超遠距離通訊如何保證
從地球要飛到月球，類似星際探測。從常識來說，距離越長，傳回的信號就比較弱。“最難的一點就是我們如何跟蹤衛星，得到星上的一些狀態，如何去控制衛星。”嫦娥一號衛星系統副總設計師饒偉說，這就需要測控系統確保跟蹤完整，測量準確和指令無誤。
“之前我們的衛星最高離地球六七萬公里，現在月球離我們有38萬—40萬公里。這么遠的距離，信號能量不足。如果增加衛星搭載的測控設備，又受到星上重量和功耗的限制。這就要求衛星必須提高自身信號的發射功率，同時地面要能夠低靈敏度接收。”孫澤州說。
饒偉介紹說，為了保證38萬—40萬公里遠的有效測控，采取了幾方面的創新措施，選取多種工作模式、多種措施集中在同一顆衛星來保證測控信道余量。
“地面測控系統方面，由于我國尚未建成深空測控網，測控系統首次采用了現有的用于載人航天的S頻段航天測控系統(USB)和中國科學院的甚長基線干涉天文測量系統(VLBI)的綜合測量技術，解決繞月探測工程‘測控距離遠、測量精度高’的技術難題。”饒偉說。
為提高嫦娥一號衛星測控覆蓋率，測控系統與歐洲空間局和智利圣地亞哥站開展國際聯網合作，使測控覆蓋率達到98%以上。
為確保準確接收科學數據，除為USB系統新建兩個直徑18米的測控天線，還研制了我國口徑最大的兩面數據接收天線，也就是北京密云新建的直徑50米天線和昆明新建的40米天線，前者天線有680多噸重，鍋蓋足有6個籃球場大。
三十八萬公里探月路
衛星帶1.2噸推進劑;在空間多次變軌調整； 能否沿預定軌道飛行是關鍵
“月球離地球的平均距離為38萬公里，遠遠超過我們幾十年近地空間的活動范圍。除了距離遠以外，還從二體運動變成了三體運動。”繞月探測工程總設計師孫家棟院士認為，整個“嫦娥”奔月過程中，能否順利沿著預定軌道飛行，是重中之重。衛星起飛以后，在近地空間主要受地球引力的影響，當它脫離地球一定距離以后，地球、月球都對其產生影響，越接近月球空間，月球的影響就越大；在衛星長距離飛行同時，月球也要運動很長一個距離，種種因素都帶來了軌道設計、測量和控制的難題。
“這是我國航天器第一次飛到月球的軌道上，因此這個軌道與常規的地球軌道設計有所不同，要考慮到月球引力場等新的因素，并且還要設計好飛往月球和被月球捕獲的交匯過程。”嫦娥一號衛星系統副總設計師孫澤州介紹說，軌道難點主要體現在變軌方面。
“嫦娥一號”送入到地球超同步衛星軌道后，在繞地、地月飛行過程中會有多次變軌。“之所以采取多次變軌，一方面是能通過多次變軌在時間上騰出精確調整的余地；另一方面也可以節省燃料。”孫澤州說。
“每一次變軌都用到推進劑。這次推進劑一共帶了1.2噸，還要用于圍繞月球旋轉，這樣火箭推進劑的余量就很緊張。軌道窗口越窄，走得就越痛快，很寬的話要花費很多的推進劑。由于推進劑有限，因此軌道的每個環節都要設計好，這也是我們對發射日、發射時、軌道運行要求都非常嚴的一個主要原因。”繞月探測工程總指揮欒恩杰說。
繞地球飛行過程中，對“嫦娥一號”主要采用了調相軌道的設計思想，就是在衛星繞地球轉動過程中等待月球飛過來，再進入地月轉移軌道。調相軌道可以使衛星逐步獲得速度增量奔向月球，減少在大的速度增量變化中引起重力損耗等影響。“選擇什么樣的軌道，是調相軌道還是直接送入地月轉移軌道，經過比較，最終確定了現在的方案。”孫澤州說。
