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超远距离
通讯如何保证
从地球要飞到月球，类似星际探测。从常识来说，距离越长，传回的信号就比较弱。“最难的一点就是我们如何跟踪卫星，得到星上的一些状态，如何去控制卫星。”嫦娥一号卫星系统副总设计师饶伟说，这就需要测控系统确保跟踪完整，测量准确和指令无误。
“之前我们的卫星最高离地球六七万公里，现在月球离我们有38万—40万公里。这么远的距离，信号能量不足。如果增加卫星搭载的测控设备，又受到星上重量和功耗的限制。这就要求卫星必须提高自身信号的发射功率，同时地面要能够低灵敏度接收。”孙泽州说。
饶伟介绍说，为了保证38万—40万公里远的有效测控，采取了几方面的创新措施，选取多种工作模式、多种措施集中在同一颗卫星来保证测控信道余量。
“地面测控系统方面，由于我国尚未建成深空测控网，测控系统首次采用了现有的用于载人航天的S频段航天测控系统(USB)和中国科学院的甚长基线干涉天文测量系统(VLBI)的综合测量技术，解决绕月探测工程‘测控距离远、测量精度高’的技术难题。”饶伟说。
为提高嫦娥一号卫星测控覆盖率，测控系统与欧洲空间局和智利圣地亚哥站开展国际联网合作，使测控覆盖率达到98%以上。
为确保准确接收科学数据，除为USB系统新建两个直径18米的测控天线，还研制了我国口径最大的两面数据接收天线，也就是北京密云新建的直径50米天线和昆明新建的40米天线，前者天线有680多吨重，锅盖足有6个篮球场大。
三十八万公里探月路
卫星带1.2吨推进剂;在空间多次变轨调整；能否沿预定轨道飞行是关键
“月球离地球的平均距离为38万公里，远远超过我们几十年近地空间的活动范围。除了距离远以外，还从二体运动变成了三体运动。”绕月探测工程总设计师孙家栋院士认为，整个“嫦娥”奔月过程中，能否顺利沿着预定轨道飞行，是重中之重。卫星起飞以后，在近地空间主要受地球引力的影响，当它脱离地球一定距离以后，地球、月球都对其产生影响，越接近月球空间，月球的影响就越大；在卫星长距离飞行同时，月球也要运动很长一个距离，种种因素都带来了轨道设计、测量和控制的难题。
“这是我国航天器第一次飞到月球的轨道上，因此这个轨道与常规的地球轨道设计有所不同，要考虑到月球引力场等新的因素，并且还要设计好飞往月球和被月球捕获的交汇过程。”嫦娥一号卫星系统副总设计师孙泽州介绍说，轨道难点主要体现在变轨方面。
“嫦娥一号”送入到地球超同步卫星轨道后，在绕地、地月飞行过程中会有多次变轨。“之所以采取多次变轨，一方面是能通过多次变轨在时间上腾出精确调整的余地；另一方面也可以节省燃料。”孙泽州说。
“每一次变轨都用到推进剂。这次推进剂一共带了1.2吨，还要用于围绕月球旋转，这样火箭推进剂的余量就很紧张。轨道窗口越窄，走得就越痛快，很宽的话要花费很多的推进剂。由于推进剂有限，因此轨道的每个环节都要设计好，这也是我们对发射日、发射时、轨道运行要求都非常严的一个主要原因。”绕月探测工程总指挥栾恩杰说。
绕地球飞行过程中，对“嫦娥一号”主要采用了调相轨道的设计思想，就是在卫星绕地球转动过程中等待月球飞过来，再进入地月转移轨道。调相轨道可以使卫星逐步获得速度增量奔向月球，减少在大的速度增量变化中引起重力损耗等影响。“选择什么样的轨道，是调相轨道还是直接送入地月转移轨道，经过比较，最终确定了现在的方案。”孙泽州说。
“轨道的设计过程有一些特点。”孙泽州说，要把地月转移轨道和调相轨道分段设计，再进行拼接，最终要求是到达环月轨道。然后再倒推什么时候从地球进入地月转移轨道，以及星箭分离等参数。这种拼接的思想是第一次尝试做。科学家们对轨道做了大量的反复演练计算。
承受300摄氏度温差，将遭遇两次月食
未知世界如何生存
初次奔月的“嫦娥”还会遭遇到“热问题”，需经历地球、奔月、月球及月食等多种热环境。
“以前的卫星都是对地球进行探测，对地球的热环境经历得比较多，我们比较熟悉。”饶伟说，但月球本身的热环境我们并不了解。而外部的热环境会影响到星上的热环境，同时嫦娥一号卫星本身设备的工作模式比较复杂，星上一会儿热一会儿冷，使得热控问题很突出。
“嫦娥一号卫星两个小时左右绕月球转一圈，一小时有太阳照着，一小时被月亮挡住太阳。在太阳照着月亮的地方，温度有110摄氏度到130摄氏度，温度太高；暗的地方，温度一下掉到零下130摄氏度至零下180摄氏度，温差可以达到300摄氏度。但所有的仪器、工作状态都要适应这种变化。”欧阳自远说。
在一年的工作寿命期内，“嫦娥一号”还不可避免的要经历两次月食，每次月食的有效阴影时间均在3小时左右。这对星上提供能量的蓄电池组的低温放电能力、温度维持能力以及各设备的低温耐受能力提出了更高要求。为确保能安全度过两次月食，卫星针对月食工况进行了充分试验。
“目前月表环境的输入条件，我们认为已经突破了。对于星上工作模式复杂的情况，研制过程中也安排了几次大型实验，都是很长周期的，模拟月表环境，模拟在轨所有的可能，来验证星上温度能不能控制住。实验结果都满足要求。”饶伟说。
无人参与
星际旅行会否迷航
同地球卫星相比，嫦娥一号卫星面对的情况更加复杂。迄今为止，历史上所有探月飞行的成功率约为48%。
进入环月轨道前，包括奔月飞行过程在内，“嫦娥一号”整个的变轨控制就靠制导导航与控制系统。在环月以后，卫星需要保持载荷对月观测，完成科学任务，同时驱动太阳翼展开并对日定向来获得能源，控制定向天线对地定向，保证科学数据能可靠传输到地面上来。这些定向也须依靠制导导航与控制系统。 “不管是奔月还是环月，对制导导航控制系统都提出了很多新的要求，必须去解决这些问题。”卫星系统总设计师叶培建说。
“地球的卫星只要两个轴就够了，所有的仪器对准地球，太阳能帆板对准太阳，两个对准了就可以干活。月球探测不行，必须所有的仪器对准月亮，通讯天线要时刻对准地球，帆板要对准太阳，也就是所谓的三体定向。”绕月探测工程月球应用科学首席科学家、中国科学院院士欧阳自远说，难点在于太阳、地球、月亮都在转动，卫星也在动，这几个角度没有时刻对准，卫星根本就无法工作。
为此，“嫦娥一号”的制导、导航控制包含了两个关键技术。一是研制了一台紫外月球敏感器，在绕月阶段能够适用，也对将来的深空探测有用。
“地球因为有均匀的红外辐射，能用红外地平仪直接获得卫星对地球的姿态，但月球没有均匀的红外辐射，就不能用常规的红外地球敏感器来测量。”嫦娥一号卫星总设计师顾问李铁寿说。
“另一个关键技术是，为了传输科学探测信息，我们需要一个不同于以往卫星的数据传输天线。”李铁寿说，以往卫星的姿态相对于地球是不动的，现在需要有一个可以转动的天线，来使天线指向始终对地。“这是一个新的技术，在过去的卫星上还没有用过。”本报记者余建斌
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