鹊桥正当空——中国小卫星有大发展 | 石豪
2018年12月30日，嫦娥四号探测器成功实施了变轨控制，顺利进入近月点高度15千米，远月点高度100千米的着陆准备轨道。
登月，万事俱备。
本期主要和大家聊一聊鹊桥号中继卫星。让我们一起看看，运行在月地L2点晕轨道的“鹊桥”，到底有什么本事。
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本文来自微信公众号：观察者网（ID:guanchacn） 作者：石豪
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2019年1月1日，新年的阳光洒满大地，也洒在月球永不示人的背面。
两天前，嫦娥四号探测器成功实施了变轨控制，顺利进入近月点高度15千米，远月点高度100千米的着陆准备轨道。
图片来源 @新华网
登月，万事俱备。
在与读者朋友共同回顾了中国航天的“超级2018”后，笔者想和大家聊一聊那个能让嫦娥四号月背之旅成行的“先锋官”——鹊桥号中继卫星。
这是嫦娥四号任务系列文章的第三篇，也是笔者专栏的新年第一篇，我们就来看看，运行在地月L2点晕轨道的“鹊桥”，到底有什么本事。
大题“小”做
在上一篇嫦娥四号专栏中，笔者与各位读者分享了鹊桥号中继星的任务目标，和为实现目标设计的复杂轨道。也许读者朋友会觉得，为了实现那么重大的目标，在那么复杂的轨道上运行，鹊桥号卫星应该很大吧？
恰恰相反，鹊桥号是一颗不折不扣的小卫星。
嫦娥四号中继星“鹊桥”
卫星本体长宽不到1.5米，高度不到90厘米，不管是在中继卫星圈子，还是月球与深空探测圈子中，鹊桥号卫星都是名副其实的“小个子”。
这样一颗小卫星，要在没有上面级帮助的情况下独自完成近月制动，高达数百米每秒的速度增量，令许多大卫星都望而却步。
这样一颗小卫星，要在复杂诡异的晕轨道上，随时调整姿态，把天线对准嫦娥四号的着陆器和巡视器。
这是人类历史上第一颗采用地月L2点晕轨道运行的应用卫星。
这就是嫦娥四号中继星“鹊桥”。
对于任务设计的严苛要求，“鹊桥”游刃有余。
鹊桥号采用成熟稳定的CAST100小卫星平台，通过深度定制，使整星既能满足月球背面通信中继任务需求，又能确保可靠性。整星分为平台和载荷两大部分：
近月制动需要很高的速度增量，因此设计师为鹊桥配备了一套单组元肼推进系统，采用4台20N发动机并联，执行近月制动和其他轨道控制指令。
为确保卫星姿态调整灵活，指向精度高，鹊桥号卫星采用了整星零动量三轴稳定的控制方式，能够对惯性空间任意指向，指向精度与稳定度表现优异。但是，这种控制方式在运用过程中需要定期引入外力对反作用轮系统进行“卸载”，否则反作用轮的速度将达到饱和失去效果。
对于近地轨道的卫星，一般通过地磁场产生的磁力矩就能完成卸载，而鹊桥号卫星工作在距地球40多万千米的晕轨道，无法利用地磁场，只能通过姿控喷气完成卸载。为此，鹊桥号卫星安装了12台5N发动机。
更多次的姿控喷气，将进一步增加了推进剂消耗，因此最终鹊桥号卫星携带了多于100千克的无水肼推进剂——这对于一颗发射重量不到449千克的小卫星，无疑是罕见的。
为保障有效载荷与平台的电能供应，鹊桥号卫星采用了近4平方米的高性能的三结砷化镓太阳电池阵，45安时的高性能锂离子电池组，寿命末期依然有近800W功率。
这所有的一切，都是为了与着陆器和巡视器实现连续、稳定、可靠的中继通信，中国造的“鹊桥”，很坚固。
大材“小”用
相信鹊桥号卫星给读者朋友留下最深刻的印象，莫过于那巨大的可展开天线：
这个展开后口径达4.2米的高增益伞状抛物面天线，是人类深空探测历史中口径最大的通信天线。让鹊桥号这样一颗小卫星用上如此庞大的天线，却是有必然性的。
在嫦娥四号的任务设计中，鹊桥号中继星要在X波段与着陆器和巡视器分别建立通信链路：
嫦娥四号任务通信链路 | 图片来源 吴伟仁、王琼等 @探月与航天工程中心
评价通信链路性能的最基本参数之一，是链路中的载波功率与噪声功率之比，简称载噪比，这个值越大，链路性能越好。
接收机输入端的载噪比C/N可以简单地用下面的公式给出：
在其他条件不变的情况下，载噪比的大小与发射天线的增益G_T，接收天线的增益G_R成正比。
