嫦娥四号月球背面南极-艾特肯盆地着陆区选择

李飞 赵洋 杨眉 张熇 吴学英（中国空间技术研究院）

嫦娥四号实现了人类首次月球背面软着陆。选择既满足工程约束又具有较高科学价值的着陆区，是着陆任务设计需要解决的首要问题之一。嫦娥四号着陆区选择在月球背面南极-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地内，同嫦娥三号平坦的虹湾着陆区相比，月球背面地貌以高地为主，遍布撞击坑，地形较为崎岖，存在无大面积平坦区域和地形可能对着陆区内探测器造成光照、测控遮挡等难题。本文对嫦娥四号着陆区选择的影响因素进行分析，归纳出科学和工程共计10个影响因素，提出了基于实现性、可达性、安全性的着陆区多层次优选方法。

1 引言

嫦娥四号探测器于2019年1月3日着陆于月球背面冯·卡门撞击坑预选着陆区，实现了人类首次月球背面软着陆，开展就位与巡视探测，并通过中继星将探测数据传输回地球。月球背面分布着大量高地地形，遍布着撞击坑。在月球背面的南部分布着著名的SPA盆地，嫦娥四号任务的月面探测区域就选择在这里。相比嫦娥三号任务的虹湾着陆区而言，SPA盆地存在两个方面的明显差异：一是虹湾属于平坦的月海地形，而SPA盆地属于高地地区，地形更加崎岖复杂，很少有大面积的平坦区域；二是SPA盆地内众多的撞击坑边沿可能对探测器的通信和光照造成遮挡。

因此需要充分考虑上述因素，在SPA盆地内进一步优选着陆区，一方面确保着陆的安全，另一方面保证着陆器和巡视器着陆后满足测控中继、能源、热控等条件以正常开展探测工作。此外，还需要考虑工程可实现性，因为嫦娥四号着陆器、巡视器主要继承嫦娥三号着陆器、巡视器平台产品。

2 月球着陆区选择概述

自1966年苏联的月球-9（Luna-9）着陆器至2013年中国的嫦娥三号探测器，人类共计有20个探测器实现了月球软着陆（包括6次载人的“阿波罗”任务）。在历次月球着陆任务中，苏联、美国和中国均将着陆点选取在月球正面的中低纬度区域，尚未有探测器选择在月球背面着陆。主要原因包括：第一，月球正面地形地貌以月海为主，其地势宽阔平坦便于探测器着陆，而背面高地居多，其表面撞击坑密度更高，地形更崎岖，着陆的风险也相对更大；第二，由于月球自转周期与公转周期时长相同，月球总是以相同的一面朝向地球，探测器着陆至月球背面后无法实现对地直接通信，极大地增加了任务的难度和复杂度。但是，鉴于月球背面的位置特殊性，使其具有月球正面所不具备的特点，对其探测将会获得更为丰厚的科学回报。一方面，它屏蔽了来自地球的各类无线电信号，是对宇宙电磁波谱探测的最佳地点；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，因此对于研究月球和地月系的初期历史和演化、深层次的构造和成分具有重要意义。

嫦娥四号主、备着陆区

欧洲航天局（ESA）、美国国家航空航天局（NASA）等组织对月球背面着陆开展了预先研究工作，基本都将着陆区定位在SPA盆地内。如ESA的“宇宙远景”（Cosmic Vision）计划的第4次中级任务（M4）候选任务“月球背面”（FARSIDE），原计划在2025年发射探测器着陆到月球背面的SPA的中央区域，但未给出具体的范围（该计划目前已取消）。NASA在2005年提出的“月出”（MoonRise）方案的SPA采样返回任务中也未给出详细位置。NASA联合高校提出的地月L2-月球背面载人探测任务中，选择机器人的着陆区为SPA的薛定谔盆地（SchrÖdinger Basin）内部相对平坦的区域，中心位置为75°S，132.4°E，整个盆地直径320km，深度约4km。选择薛定谔盆地的原因是由于它是较为年轻的、保存最好的撞击盆地，具有较高的科学价值。

由于国外任务均处于预研阶段，所以大多数未开展较为深入的着陆区选择方法研究，或者仅从科学价值上给出了初选区域。嫦娥四号任务的着陆区选择有较大的不同，因为其探测器和技术均具有一定继承性，因此着陆区选择受到科学上、工程上多项影响因素的约束。

3 着陆区选择影响因素分析

嫦娥四号从科学需求、工程可实现的角度，选择着陆区需要考虑以下因素。

科学探测需求

嫦娥四号任务的科学目标为：①低频射电天文观测与研究；②着陆区地质特征探测与研究；③月球背面月表环境探测与研究。SPA盆地的范围是从月球的南极延伸到直径135km的艾特肯（Aitken）撞击坑，是太阳系中已经识别的规模最大的撞击盆地之一，探测SPA盆地具有较高的科学价值和意义。SPA盆地的中心纬度位于40°S～60°S，中心经度位于180°附近，直径达2000～2600km。

