“嫦娥六号”任务是人类首次月背采样返回任务，难度不言而喻。由于受到月球自身的遮挡，着陆在月球背面的探测器无法直接实现与地球的测控通信和数据传输，“鹊桥”中继星成为架设在嫦娥探测器与地球间的“通信站”，搭建地月信息联通的“天桥”。除了月背采样，针对包括月球南极探测以及月球科研站基本型建设的探月四期工程，“鹊桥二号”是整个工程的“总开关”。
正所谓“鹊桥”就位打前站，只待“嫦娥”赴广寒！6年前的2018年5月25日晚，经过4天多的飞行后，“鹊桥一号”到达月球附近，在距月面约100千米处，携带105公斤单组元无水肼推进剂的推进系统实现了近月制动，四台20牛顿的轨控发动机点火912秒后正常关机，顺利进入月地L2平动点的转移轨道。因为各次轨道测量与控制的精度高，配合12个5牛顿推力的姿控发动机的精确调姿，速度控制误差小于0.02米/秒，原定的12次轨道控制只实施了5次，节省推进剂16.8千克。“鹊桥一号”于6月14日11时6分进入绕地月L2平动点运行的晕轮轨道，成为世界首颗运行在地月L2点晕轮轨道上的航天器。“嫦娥四号”借助“鹊桥”这个最强辅助，成为了世界上第一个在月球背面软着陆和巡视的探测器，我国也实现了人类历史上第一次月球背面与地球的中继通信。而“鹊桥二号”，是世界上第一颗大型地外专用中继卫星的后继卫星。相比于“鹊桥一号”，“鹊桥二号”的重量从425公斤提升到1200公斤，设计寿命从5年提高到了8年，对地通信码率从10兆bits/秒提高到了500兆bits/秒。
为了对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信保障，“鹊桥一号”所选择的任务轨道非常特殊，其运行在绕地月L2平动点的晕轮轨道上。我们知道，即便是低轨月球卫星，其轨道也会同时受到月球和地球引力摄动影响，是一个典型的限制性三体问题。相对于简单的地球卫星椭圆轨道，如何在复杂的三体问题中，找到适合月球卫星运行的复杂轨道呢？人类为此足足探索了300年。
想理解“三体问题”必须回到牛顿时代。1735年，在万有引力定律、牛顿力学定律的基础上，瑞士数学家约翰·伯努利父子给出了两个天体在万有引力作用下的轨道形状：这类轨迹在数学上被称为圆锥曲线。但是对于天体力学中更基本的力学模型：三体问题，即研究三个可视为质点的天体在相互引力作用下的运动规律，则一直困扰着科学家。在一般“三体问题”中，每一个天体在其他两个天体的万有引力作用下的运动方程都可以表示成3个二阶的常微分方程，或者6个一阶的常微分方程。因此，一般“三体问题”的运动方程为十八阶，必须求得18个完全积分才能得到完整的解析解。然而，目前还只能得到10个这样的积分，远未能解决“三体问题”。
1897年，瑞典与挪威的国王奥斯卡二世设立了奥斯卡二世大奖，其中的“三体问题”要求科学家给出“N体”中每个质点在任意时间上由已知函数构成的、一致收敛的级数解。当时年仅32岁的法国数学家、法国科学院院士、被誉为世界上最后一个“全能的数学家”亨利·庞加莱，凭借对“三体问题”的研究而获得了奥斯卡二世大奖。他获奖并不是因为找到了这个解，而是恰恰证明了‘三体问题’不能解决。面对这个问题，庞加莱还运用了他发明的拓扑学，最终发现了混沌理论，并证明三体运动是毫无规律的、不可预测的。因此在小说《三体》里，“三体人”生活在由三颗恒星组成的三体系统中，恒纪元与乱纪元毫无规律地交替出现，无法破解“三体问题”奥秘的“三体人”只能不断脱水、浸泡，艰难生存。
庞加莱还提出如果第三体的质量小到可以忽略不计，这样的限制性“三体问题”存在特解，即周期解。最先找到限制性“三体问题”周期解的是约翰·伯努利的学生、瑞士数学家欧拉。在三个天体总是处在一条直线上的条件下，他找到了3个周期解。此后，法国数学家拉格朗日在三个天体呈等边三角形构型的条件下，找到了另外2个周期解。这一族周期解被统称为“拉格朗日解”，而这5个特解所在的位置又叫作“拉格朗日点”，或者叫“平动点”。因为具有极强的稳定性，所以“拉格朗日点”是探测器、天体望远镜定位和深空观测的理想位置，在现在的航天工程中具有重要的作用。就地月系统而言，L2点附近晕轮轨道上运行的飞行器能够提供对地球和月球背面连续不间断的通信，因而是月球背面探测中继通信卫星的理想飞行轨道；而L4点和L5点的卫星能形成非常大的基线，是天基甚长基线干涉测量VLBI基站的理想部署位置。
