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(hào)已經(jīng)成功登陸了月背，未來(lái)嫦娥七號(hào)也將登陸月球南極。但由于這些地區(qū)與地面之間沒(méi)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(lái)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(hào)月球探測(cè)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(lái)，鵲橋已經(jīng)經(jīng)歷了3年的服役周期，這已經(jīng)超過(guò)了最初設(shè)計(jì)的使用年限，那么鵲橋?yàn)楹文荛L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)呢？

鵲橋基于中國(guó)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(yáng)能電源系統(tǒng)采用了三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)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(jì)之初，為了確保鵲橋能夠在太空中正常運(yùn)轉(zhuǎn)，工程師們?cè)谶@上面花費(fèi)了大量的時(shí)間?？傇O(shè)計(jì)師張立華提到，他們花了兩年多的時(shí)間研制，在不到四個(gè)月的時(shí)間里在地面進(jìn)行了1300多個(gè)小時(shí)的測(cè)試。因?yàn)樵谥欣^星運(yùn)行的過(guò)程中，不僅需要抵抗輻射，還要不時(shí)經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)達(dá)四個(gè)多小時(shí)的陰影區(qū)，溫度最低可至零下230攝氏度，這對(duì)衛(wèi)星天線以及其中的元件穩(wěn)定性與可靠性來(lái)說(shuō)都是極大的考驗(yàn)。

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(gè)月球借力飛行軌道上，這也就是為何直到6月14號(hào)才進(jìn)入使命軌道的原因。這么做固然會(huì)耗費(fèi)一定的時(shí)間，但同時(shí)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(gè)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(cè)器之間的雙向線路。利用不同的頻率和射頻矩陣開(kāi)關(guān)，四個(gè)中繼通信鏈路都可以使用同一個(gè)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(guò)位于上海的地面天線測(cè)試，由鵲橋向地面天線發(fā)送載波信號(hào)，以此計(jì)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(hào)月球車(chē)已經(jīng)在月球進(jìn)行了總時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)25個(gè)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(huì)進(jìn)入休眠模式，直到月球的白天才喚醒，再度打開(kāi)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(chē)。隨后著陸器與月球車(chē)分別以555kbit/s和285kbit/s的速度將遙測(cè)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(huì)有這樣的速率差異是因?yàn)橄鄬?duì)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(chē)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(gè)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(gè)43W的固態(tài)放大器。

展望探月未來(lái)

中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁透提到，探月工程四期的實(shí)施方案已經(jīng)完成論證，未來(lái)有望在月球南極建立國(guó)際月球科研站。今年三月9日，中國(guó)與俄羅斯也簽署了合作建設(shè)國(guó)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(yàn)，一同開(kāi)啟下一輪探月計(jì)劃。

而科研站所需的速率自然遠(yuǎn)非初期探索可比，也對(duì)傳輸速率提出了更高的要求。未來(lái)的中繼衛(wèi)星很可能會(huì)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)。