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科普文章

好消息:月球要通网了
发布时间:2024-03-27    292   墨子沙龙

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作者 | 耳争
 

2024年3月20日,中国的文昌航天发射场迎来了一次激动人心的时刻:长征八号遥三运载火箭搭载着鹊桥二号中继星以及天都一号、二号通导技术试验星发射升空。此次任务成功标志着我国探月四期工程按下“总开关”。3月25日,鹊桥二号中继星、天都一号、二号通导技术试验星均完成近月制动,顺利进入环月轨道。


除了大家熟悉的鹊桥二号卫星,这次引人关注的是天都试验星。卫星的名字来源于安徽黄山的主峰——天都峰,寓意是“天上都会”。它们由深空探测实验室抓总研制(工程总体由深空探测实验室承担,天都一号、天都二号分别由上海航天技术研究院、哈尔滨工业大学参与研制)。试验星进入环月大椭圆冻结轨道后,两星分离,编队飞行,协同工作。天都星将验证通信导航遥感新技术的在轨验证,未来能帮助我们在地球和月球之间架设地月“鹊桥网络”

 

图片天都通导技术实验星飞行示意图(新华社)

 

近年来,安徽省在空天信息产业的发展上取得了令人瞩目的成就。其中,“巢湖一号”作为中国“天仙星座”项目的首颗卫星,搭载了先进的合成孔径雷达(SAR)遥感技术,能够提供高达1米分辨率的遥感数据服务,并具备在6小时内进行紧急成像的能力。此外,“合肥高新一号”则是“天启低轨卫星物联网星座”中的第21颗星,它不仅为航空、海事、农林等多个领域提供消费级信息支持,还特别为安徽地区的用户提供了优先服务通道。

 

尽管这些卫星主要在地球轨道上运行并已经取得了一定的成就,但航天探索的征程远不止于此。随着天都星进入月球轨道,标志着安徽省在深空探索方面的进展正在加快,并且正在向着更远更深的太空前进。
 

2022年2月,深空探测实验室(天都实验室)在安徽揭牌(中国科大)

 

月球是如何通网的?

 

月球围绕地球公转的速度和月球自转的速度一样快,所以我们总是看到同一面的月球,这一面被称为月球的正面(月面)。相反地,另一面被称为月球的背面(月背)。过去,人类探索月球的计划都在月面进行,因为在那里,各种探测器,比如轨道飞行器、着陆器和月球车可以直接和地球进行通信。但是如果轨道器飞到月背,就会遇到信号被月球遮挡的问题。所以,很长一段时间以来,人类的探测器都没有在月背登陆,直到鹊桥号中继星(后称鹊桥一号)发射。就像喜鹊为牛郎织女搭桥一样,鹊桥一号为着陆在月球背面的嫦娥四号和地球搭了一座桥,让它们能够互相通信。通过鹊桥一号,我们成功传回了世界上第一张近距离拍摄的月背照片。

 

嫦娥四号着陆器与玉兔二号月球车

 

图片嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像(CNSA)

 

经过了5年的连续工作,鹊桥一号完成了它的使命,这时,鹊桥二号接替了鹊桥一号的工作,在地球和月球之间搭起了一座新桥。它采用了一种特殊的绕月运行轨道——大椭圆冻结轨道。与运载火箭分离后,鹊桥二号进入了近地点高度200公里、远地点高度42万公里的预定地月转移轨道,之后太阳翼和中继通信天线相继展开,架设了地月之间的新“鹊桥”。

 

鹊桥二号比鹊桥一号大得多,约1285公斤重(鹊桥一号只有约425公斤)。而且,鹊桥二号的设计寿命是8年,比鹊桥一号长3年。除了可以帮助传递通信信号,鹊桥二号还携带了一些科学仪器,这可以帮助我们更深入地了解月球。鹊桥二号成为了世界上第二颗在地球轨道以外的专用中继通讯星,不仅继续为嫦娥四号提供中继通信服务,也为后续嫦娥六号、七号、八号的月球采样任务提供支持。
 

图片鹊桥二号示意图(人民网)

 

为什么需要通讯卫星

 

