嫦娥四號月球背面南極-艾特肯盆地著陸區選擇

李飛 趙洋 楊眉 張熇 吳學英（中國空間技術研究院）

嫦娥四號實現了人類首次月球背面軟著陸。選擇既滿足工程約束又具有較高科學價值的著陸區，是著陸任務設計需要解決的首要問題之一。嫦娥四號著陸區選擇在月球背面南極-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地內，同嫦娥三號平坦的虹灣著陸區相比，月球背面地貌以高地為主，遍布撞擊坑，地形較為崎嶇，存在無大面積平坦區域和地形可能對著陸區內探測器造成光照、測控遮擋等難題。本文對嫦娥四號著陸區選擇的影響因素進行分析，歸納出科學和工程共計10個影響因素，提出了基于實現性、可達性、安全性的著陸區多層次優選方法。

1 引言

嫦娥四號探測器于2019年1月3日著陸于月球背面馮·卡門撞擊坑預選著陸區，實現了人類首次月球背面軟著陸，開展就位與巡視探測，并通過中繼星將探測數據傳輸回地球。月球背面分布著大量高地地形，遍布著撞擊坑。在月球背面的南部分布著著名的SPA盆地，嫦娥四號任務的月面探測區域就選擇在這里。相比嫦娥三號任務的虹灣著陸區而言，SPA盆地存在兩個方面的明顯差異：一是虹灣屬于平坦的月海地形，而SPA盆地屬于高地地區，地形更加崎嶇復雜，很少有大面積的平坦區域；二是SPA盆地內眾多的撞擊坑邊沿可能對探測器的通信和光照造成遮擋。

因此需要充分考慮上述因素，在SPA盆地內進一步優選著陸區，一方面確保著陸的安全，另一方面保證著陸器和巡視器著陸后滿足測控中繼、能源、熱控等條件以正常開展探測工作。此外，還需要考慮工程可實現性，因為嫦娥四號著陸器、巡視器主要繼承嫦娥三號著陸器、巡視器平臺產品。

2 月球著陸區選擇概述

自1966年蘇聯的月球-9（Luna-9）著陸器至2013年中國的嫦娥三號探測器，人類共計有20個探測器實現了月球軟著陸（包括6次載人的“阿波羅”任務）。在歷次月球著陸任務中，蘇聯、美國和中國均將著陸點選取在月球正面的中低緯度區域，尚未有探測器選擇在月球背面著陸。主要原因包括：第一，月球正面地形地貌以月海為主，其地勢寬闊平坦便于探測器著陸，而背面高地居多，其表面撞擊坑密度更高，地形更崎嶇，著陸的風險也相對更大；第二，由于月球自轉周期與公轉周期時長相同，月球總是以相同的一面朝向地球，探測器著陸至月球背面后無法實現對地直接通信，極大地增加了任務的難度和復雜度。但是，鑒于月球背面的位置特殊性，使其具有月球正面所不具備的特點，對其探測將會獲得更為豐厚的科學回報。一方面，它屏蔽了來自地球的各類無線電信號，是對宇宙電磁波譜探測的最佳地點；另一方面，具有月球最大、最深、最古老的SPA盆地，保存了月球的早期信息，因此對于研究月球和地月系的初期歷史和演化、深層次的構造和成分具有重要意義。

嫦娥四號主、備著陸區

歐洲航天局（ESA）、美國國家航空航天局（NASA）等組織對月球背面著陸開展了預先研究工作，基本都將著陸區定位在SPA盆地內。如ESA的“宇宙遠景”（Cosmic Vision）計劃的第4次中級任務（M4）候選任務“月球背面”（FARSIDE），原計劃在2025年發射探測器著陸到月球背面的SPA的中央區域，但未給出具體的范圍（該計劃目前已取消）。NASA在2005年提出的“月出”（MoonRise）方案的SPA采樣返回任務中也未給出詳細位置。NASA聯合高校提出的地月L2-月球背面載人探測任務中，選擇機器人的著陸區為SPA的薛定諤盆地（Schr?dinger Basin）內部相對平坦的區域，中心位置為75°S，132.4°E，整個盆地直徑320km，深度約4km。選擇薛定諤盆地的原因是由于它是較為年輕的、保存最好的撞擊盆地，具有較高的科學價值。

由于國外任務均處于預研階段，所以大多數未開展較為深入的著陸區選擇方法研究，或者僅從科學價值上給出了初選區域。嫦娥四號任務的著陸區選擇有較大的不同，因為其探測器和技術均具有一定繼承性，因此著陸區選擇受到科學上、工程上多項影響因素的約束。

