環(huán)月降軌

從距離月球38萬千米之遙的地球到距離月背100千米的環(huán)月軌道，“嫦娥四號”離月背越來越近了。

根據(jù)既定方案，“嫦娥四號”要從距月面15千米處開始動力下降。因此，飛控中心首先要對它進(jìn)行環(huán)月降軌控制，將“嫦娥四號”的飛行軌道從100千米×100千米的圓形軌道調(diào)整為100千米×15千米的橢圓軌道。

實施降軌控制前，飛控軌道專家們經(jīng)過反復(fù)測算發(fā)現(xiàn)，按照當(dāng)前的飛行狀態(tài)，“嫦娥四號”雖然可以準(zhǔn)確進(jìn)入動力下降的起始點，但是時間上會比預(yù)定計劃晚50秒。盡管這個時間滿足不超過1分鐘的誤差約定，完全在可控范圍內(nèi)，但飛控軌道專家們綜合考量后續(xù)可能產(chǎn)生的控制誤差，決定再次調(diào)整環(huán)月降軌控制策略，進(jìn)一步提高控制精度，修正時間偏差。

2018年12月30日8時53分許，“嫦娥四號”發(fā)動機(jī)點火，按照飛控中心新制訂的策略實施15千米環(huán)月降軌控制。5分鐘后，軌控標(biāo)定結(jié)果顯示，“嫦娥四號”成功進(jìn)入100千米×15

千米的環(huán)月橢圓軌道。根據(jù)最新的軌道參數(shù)推算，“嫦娥四號”進(jìn)入動力下降起始點的時間偏差不會超過20秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足任務(wù)精度要求。

倒計時6小時

2019年1月3日凌晨4時左右，距離“嫦娥四號”實施動力下降還有6小時。

又一個新的情況出現(xiàn)了，根據(jù)最新地形文件及動力下降打靶分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)預(yù)定著陸點附近的地形不利于探測器落月，需要將落點位置向南調(diào)整1.7千米。

根據(jù)“嫦娥四號”運行軌道分析，只能通過調(diào)整動力下降時刻來規(guī)避不利地形。軌道專家組立刻展開“動力下降時刻對落點影響”的分析。調(diào)整參數(shù)、輸入模型、計算分析……在不到10分鐘的時間里，一個將動力下降時刻推遲1秒鐘以實現(xiàn)落點向南調(diào)整1.7千米的嶄新方案出爐，并交由任務(wù)現(xiàn)場的飛控組專家們審議確定其可行性。

凌晨5點，新的動力下降注入數(shù)據(jù)迅速生成并通過復(fù)核，一切準(zhǔn)備就緒。

2019年1月3日上午10時15分，激動人心的時刻終于到來了，動力下降開始的指令從飛控大廳里發(fā)出，通過“鵲橋”中繼星，發(fā)送至遠(yuǎn)在38萬千米之外的環(huán)月軌道上的“嫦娥四號”，7500牛變推力發(fā)動機(jī)準(zhǔn)確開機(jī)，動力下降開始。

此時，“嫦娥四號”在距離月背表面15千米的近月點以大約1.7千米/秒的速度環(huán)月飛行，在7500牛發(fā)動機(jī)反推作用下，相對月球的飛行速度正逐步下降。

約5分鐘后，“嫦娥四號”攜帶的降落相機(jī)開機(jī)，圖像通過“鵲橋”中繼星傳回地面，此時，它已經(jīng)可以清晰地看見月背這片神秘之地了。38萬千米外的飛控大廳里，大家都屏住呼吸，緊盯著眼前的巨型液晶屏，期待著能夠盡快親眼見證降落月背的壯觀景象。

月面越來越近，2019年1月3日10時26分，“嫦娥四號”穩(wěn)穩(wěn)地落在月球背面南極—艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，中國成為世界上第一個成功實現(xiàn)月球背面軟著陸的國家！

經(jīng)過飛控中心的精確計算，中國首次獲得“嫦娥四號”的落月點的坐標(biāo)為東經(jīng)177.5991°、南緯45.4446°，這也是人類首次到達(dá)月背的精確位置坐標(biāo)，在人類探月征程中具有重要的里程碑意義！