绕L2平动点运行的轨道类型很多，在轨道力学中，以数学家朱尔斯·李萨如命名的李萨如轨道是一个准周期轨道，在其上运行的物体在不需要任何推进力的作用下，可以环绕三体系统中的一个拉格朗日点运动。而晕轮轨道则是周期性轨道，被看作是两个行星性物体的引力、科氏力和离心力互相作用于航天器的结果。每一个拉格朗日点都同时存在北晕轮轨道和南晕轮轨道。通过数值延拓和微分修正，学者们还发现了几类独特的、具有特殊应用前景的三体系统内局部周期性轨道，包括近垂直晕轮轨道、蝴蝶形轨道和大幅值逆行轨道。
与日地平动点轨道相比，航天器在地月平动点轨道的运行经验很有限。直到2010年,美国“阿耳忒弥斯”任务的两个航天器才首次进入了地月系统L1和L2平动点轨道，但运行时间较短。我国的“嫦娥五号”也在完成预定试验任务后进入地月L2平动点轨道进行了短期的飞行试验。而且这三个飞行器采用的都是李萨如轨道，“鹊桥一号”选择的则是晕轮轨道，轨道捕获和轨道维持控制的要求更高。
早在20世纪60年代，美国国家航空航天局开始针对月球中继通信卫星开展了深入的论证。知名的天体动力学专家罗伯特·法夸尔在其1968年的博士论文中首次提出了“晕轮轨道”这一概念。法夸尔还建议在美国“阿波罗17号”登月任务中，在地月系统L2点的晕轮轨道上使用卫星用作通讯中继站，但最终由于风险较大、技术复杂等原因而放弃。
法夸尔因“国际彗星探险者”项目而为世人所知，这颗著名的卫星在1978年8月12日在法夸尔的主持下发射升空时的名字还是“国际日地探险者3号”，是世界上第一颗发射到日地“晕轮轨道”上的人造卫星。五年后，周期为76年的哈雷彗星归来在即。身处“冷战”太空竞赛的各国纷纷动用人力物力，企图抢先发射卫星探索哈雷彗星，只有美国以成本太高为由拒绝参加此次太空竞赛。法夸尔却向太空总署提议，可以让“国际日地探险者3号”改变轨迹，飞向将于1986年掠过地球的“哈雷”彗星。法夸尔设计了一条繁复之极又无比精确的“追星”轨迹，让“国际日地探险者3号”多次变轨、转向，最终成功率先探测到了哈雷彗星。“国际日地探险者3号”也自此改名为“国际彗星探险者”。更精彩的是，卫星还在飞往“哈雷”彗星的途中顺便穿过了“贾科比尼-津纳”彗星的彗尾，由此成为第一个穿越彗尾的航天器。
而“嫦娥二号”卫星执行日地L2点驻留和飞越观测图塔蒂斯小行星的任务更加精彩绝伦。2011年6月8日开始，“嫦娥二号”从100千米环月轨道上经过2次逃逸控制进入转移轨道，经过约85天左右到达日地L2点附近，然后经过1次捕获控制进入李萨如轨道。中途修正控制采用标称轨道控制算法和轨道重构控制算法，利用共线平动点轨道控制的逐级微分改正法，实现了中途修正和目标轨道维持的能量最优化，使原定的4次转移中途修正减少为1次，原定每1～2个月进行一次的轨道维持，实际L2点绕飞近8个月时间，仅在2011年11月30日进行了一次轨道维持。绕飞L2点8个月后，“嫦娥二号”实施了2次飞离L2点的控制，进入到过渡李萨如轨道，然后采用遍历搜索和微分修正相结合的方法进行了3次中途修正，实施了1次飞越瞄准控制，“嫦娥二号”最终于2012年12月13日与小行星交会，国际上首次成功获取了图塔蒂斯小行星近距离清晰图像。
而法夸尔50年前关于地月通信中继卫星的设想终于在2018年6月实现。中国航天局在2018年6月14日将“鹊桥一号”中继卫星成功移动至地月L2点的晕轮轨道，Z向振幅约1.3万公里，可以实现对月球背面平均87.6%区域的覆盖。几个月后“嫦娥四号”使用“鹊桥一号”中继卫星进行了软着陆，并传回了世界上第一张近距离拍摄的月球背面的图像。
