作者 | 耳爭
2024年3月20日，中國的文昌航天發(fā)射場迎來了一次激動人心的時刻：長征八號遙三運載火箭搭載著鵲橋二號中繼星以及天都一號、二號通導技術試驗星發(fā)射升空。此次任務成功標志著我國探月四期工程按下“總開關”。3月25日，鵲橋二號中繼星、天都一號、二號通導技術試驗星均完成近月制動，順利進入環(huán)月軌道。
除了大家熟悉的鵲橋二號衛(wèi)星，這次引人關注的是天都試驗星。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”。它們由深空探測實驗室抓總研制（工程總體由深空探測實驗室承擔，天都一號、天都二號分別由上海航天技術研究院、哈爾濱工業(yè)大學參與研制）。試驗星進入環(huán)月大橢圓凍結軌道后，兩星分離，編隊飛行，協(xié)同工作。天都星將驗證通信導航遙感新技術的在軌驗證，未來能幫助我們在地球和月球之間架設地月“鵲橋網絡”。
天都通導技術實驗星飛行示意圖（新華社）
近年來，安徽省在空天信息產業(yè)的發(fā)展上取得了令人矚目的成就。其中，“巢湖一號”作為中國“天仙星座”項目的首顆衛(wèi)星，搭載了先進的合成孔徑雷達（SAR）遙感技術，能夠提供高達1米分辨率的遙感數據服務，并具備在6小時內進行緊急成像的能力。此外，“合肥高新一號”則是“天啟低軌衛(wèi)星物聯(lián)網星座”中的第21顆星，它不僅為航空、海事、農林等多個領域提供消費級信息支持，還特別為安徽地區(qū)的用戶提供了優(yōu)先服務通道。
盡管這些衛(wèi)星主要在地球軌道上運行并已經取得了一定的成就，但航天探索的征程遠不止于此。隨著天都星進入月球軌道，標志著安徽省在深空探索方面的進展正在加快，并且正在向著更遠更深的太空前進。
2022年2月，深空探測實驗室（天都實驗室）在安徽揭牌（中國科大）
月球是如何通網的？
月球圍繞地球公轉的速度和月球自轉的速度一樣快，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，人類探索月球的計劃都在月面進行，因為在那里，各種探測器，比如軌道飛行器、著陸器和月球車可以直接和地球進行通信。但是如果軌道器飛到月背，就會遇到信號被月球遮擋的問題。所以，很長一段時間以來，人類的探測器都沒有在月背登陸，直到鵲橋號中繼星（后稱鵲橋一號）發(fā)射。就像喜鵲為牛郎織女搭橋一樣，鵲橋一號為著陸在月球背面的嫦娥四號和地球搭了一座橋，讓它們能夠互相通信。通過鵲橋一號，我們成功傳回了世界上第一張近距離拍攝的月背照片。
嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車
嫦娥四號著陸器拍攝的著陸點南側月球背面圖像（CNSA）
經過了5年的連續(xù)工作，鵲橋一號完成了它的使命，這時，鵲橋二號接替了鵲橋一號的工作，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行軌道——大橢圓凍結軌道。與運載火箭分離后，鵲橋二號進入了近地點高度200公里、遠地點高度42萬公里的預定地月轉移軌道，之后太陽翼和中繼通信天線相繼展開，架設了地月之間的新“鵲橋”。
鵲橋二號比鵲橋一號大得多，約1285公斤重（鵲橋一號只有約425公斤）。而且，鵲橋二號的設計壽命是8年，比鵲橋一號長3年。除了可以幫助傳遞通信信號，鵲橋二號還攜帶了一些科學儀器，這可以幫助我們更深入地了解月球。鵲橋二號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)為嫦娥四號提供中繼通信服務，也為后續(xù)嫦娥六號、七號、八號的月球采樣任務提供支持。
鵲橋二號示意圖（人民網）
為什么需要通訊衛(wèi)星
深空探測任務的難點之一就是建立可靠的遠距離數據通信鏈路。如果把發(fā)射的航天器比作放風箏，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箏線。隨著人類深空探測的不斷發(fā)展，從月球到火星、冥王星甚至太陽系的邊界——柯伊伯帶，風箏飛得越來越遠，所以風箏線也需要更加結實可靠，這就需要不斷提高遠距離通信的能力。
