月球南極和背面常被視為探月科考的理想地區，比如嫦娥四號已經成功登陸了月背，未來嫦娥七號也將登陸月球南極。但由于這些地區與地面之間沒有直接的可視和傳輸路徑，因此必須要靠軌道上的中繼衛星來與地面站建立通信，將數據傳輸回地面，這也就是嫦娥四號月球探測器為何需要鵲橋中繼星的原因。

鵲橋經久耐用的原因

自2018年5月21日發射成功，6月14日進入地月拉格朗日L2點的使命軌道以來，鵲橋已經經歷了3年的服役周期，這已經超過了最初設計的使用年限，那么鵲橋為何能長時間運轉呢？

鵲橋基于中國空間技術研究院旗下的航天東方紅衛星有限公司的CAST100小型衛星打造，太陽能電源系統采用了三結砷化鎵太陽能電池，輸出功率可達780W。

鵲橋的飛行軌跡 / 航天東方紅衛星

設計之初，為了確保鵲橋能夠在太空中正常運轉，工程師們在這上面花費了大量的時間。總設計師張立華提到，他們花了兩年多的時間研制，在不到四個月的時間里在地面進行了1300多個小時的測試。因為在中繼星運行的過程中，不僅需要抵抗輻射，還要不時經過一段長達四個多小時的陰影區，溫度最低可至零下230攝氏度，這對衛星天線以及其中的元件穩定性與可靠性來說都是極大的考驗。

除此之外，在與發射器分離后，鵲橋并非直接被架設在指定軌道上，而是被放置在一個月球借力飛行軌道上，這也就是為何直到6月14號才進入使命軌道的原因。這么做固然會耗費一定的時間，但同時也節省了能源和燃料。在定期在軌維護后，衛星還有近8年的壽命。

如何保證地月中繼通信

中繼通信衛星需要建立四個不同的通信線路，地面站與中繼衛星之間的雙向鏈路，以及中繼衛星與月球表面探測器之間的雙向線路。利用不同的頻率和射頻矩陣開關，四個中繼通信鏈路都可以使用同一個拋物面天線。

由于采用了窄波束角，中繼通信天線的指向精度至關重要。經過位于上海的地面天線測試，由鵲橋向地面天線發送載波信號，以此計算誤差，最終得出中繼通信天線的指向誤差小于0.1°，還要優于0.2°的要求精度。

到了2020年末，著陸器與玉兔2號月球車已經在月球進行了總時長長達25個月球日的任務，在月球表面行駛了600米以上的距離。在月球夜晚，兩者就會進入休眠模式，直到月球的白天才喚醒，再度打開所有科學儀器。

鵲橋與月球和地面之間的通信鏈路 / 航天東方紅衛星

地面站以1000bit/s的速度將指令發送給鵲橋，接著鵲橋將這些指令以125bit/s的速度分別傳輸給著陸器和月球車。隨后著陸器與月球車分別以555kbit/s和285kbit/s的速度將遙測和科考數據發給中繼衛星，鵲橋再以2Mbit/s或4Mbit/s的速度將數據匯總發給地面基站。

之所以會有這樣的速率差異是因為相對距離以及采取的波段有所差距，比如鵲橋與月球表面使用的統一X波段(7-8GHz)，以及鵲橋與地面之間使用的統一S波段（2-4GHz）。由于著陸器和月球車功率有限，X波段可以為其減輕大量的通信負擔，中繼衛星也只需要用到兩個20W的放大器即可，而中繼衛星與地面之間的傳輸則需要用到兩個43W的固態放大器。

展望探月未來

中國探月工程總設計師吳偉仁透提到，探月工程四期的實施方案已經完成論證，未來有望在月球南極建立國際月球科研站。今年三月9日，中國與俄羅斯也簽署了合作建設國際月球科研站的協議，分享空間科學等技術方面的檢驗，一同開啟下一輪探月計劃。

而科研站所需的速率自然遠非初期探索可比，也對傳輸速率提出了更高的要求。未來的中繼衛星很可能會采用Ka波段（26.5-40GHz）這樣更高頻率的波段，甚至是更加先進的光通信技術。