除了晕轮轨道，NRHO准直线晕轮轨道也十分有价值，其近月点距离月球只有2900公里，远月点却有7万公里，可以专门作为月球空间站围绕L2点运行的大椭圆轨道，近可登月、远可离开前往火星。不过NRHO轨道形状虽然简单，但是轨道维持却十分复杂，不管是把空间站发射到NRHO轨道上，还是深空飞船前往月球空间站，都远比现在的地球空间站困难100倍以上。
我们知道，晕轮轨道是三维非规则曲线，而且倾向于不稳定状态，需要轨道位置固定技术将卫星保持在轨道上，其轨道控制和维持的难度和复杂程度“确实挺让人头晕”。“鹊桥一号”就像一个调皮的孩子，不留神就可能会“离家出走”，甚至不知所踪。这就需要中继星时刻保持高稳定、高精度的姿态和角度。“鹊桥一号”装备了量身定制的高智能化、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元，摆脱了之前姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚。我们知道，光纤陀螺应用萨尼亚克效应以测量极高精度的旋转角速度。在一个闭合光路中，从同一光源发出的两束光相对传播，汇合到同一探测点将产生干涉，若该闭合光路存在相对于惯性空间的旋转，则沿正、反方向传播的光束将产生光程差，该差值与旋转角速度成正比。利用光电探测器测相位差即可计算出旋转角速度。另外，还通过优化控制点Z向速度、研究太阳光压引起的角动量累积规律，实现对轨迹重复性的精确控制，大大提高了控制计算的稳健性和灵活性。在1000米/秒高速在轨飞行过程中，速度控制精度误差不大于0.02米/秒，指向控制精度优于0.06°，姿态稳定度优于0.005°/秒，可以说是“在高速奔跑中还可以稳稳地做微雕”。这一“自主可控、毫厘不差”的能耐，让轨道控制周期延长到最长17天，平均每次维持的速度增量仅为0.39米/秒，对应的推进剂消耗只有约68克，为卫星安全、长期、稳定在轨运行打下基础。
相比之前发射的“鹊桥一号”，“鹊桥二号”中继星的设计寿命更长，达到了8年，将主要服务于“嫦娥六号”、“嫦娥七号”以及“嫦娥八号”等后续月球探测任务。尽管“嫦娥六号”任务的着陆区域不是月球南极，但是考虑到后续探月任务，“鹊桥二号”中继星在轨道设计上把远月点选择在月球南极地区上空。然后通过精心的调相控制，“鹊桥二号”在“嫦娥六号”探测器着陆月球取样的两天时间内，每天可以提供20小时以上的中继通信保障服务。所以“鹊桥二号”不是采用地月L2点晕轮轨道，而是环月大椭圆冻结轨道。
我们知道，虽然没有大气，但月球广泛存在的质量瘤使得低月球轨道变得不稳定，如果缺乏必要的升轨机动，大多数在低月球轨道释放的卫星最终会撞向月球表面。比如1972年4月24日的“阿波罗16号”任务期间，宇航员将一颗名为PFS-2的小型卫星释放到周期2小时的月球轨道上，这个轨道距离月球表面约88至121公里，结果卫星在环绕月球运行时，出现运动速率不平均及与月球表面距离变化很大的问题，最终卫星坠落到月球表面。后来研究发现某些特定的轨道倾角下，低月球轨道可以稳定存在，这些倾角的数值为27°、50°、76°和86°，其中86°的轨道倾角几乎在月球极地的正上空。再通过设计适当的初始参数可将轨道偏心率、轨道倾角和近月点位置发生的变化最小化。这就可以使得轨道处于一个长期不变的稳定状态，进而使得用于轨道保持的推进剂最少，这就是环月大椭圆冻结轨道。
“长征八号”可以把5吨载荷送到700公里高的太阳同步轨道，当然也可以把1.2吨的“鹊桥二号”游刃有余的直接打到42万公里的地月转移轨道。直接送到地月转移轨道就可以节省“鹊桥二号”自己的燃料，给后续变轨留够余量，增加实际使用寿命。发射大约115小时后，“鹊桥二号”抵达距离月面200公里时，开始进行近月制动。制动36小时后，“鹊桥二号”要进行一次削倾角机动，改变轨道截面。“鹊桥二号”的相对速度降低到了月球逃逸速度之下，从而被月球引力捕获。在顺利进入近月点约200公里、远月点约10万公里的月球捕获轨道后，“鹊桥二号”开始绕月球捕获飞行，轨道的周期为10天左右。再过36小时，“鹊桥二号”又再次制动，经过三次轨道控制后，最终“鹊桥二号”进入近月点约200公里、远月点约16000公里、周期为24小时的环月大椭圆冻结轨道。
