作者 | 耳爭(zhēng)
2024年3月20日，中國(guó)的文昌航天發(fā)射場(chǎng)迎來了一次激動(dòng)人心的時(shí)刻：長(zhǎng)征八號(hào)遙三運(yùn)載火箭搭載著鵲橋二號(hào)中繼星以及天都一號(hào)、二號(hào)通導(dǎo)技術(shù)試驗(yàn)星發(fā)射升空。此次任務(wù)成功標(biāo)志著我國(guó)探月四期工程按下“總開關(guān)”。3月25日，鵲橋二號(hào)中繼星、天都一號(hào)、二號(hào)通導(dǎo)技術(shù)試驗(yàn)星均完成近月制動(dòng)，順利進(jìn)入環(huán)月軌道。
除了大家熟悉的鵲橋二號(hào)衛(wèi)星，這次引人關(guān)注的是天都試驗(yàn)星。衛(wèi)星的名字來源于安徽黃山的主峰——天都峰，寓意是“天上都會(huì)”。它們由深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室抓總研制（工程總體由深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，天都一號(hào)、天都二號(hào)分別由上海航天技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)參與研制）。試驗(yàn)星進(jìn)入環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道后，兩星分離，編隊(duì)飛行，協(xié)同工作。天都星將驗(yàn)證通信導(dǎo)航遙感新技術(shù)的在軌驗(yàn)證，未來能幫助我們?cè)诘厍蚝驮虑蛑g架設(shè)地月“鵲橋網(wǎng)絡(luò)”。
天都通導(dǎo)技術(shù)實(shí)驗(yàn)星飛行示意圖（新華社）
近年來，安徽省在空天信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上取得了令人矚目的成就。其中，“巢湖一號(hào)”作為中國(guó)“天仙星座”項(xiàng)目的首顆衛(wèi)星，搭載了先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)（SAR）遙感技術(shù)，能夠提供高達(dá)1米分辨率的遙感數(shù)據(jù)服務(wù)，并具備在6小時(shí)內(nèi)進(jìn)行緊急成像的能力。此外，“合肥高新一號(hào)”則是“天啟低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座”中的第21顆星，它不僅為航空、海事、農(nóng)林等多個(gè)領(lǐng)域提供消費(fèi)級(jí)信息支持，還特別為安徽地區(qū)的用戶提供了優(yōu)先服務(wù)通道。
盡管這些衛(wèi)星主要在地球軌道上運(yùn)行并已經(jīng)取得了一定的成就，但航天探索的征程遠(yuǎn)不止于此。隨著天都星進(jìn)入月球軌道，標(biāo)志著安徽省在深空探索方面的進(jìn)展正在加快，并且正在向著更遠(yuǎn)更深的太空前進(jìn)。
2022年2月，深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室（天都實(shí)驗(yàn)室）在安徽揭牌（中國(guó)科大）
月球是如何通網(wǎng)的？
月球圍繞地球公轉(zhuǎn)的速度和月球自轉(zhuǎn)的速度一樣快，所以我們總是看到同一面的月球，這一面被稱為月球的正面（月面）。相反地，另一面被稱為月球的背面（月背）。過去，人類探索月球的計(jì)劃都在月面進(jìn)行，因?yàn)樵谀抢?，各種探測(cè)器，比如軌道飛行器、著陸器和月球車可以直接和地球進(jìn)行通信。但是如果軌道器飛到月背，就會(huì)遇到信號(hào)被月球遮擋的問題。所以，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，人類的探測(cè)器都沒有在月背登陸，直到鵲橋號(hào)中繼星（后稱鵲橋一號(hào)）發(fā)射。就像喜鵲為牛郎織女搭橋一樣，鵲橋一號(hào)為著陸在月球背面的嫦娥四號(hào)和地球搭了一座橋，讓它們能夠互相通信。通過鵲橋一號(hào)，我們成功傳回了世界上第一張近距離拍攝的月背照片。
