瑞士科學家歐拉和法國科學家拉格朗日針對三體問題，求解出了五個特殊解，即L1-L5點，也稱為拉格朗日點。由於其特殊的空間位置和動力學特性，拉格朗日點成為開展空間探測的最佳位置之一。很多科學衛星都運行在拉格朗日點附近的軌道上。

為了實現對月球背面著陸器和巡視器的中繼任務，“鵲橋”的使命軌道為月球背面一側的地月L2平動點Halo軌道。Halo軌道又稱“暈軌道”，軌道形狀是非共面的三維非規則曲線。根據設計，“鵲橋”衛星將在L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性。地月L2平動點位於地月連線的延長線上，距月球距離約6.5萬公里。由於地月距離是變化的，L2點距離月球的距離也是變化的，通過對使命軌道的設計，“鵲橋”與月球的距離不大於8萬公里，可實現對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

最大口徑通信天線

深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離數據通信鏈路的可靠建立，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。中繼星“鵲橋”上架設了一副展開后口徑達近5米的傘狀天線，這是人類深空探測器歷史上攜帶的最大口徑通信天線，它為“鵲橋”和地球之間鋪設了一架宏偉的高速橋樑，讓遙遠的星地距離變為大道通途，每時每刻將寶貴的科學數據從廣邈的外太空實時送達地球。

為了實現和保障“鵲橋”中繼功能的順利實現，研製人員給它配備了多副天線。其中，大口徑傘狀天線是最關鍵的一副，它直接指向月球，與嫦娥四號探測器對接，不僅要將地面的測控指令傳給探測器，還要收聽探測器傳給中繼星的信息。在中繼星與火箭分離一段時間后，這把“傘狀天線”就打開了，這把“傘”在太空中需要經歷嚴酷的考驗。嫦娥四號中繼星在浩瀚的太空中還會經歷一段沒有光照的陰影區，陰影區的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達到-230℃，在如此嚴寒下，傘狀天線全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態中恢復過來，研究人員做了包括力學、熱學等不計其數的試驗，有效保障了傘狀天線能夠克服嚴酷環境。

搭載微小衛星

“鵲橋”還搭載了兩顆由哈爾濱工業大學研製的微小衛星，以實現首次繞月編隊飛行，進行宇宙中的超長波探測。宇宙中頻率在30兆赫茲以下的超長波，將直接與宇宙大爆炸產生的電磁輻射相關聯，因此，在這個頻段下的超長波探測，對於人類認識宇宙起源有著重要意義。由於地球大氣電離層對超長波有強烈的折射和吸收作用，在地面上非常難以觀測。而在太空中，月球背面可以利用月球做一個天然的這個屏蔽體，遮擋的地球的電磁干擾，是探測超長波絕佳的位置。

隨著深空探測的發展，以及對月球和月球之外的天體和空間的探測，人類將航天活動的範圍擴展到月球、火星等天體處，隨之面臨著測控通信遠距離損失劇增、低覆蓋率、延時較大等許多技術難點。為了克服地基測控網路的不足，同時為了適應未來航天技術的發展，需要尋找新的航天測控系統體制和更優的傳輸方式，以實現衛星與地面站之間的數據通信。應用中繼衛星技術應運而生。對月中繼通信是利用中繼衛星作為轉發站，對環月、落月飛行器的信號進行中繼轉發的衛星通信方式，其一般是利用與地球長期可見的中繼衛星在環月或落月飛行器和地面站之間建立一條全天候、實時的高速通信鏈路，可為衛星、飛船等飛行器提供數據中繼和測控服務，並實現科學數據實時下傳至地面，極大提高此類衛星的使用效益。

嫦娥四號任務是世界首次月球背面軟著陸和巡視勘察任務。由於受到月球自身的遮擋，著陸在月球背面的探測器無法直接實現與地球的測控通信和數據傳輸。因此嫦娥四號任務需要首先發射一顆中繼星，解決與月球背面的通信問題。“鵲橋”中繼星作為架設在嫦娥四號著陸器和巡視器與地球間的“通信站”，為著巡組合體安全抵達月球背面構築信息通路。