3 著陸區選擇影響因素分析

嫦娥四號從科學需求、工程可實現的角度，選擇著陸區需要考慮以下因素。

科學探測需求

嫦娥四號任務的科學目標為：①低頻射電天文觀測與研究；②著陸區地質特征探測與研究；③月球背面月表環境探測與研究。SPA盆地的范圍是從月球的南極延伸到直徑135km的艾特肯（Aitken）撞擊坑，是太陽系中已經識別的規模最大的撞擊盆地之一，探測SPA盆地具有較高的科學價值和意義。SPA盆地的中心緯度位于40°S～60°S，中心經度位于180°附近，直徑達2000～2600km。

深部月殼和月幔成分是當今月球科學研究的關鍵問題之一，對于了解月球形成初期的分異作用，探究月球的二分性（即月球正面和背面的地形地貌、結構、物質成分、月殼厚度的分布等具有的明顯差異）的成因具有重要意義。但是，目前尚無法通過遙感手段直接獲得準確的深部月殼和月幔的成分。SPA盆地是最有可能發現月幔物質的盆地。因此，它是探測和研究深部月殼及月幔物質的理想區域。

工程實現需求

（1）對中繼星通信需求

月球背面南極-艾特肯盆地

中繼星的使命軌道是位于地月L2平動點的暈軌道。軌道的平均周期約為14天，中繼星距月不超過8×104km。為確保中繼數據傳輸時間，應盡可能保證所選擇著陸區對中繼星使命軌道指向無月球本體遮擋，著陸區經度方向對該遮擋有一定要求。

（2）熱控適應能力需求

月球緯度越低，即越靠近赤道，則對應位置的正午太陽高度角就越高，著陸于該位置的探測器的溫度就會越高。嫦娥四號探測器熱控分系統充分繼承了嫦娥三號探測器的熱控設計狀態，因此嫦娥四號著陸區緯度應同嫦娥三號相近。嫦娥三號實際著陸位置約為44.1°N，通過實際在軌月晝工作溫度數據分析，可得到滿足熱控分系統的適應能力的緯度范圍。熱控能力對著陸區經度無要求。

（3）月面能源供給需求

月球緯度越高，即越靠近極區，則對應位置的正午太陽高度角就越低，著陸于該位置的探測器所獲取的能源就會越少。嫦娥四號探測器電源分系統繼承嫦娥三號技術狀態，因此嫦娥四號著陸區緯度應同嫦娥三號相近。著陸區緯度應滿足電源系統的發電能力和器上的功率需求。能源供給能力對著陸區經度無要求。

（4）航跡高程起伏變化

由于月球背面的地形起伏較大，在動力下降過程中，著陸器制導、導航與控制（GNC）分系統將在預定高度引入導航敏感器的測距信息。航跡高程大尺度變化可能影響著陸安全性，需要航跡高程起伏變化盡可能小，滿足控制系統需求。

（5）著陸區范圍需求

SPA盆地內地形崎嶇復雜，無法找到類似嫦娥三號任務大范圍平坦的著陸區，因此要求嫦娥四號著陸區在滿足各項軌道預報誤差、在軌控制誤差的情況下，盡可能縮小范圍，以尋求相對平坦的月面區域。

1）在經度方向上需考慮如下因素：①中途修正、近月制動等軌控誤差的影響，環月軌道傾角相對標稱設計值會存在一定誤差，需考慮該誤差在著陸區經度方向的傳遞。②為進一步縮小著陸區經度范圍，可考慮在100km×100km環月運行時根據環月后軌道預報情況，擇機進行一次軌道面調整變軌機動，將著陸點經度偏差縮減，會帶來少量速度增量的增加。③通過動力下降過程中打靶仿真，動力下降過程中導致的著陸區經度方向存在千米級的偏差。

2）在緯度方向上，在考慮動力下降初始點軌道預報誤差、著陸器7500N發動機推力偏差等因素后，應通過動力下降仿真打靶計算著陸區緯度方向的偏差。

綜上分析，著陸區經度方向范圍為±（1°～2°），緯度方向范圍為±（0.5°～1°）。

（6）動力下降測控弧段需求

滿足著陸前測定軌精度和上行數據注入等在軌操作的要求，以及著陸后地面站具備對中繼星較長時間連續弧段的測控能力。

（7）著陸時太陽高度角的約束

為滿足著陸過程GNC導航敏感器、降落相機工作及著陸后狀態設置、兩器分離等操作的需要，著陸時刻太陽高度角的要求滿足一定的范圍，且盡可能小。

（8）軌道可達性的需求

按照嫦娥三號的軌道設計，環月軌道為90°傾角，考慮月球自轉規律，每一圈對應的器下點不同，即嫦娥三號對應不同發射窗口和著陸窗口的著陸點均不同。由于月球背面地形崎嶇復雜，很難找到類似嫦娥三號的大面積滿足著陸條件的地區，嫦娥四號月球背面著陸需要結合軌道可達性，優化環月軌道設計，最終確定著陸點。

