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卫星矢量图 |
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嫦娥四号通过中继卫星“鹊桥”的通信支持，在月球背面进行科考（假想图） |
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地月系统拉格朗日点示意图。其中，中心处圆为“地球”所在位置，右侧较小圆为“月球”所在位置，L2为中继卫星“鹊桥”预定到达的位置。 |
近日，一颗即将于5月份发射的卫星成了人们“刷屏”的明星，这不仅在于它有极具中国传统文化特色的名字“鹊桥”，而且在于它将为计划于今年底奔月的嫦娥四号提供卫星“中继服务”，是名副其实的“嫦娥先行官”。
嫦娥四号发射之前为什么要先架“鹊桥”呢？“鹊桥”所提供的中继服务究竟是什么？“鹊桥”是中国第一颗中继卫星吗？它发射后将在怎样的轨道上运转？它将与嫦娥四号一起演绎怎样的“奔月故事”……这些无疑都是人们关心的问题。
“鹊桥”将飞架在地月L2点
“鹊桥”是一颗“中继卫星”。该类卫星属于通信卫星，被形象地称为“卫星的卫星”，因为它们可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传。
嫦娥四号登月探测器是嫦娥三号的备份星，计划将登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐锁定，它只能永远以同一面朝向地球。这就意味着，在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着月球球体进行通信联系。但通信信号无法穿透月球抵达其背面，这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输，完成地面测控任务。这是“嫦娥”此次发射奔月之前先发射“鹊桥”卫星的原因。
茫茫宇宙浩渺无垠，“鹊桥”发射升空后将架设在哪里才能充分发挥其提供中继服务的作用呢？这就必须提到一个概念：拉格朗日点。根据天体力学，一个小物体在两个大物体的引力作用下居于空间中的一点，在该点处，小物体相对于两个大物体基本保持静止。这些点的存在由瑞士数学家欧拉于1767年推算出前3个，法国数学家拉格朗日于1772年推导证明剩下的两个。1906年，首次发现运动于木星轨道上的小行星在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中，按推论有5个拉格朗日点，但只有两个是稳定的，即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰，仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角形。
“鹊桥”发射后预定进发的位置为“地月系统拉格朗日－2点”（简称地月L2点），这个点位于地球和月球两点连线的延长线上，在月球背对地球的一侧。“鹊桥”架设在该点上既可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，即完成“中继”任务，又因为受地月引力作用平衡而保持相对稳定状态，从而节省卫星燃料，有利于对其进行轨道控制。
中国中继卫星已形成“家族”
中继卫星的主要功能是进行天基测控和空天数据中继，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务。相比于地基测控，天基测控的最大优势就是覆盖率高，具有实时性、经济效益高等优点。该类卫星作为在太空中运行的数据“中转站”，扮演着“太空侦查员”“通信接线员”“太空导航员”的角色，对中、低轨道卫星进行实时监控，使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为太空运行的航天器提供预警预报、导航定位，使太空航行准确安全。作为航天大国，中国对中继卫星的需求无疑是强烈的，这也驱动了中国中继卫星的研制、发射和组网运行。
2003年，中国立项并启动了天链一号中继卫星系统工程。2008年4月25日，该系统01星成功发射，当年就参与并圆满完成了“神舟七号”数据中继服务。作为中国第一颗地球同步轨道数据中继卫星，天链一号01星采用成熟的东方红三号通用平台并突破多项关键技术，标志着中国航天测控覆盖率提升到新水平，使资源卫星、环境卫星等应用卫星实现数据实时下传、及时应用，效能倍增。2011年、2012年相继成功发射天链一号02、03星，它们同时运行并与地面应用系统、中继终端等组成跟踪与数据中继卫星系统，中国由此成为世界第二个拥有对中、低轨道航天器全球覆盖中继卫星系统的国家。在中国重大航天任务实施过程中，比如神十一飞船和天宫二号空间实验室飞行任务中，天链一号中继卫星系统为航天员与地面“天地通话”“天地双向视频通话”和航天员与地面同步收看电视新闻立下了汗马功劳。2016年11月，天链一号04星成功发射，实现中国中继卫星系统的更新换代。
对中国中继卫星的发展，航天科技集团五院院长张洪太评价说，中国的中继卫星系统建设走出了一条符合国情、技术上自主创新的道路。比如，突破了星上自主闭环精密捕获跟踪等关键技术，解决了高速运动航天器之间跟踪与高速数据中继问题；建立了星——星、星——地技术体制和全程链路指标体系。
“鹊桥”是中国中继卫星家族中新的成员，与天链一号系列中继卫星相比，虽然用途和技术途径相似，但无疑面临的任务更艰巨，面临的技术挑战更大。中国航天人已然成竹在胸，航天科技集团五院党委书记赵小津表示，“鹊桥”研制团队攻克了地月拉格朗日2点轨道设计与控制、远距离中继通信等关键技术，其各项性能和指标完全符合任务需求。
嫦娥三号曾经到此一游
实现探测器首次登陆月球背面无疑是人类航天史上的一项壮举，对嫦娥四号的表现人们充满期待。从“嫦娥”既往堪称惊艳的奔月纪录来看，人们也有充分的理由对计划于年底出征的嫦娥四号抱有十足的信心。如果说有什么不确定性的话，在很大程度上来自于为嫦娥四号保驾护航的中继卫星“鹊桥”。实际上，“鹊桥”成功于预定位置搭建好并达到预期表现是嫦娥四号发射奔月的基本条件和前提，用航天科技集团科技委主任包为民的话说就是“如果‘鹊桥’工作正常，中国将在下半年发射嫦娥四号探测器”。
“鹊桥”作为预期定点于地月L2点的中继卫星，其“工作正常”其实包含两层含义：一是准确架设入位，也就是发射后要准确进入定点位置即地月L2点；二是其传输信号和数据的性能得到预期发挥，表现良好。否则就是处于不正常工作状态。
“鹊桥”能否准确架设到位当然届时才能最终确定，但是目前来看，对于中国航天机构来说，把航天器送到地月L2点把握大吗？对于熟悉中国航天发展的人来说，这个问题的答案非常明确：把握很大！因为既往的经验已经证明了这一点。实际上，早在3年多前，中国科学家就已经把飞行器送抵地月L2点。不仅如此，早在约7年之前，中国科学家就已经把飞行器精准送抵日地L2点。而这两个飞行器就是“嫦娥”，分别是嫦娥三号再入返回飞行器服务舱和嫦娥二号。
2014年11月1日，嫦娥三号服务舱与返回器分离后，返回到远地点54万公里、近地点600公里的大椭圆轨道，开展拓展试验任务。11月23日，服务舱开始飞向地月L2点，4日后进入环绕地月L2点的轨道。这是中国航天器首次到达地月L2点。服务舱实现了环绕该点飞行三圈，开展了全新的科学探测任务，验证了轨道设计、轨道控制和轨道维持技术。
2011年8月25日，嫦娥二号经过77天飞行，受控准确进入距离地球约150万公里远的日地L2点的环绕轨道。这是中国第一次开展拉格朗日点转移轨道和使命轨道的设计和控制，并实现150万公里远距离测控通信。此举也使中国成为世界上第三个造访日地L2点的国家和组织，也是世界上第一个实现从月球轨道出发抵达该点的国家和组织。
（本文图片均来自百度）