嫦娥四號(hào)著陸器與玉兔二號(hào)月球車
嫦娥四號(hào)著陸器拍攝的著陸點(diǎn)南側(cè)月球背面圖像（CNSA）
經(jīng)過了5年的連續(xù)工作，鵲橋一號(hào)完成了它的使命，這時(shí)，鵲橋二號(hào)接替了鵲橋一號(hào)的工作，在地球和月球之間搭起了一座新橋。它采用了一種特殊的繞月運(yùn)行軌道——大橢圓凍結(jié)軌道。與運(yùn)載火箭分離后，鵲橋二號(hào)進(jìn)入了近地點(diǎn)高度200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度42萬公里的預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道，之后太陽翼和中繼通信天線相繼展開，架設(shè)了地月之間的新“鵲橋”。
鵲橋二號(hào)比鵲橋一號(hào)大得多，約1285公斤重（鵲橋一號(hào)只有約425公斤）。而且，鵲橋二號(hào)的設(shè)計(jì)壽命是8年，比鵲橋一號(hào)長(zhǎng)3年。除了可以幫助傳遞通信信號(hào)，鵲橋二號(hào)還攜帶了一些科學(xué)儀器，這可以幫助我們更深入地了解月球。鵲橋二號(hào)成為了世界上第二顆在地球軌道以外的專用中繼通訊星，不僅繼續(xù)為嫦娥四號(hào)提供中繼通信服務(wù)，也為后續(xù)嫦娥六號(hào)、七號(hào)、八號(hào)的月球采樣任務(wù)提供支持。
鵲橋二號(hào)示意圖（人民網(wǎng)）
為什么需要通訊衛(wèi)星
深空探測(cè)任務(wù)的難點(diǎn)之一就是建立可靠的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路。如果把發(fā)射的航天器比作放風(fēng)箏，那么在航天器與地球之間傳遞信息的通信鏈路，就像是一根看不見的風(fēng)箏線。隨著人類深空探測(cè)的不斷發(fā)展，從月球到火星、冥王星甚至太陽系的邊界——柯伊伯帶，風(fēng)箏飛得越來越遠(yuǎn)，所以風(fēng)箏線也需要更加結(jié)實(shí)可靠，這就需要不斷提高遠(yuǎn)距離通信的能力。
為了解決這個(gè)問題，我們采用了一種叫做數(shù)據(jù)中繼的方法。中繼通訊衛(wèi)星就像是一個(gè)通訊員，攜帶著連接地球和月球的數(shù)據(jù)傳輸線。通訊系統(tǒng)由三部分組成：第一部分是對(duì)月前向鏈路，它可以發(fā)送指令和注入數(shù)據(jù)到月球探測(cè)器/著陸器；第二部分是對(duì)月返向鏈路，它可以接收月球探測(cè)器/著陸器的遙測(cè)數(shù)據(jù)；第三部分是對(duì)地?cái)?shù)傳鏈路，它可以傳輸數(shù)據(jù)，將著陸器和遙測(cè)數(shù)據(jù)以及通訊衛(wèi)星上科學(xué)儀器測(cè)到的數(shù)據(jù)傳回地面站。通過這樣的設(shè)計(jì)，地球和月球背面之間可以傳輸信息和交換數(shù)據(jù)，通訊衛(wèi)星為它們建立了一個(gè)天地通信的橋梁，搭起了地球和月球之間的“鵲橋”。
通訊星示意圖（徐進(jìn)等，2018）
除了本身的通訊任務(wù)以外，天都一號(hào)和天都二號(hào)還攜帶了技術(shù)實(shí)驗(yàn)載荷，就像是兩個(gè)旅行者帶著行李，進(jìn)入了自己的軌道，環(huán)繞月球畫出了一個(gè)橢圓形。它們?cè)诘孛鏈y(cè)控的幫助下，開展了軌道運(yùn)行，進(jìn)入了一個(gè)周期為24小時(shí)的軌道，稱為環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道。然后，它們分離并調(diào)整了彼此之間的距離，相隔大約200公里，一同完成自己的任務(wù)。