（9）具備推遲著陸的需求

考慮在軌故障的可能，應具備推遲一天的著陸能力。推遲一天著陸，器下點向西變化約13°，因此要求在主著陸區向西13°左右選擇備選著陸區。月球背面重力場復雜，環月軌道攝動明顯，需結合環月軌道近月點高度和近月點幅角攝動漂移情況，考慮主、備著陸區的高程差，以滿足動力下降初始點的高度和緯度需求。

4 著陸區優選分析

由前所述，著陸區選擇受到多重因素的制約。在滿足科學探測需求的前提下，本文提出了嫦娥四號著陸區的多層次優選方法，主要思路為分別根據任務的實現性、可達性、安全性依次逐步選擇并縮小著陸區的范圍。

步驟一：實現性

由于嫦娥四號充分繼承了嫦娥三號，因此要求著陸區應盡可能適應嫦娥三號的通信、熱控和電源的能力，以確保可在月面長期正常工作。特別對于新增的中繼需求，在安全著陸后，應結合中繼星軌道設計，確保著陸器、巡視器對中繼星的通信鏈路全時段可見。熱控、電源因素限制著陸區的緯度方向，中繼通信因素約束著陸區經度方向，以此初步篩選出SPA內大范圍的區域。

步驟二：可達性

對環月軌道進行優化設計，在步驟一選擇的區域內給出器下點所覆蓋的區域，并考慮通過增加環月軌道面調整的變軌機動以增加可到達區域，進一步縮小著陸區范圍。

步驟三：安全性

著陸區應滿足動力下降安全著陸的要求和月面長期工作的安全性要求。需要考慮的主要因素包括著陸區的地形平坦性，地形對光照、測控遮擋情況，以及具備推遲一天著陸的故障應對能力。其中地形平坦性需要考慮坡度、撞擊坑和石塊分布等因素。根據上述因素，在步驟二所選區域內，最終選擇出主著陸區和備著陸區兩個著陸區，每個著陸區范圍為經度±2°、緯度±1°，備選著陸區位于主著陸區向西13°左右，任務以主著陸區著陸為主，如在軌發生故障，推遲一天后著陸在備選著陸區。具體選擇方法：以兩個長方形區域（經度±1.2°、緯度±0.5°）為一組在步驟二所選擇的區域內進行遍歷搜索，其中兩個長方形在經度方向上相差13°左右，緯度方向上基本一致。對每個長方形區域均開展坡度分析、撞擊坑分布分析、石塊分布分析、地形對光照與測控遮擋分析，根據分析結果對每對長方形區域進行評分，根據評分的情況確定最終的著陸區。

嫦娥四號著陸區的多層次優選方法

SPA盆地中滿足實現性原則的范圍

主著陸區高程分布圖

備著陸區高程分布圖

針對步驟一進行分析，滿足條件的著陸區位于經度180°±19°，緯度40°S～55°S的范圍內。該區域高程為-8291.5～7430.5m，高程起伏較大，撞擊坑密布，大范圍平坦區域較少。

針對步驟二和步驟三兩個方面，經過多輪反復迭代分析，選擇的主備著陸區如下：

主著陸區范圍如上圖方框所示。主著陸區位于馮·卡門撞擊坑東南部，范圍約為50km×30km。馮·卡門撞擊坑直徑約190km，深度約5km，其坑底直徑約140km，中央峰高度約1.55km。

備選著陸區位于主著陸區西側，坐落在克雷蒂安（Chretien）撞擊坑內，該撞擊坑直徑約為140km，深度約為1.8km，坑底直徑約為125km。克雷蒂安撞擊坑沒有中央峰。

5 結論

為應對月球背面崎嶇復雜的地形條件，提高任務可靠度，本文充分分析了嫦娥四號任務著陸區選擇的影響因素，并提出了基于實現性、可達性、安全性的著陸區多層次優選方法。第一步從科學探測需求和工程可實現角度在SPA盆地內初選出經度 1 80°±19°、緯度 4 0°S～ 5 5°S的區域；再進一步考慮軌道、動力下降誤差以及月面地形地貌條件等因素，從可達性和安全性角度精選出馮·卡門（Von Karman）撞擊坑內主著陸區（177.6°E±1.2°，45.5°S±0.5°）和克雷蒂安撞擊坑內的備著陸區（163.1°E±1.2°，46.1°S±0.5°）。