由于嫦娥四号着陆器与巡视器无法携带更大的天线，增益上不去，因此只能尽量提高中继星的抛物面天线增益，才能保证系统通信链路的畅通。
而抛物面天线的增益，与其口径的平方成正比。
所以，鹊桥，尽情绽放吧。
绽放 | 图片来源 @中国航天科技集团
通过4.2米口径天线，鹊桥号卫星的增益达到了45dB，可实现对着陆器最高560kbps、对巡视器最高280kbps的接收码速率。鹊桥号中继星的对地传输采用S波段，中增益螺旋天线，最高码速率超过2Mbps，如果有需要，鹊桥号还可以调转方向，用伞状天线直接实现10Mbps的X波段对地数据传输。
除此以外，鹊桥号卫星还搭载了荷兰研制的低频射电天线等科学载荷，可在轨展开科学探测和技术验证试验，真正做到“革命生产两不误”。
鹊桥号卫星的部分有效载荷
“小”有成就
说完鹊桥，笔者想再聊一聊中国卫星的水平。
经常有读者和航天爱好者同笔者谈起中国卫星的发展状况，其中也不乏负面观点。前年在和一位航天爱好者聊天的时候，对方觉得中国卫星的水平低，寿命短，上天就翻车。
笔者并没有急着反驳，而是给这位爱好者朋友讲了一个冲击性的事实：发达国家的遥感卫星，寿命大多在8年到10年，而直到2017年，中国下大力气、投入大量经费的高分系列卫星，竟然没有一颗工作超过5年的！
这位爱好者朋友顿时惊呆，等他回过神来，那真是痛心疾首痛心绝气痛心切骨，痛说外国先进中国落后，最后说道“寿命那么短，越搞和国外差距越大，中国航天还有什么希望？”
这时笔者才开口：“谁说寿命只有5年的？”
“你不是说没有一颗工作超过5年的吗？！”
“高分一号是2013年发射的，一直在轨正常工作，到今天（2017年）也才4年多啊。”
姜太公钓鱼，愿者上钩。
虽说“钓鱼”可耻，但那位爱好者朋友的心态，也多少具有代表性。另外，到2019年1月1日，高分一号依然正常工作，还与新发射的高分六号组网运行。
“我的内心毫无波动，甚至还组了个网”
至于中国卫星的寿命，大型高轨平台我们已经达到了15年的世界水平，低轨遥感小平台上，也有令人欣喜的突破。
在刚刚过去的2018年，一对中国双子星迎来了它们的10岁生日。
上世纪90年代，面对自然灾害监测的高时效性需求，北斗卫星的创始人陈芳允院士提出了利用小卫星星座的应对方案。
在经历了与北斗类似的国际合作受阻后，2008年9月6日，我国自行研制的环境减灾一号A/B双星终于发射升空，每颗星的重量不到500千克，通过可见光与红外等探测手段，结合多光谱与超光谱探测能力，实现国土范围全覆盖的减灾与环境监测。
环境减灾一号A/B双星 | 图片来源 @五院航天东方红公司
双星设计寿命3年，但一工作起来就没黑没白。
到2018年9月6日，环境减灾一号A/B星已在轨运行10年，荣膺我国寿命最长的遥感卫星。
值得注意的是，除了B星的一个红外谱段外，双星的载荷依然能正常工作，为用户提供源源不断的数据。
更为值得注意的是，得益于精妙的轨道控制策略，双星分别携带的，用于轨道维持和转移的推进剂，都还有一半的余量。
长寿的低轨卫星在航天超级大国也是有的，美国的Terra（土）卫星就在轨服役了近20年，但那是一颗5190千克的超大型卫星，那是科技水平长年一骑绝尘的美国。
Terra卫星 | 图片来源 @NASA
本世纪初设计水平的环境减灾一号双星，已经走过了成功的10年，在各项指标正常，推进剂尚存一半的情况下，谁说它们就不能有第二个10年？
环境减灾一号卫星的研制单位，与鹊桥号中继星一样，是中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司，这是我国小卫星领域的龙头单位，也是东方红一号的传人。
高分一号、高分六号、高景一号、张衡一号……东方红公司的名片就是共和国的群星闪耀。
中国航天从弱到强，有中国小卫星人的无私奉献；在建设航天强国的征途中，他们是突击队，是生力军。为了航天梦，为了中国梦，他们努力奔跑。
因为，他们都是追梦人。
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背景简介：本文作者笔名石豪，科研工作者，航空航天观察者。 文章2018年1月2日发表于观察者网（https://m.guancha.cn/ShiHao/2019_01_02_485373.shtml），风云之声获授权转载。
责任编辑：项启瑞