科普時間：“嫦娥四號”的著陸點坐標(biāo)是怎么計算出來的？

“嫦娥四號”要著陸月球背面，由于月球遮擋，傳統(tǒng)的測距、測速及甚長基線干涉測量技術(shù)在“嫦娥四號”動力下降階段無法發(fā)揮作用，整個降落過程中無法獲得無線電的定位結(jié)果。因此，基于視覺的定位技術(shù)成為“嫦娥四號”著陸點快速、高精度定位的主要技術(shù)手段?！版隙鹚奶枴笔窃摷夹g(shù)首次。

在執(zhí)行任務(wù)前，飛控中心利用“嫦娥二號”獲取的高分辨率數(shù)字正射影像圖（DOM圖），制作了覆蓋范圍約51千米×30千米的無縫高精度預(yù)選著陸區(qū)高清底圖，為“嫦娥四號”基于視覺的著陸點定位及著陸區(qū)的地形分析提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

接下來的工作就是運用計算機(jī)視覺技術(shù)將著陸過程中的降落序列圖像與著陸區(qū)高清底圖進(jìn)行匹配，從而求解著陸點的位置信息。由于著陸過程實時下傳的降落圖像斑塊效應(yīng)嚴(yán)重，我們在匹配定位處理前引入拋物線模型對圖像進(jìn)行了增強(qiáng)處理，有效提升了圖像質(zhì)量。

2019年1月3日10時23分03秒，“嫦娥四號”向飛控中心下傳了其降落相機(jī)拍攝的月球背面的第一張圖像，標(biāo)志著“嫦娥四號”正在一步步地接近月球背面，后續(xù)“嫦娥四號”陸續(xù)傳回多幅圖像，整個過程約10分鐘。

根據(jù)下傳地面的圖像信息可以判斷“嫦娥四號”實際降落區(qū)域就在我們的預(yù)選著陸區(qū)高清底圖內(nèi)，具備定位條件。20分鐘后，根據(jù)高壓縮比的降落圖像，飛控中心計算得到了初始落月位置。在“嫦娥四號”著陸后的第二天，即北京時間2019年1月4日，“嫦娥四號”再次下傳了一部分低壓縮比的降落圖像。利用這些數(shù)據(jù)，飛控中心進(jìn)一步精細(xì)化了著陸點的定位結(jié)果。

從“嫦娥四號”安全著陸月面那一刻開始，飛控中心的駕駛員立即進(jìn)入了緊張的工作狀態(tài)。現(xiàn)場的每個人都盯著屏幕上著陸器（“嫦娥四號”）和巡視器（“玉兔二號”）的位置姿態(tài)信息，偏航、滾動和俯仰角度都很理想，按照任務(wù)確定的“兩器分離”10條準(zhǔn)則，姿態(tài)這一關(guān)算是過了，可以按計劃實施“玉兔二號”月球車月面釋放后續(xù)程序。

月面釋放，所有可能都想到了嗎？

“兩器分離”是決定“嫦娥四號”任務(wù)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。分離前后工作還有哪些問題？所有的可能都想到了嗎？

在實施任務(wù)前，我們做了最壞的打算，如果一旦出現(xiàn)故障，不能實現(xiàn)“兩器分離”，“玉兔二號”無法駛到月面，我們在“嫦娥四號”頂部也要完成拍照，并下傳至地面。

“嫦娥四號”登陸月背時是南向著陸，“玉兔二號”要從“嫦娥四號”的南側(cè)踏上月背?！皟善鞣蛛x”前會使用“玉兔二號”的導(dǎo)航相機(jī)對周邊地形進(jìn)行感知。最初設(shè)計的飛行程序中，只對“嫦娥四號”南側(cè)（“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”一側(cè)）實施兩次成像，每次成像的俯仰角度不同，分別用于看近處和稍遠(yuǎn)處，而不進(jìn)行北側(cè)地形感知。專家給出的理由是“玉兔二號”導(dǎo)航相機(jī)對南部成像主要用于“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”作策略選擇;導(dǎo)航相機(jī)如果360°環(huán)拍兩圈，成像和下傳耗時增加則會推遲“兩器分離”時間，此時正值月午，擔(dān)心“玉兔二號”散熱不及時而發(fā)生故障。