“軌道的設計過程有一些特點。”孫澤州說，要把地月轉移軌道和調相軌道分段設計，再進行拼接，最終要求是到達環月軌道。然后再倒推什么時候從地球進入地月轉移軌道，以及星箭分離等參數。這種拼接的思想是第一次嘗試做。科學家們對軌道做了大量的反復演練計算。
承受300攝氏度溫差，將遭遇兩次月食
未知世界如何生存
初次奔月的“嫦娥”還會遭遇到“熱問題”，需經歷地球、奔月、月球及月食等多種熱環境。
“以前的衛星都是對地球進行探測，對地球的熱環境經歷得比較多，我們比較熟悉。”饒偉說，但月球本身的熱環境我們并不了解。而外部的熱環境會影響到星上的熱環境，同時嫦娥一號衛星本身設備的工作模式比較復雜，星上一會兒熱一會兒冷，使得熱控問題很突出。
“嫦娥一號衛星兩個小時左右繞月球轉一圈，一小時有太陽照著，一小時被月亮擋住太陽。在太陽照著月亮的地方，溫度有110攝氏度到130攝氏度，溫度太高；暗的地方，溫度一下掉到零下130攝氏度至零下180攝氏度，溫差可以達到300攝氏度。但所有的儀器、工作狀態都要適應這種變化。”歐陽自遠說。
在一年的工作壽命期內，“嫦娥一號”還不可避免的要經歷兩次月食，每次月食的有效陰影時間均在3小時左右。這對星上提供能量的蓄電池組的低溫放電能力、溫度維持能力以及各設備的低溫耐受能力提出了更高要求。為確保能安全度過兩次月食，衛星針對月食工況進行了充分試驗。
“目前月表環境的輸入條件，我們認為已經突破了。對于星上工作模式復雜的情況，研制過程中也安排了幾次大型實驗，都是很長周期的，模擬月表環境，模擬在軌所有的可能，來驗證星上溫度能不能控制住。實驗結果都滿足要求。”饒偉說。
無人參與
星際旅行會否迷航
同地球衛星相比，嫦娥一號衛星面對的情況更加復雜。迄今為止，歷史上所有探月飛行的成功率約為48%。
進入環月軌道前，包括奔月飛行過程在內，“嫦娥一號”整個的變軌控制就靠制導導航與控制系統。在環月以后，衛星需要保持載荷對月觀測，完成科學任務，同時驅動太陽翼展開并對日定向來獲得能源，控制定向天線對地定向，保證科學數據能可靠傳輸到地面上來。這些定向也須依靠制導導航與控制系統。 “不管是奔月還是環月，對制導導航控制系統都提出了很多新的要求，必須去解決這些問題。”衛星系統總設計師葉培建說。
“地球的衛星只要兩個軸就夠了，所有的儀器對準地球，太陽能帆板對準太陽，兩個對準了就可以干活。月球探測不行，必須所有的儀器對準月亮，通訊天線要時刻對準地球，帆板要對準太陽，也就是所謂的三體定向。”繞月探測工程月球應用科學首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠說，難點在于太陽、地球、月亮都在轉動，衛星也在動，這幾個角度沒有時刻對準，衛星根本就無法工作。
為此，“嫦娥一號”的制導、導航控制包含了兩個關鍵技術。一是研制了一臺紫外月球敏感器，在繞月階段能夠適用，也對將來的深空探測有用。
“地球因為有均勻的紅外輻射，能用紅外地平儀直接獲得衛星對地球的姿態，但月球沒有均勻的紅外輻射，就不能用常規的紅外地球敏感器來測量。”嫦娥一號衛星總設計師顧問李鐵壽說。
“另一個關鍵技術是，為了傳輸科學探測信息，我們需要一個不同于以往衛星的數據傳輸天線。” 李鐵壽說，以往衛星的姿態相對于地球是不動的，現在需要有一個可以轉動的天線，來使天線指向始終對地。“這是一個新的技術，在過去的衛星上還沒有用過。” (記者 余建斌)
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