通常在深空探测任务中，建立远距离数据通信的可靠链路最为困难，这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术。中继通信天线的尺寸直接决定了中继通信链路的性能，由于“鹊桥一号”的L2点晕轮轨道离“嫦娥四号”着陆器和巡视器的最远距离达到79000千米，所以“鹊桥”系列卫星采用了4.2米大口径的星载可展开高增益抛物面天线，这是人类深空探测史上最大口径的通信天线。这把“金色大伞”的金属网采用三根直径15~30微米的镀金钼丝并股加捻编织而成。恶劣的太空环境对天线带来严峻考验，在轨运行期间，“鹊桥”会经过一段没有光照的阴影区，最长可达4个多小时，阴影区温度平均-200℃左右，天线最冷的部件温度将达到-230℃，为了顺利通过如此严寒的考验，设计师们需要做大量试验保障伞状天线能够克服严酷环境、可靠工作。由于“鹊桥一号”只需要保障月球背面的“嫦娥四号”，且自身一直飞行在月球背面轨道，用一个天线面向月球和地球就可以完成任务。而“鹊桥二号”选择了绕月飞行，这样天线就不能同时指向地球和月球，因此“鹊桥二号”配置了另一个二维可驱动抛物面天线，直径大约只有0.6米、重约20公斤，保证每时每刻都能指向地面数据接收站，专门用来对地进行数据传输。
再生伪码测距技术具有消除无线电信号上行链路噪声的特性，能够增强测距信号下行链路有效功率，相比传统的透明转发测距技术有明显的优势，非常适合低信噪比条件下的深空探测任务使用。“鹊桥”系列卫星的USB数字应答机是我国首台S频段全数字化深空任务应答机，同时装备两台模拟应答机和两台数字应答机实现双点频异构备份，首次实现了再生伪码测距功能，大大提高了测距能力，测距灵敏度从-115dBm提升到-140dBm以上，为未来的深空任务应用奠定了技术基础。
在周期约24小时的使命轨道上，“鹊桥二号”在远月点距离月面的最远距离大约为1.6万公里，而“鹊桥一号”的距离最远达到了9万公里。在天线口径不变的情况下，通信距离的缩短让“鹊桥二号”提高通信速率具有了先天的优势。“鹊桥二号”把同时接收探测器的数据传输通道从“鹊桥一号”的2路提高到了10路，在大幅增加传输通道的基础上又大幅提升了通信速率，前向链路和返向链路的最高码速率均比“鹊桥一号”提高了近10倍。为了满足科学载荷的大数据量传输需求，“鹊桥二号”的对地数据传输链路的最高码速率提高了近百倍。为了服务众多探测器，“鹊桥二号”用于接收月面探测器数据的返向中继链路不仅要适应不同的调制方式，还要支持多达17种码速率，并能够根据需要自由切换。
超强的中继通信能力只是“鹊桥二号”的基本看家本领，在后续探月四期任务间还会有任务的“空窗期”，届时，“鹊桥二号”就会摇身变成为一颗“科学与技术试验卫星”。它携带了月球轨道VLBI试验系统、阵列中性原子成像仪和极紫外相机等科学载荷，将取得大量开创性的科学成果。
极紫外相机用于月球轨道上对地球周围的等离子层产生的辐射进行全方位、长期的观测研究，以获取地球等离子层三维图像，此设备早前搭载在“嫦娥三号”上，是国际上首次在月球表面着陆的极紫外波段的成像仪器。
我们还知道，月球没有稠密的大气和全球范围的磁场，绝大部分太阳风离子可以直接打到月表，被月表散射或对月表物质溅射而形成能量中性原子。阵列中性原子成像仪可以探测月表中性原子的参数特征，对于研究太阳风与月表微磁层的微观相互作用、月表溅射在月球逃逸层形成和维持中的作用等方面具有非常重要的价值。早前“嫦娥四号”搭载的阵列中性原子探测仪实现了人类首次在月表开展中性原子参数的就位探测，而“嫦娥四号”的着陆点正是位于月球最大磁异常区：雨海对趾区的东部边缘。探测结果表明，月球虽无全球性的偶极场，但有广泛分布的小尺度月壳剩磁，即微磁层。一些微磁层的强度可达上百nT，可造成太阳风减速和偏转，从而保护月面。“鹊桥二号”的阵列中性原子成像仪将全面探测月球微磁层的分布，这些微磁层将为月面探测活动提供相对安全的空间环境，对我国未来建立月球科研站具有重要意义。
