□记者 张怀琛
近日，在我国西昌卫星发射中心，嫦娥四号中继卫星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空。卫星由火箭送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道，将为今年年底发射的嫦娥四号月背着陆探测器提供中继通信服务。
“嫦娥”未动、“鹊桥”先行。地面和月球背面之间为啥需要一座“桥”？与其他中继卫星相比，“鹊桥”有何特别之处？除了当好“中转站”，“鹊桥”还肩负着哪些重大使命，又将与嫦娥四号演绎出怎样的“奔月”故事呢？
让月球背面
不再是通信“盲区”
虽然今天的主角是“鹊桥”，但若想明白它的发射意义，就不能不提其所服务的嫦娥四号探月任务。
月球是距离地球最近的地外天体，自古以来，人们就对它充满了好奇，从远距离观测、到近距离接近，再到成功登月……千百年来，人们探索的脚步从未停止。尽管如此，这颗星球依然藏有许多秘密，尤其是月球背面——那是人类至今仍未“踏足”的神秘之地。
1959年，当时苏联的“月球3号”探测器发射升空，开始飞往月球。这一次，它的主要任务就是揭开月球背面的神秘面纱。为了这次“旅行”，科学家们做了许多精心安排，出于技术和安全等方面的考虑，他们没有让探测器直接快速飞向月球，而是选择经过较长时间的飞行后，缓慢绕到月球背面，在距离月球大约7000米处经过。在通过月球背面的40分钟内，探测器上的两个光学相机共拍摄了29张照片，其中，有17张是在飞行途中完成自动冲印，并转换成电视信号，通过无线通信装置被传送回地面。尽管得到的照片分辨率很低，且只覆盖了月球背面70%的区域，但这却是人类首次一睹月球背面的“庐山真容”。
此后，许多西方大国都曾想方设法“踏”上月球背面去一探究竟，但因种种原因，最终都未能如愿。也许有人会问：既然这么多航天大国都放弃了，是不是说明月球背面没什么科学研究价值呢？
答案是否定的。“由于潮汐锁定的原因，月球自转和公转的周期一致，这导致它永远只能以一面朝向地球。正因如此，月球背面就成了免受地球电磁干扰的‘宁静区’，将有助于探测器接收来自宇宙空间的更多微弱信号，帮助我们更好地认知自身所处的茫茫星河。”中国电科54所航天系统与应用专业部副主任高京龙说，不仅如此，人类通过多次环月探测发现，月球背面还分布着大大小小的天体撞击坑，通过它们，或许还能找到宇宙起源的蛛丝马迹。
面对这片深空探测的处女地，我国虽是探月“新兵”，却勇敢选择了迎难而上。当嫦娥三号圆满完成“落”月任务后，我国科学家又对即将“出征”的嫦娥四号提出了新期望：到月球背面去。按计划，它将在今年底登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地，实现人类探测器在月球背面的首次软着陆。
难题随之而来：月球始终以同一面朝向地球，这意味着，嫦娥四号若想与地面测控中心“说上话”，不仅要克服遥远的地月距离，还要隔着月球球体进行通信联系，而通信信号根本无法穿透月球抵达其背面。
“嫦娥四号要降落在月球背面，首先要解决的就是通信问题，众多选择中，‘搭桥’无疑是较为完美的解决方案，于是就有了‘鹊桥’号中继卫星。”高京龙说，中继卫星是通信卫星的一种，也被称为“卫星的卫星”，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，“简单地说，‘鹊桥’就是建在地球和月球间的一座信息中转站，专门用来接收和转发他们发出的信号，让月球背面不再是通信‘盲区’。”
选准造“桥”位置，
实现精准入轨
说起“鹊桥”的名字由来，这里还有“河北智慧”：为嫦娥四号中继卫星取名“鹊桥”的，正是54所中华通信系统责任有限公司智慧应用事业部员工任男。在此次嫦娥四号中继卫星的征名比赛中，他提出的“鹊桥”获得一等奖，并收到了嫦娥三号月球车模型作为奖品。
为什么会想到“鹊桥”？任男这样解释自己的创意：“除了贴近传统文化，延续‘神舟’‘天宫’‘嫦娥’‘悟空’等名字的浪漫风格外，‘鹊桥’还能清晰地诠释出嫦娥四号中继卫星的作用，让人一看就想起‘联结’‘沟通’之意，明白这颗卫星的作用与价值。”
