提起“鵲橋”，大多數人會想到牛郎和織女的愛情故事。為了讓牛郎和織女相會，各地喜鵲用身體搭成一座橋——鵲橋，牛郎和織女便在鵲橋上相會。
四年前的2018年5月21日5時28分，長征四號丙運載火箭托舉着“鵲橋”中繼衛星奔赴太空。“鵲橋”中繼衛星在環繞距月球約6.5萬公里的地月拉格朗日L2點運行的使命軌道，成為世界首顆圍繞該點運行的衛星，為嫦娥四號月球探測器提供地月中繼測控通信。
目前，“鵲橋”中繼衛星在軌運行穩定，各分系統設備工作狀態良好，我們期待它傳回更多探測數據取得更豐碩的科學成果。
“鵲橋”中繼衛星如何讓地球與廣寒宮的嫦娥四號永遠不斷聯?
“鵲橋”中繼衛星如何讓嫦娥四號永不斷聯?
01
“鵲橋”地月傳書
讓月背與地球不再“沒有服務區”
由於地球和月球存在潮汐鎖定，月球的自轉周期和公轉周期完全相同，數百萬年來，人類都只能看到月球的“正臉”，在嫦娥四號在月球背面軟着陸之前，月背就如同一個待字閨中的小姑娘，從不輕易示人。
這是因為一旦航天器登陸月球背面，信號就會被月球所遮擋，如果沒有中間的“聯繫人”，地球和航天器就無法取得聯繫，這就像兩個人“隔山喊話”無法相互聽到。這時候，“鵲橋”中繼衛星就能派上傳球手的作用了。
“鵲橋”張開4.2米“巨傘”後，意味着人類深空探測器歷史上最大口徑的太空通信天線，在40多萬公里星際通信鏈路中開始正常工作了。
4年地月傳書，讓月背與地球不再“沒有服務區”。
02
激光角反射器
架起40多萬公里通信距離
除了“巨傘”，“鵲橋”中繼衛星還有一面超高清“反光鏡”——激光角反射器。地球觀測站發出的激光波束可以準確找到40多萬公里外高速飛行的“鵲橋”，通過發送、接收的時間差，計算出星地距離。這是人類歷史上最遠距離的激光測距試驗。
“鵲橋”中繼衛星“個頭”不大，整個“體重”只有448公斤。
別看外表不起眼，但“里子”有“內涵”。40多萬公里的通信距離，“鵲橋”架起的是世界上最長的“橋”。說起“鵲橋”，容易讓人聯想到技術堪稱成熟的“天鏈一號”中繼衛星。11年前，第一顆“天鏈一號”發射成功。11年間，相繼發射的4顆“天鏈一號”中繼衛星組網運行，成功實現對中、低軌航天器全球100%覆蓋。
與“天鏈一號”相比，“鵲橋”中繼衛星有一個最大不同點——“天鏈一號”對數據採取透明轉發方式，即不對數據做處理，保持“原汁原味”；而“鵲橋”中繼衛星屬於“再生轉發”，即先對數據進行“解碼”“去格式”“復接”“編碼”等處理，再發送。可以看出，“鵲橋”中繼衛星實現了全面升級。
03
在Halo軌道運行
既“看見”地球又“看見”月球
“鵲橋”中繼衛星在Halo軌道上運行，環繞地月拉格朗日L2點飛行，地月L2點位於地月連線的延長線上，是地球和月球的引力平衡點之一。“鵲橋”中繼衛星是世界首顆在該位置運行的衛星。
在該點上，能夠同時看到地球和月球背面，可以一直與落在月球背面的嫦娥四號着陸器和巡視器保持通訊聯繫，同時和地面站建立聯繫，實現所需要的中繼通信。同時，在地月平動點附近，地球和月球間的引力相對平衡，當中繼衛星在這裡飛行時，能夠更容易保持相對穩定的運行狀態。
運行的使命軌道形狀不同於地球衛星的橢圓軌道，而是三維非規則曲線，軌道控制非常複雜。“鵲橋”中繼衛星將圍繞L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性，實現對嫦娥四號着陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。
04
光纖陀螺慣性測量單元
擺脫借地球、太陽等天體來定位
Halo軌道又叫“暈軌道”，取日暈和月暈之意，軌道形狀是非共面的三維非規則曲線，而“暈軌道”控制的難度和複雜程度“確實挺讓人頭暈”。
“鵲橋”中繼衛星就像一個調皮的孩子，只要一段時間不關注他就可能會“離家出走”，為了看好這個調皮的“孩子”，地面的飛控“家長們”專門定製了具有高智能化水平、全天候、全天時、全空域運行能力的光纖陀螺慣性測量單元，徹底擺脫了之前需要藉助地球、太陽等天體來定位的束縛，大大提升其軌道控制能力。
為了應對複雜軌道下對航天器進行頻繁姿態調整的挑戰，專家們還設計了速度增量關機和時間關機兩種模式，對軌控關機前的發動機脈寬進行了精確設計。
同時，“鵲橋”具備在1000m/s高速在軌飛行過程中，速度控制精度誤差不大於0.02m/s的本領，可以說是“在高速奔跑中還可以穩穩地做微雕”。這一“自主可控、毫釐不差”的能耐為中繼衛星安全、長期、穩定在軌運行打下基礎。
05
配備多部“手機”
多安全備份遙控指令讓通信不中斷
建一條穿越40多萬公里的“星際空間”、連接地球和月球的通信鏈路，考驗的不只是設計上科學合理、更要求工作狀態穩定可靠。多安全備份遙測遙控指令設計是航天科技集團五院西安分院技術人員針對“鵲橋”特有工作環境的創新之舉，這就像通過多重備份給“鵲橋”配了多部“手機”。
地面工作人員可以同時給這幾部“手機”打電話，發出相同的遙測指令，規避因為距離遠或其他未知因素造成的信號中斷、信息傳送不準確等問題。此外，“鵲橋”裝備的S頻段數字化深空應答機是我國首台數字化深空應答機，不僅具有對錯誤數據自我修正的功能，而且具有強大的靈敏度和信號捕獲能力，為航天器穩定運行再上一道“安全鎖”。
06
採用特殊材料
應對零下230攝氏度嚴寒考驗
“鵲橋”中繼衛星在浩瀚的太空中，會經歷一段沒有光照的日子，沒有太陽的時候，陰影區的溫度是零下200攝氏度左右，最冷的地方將達到零下230攝氏度，在如此嚴寒下，天線全身肯定都“凍僵了”，這些天線在太空中需要經歷嚴酷的考驗。為了使它在“冰窖”似的環境里不被“凍壞”，研製中，科技人員除了採用特殊的材料外，還進行了大量的極端環境下的試驗，有效保證了這些天線能夠應對嚴酷環境的考驗。
統籌:易福紅 楊存海
綜合 新華社、央視
IC供圖
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