“嫦娥“和”鹊桥“的地月转移、环月运行的每一次“优雅的转身”和“前进的步伐”，必须通过中国深空网干涉测量才能完成。各个航天机构都对干涉测量技术进行了研究及应用，美国利用其深空网干涉测量技术有力地支撑了其“阿波罗”登月工程、“旅行者号”探测器、火星轨道器“奥德赛号”、“机遇号”及“勇气号”等深空探测任务。前苏联在其金星大气风速测量中对“维加号”探测器进行了VLBI测量。欧洲利用自己的VLBI网络有效支持了“智慧1号”、“金星快车号”、“火星快车号”等任务。
VLBI甚长基线干涉测量技术在“嫦娥三号”任务中得到首次成功应用。早在2013年，佳木斯及喀什深空站初步建成，深空测控天线形成约4350千米的干涉基线。而后南美深空站和纳米比亚站干涉测量系统陆续入网，使我国具备全时段深空干涉测量覆盖能力，更丰富的基线构型将会进一步提升深空探测器测定轨的精度。甚长基线射电干涉测量技术利用两测站同时接收目标航天器或射电源的下行信号，对两测站接收的同源信号进行相关处理，利用得到的相关相位信息提取同源信号到达两测站的时延差，进而得到目标相对于测站的角位置信息。其是目前分辨率最高的天文观测技术，能获得亚毫角秒量级的极高空间分辨率，相当于在地球上能分辨出月球上篮球大小的面积，也能够以毫米的精度测量上千千米的基线长度，因此很早就被应用于空间探测器，特别是深空探测器的定位导航。
而“鹊桥二号”搭载的甚长基线干涉测量技术VLBI试验系统，将开展世界上第一个地月空间的VLBI试验。我们知道，人类史上第一个黑洞照片，就是用类似合成孔径雷达的原理，把地球上的很多个射电望远镜“合成”到一起，望远镜之间的距离越远，基线越长，合成的分辨率就越高。而地月VLBI就可以简单理解成，让地球上的“中国天眼”射电望远镜，跟几十万公里之外的“鹊桥二号”天线，合成一个更大的射电望远镜阵列，远比地球还大！合成地月望远镜的基线，从目前国内的4350千米，直接增加到38万公里，因而分辨率也极高，对人类来说是史无前例的，可以看到宇宙深处的秘密。当然目前“鹊桥二号”还只是试验，等到我们月球基地建成之后了，那时候我国建于环形山上的月球射电望远镜，可以跟地球上的射电望远镜一起，组合成真正的“地月射电望远镜”。
很显然，目前所有的深空航天器都依赖地面的测控技术进行定位和导航，所以无论太空探索任务在太阳系中行进至何处，航天器仍然像一只被拴在地球上的风筝，等待来自地球的测控数据，才能继续前行。目前地球轨道上的GPS或北斗卫星发射的信号，在月球上可以接收，但导航卫星的信号波束都是朝向地球发射的，而月球上的航天器显然无法保证能同时“蹭”到4颗导航卫星信号。虽然可以通过动力学定轨技术，分析一段时间内先后收到几颗卫星在某个弧段发来的数据，最终计算出自己的轨道，但是定位精度仅能达到200米至300米，实时性也无法保证。为实现未来载人登月和月球基地的建设，需要实现类似北斗的实时定位能力，就必须在近月空间建设具备定位、授时功能的“月球导航卫星系统”。“鹊桥二号”带了两颗小卫星：天都1号和2号，两颗卫星采用星地激光测距、星间微波测距方式开展环月轨道高精度定轨等技术验证，为未来“鹊桥通信、导航及遥感星座系统”提供设计参考。
然后，中国将稳步建设“鹊桥通导遥综合星座”系统，拟分三步走：2030年前后建成先导型星座，支撑探月工程四期和国际月球科研站等任务；2040年前后建成基本型，实现区域导航，服务载人月球探测、国际月球探测以及火星、金星探测等；2050年前后建成拓展型，实现火星、金星通信导航覆盖，服务火星、金星、巨行星探测和太阳系边际探测等。
“嫦娥六号”任务实现了人类在月球背面首次采样，“鹊桥”系列卫星也首次分别在绕地月L2点晕轮轨道和环月大椭圆冻结轨道上实现了月球中继通信，意义重大，举世瞩目。在更远的未来，“鹊桥”架起的不仅仅是地月之间的通信，更是整个太阳系的通信、导航和遥感三位一体的综合星座服务中枢。