天都一號(hào)搭載了Ka雙頻段一體化通信機(jī)，像是一個(gè)能在很遠(yuǎn)的地方通信的手機(jī)，還有一些其他儀器，比如激光角反射器、空間路由器等；而天都二號(hào)則帶著一些通信導(dǎo)航設(shè)備。這兩顆衛(wèi)星將會(huì)通過激光和微波來進(jìn)行通信和測(cè)距，它們還會(huì)測(cè)試一些新的技術(shù)，比如通信系統(tǒng)的可靠傳輸、環(huán)月軌道的精確定位和深空網(wǎng)絡(luò)的編碼等。
作為深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室的首發(fā)衛(wèi)星，天都星的目標(biāo)是幫助我們驗(yàn)證月球通信與導(dǎo)航方面的多項(xiàng)新技術(shù)。這將支持國(guó)際月球科研站地月一體化的建設(shè)，為月球探測(cè)和更遠(yuǎn)的深空探測(cè)提供幫助，并為“通導(dǎo)遙綜合星座系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)提供有力的參考和依據(jù)。
天都一號(hào)（左圖）與天都二號(hào)（右圖）
什么是通導(dǎo)遙系統(tǒng)
除了一般的通信連接外，天都星的任務(wù)是實(shí)施月球通導(dǎo)遙系統(tǒng)的在軌驗(yàn)證?？臻g衛(wèi)星可以按照具體用途分為通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星：通信衛(wèi)星就像是一位快遞員，負(fù)責(zé)傳輸電話、電報(bào)、傳真、數(shù)據(jù)和電視等信息；導(dǎo)航衛(wèi)星像是一位向?qū)?，提供?dǎo)航、定位、授時(shí)等服務(wù)；遙感衛(wèi)星則像是一位偵察員，通過接收目標(biāo)物體發(fā)出的電磁波信息，識(shí)別物體的屬性和空間分布等特征。
長(zhǎng)期以來這些衛(wèi)星在各自領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，此時(shí)，科學(xué)家們想到，如果它們之間能夠協(xié)調(diào)配合的話，是不是信息獲取和利用的效率就會(huì)大大提高？于是通導(dǎo)遙系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它將通信、導(dǎo)航、遙感功能集成一體化實(shí)現(xiàn)，就像是一位多才多藝的機(jī)器人，可以同時(shí)進(jìn)行通導(dǎo)遙三種功能。目前，關(guān)于這種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：
1.把三種科學(xué)儀器搭載在一顆衛(wèi)星上，讓一顆衛(wèi)星可以同時(shí)完成三種功能，就像是一個(gè)人擁有多種工具，可以做很多不同的事情一樣，這樣就實(shí)現(xiàn)了一顆衛(wèi)星的通導(dǎo)遙系統(tǒng)；
2.建立一個(gè)由多顆衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，每顆衛(wèi)星搭載不同功能的儀器，就像是一群小伙伴合作完成任務(wù)一樣，實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星共同工作的通導(dǎo)遙系統(tǒng)。
天都星通過第一種方式，也就是同時(shí)攜帶通訊和導(dǎo)航兩種載荷，這是我國(guó)第一次在月球軌道實(shí)施衛(wèi)星編組飛行，開展了月球通導(dǎo)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，為鵲橋星座的建設(shè)提供技術(shù)支撐，天都星的發(fā)射，將推動(dòng)我國(guó)完成建設(shè)通導(dǎo)遙綜合星座系統(tǒng)的第一步。相信通過各類新技術(shù)的驗(yàn)證，中國(guó)可以逐步建設(shè)更多通導(dǎo)遙星座，實(shí)現(xiàn)月球、火星、金星等通信導(dǎo)航覆蓋，為探測(cè)更遠(yuǎn)的星球甚至太陽系邊界提供服務(wù)。