來源：我們的太空
嫦娥五號探測器已于今年11月24日4時30分從中國文昌航天發射場成功發射。
作為探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰，嫦娥五號將完成月面自動采樣，并將寶貴的月壤帶回地球，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究，是我國航天領域迄今最復雜、難度最大的任務。
雖然嫦娥五號的核心任務是“采樣返回”，但實質卻是“繞、落、回”三大任務缺一不可，是對整個探月工程啟動實施16年以來的一次系統級的大考。
相比于前面“嫦娥一號”到“嫦娥四號”的月球探測器，從探測器構成層面講，嫦娥五號探測器的結構是最復雜的，一共由4個器組成——上升器、著陸器、返回器和軌道器（如圖1所示），而“嫦娥一號”與“嫦娥二號”僅僅是一個軌道器，“嫦娥三號”與“嫦娥四號”也只有一個著陸器與一個巡視器。
從任務操作層面講，“嫦娥五號”一次任務就包括了兩次發射即地面發射和月面發射（新）、兩次著陸即月面著陸與返回地球著陸、兩次封裝（新）即月面封裝與環月軌道封裝、一次環月軌道交會對接（新），其中有四個全新的重要環節，可見整個任務實施的復雜度較之前的探月任務大大增加。
圖1 嫦娥五號探測器構型圖
“嫦娥五號”任務要在約23天的任務周期里連續完成運載發射、地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降、月面工作、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移和再入回收等11個飛行階段（如圖2所示），整個過程環環相扣，銜接緊密。
具體來說，嫦娥五號探測器作為一個整體首先由長征五號遙五運載火箭（如圖3所示）直接發射至地月轉移軌道，經過約四天半的地月轉移的飛行后，在近月點實施兩次近月制動，進入高度約200公里的環月圓軌道；環月期間，探測器組合體將分成兩個部分——著陸器和上升器組合體（簡稱為著上組合體）與軌道器和返回器組合體（簡稱為軌返組合體）實現兩兩分離；軌返組合體繼續在環月軌道飛行，而著上組合體經2次變軌和動力下降，在月面預定區域軟著陸；著上組合體著陸后于月面工作期間完成月面樣品采集、封裝；隨后，上升器從月面起飛，與軌返組合體完成交會對接，將月球樣品從上升器轉移至返回器內，軌返組合體再與上升器分離；接著，軌返組合體踏上歸途，進入月地轉移軌道，并在距地球約5000km高度處完成返回器與軌道器的分離；最終，返回器采用半彈道跳躍二次再入方式進入大氣層，返回到內蒙古四子王旗的著陸場。
圖2 嫦娥五號探測器飛行全過程示意圖
這么復雜的過程，如何滿足嫦娥五號探測器復雜多目標條件下的測控需要？確保嫦娥五號任務從運載火箭發射一直到返回器再入返回全過程的順利實施？這就需要測控系統來完成對探測器各飛行階段的測定軌、狀態監視、飛行控制，對探測器落月后的月面定位以及月面采樣操作控制，對返回器的再入測量等任務。可以說，測控系統在任務各階段、各關鍵環節都發揮著舉足輕重的作用。
在“嫦娥五號”任務中，測控系統主要以我國近地航天測控網、深空測控網、再入返回測量鏈為主，輔以甚長基線干涉（VLBI）測軌分系統，并開展了必要的測控國際聯網（布局如圖4所示），共同完成全任務過程的測控支持。我國深空測控網的3個深空測控站和3個18m測控站悉數登場，全力以赴支持探月工程收官之戰。下面將結合任務各關鍵階段來講解測控系統是如何為嫦娥五號任務提供可靠測控支持的。
圖4 嫦娥五號任務測控系統布局示意圖（再入返回前）
測控系統將遠望6號航天測量船布設在菲律賓以東的太平洋海域，實現了與陸上站的測控弧段搭接，確保火箭起飛至二級一次關機期間整個過程的測控覆蓋。遠望5號航天測量船布設在法屬波利尼西亞附近的太平洋海域，確保器箭分離前后的X頻段遙外測數據獲取和遙控指令發送。在兩條測量船之間存在的空白弧段區域，則依靠中繼衛星進行天基遙測接收，從而保證了整個發射段運載火箭遙測數據的連續獲取。