深空探测任务的难点之一就是建立可靠的远距离数据通信链路。如果把发射的航天器比作放风筝,那么在航天器与地球之间传递信息的通信链路,就像是一根看不见的风筝线。随着人类深空探测的不断发展,从月球到火星、冥王星甚至太阳系的边界——柯伊伯带,风筝飞得越来越远,所以风筝线也需要更加结实可靠,这就需要不断提高远距离通信的能力。

 

为了解决这个问题,我们采用了一种叫做数据中继的方法。中继通讯卫星就像是一个通讯员,携带着连接地球和月球的数据传输线。通讯系统由三部分组成:第一部分是对月前向链路,它可以发送指令和注入数据到月球探测器/着陆器;第二部分是对月返向链路,它可以接收月球探测器/着陆器的遥测数据;第三部分是对地数传链路,它可以传输数据,将着陆器和遥测数据以及通讯卫星上科学仪器测到的数据传回地面站。通过这样的设计,地球和月球背面之间可以传输信息和交换数据,通讯卫星为它们建立了一个天地通信的桥梁,搭起了地球和月球之间的“鹊桥”。

 

图片通讯星示意图(徐进等,2018)

 

除了本身的通讯任务以外,天都一号和天都二号还携带了技术实验载荷,就像是两个旅行者带着行李,进入了自己的轨道,环绕月球画出了一个椭圆形。它们在地面测控的帮助下,开展了轨道运行,进入了一个周期为24小时的轨道,称为环月大椭圆冻结轨道。然后,它们分离并调整了彼此之间的距离,相隔大约200公里,一同完成自己的任务。
 

天都一号搭载了Ka双频段一体化通信机,像是一个能在很远的地方通信的手机,还有一些其他仪器,比如激光角反射器、空间路由器等;而天都二号则带着一些通信导航设备。这两颗卫星将会通过激光和微波来进行通信和测距,它们还会测试一些新的技术,比如通信系统的可靠传输、环月轨道的精确定位和深空网络的编码等。
 

作为深空探测实验室的首发卫星,天都星的目标是帮助我们验证月球通信与导航方面的多项新技术。这将支持国际月球科研站地月一体化的建设,为月球探测和更远的深空探测提供帮助,并为“通导遥综合星座系统”的设计提供有力的参考和依据。

 

天都一号(左图)与天都二号(右图)

 

什么是通导遥系统
 

除了一般的通信连接外,天都星的任务是实施月球通导遥系统的在轨验证。空间卫星可以按照具体用途分为通信卫星、导航卫星和遥感卫星:通信卫星就像是一位快递员,负责传输电话、电报、传真、数据和电视等信息;导航卫星像是一位向导,提供导航、定位、授时等服务;遥感卫星则像是一位侦察员,通过接收目标物体发出的电磁波信息,识别物体的属性和空间分布等特征。

 

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长期以来这些卫星在各自领域都发挥着重要作用,此时,科学家们想到,如果它们之间能够协调配合的话,是不是信息获取和利用的效率就会大大提高?于是通导遥系统应运而生,它将通信、导航、遥感功能集成一体化实现,就像是一位多才多艺的机器人,可以同时进行通导遥三种功能。目前,关于这种系统的实现有两种方式:
 

1.把三种科学仪器搭载在一颗卫星上,让一颗卫星可以同时完成三种功能,就像是一个人拥有多种工具,可以做很多不同的事情一样,这样就实现了一颗卫星的通导遥系统;

 

2.建立一个由多颗卫星组成的网络,每颗卫星搭载不同功能的仪器,就像是一群小伙伴合作完成任务一样,实现多颗卫星共同工作的通导遥系统。

 

天都星通过第一种方式,也就是同时携带通讯和导航两种载荷,这是我国第一次在月球轨道实施卫星编组飞行,开展了月球通导相关关键技术的验证,为鹊桥星座的建设提供技术支撑,天都星的发射,将推动我国完成建设通导遥综合星座系统的第一步。相信通过各类新技术的验证,中国可以逐步建设更多通导遥星座,实现月球、火星、金星等通信导航覆盖,为探测更远的星球甚至太阳系边界提供服务。