我們當(dāng)時分析必須進(jìn)行360°環(huán)拍，如果不對“嫦娥四號”北側(cè)及周邊地形進(jìn)行考察，將無法全面掌握“嫦娥四號”周邊地形，若“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”后按照錯誤方向環(huán)繞“嫦娥四號”，將嚴(yán)重影響月晝下午行駛到“嫦娥四號”北面完成“兩器互拍”的任務(wù)。經(jīng)與探測器系統(tǒng)專家分析研究，提出了調(diào)整導(dǎo)航相機(jī)俯仰角度進(jìn)行環(huán)拍一圈的策略，在不增加成像耗時的基礎(chǔ)上，確保對南北向及周邊環(huán)境的成像感知，一舉兩得。

按照制定的環(huán)拍策略完成“嫦娥四號”頂部環(huán)拍后，所有人都焦急地等待地形數(shù)據(jù)處理結(jié)果。2019年1月3日19時40分，地形產(chǎn)品終于制作完成。

從環(huán)拍成像結(jié)果上看，“嫦娥四號”南面東側(cè)只有一個已經(jīng)退化的撞擊坑T3，地形條件可能比西側(cè)更好，按照此前的后續(xù)移動策略，可能會選擇東側(cè)路徑。但是從“嫦娥四號”北面看，東側(cè)后續(xù)將無路可走，無法到達(dá)原定“兩器互拍”點。當(dāng)看到這張圖的時候，所有人都驚出了一身冷汗。若是沒有進(jìn)行環(huán)拍，按原計劃從東側(cè)向北部繞行是極可能誤入歧途的。幸好我們作出了正確的決定。

突如其來的多徑效應(yīng)

異?？偸遣黄诙?，飛控中心在進(jìn)行測控遮擋和駛離區(qū)域地形分析的工作時，突然發(fā)現(xiàn)“玉兔二號”全向天線B機(jī)AGC（自動增益控制）電平在太陽翼展開、桅桿展開、桅桿動作以及移動時都會產(chǎn)生波動，影響指令發(fā)送和遙測信息接收。由于整個過程都未發(fā)現(xiàn)天線遮擋，因此懷疑是由于“嫦娥四號”桅桿和定向天線反射的中繼星電磁波造成了多徑效應(yīng)，由相位相反的反射信號抵消了部分直射信號的功率，造成接收信號減弱。

大家的神經(jīng)一下子就緊張起來，如果“玉兔二號”不能正常接收地面遙控指令，就可能永遠(yuǎn)停在“嫦娥四號”的陰影里，如果出現(xiàn)這種情況，后果將是災(zāi)難性的。

定位分析完成后，最終決策將桅桿收攏以完成后續(xù)分離過程。2019年1月3日22時26分，地面發(fā)令實施桅桿收攏，后續(xù)AGC電平雖仍有變化，但未再接近門限值，整個分離過程中繼鏈路鎖定正常，指令接收正常?！坝裢枚枴苯K于“低著頭”安全駛下“嫦娥四號”，大家都松了一口氣。

向左還是向右

成功釋放“玉兔二號”后，它向哪里走非常關(guān)鍵，既要盡快駛離“嫦娥四號”陰影區(qū)，又不能出現(xiàn)行走安全問題?！坝裢枚枴庇?個選擇：直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。實際任務(wù)中，須對測控遮擋、陰影情況和月面地形進(jìn)行綜合判斷，并最終確定駛離策略。

第一階段決策：根據(jù)中繼星的位置信息，“玉兔二號”隨“嫦娥四號”的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)下降到月面上時，可能存在“嫦娥四號”對“玉兔二號”的測控遮擋。進(jìn)一步分析表明，“嫦娥四號”南向的地形信息顯示路徑左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向均存在障礙，直行路徑上無障礙。

因此，最后決策采用自主直行不避障的方式駛離。事實上為了確保萬無一失，我們?yōu)榉乐钩霈F(xiàn)控制系統(tǒng)故障，“玉兔二號”要一直開向前方的大坑，但為避免進(jìn)入大坑，需要在“玉兔二號”安全駛離“嫦娥四號”后，地面立即發(fā)送遙控指令刪除直行指令。

