中國月球中繼通信衛星的發展與展望

中國的“嫦娥四號”月球探測器實現了人類航天器首次在月球背面軟著陸，經由“鵲橋”中繼通信衛星與地面站建立通信：“鵲橋”圍繞地月L2點軌道做周期運動，實現地面站和“嫦娥四號”探測器的溝通。在綜述文章中，“鵲橋”中繼星的總設計師張立華解釋了月球中繼通信衛星的方案構想，描繪了月球中繼通信系統的未來。

由于潮汐鎖定，月球背面總是對地球不可見。20世紀的首輪登月任務已經驗證了在地球地面站和登月探測器之間直接進行通信聯系，能夠實現不間斷的無線電通信。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性。

盡管如此，中國的 “嫦娥四號” 月球探測器于2019年1月首次實現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過的區域采集圖像和數據，并將結果傳回地球。但“嫦娥四號”探測器是如何與地球溝通的呢？張立華總師表示，答案正是中繼通信衛星“鵲橋”。

正如張總師在發表于《空間科學與技術》(Space: Science & Technology)上的綜述所說：“鵲橋”是一顆前所未有的衛星，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年發射升空，進入繞地月L2平動點的Halo軌道。此處的地月引力作用具有特殊性，可以允許“鵲橋”以較小的軌道維持代價運行在任務軌道上，一直保持與月球背面和地球可見，從而建立連接不間斷的中繼通信。將衛星送入此特殊軌道需要精心規劃、仔細維護。而本次任務的成功也為今后將衛星送入其他地月平動點特定軌道開創了先例。

由于“鵲橋”衛星的特殊空間位置，使其能夠擔任地面站和“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，用于在X波段（7-8GHz）實現對著陸器和月球車的中繼通信。

此外，螺旋天線用于在S波段(2-4 GHz)與地面站通信。所，各個通信鏈路均可同時進行數據發送和接收。該綜述亦涉及“鵲橋”及未來中繼衛星的設計考量，如中繼通信傳輸模式、多鏈路數據速率等。

在過去兩年多的服役時間中，“鵲橋”已經協助完成了月球車和著陸器的大量的數據收發。張總表示：“中國和其他國家的科學家都根據這些數據開展了分析和研究，取得了有價值的科學成果。‘鵲橋’的運行壽命越長，嫦娥四號任務所能取得的科學成果就越多。”“鵲橋”通信衛星在任務軌道上的預期服役壽命有望達到五年以上。

張總師展望了月球探測任務的前景；針對未來的探月任務，他也展望了中繼通信系統的發展方向，建議發展可持續的中繼通信衛星系統，服務于各種探月任務。該系統應該采用開放、可擴展的架構，保證服務的靈活性，實現互通操作、交叉支持和兼容通信。月球中繼通信衛星系統的發展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衛星系統的開發。

來源：空間科學與技術