要一“桥”飞架天地，找准建造位置非常关键。
“每一颗卫星都有自己的运行轨道，‘鹊桥’也不例外。”高京龙说，想要把来自地球的信息传递给位于月球背面的嫦娥四号探测器，再接收嫦娥四号探测器搜集到的信息传回地球，这就要求“鹊桥”与地球和月球背面的“视野空间”必须开阔、无遮挡，因此对运行轨道的要求要较高，“经过科学家的反复研究论证，‘鹊桥’号中继卫星将运行在地月L2晕轨道上。”
什么是“L2”？为什么要把“鹊桥”建在这里？
所谓L2，就是地月系统的第二个拉格朗日点，也是地月引力的平衡点之一。自从牛顿提出万有引力定律以来，人们很容易就能计算出宇宙中两个天体在引力作用下的运动轨迹。但如果有三个天体存在，情况就会非常复杂，以至于难以求解。对此，法国数学家拉格朗日对限制性椭圆轨道三体运动求出了五个特解，即“拉格朗日点”，简称为L1-L5，如果把物体放到三体系统的拉格朗日点上，物体会保持相对静止状态。
“其中，L2处于月球背面的地月延长线上，与月球的距离约为6.5万公里。由于地月距离是变化的，L2点与月球的距离也是变化的，通过对使命轨道的设计，‘鹊桥’与月球的距离不大于8万公里，可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。”高京龙说，通过让月球处于地球和中继卫星之间，“鹊桥”既能“看到”月球背面，也能“看到”地球，从而搭建起地球与月球背面的通信桥梁，就如牛郎织女相会的鹊桥一样。
选准造“桥”位置之后，怎样才能让“鹊桥”精准入轨呢？
“指令、遥测、数传信息的接收和发送，目标的快速捕获和跟踪，测速、测距、跟踪测角和预报轨迹，高精度测量和控制，等等这些，都离不开精确的测控设备。”高京龙说，本次发射中，中国电科39所、54所承研的青岛、喀什、南美三个深空测控站承担了主要测控任务，“这些深空测控设备仿佛一双双凝视着浩渺太空的眼睛，为卫星编织了一个密实而无形的深空测控网。”
此次发射中，位于阿根廷的测控站是首次参加“嫦娥”任务，有了它的加盟，大大拓展了我国深空测控的覆盖范围。“这当中，我们研制的深空测控干涉测量系统发挥了大作用，通过收集各深空站信号，经过综合复杂运算，最终实现对嫦娥四号中继卫星的精确定轨。”高京龙说。
“鹊桥”虽小，
通信测距样样通
说了这么多，许多人会好奇，“鹊桥”究竟长什么样？
其实，早在2016年底，中国空间技术研究院就公开了鹊桥号中继卫星的真面目：这是一颗CAST100平台的小卫星，设计寿命5年，虽然只有425千克重，却能自己调姿和变轨，还带了一面直径4.2米的大天线，能够和地面进行2M的高速通信。
除了为今年年底发射的嫦娥四号探测器在月球背面着陆提供中继通信服务外，“鹊桥”还携带了激光角反射器，将进行地月激光测距试验，承担“天琴计划”的先导性研究工作。
“所谓激光测距，就是通过激光对星地距离进行科学测量，其原理是将高度同向性脉冲激光束射向放置在卫星表面的角反射镜，通过发送、接收时间差计算出星地距离。”高京龙说。
截至目前，人类历史上最远距离的激光测距试验是月球激光测距，但掌握这项技术的国家不多，毕竟想在38万公里以外的月面上找到并瞄准小小的激光反射镜，难度如同大海捞针。如果“鹊桥”卫星激光测距试验成功，那么，这将是人类历史上距离最远的激光测距试验，可极大提升空间飞行器测定轨技术。
除了“鹊桥”号中继卫星以外，长征四号丙火箭的这次发射，还带上了总重91千克的另外两颗微卫星，即哈尔滨工业大学研制的“龙江一号”和“龙江二号”。火箭发射后，“鹊桥”号中继卫星将飞向地月L2轨道，而两颗龙江号微卫星则将进入一条长椭圆轨道，环绕月球进行编队飞行。专家介绍，这两颗卫星将构成超长波干涉仪，利用各自1米长的天线，在低于30兆赫兹的波段进行天文观测。不仅如此，一颗龙江号微卫星上还携带了沙特阿拉伯提供的微型光学相机，可进行地月空间拍照成像。
专家表示，截至目前，我国探月工程“三步走”计划已完成“绕”和“落”，计划于2019年发射的嫦娥五号将开展月球采样返回任务。
