中继卫星 中国中继卫星已形成“家族”

地月系统拉格朗日点示意图其中，中心的圆圈是地球所在的地方，右边较小的圆圈是月球所在的地方，L2是中继卫星鹊桥预定到达的地方。

最近，一颗即将在5月发射的卫星成为人们“刷屏”的明星，不仅仅是因为它有着中国传统文化特色的“鹊桥”之称，更是因为它将为计划在今年年底飞往月球的嫦娥四号提供卫星“接力服务”，是名副其实的“嫦娥先锋”。

为什么要在嫦娥四号发射前建造鹊桥？鹊桥提供的接力服务是什么？鹊桥是中国第一颗中继卫星吗？发射后会运行什么样的轨道？它会和嫦娥四号一起玩什么样的“登月故事”……这些无疑是人们关心的问题。

“鹊桥”将在最后一个月飞往L2

鹊桥是中继卫星。这类卫星属于通信卫星，形象地称为“卫星之星”，因为它们可以为卫星、航天器等航天器提供数据中继和测控服务，大大提高了各类卫星的使用效率和应急响应能力，使资源卫星、环境卫星等数据能够实时下载。

嫦娥四号月球探测器是嫦娥三号的备份星，计划在月球背向地球的南极附近的艾特肯盆地着陆。因为月球被地球潮汐锁定，所以它永远只能以同一张脸面对地球。这意味着，降落在月球背面的嫦娥四号，不仅距离地球测控中心较远，还需要通过月球球体相互通信。但通信信号无法穿透月球到达月球背面，需要借助中继卫星实现数据传输，完成地面测控任务。这就是嫦娥在这次发射前发射鹊桥卫星的原因。

浩瀚宇宙无边无际。鹊桥下水后将在哪里架设空充分发挥其提供接力服务的作用？有必要提一个概念:拉格朗日点。根据天体力学，一个小天体在两个大天体的引力作用下，位于空之间的一个点上，此时，小天体相对于两个大天体基本保持静止。这些点的存在是瑞士数学家欧拉在1767年计算出来的，剩下的两点是法国数学家拉格朗日在1772年证明的。1906年，首次发现在木星轨道上运行的小行星在木星和太阳的作用下位于拉格朗日点。在每一个由两个天体组成的系统中，根据推论有五个拉格朗日点，但只有两个是稳定的，即即使小天体受到外部引力的干扰，它们仍然倾向于保持在原来的位置。每个稳定点与两个大物体所在的点形成一个等边三角形。

“鹊桥”计划发射后移至“拉格朗日-2点，地月系统”，位于连接地球和月球两点的延长线上，在月球背向地球的一侧。此时架设的“鹊桥”可以同时与地球和月球背面交换信息和数据，即完成“接力”任务，由于地球和月球引力的平衡，保持相对稳定的状态，从而节省卫星燃料，便于其轨道控制。

中国的中继卫星已经组成了一个“家庭”

中继卫星的主要功能是天基TT&C和空-天数据中继，可为卫星、航天器和其他航天器提供数据中继和TT&C服务。与地面测控相比，天基测控最大的优势是覆盖范围大、实时性强、经济效益高。作为运行在Tai 空的数据“中转站”，这类卫星扮演着“Tai 空侦查员”、“通信运营商”和“Tai 空领航员”的角色，对中低轨卫星进行实时监测，使资源卫星和环境卫星的数据可以实时下载，作为航天大国，中国对中继卫星的需求无疑是旺盛的，这也带动了我国中继卫星的研究、发射和组网。

2003年，中国立项启动天联一号中继卫星系统项目。2008年4月25日，该系统01号卫星发射成功，当年神舟七号数据中继服务圆满完成。作为我国首颗地球同步轨道数据中继卫星，天联一号-01卫星采用成熟的东方红三号通用平台，突破多项关键技术，标志着我国航天测控覆盖率迈上新台阶，资源卫星、环境卫星等应用卫星实现了数据实时下载和及时应用，效率倍增。2011年和2012年，天联一号卫星02号和03号成功发射。它们同时运行，形成了一个带有地面应用系统和中继终端的跟踪和数据中继卫星系统。因此，中国成为世界上第二个拥有覆盖全球的中低轨道航天器中继卫星系统的国家。天联一号中继卫星系统在执行神舟十一号飞船、天宫二号空实验室任务等我国重大航天任务过程中，为航天员与地面的“天地通信”和“天地双向视频通信”以及航天员与地面同步收看电视新闻做出了巨大贡献。2016年11月，天联一号04卫星成功发射，实现了我国中继卫星系统的升级。

关于中国中继卫星的发展，航天科技集团五院院长张洪太评论说，中国中继卫星系统建设走上了一条符合国情、技术自主创新的道路。比如突破了星载自主闭环精密捕获跟踪等关键技术，解决了高速运动航天器之间的跟踪和高速数据中继问题；建立了星-星、星-地技术体系和全链路指标体系。

“鹊桥”是中国中继卫星家族的新成员。与天联一号系列中继卫星相比，虽然用途和技术途径相似，但无疑面临更艰巨的任务和更大的技术挑战。中国的宇航员已经在他们的脑海中了。航天科技集团五院党委书记赵小金介绍，“鹊桥”研究团队攻克了地月拉格朗日两点轨道设计与控制、远距离中继通信等关键技术，性能和指标完全满足任务要求。

嫦娥三号曾经来过这里

实现探测器首次在月球背面着陆，无疑是人类航天史上的壮举，人们对嫦娥四号的性能充满期待。从过去“嫦娥”登月的惊人记录来看，人们也完全有理由对定于年底发射的嫦娥四号充满信心。如果说有什么不确定性的话，很大程度上来自于护送嫦娥四号的中继卫星“鹊桥”。事实上，“鹊桥”在预定地点的成功及其预期性能是嫦娥四号发射到月球的基本条件和前提。用航天科技集团科技委主任包为民的话说，“如果鹊桥正常工作，中国将在下半年发射嫦娥四号探测器”。

作为一颗预计固定在地月L2点的中继卫星，“鹊桥”其实有两层含义:一是设置准确，即发射后必须准确进入固定位置，即地月L2点；二是其传输信号和数据的性能得到了预期的充分发挥，表现良好。否则，处于非正常工作状态。

“鹊桥”能否准确架设到位，当然可以在当时最终确定，但目前对于中国航天机构来说，是否有把握将飞船送到地月L2点？对于熟悉中国航天发展的人来说，这个问题的答案很明确:把握得很好！因为过去的经验已经证明了这一点。事实上，早在三年多前，中国科学家就已经把飞机送到了地球月的L2点。不仅如此，早在大约7年前，中国科学家就已经准确地将飞机送到了太阳和地球的L2点。这两架飞机是嫦娥，分别是嫦娥三号返回舱和嫦娥二号飞机。

2014年11月1日，嫦娥三号服务舱与返回器分离，随后返回远地点54万公里、近地点600公里的大椭圆轨道，执行扩展试验任务。11月23日，服务舱开始飞往地球月球L2点，4天后进入环绕地球月球L2点的轨道。这是中国航天器首次到达地球和月球的L2点。服务舱围绕该点飞行三次，执行了一项新的科学探索任务，并验证了轨道设计、轨道控制和轨道维护技术。

2011年8月25日，嫦娥二号飞行77天，受控精确进入距地球约150万公里的日地L2点轨道。这是我国首次进行拉格朗日点转移轨道和任务轨道的设计与控制，实现了150万公里的远程测控通信。这一举动也使中国成为世界上第三个访问太阳和地球之间的L2点的国家和组织，也是世界上第一个从月球轨道到达L2点的国家和组织。