第二階段決策：2019年1月3日21時58分左右，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)下降到月面，開始第二階段決策過程，考慮“嫦娥四號”不遮擋“玉兔二號”中繼鏈路，建議采用地面控制“玉兔二號”移動3000毫米的方式駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)。22時11分，最終駛離方式確認(rèn)，地面刪除了之前上注的自主直行走出陰影區(qū)的指令，采用地面控制方式駛離。

從上面的控制過程可以看出，控制方案雖然在任務(wù)前已制定完成，但在著陸月面后，須根據(jù)實際情況分階段地不斷進(jìn)行調(diào)整，這也是月面遙操作的復(fù)雜之處。

A點成像

“玉兔二號”移動至月面到達(dá)X點后，馬上開始了X點定位計算和X點向A點（“玉兔二號”在“嫦娥四號”南側(cè)預(yù)定成像點）感知規(guī)劃。在這一節(jié)點上，必須確保X點對A點完成感知且數(shù)據(jù)下傳完成，并在下一次進(jìn)站之前完成X點向A點移動規(guī)劃。

開始實施X點對A點感知時距離出站設(shè)置還有2小時，X點對A點成像結(jié)果下傳時距離出站設(shè)置還有30分鐘。大家都盯著屏幕上一幅幅傳來的圖像。30分鐘完成傳圖，時間上應(yīng)該是夠的，但是已經(jīng)基本沒有余量，如果傳圖期間發(fā)生任何一個意外，對整個工作計劃就會產(chǎn)生較大的影響。

時間一秒一秒地流逝，最后一幅圖像下傳完成之后，也到了該進(jìn)行出站設(shè)置的時間，所有人的心都踏實了。突然，圖像分析人員報告圖像描述文件中成像機(jī)構(gòu)角度信息查詢數(shù)據(jù)庫返回錯誤，無法自動生成圖像描述文件。這又是一個始料未及的突發(fā)狀況，若是圖像描述文件無法建立，后面就沒有辦法生成地形圖，會直接影響后續(xù)的路徑規(guī)劃工作。

經(jīng)過分析，得知是備份節(jié)點上數(shù)據(jù)庫存在異常，此時如果等待數(shù)據(jù)庫恢復(fù)再自動生成描述文件顯然已經(jīng)來不及。大家在虛驚一場后，迅速開始一行一行地手動編輯生成圖像描述文件，最終順利完成了圖像描述文件的編輯和校對工作，確保了進(jìn)站前路徑規(guī)劃工作的完成。

由于時間緊迫，沒來得及把“嫦娥四號”的桅桿直立，“玉兔二號”的這張“歪脖”照多少留下了一些遺憾，而這是“嫦娥四號”最后一次機(jī)會拍攝“玉兔二號”順光正面照。

科普時間：月球車為什么要“午休”？

當(dāng)太陽在月球上升到最高點前后，月午來臨時，月球表面氣溫達(dá)到最高，“玉兔二號”表面的溫度將超過100℃。此外，再加上真空和強(qiáng)輻射等極端環(huán)境，如果月球車在此時運行，可能會導(dǎo)致設(shè)備故障和車體受損。

“玉兔二號”在月午前會轉(zhuǎn)動車頭向西，并進(jìn)入最小工作模式，只保留綜合電子分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)工作的基本要求，關(guān)閉其他所有設(shè)備，進(jìn)入月午“避暑”。之后，地面若是發(fā)現(xiàn)車體溫度仍然很高，會豎起太陽翼進(jìn)行“遮陽”降溫。

（摘自北京科學(xué)技術(shù)出版社《月背征途：中國探月國家隊記錄人類首次登陸月球背面全過程》??? 作者：北京航天飛行控制中心）

（圖注：嫦娥四號;飛控大廳內(nèi)緊張工作的飛控團(tuán)隊;“玉兔二號”頂部環(huán)拍地形圖;“嫦娥四號”動力下降過程拍攝的圖像;“玉兔二號”駛離“嫦娥四號”。這是人類探測器在月球背面留下 的第一履足跡）