為了確保在探測器入軌初期地面測控站能夠快速可靠捕獲嫦娥五號探測器，監視探測器各分系統的工況，測控系統通過國際聯網方式將歐空局所屬庫魯站作為阿根廷35m深空站的備份，以提高任務實施可靠性。庫魯站位于南美洲法屬圭亞那，其15m X頻段測控設備配有1.3m口徑引導天線，具備X頻段寬波束大范圍捕獲引導能力。而我國阿根廷35m深空站性能優異，作用距離遠，但天線口徑大、波束窄、轉速低，其波束寬度僅為庫魯站1.3m引導天線的1/27，天線轉速約為其1/10。利用庫魯站為阿根廷深空站備份，哪怕火箭發射入軌存在稍大偏差也可以從容應對，確保及時捕獲目標并為35m深空站提供跟蹤引導，大大增強了任務支持的可靠性。
圖5 遠望5號航天測量船和庫魯站15m X頻段測控設備
在環月飛行段著上組合體與軌返組合體實現兩兩分離后，需要確保對著上組合體和軌返組合體雙目標的同時測控。
為了滿足這一需求，統籌考慮兩個組合體目標的測定軌精度和遙控指令上注要求，對可用測控資源進行了合理調配：由佳木斯深空站66m、喀什深空站35m和阿根廷深空站35m三套深空測控設備（如圖6所示）承擔對著上組合體的X頻段測控任務；由青島站、喀什站和納米比亞站三套18m測控設備（如圖7所示）承擔對軌返組合體的X頻段測控任務；VLBI測軌分系統（分布如圖8所示）在該階段的觀測目標為著上組合體。VLBI具有較高的測角精度，對航天器橫向的位置和速度有較好的約束，通過與測距、測速等外測數據相結合，可有效提高環月飛行目標的定軌精度，從而確保著上組合體兩次變軌的測定軌精度。
圖5 佳木斯深空站66m、喀什深空站35m和阿根廷深空站35m深空測控設備
圖6 青島站 、喀什站和納米比亞站18m 測控設備
圖8 VLBI測軌分系統觀測站分布
為了能夠實時監視著上組合體的下降軌跡，以及上升器的月面起飛過程軌跡，通過采用多站三向測量技術來實現對動力下降和月面起飛過程的實時幾何定位。
參加三向測量的測站包括佳木斯深空站、喀什深空站和三亞站：佳木斯深空站作為主站發送上行載波及測距信號并接收，測得雙向距離和、雙向多普勒；三亞站和喀什深空站作為副站，接收佳木斯發送的上行信號，測得三向距離和、三向多普勒（在測控領域，A站發A站收稱為雙向測量，A站發B站收稱為三向測量），如圖9所示。
圖 9 對著上組合體的三向測量示意圖
在關鍵的交會對接段，測控系統需要利用有限的測控資源確保上升器和軌返組合體各自的測定軌精度。
“嫦娥五號”任務的交會對接是上升器作為目標，靠軌返組合體主動對接上升器，因此對上升器的測定軌精度要求更為迫切。為了滿足上述要求，在上升器月面上升后，3個深空站和VLBI測軌分系統將全部用來跟蹤上升器，而3個18m全部用來跟蹤軌道器，這種測站資源分配方式可以滿足交會對接段遠程導引交班點定軌精度要求（軌返組合體和上升器相距50km處為交班點，在此之前為遠程導引段，需要依靠地基測控保證；在此之后為近程導引段，由探測器自主完成交會對接）。
圖10 月球軌道交會對接示意圖
軌道器與返回器分離前，需要精確確定軌返組合體的飛行軌道，從而確保返回器導航初值注入的精度，測控系統設計了三站接力測量的方式，利用阿根廷35m深空站、國際聯網的歐空局瑪斯帕拉瑪斯15m站和納米比亞18m站對軌返組合體分時接力進行雙向測距測速，從而滿足軌道精確測量需求。
三站接力的含義就是將3小時的測控弧段均勻分配給上述3個測控站，利用三個測站的三角幾何狀分布（如圖所示11），在時間域上實現測量幾何的有效改善，使得定軌精度大大優于單站持續跟蹤3小時。
圖11 三站接力測量示意圖
對返回器再入過程的連續跟蹤測量，是確保實現對返回器順利回收的關鍵。
首先，未來確保返回器在第一次入黑障前的遙測接收并獲取返回器一次再入最低點的外測數據，在索馬里以東的印度洋海域布設了航天測量船，利用光學測量、雷達測量獲取一次再入過程的飛行軌跡。考慮到返回器一次出黑障后的彈道可能的散布范圍較大，在卡拉奇站布設了寬波束引導設備和在西藏阿里地區布設了車載多波束設備負責返回器一次出黑障后的捕獲跟蹤。卡拉奇寬波束引導設備的捕獲范圍達到了18°，車載多波束設備的捕獲范圍達到了20°，均能夠覆蓋返回器正常彈道偏差下的散布范圍。
之后，將由布設在新疆、青海、甘肅和內蒙古等地的地面雷達對返回器二次入黑障前一直到返回器開傘期間進行連續不間斷的可靠跟蹤測量，為后續對返回器的搜索回收提供可靠的落點預報，確保對返回器的順利回收。