月球南極和背面常被視為探月科考的理想地區(qū)，比如嫦娥四號已經(jīng)成功登陸了月背，未來嫦娥七號也將登陸月球南極。但由于這些地區(qū)與地面之間沒有直接的可視和傳輸路徑，因此必須要靠軌道上的中繼衛(wèi)星來與地面站建立通信，將數(shù)據(jù)傳輸回地面，這也就是嫦娥四號月球探測器為何需要鵲橋中繼星的原因。

鵲橋經(jīng)久耐用的原因

自2018年5月21日發(fā)射成功，6月14日進(jìn)入地月拉格朗日L2點(diǎn)的使命軌道以來，鵲橋已經(jīng)經(jīng)歷了3年的服役周期，這已經(jīng)超過了最初設(shè)計的使用年限，那么鵲橋為何能長時間運(yùn)轉(zhuǎn)呢？

鵲橋基于中國空間技術(shù)研究院旗下的航天東方紅衛(wèi)星有限公司的CAST100小型衛(wèi)星打造，太陽能電源系統(tǒng)采用了三結(jié)砷化鎵太陽能電池，輸出功率可達(dá)780W。

鵲橋的飛行軌跡 / 航天東方紅衛(wèi)星

設(shè)計之初，為了確保鵲橋能夠在太空中正常運(yùn)轉(zhuǎn)，工程師們在這上面花費(fèi)了大量的時間。總設(shè)計師張立華提到，他們花了兩年多的時間研制，在不到四個月的時間里在地面進(jìn)行了1300多個小時的測試。因為在中繼星運(yùn)行的過程中，不僅需要抵抗輻射，還要不時經(jīng)過一段長達(dá)四個多小時的陰影區(qū)，溫度最低可至零下230攝氏度，這對衛(wèi)星天線以及其中的元件穩(wěn)定性與可靠性來說都是極大的考驗。

除此之外，在與發(fā)射器分離后，鵲橋并非直接被架設(shè)在指定軌道上，而是被放置在一個月球借力飛行軌道上，這也就是為何直到6月14號才進(jìn)入使命軌道的原因。這么做固然會耗費(fèi)一定的時間，但同時也節(jié)省了能源和燃料。在定期在軌維護(hù)后，衛(wèi)星還有近8年的壽命。

如何保證地月中繼通信

中繼通信衛(wèi)星需要建立四個不同的通信線路，地面站與中繼衛(wèi)星之間的雙向鏈路，以及中繼衛(wèi)星與月球表面探測器之間的雙向線路。利用不同的頻率和射頻矩陣開關(guān)，四個中繼通信鏈路都可以使用同一個拋物面天線。

由于采用了窄波束角，中繼通信天線的指向精度至關(guān)重要。經(jīng)過位于上海的地面天線測試，由鵲橋向地面天線發(fā)送載波信號，以此計算誤差，最終得出中繼通信天線的指向誤差小于0.1°，還要優(yōu)于0.2°的要求精度。

到了2020年末，著陸器與玉兔2號月球車已經(jīng)在月球進(jìn)行了總時長長達(dá)25個月球日的任務(wù)，在月球表面行駛了600米以上的距離。在月球夜晚，兩者就會進(jìn)入休眠模式，直到月球的白天才喚醒，再度打開所有科學(xué)儀器。

鵲橋與月球和地面之間的通信鏈路 / 航天東方紅衛(wèi)星

地面站以1000bit/s的速度將指令發(fā)送給鵲橋，接著鵲橋?qū)⑦@些指令以125bit/s的速度分別傳輸給著陸器和月球車。隨后著陸器與月球車分別以555kbit/s和285kbit/s的速度將遙測和科考數(shù)據(jù)發(fā)給中繼衛(wèi)星，鵲橋再以2Mbit/s或4Mbit/s的速度將數(shù)據(jù)匯總發(fā)給地面基站。

之所以會有這樣的速率差異是因為相對距離以及采取的波段有所差距，比如鵲橋與月球表面使用的統(tǒng)一X波段(7-8GHz)，以及鵲橋與地面之間使用的統(tǒng)一S波段（2-4GHz）。由于著陸器和月球車功率有限，X波段可以為其減輕大量的通信負(fù)擔(dān)，中繼衛(wèi)星也只需要用到兩個20W的放大器即可，而中繼衛(wèi)星與地面之間的傳輸則需要用到兩個43W的固態(tài)放大器。

展望探月未來

中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁透提到，探月工程四期的實施方案已經(jīng)完成論證，未來有望在月球南極建立國際月球科研站。今年三月9日，中國與俄羅斯也簽署了合作建設(shè)國際月球科研站的協(xié)議，分享空間科學(xué)等技術(shù)方面的檢驗，一同開啟下一輪探月計劃。

而科研站所需的速率自然遠(yuǎn)非初期探索可比，也對傳輸速率提出了更高的要求。未來的中繼衛(wèi)星很可能會采用Ka波段（26.5-40GHz）這樣更高頻率的波段，甚至是更加先進(jìn)的光通信技術(shù)。