為了解決這個問題，我們采用了一種叫做數據中繼的方法。中繼通訊衛(wèi)星就像是一個通訊員，攜帶著連接地球和月球的數據傳輸線。通訊系統(tǒng)由三部分組成：第一部分是對月前向鏈路，它可以發(fā)送指令和注入數據到月球探測器/著陸器；第二部分是對月返向鏈路，它可以接收月球探測器/著陸器的遙測數據；第三部分是對地數傳鏈路，它可以傳輸數據，將著陸器和遙測數據以及通訊衛(wèi)星上科學儀器測到的數據傳回地面站。通過這樣的設計，地球和月球背面之間可以傳輸信息和交換數據，通訊衛(wèi)星為它們建立了一個天地通信的橋梁，搭起了地球和月球之間的“鵲橋”。
通訊星示意圖（徐進等，2018）
除了本身的通訊任務以外，天都一號和天都二號還攜帶了技術實驗載荷，就像是兩個旅行者帶著行李，進入了自己的軌道，環(huán)繞月球畫出了一個橢圓形。它們在地面測控的幫助下，開展了軌道運行，進入了一個周期為24小時的軌道，稱為環(huán)月大橢圓凍結軌道。然后，它們分離并調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。
天都一號搭載了Ka雙頻段一體化通信機，像是一個能在很遠的地方通信的手機，還有一些其他儀器，比如激光角反射器、空間路由器等；而天都二號則帶著一些通信導航設備。這兩顆衛(wèi)星將會通過激光和微波來進行通信和測距，它們還會測試一些新的技術，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絡的編碼等。
作為深空探測實驗室的首發(fā)衛(wèi)星，天都星的目標是幫助我們驗證月球通信與導航方面的多項新技術。這將支持國際月球科研站地月一體化的建設，為月球探測和更遠的深空探測提供幫助，并為“通導遙綜合星座系統(tǒng)”的設計提供有力的參考和依據。
天都一號（左圖）與天都二號（右圖）
什么是通導遙系統(tǒng)
除了一般的通信連接外，天都星的任務是實施月球通導遙系統(tǒng)的在軌驗證?？臻g衛(wèi)星可以按照具體用途分為通信衛(wèi)星、導航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星：通信衛(wèi)星就像是一位快遞員，負責傳輸電話、電報、傳真、數據和電視等信息；導航衛(wèi)星像是一位向導，提供導航、定位、授時等服務；遙感衛(wèi)星則像是一位偵察員，通過接收目標物體發(fā)出的電磁波信息，識別物體的屬性和空間分布等特征。
長期以來這些衛(wèi)星在各自領域都發(fā)揮著重要作用，此時，科學家們想到，如果它們之間能夠協(xié)調配合的話，是不是信息獲取和利用的效率就會大大提高？于是通導遙系統(tǒng)應運而生，它將通信、導航、遙感功能集成一體化實現(xiàn)，就像是一位多才多藝的機器人，可以同時進行通導遙三種功能。目前，關于這種系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩種方式：
1.把三種科學儀器搭載在一顆衛(wèi)星上，讓一顆衛(wèi)星可以同時完成三種功能，就像是一個人擁有多種工具，可以做很多不同的事情一樣，這樣就實現(xiàn)了一顆衛(wèi)星的通導遙系統(tǒng)；
2.建立一個由多顆衛(wèi)星組成的網絡，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一樣，實現(xiàn)多顆衛(wèi)星共同工作的通導遙系統(tǒng)。
天都星通過第一種方式，也就是同時攜帶通訊和導航兩種載荷，這是我國第一次在月球軌道實施衛(wèi)星編組飛行，開展了月球通導相關關鍵技術的驗證，為鵲橋星座的建設提供技術支撐，天都星的發(fā)射，將推動我國完成建設通導遙綜合星座系統(tǒng)的第一步。相信通過各類新技術的驗證，中國可以逐步建設更多通導遙星座，實現(xiàn)月球、火星、金星等通信導航覆蓋，為探測更遠的星球甚至太陽系邊界提供服務。