拍摄：我们的太空 吕炳宏

月球是地球唯一的天然卫星，陪伴地球已经超过45亿年。它对地球地轴指向、自转稳定、周期潮汐、夜晚照明等有着巨大意义。可以说，离开了月球，地球根本不会是今天这种光景。

1.人类永远只能看到月球的“一面”

由于地球强大引力的影响，月球也付出了很大代价：地球将它的自转周期减慢为与围绕地球公转周期完全一样，也就是潮汐锁定。

在这种效应下，身处地球的人类基本永远只看到月球的“正面”，只能在月球的天秤动效应下（月球轨道是椭圆，在轨道不同点的公转速度不同，月球自转也相对地球轨道面有一定倾角）看到月球“背面”一小部分（积累下来的极限是18%）。但总体来看，人类是无法看全月球背面的。

人类在地球上永远只能看到的月球正面（左）和看不全的背面（右）（图片来源于NASA）

即便到了载人航天时代，由于月球整体的阻拦，背面成了地面通信的禁区。在过去的60年内，人类已经发射了超过百个月球探测器，其中有65个月球着陆器，但仅有非载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗8/10/11/12/13/14/15/16/17看到过月球背面，没有任何一个能够实现月球背面的着陆。

也正因如此，人类关于月球背面的阴谋论和谣言甚嚣尘上，外星人基地、纳粹残余、月球人家园，这些甚至广泛出现在各种科幻作品中，各种演绎充满想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”（尽管实际上背面也能被太阳照到，只是人类看不到而已）。

为实现月球背面的探测、登陆与研究，就必须把信号传递到那里。现在这个方案就是中国嫦娥四号登陆信号中继星，人类历史上首个，妥妥的。

2. 信号中继卫星，是什么？

相信大家也可以想到：载人飞船环绕地球运行时，90分钟左右就能绕地球一周，如果到地球背面时，该怎么联系？

主要有三种方案：

1.全球布网测控站，但需要世界范围内都买单的强大政治影响力，还有海洋无法建站因素，显然很难；

2. 建立移动测控站，比如我国前后7艘远望号测量船中的2艘左右会在火箭发射时驶入大洋，但显然每次都航行到地球另一侧不现实；

3. 在太空中建立信号中继卫星网络，它们运转在距离地面35786千米高的轨道，与地球自转同步，只要3-4颗足够覆盖全球，它们就是“天眼”，但技术难度显然最高。

第三种提到的就是信号中继卫星，它们的功能就是接收、加工、转发其他卫星的信息，换句话说：“卫星的卫星”。拥有这个技术的国家/地区有美国、俄罗斯、欧洲、中国、日本，但目前处在完整工作状态下的中继卫星通讯系统中，仅有美国和中国能够实现全球覆盖。

举个典型的例子，2003年，中国航天第一人杨利伟进入太空，彼时他只能在飞到中国附近卫星测控站时才能与地球联系。无论是跟国防部长通话还是跟家人问候，一次大概5分钟就必须草草结束。

王亚平授课是通过天链一号系统（图片改编自中新网）

而到了2013年神舟十号，王亚平就已经能在太空中实现51分钟的太空授课，期间飞船绕了地球大半圈。到了神舟十一号，景海鹏和陈冬已经能看地面电视直播了。

他们依赖的就是我国覆盖全球的四颗信号中继卫星，天链一号。

3. 为了嫦娥四号，咱也送一颗中继卫星去月球？

为探测月球背面发射信号中继星，在1960年代NASA准备阿波罗登月项目时就有提出，直到任务结束也没有被立项。现在最多的应用是在众多火星轨道器上，它们既探测火星，又为地面上的火星车和着陆器中继信号。

嫦娥四号将在年底成为人类历史上第一个踏足月球背面的探测器。既然月球挡住了背面，为了给嫦娥四号和玉兔号月球车实现信号转发服务，它的信号中继卫星需要提前出发准备，这自然也是人类历史上首个月球信号中继卫星。

嫦娥四号信号中继卫星带有一个口径4.2米的伞面天线 （图片来源于吴伟仁等，详见注1）

在2018年4月24日中国航天日，这个中继卫星被命名为“鹊桥”，想必这个名字的典故和来历，不需要补充了。

不过不同于大型的天链系列卫星，鹊桥使用的是我国空间技术研究院CAST100卫星平台，这是一个微小卫星通用平台，因而鹊桥也的确“身轻如鹊”，只有包含燃料也仅有几百千克。

为了稳定在遥远的深空同时保证对地月通讯的稳定，鹊桥必须定位在一个叫做地月拉格朗日二点的位置附近，选择一条独特的Halo轨道。在此前2014年的嫦娥五号T1测试飞行器已经验证了相关轨道转移和控制技术。

拉格朗日点又叫做平动点，对于两个天体而言，它们的综合引力影响在这些点（共计5个）达到平衡，那么航天器处在这个位置附近的Halo轨道时将会相对两个天体几乎静止。拉格朗日二点就是引力平衡、在较小天体外侧的点，在月球背后。因此，选择这个点有三个重大优势：

a. 随着这两个天体一同运动并与二者处在几何关系几乎不变的状态；

b. 两个天体引力平衡，卫星所需要的轨道维持燃料极少；

c. 没有天体遮挡，一直暴露在日照之下，太阳能丰富。

中继星与地球、月球的轨道关系 （图片来源于吴伟仁等，详见注1）

因此，对于设计寿命5年的信号中继星而言，它能够轻易稳定在这个轨道数十年，足够中国、乃至叶培建院士提出的也可以帮助其他国家类似月球背面任务使用。

在2018年底，嫦娥四号抵达月球背面时，这个鹊桥“天眼”将会执行任务的指令发送、信号中继、数据下载等功能，成为链接地球与月球的“鹊桥”。