深部月壳和月幔成分是当今月球科学研究的关键问题之一，对于了解月球形成初期的分异作用，探究月球的二分性（即月球正面和背面的地形地貌、结构、物质成分、月壳厚度的分布等具有的明显差异）的成因具有重要意义。但是，目前尚无法通过遥感手段直接获得准确的深部月壳和月幔的成分。SPA盆地是最有可能发现月幔物质的盆地。因此，它是探测和研究深部月壳及月幔物质的理想区域。

工程实现需求

（1）对中继星通信需求

月球背面南极-艾特肯盆地

中继星的使命轨道是位于地月L2平动点的晕轨道。轨道的平均周期约为14天，中继星距月不超过8×104km。为确保中继数据传输时间，应尽可能保证所选择着陆区对中继星使命轨道指向无月球本体遮挡，着陆区经度方向对该遮挡有一定要求。

（2）热控适应能力需求

月球纬度越低，即越靠近赤道，则对应位置的正午太阳高度角就越高，着陆于该位置的探测器的温度就会越高。嫦娥四号探测器热控分系统充分继承了嫦娥三号探测器的热控设计状态，因此嫦娥四号着陆区纬度应同嫦娥三号相近。嫦娥三号实际着陆位置约为44.1°N，通过实际在轨月昼工作温度数据分析，可得到满足热控分系统的适应能力的纬度范围。热控能力对着陆区经度无要求。

（3）月面能源供给需求

月球纬度越高，即越靠近极区，则对应位置的正午太阳高度角就越低，着陆于该位置的探测器所获取的能源就会越少。嫦娥四号探测器电源分系统继承嫦娥三号技术状态，因此嫦娥四号着陆区纬度应同嫦娥三号相近。着陆区纬度应满足电源系统的发电能力和器上的功率需求。能源供给能力对着陆区经度无要求。

（4）航迹高程起伏变化

由于月球背面的地形起伏较大，在动力下降过程中，着陆器制导、导航与控制（GNC）分系统将在预定高度引入导航敏感器的测距信息。航迹高程大尺度变化可能影响着陆安全性，需要航迹高程起伏变化尽可能小，满足控制系统需求。

（5）着陆区范围需求

SPA盆地内地形崎岖复杂，无法找到类似嫦娥三号任务大范围平坦的着陆区，因此要求嫦娥四号着陆区在满足各项轨道预报误差、在轨控制误差的情况下，尽可能缩小范围，以寻求相对平坦的月面区域。

1）在经度方向上需考虑如下因素：①中途修正、近月制动等轨控误差的影响，环月轨道倾角相对标称设计值会存在一定误差，需考虑该误差在着陆区经度方向的传递。②为进一步缩小着陆区经度范围，可考虑在100km×100km环月运行时根据环月后轨道预报情况，择机进行一次轨道面调整变轨机动，将着陆点经度偏差缩减，会带来少量速度增量的增加。③通过动力下降过程中打靶仿真，动力下降过程中导致的着陆区经度方向存在千米级的偏差。

2）在纬度方向上，在考虑动力下降初始点轨道预报误差、着陆器7500N发动机推力偏差等因素后，应通过动力下降仿真打靶计算着陆区纬度方向的偏差。

综上分析，着陆区经度方向范围为±（1°～2°），纬度方向范围为±（0.5°～1°）。

（6）动力下降测控弧段需求

满足着陆前测定轨精度和上行数据注入等在轨操作的要求，以及着陆后地面站具备对中继星较长时间连续弧段的测控能力。

（7）着陆时太阳高度角的约束

为满足着陆过程GNC导航敏感器、降落相机工作及着陆后状态设置、两器分离等操作的需要，着陆时刻太阳高度角的要求满足一定的范围，且尽可能小。

（8）轨道可达性的需求

按照嫦娥三号的轨道设计，环月轨道为90°倾角，考虑月球自转规律，每一圈对应的器下点不同，即嫦娥三号对应不同发射窗口和着陆窗口的着陆点均不同。由于月球背面地形崎岖复杂，很难找到类似嫦娥三号的大面积满足着陆条件的地区，嫦娥四号月球背面着陆需要结合轨道可达性，优化环月轨道设计，最终确定着陆点。

（9）具备推迟着陆的需求

考虑在轨故障的可能，应具备推迟一天的着陆能力。推迟一天着陆，器下点向西变化约13°，因此要求在主着陆区向西13°左右选择备选着陆区。月球背面重力场复杂，环月轨道摄动明显，需结合环月轨道近月点高度和近月点幅角摄动漂移情况，考虑主、备着陆区的高程差，以满足动力下降初始点的高度和纬度需求。

4 着陆区优选分析

由前所述，着陆区选择受到多重因素的制约。在满足科学探测需求的前提下，本文提出了嫦娥四号着陆区的多层次优选方法，主要思路为分别根据任务的实现性、可达性、安全性依次逐步选择并缩小着陆区的范围。

步骤一：实现性

由于嫦娥四号充分继承了嫦娥三号，因此要求着陆区应尽可能适应嫦娥三号的通信、热控和电源的能力，以确保可在月面长期正常工作。特别对于新增的中继需求，在安全着陆后，应结合中继星轨道设计，确保着陆器、巡视器对中继星的通信链路全时段可见。热控、电源因素限制着陆区的纬度方向，中继通信因素约束着陆区经度方向，以此初步筛选出SPA内大范围的区域。

步骤二：可达性

对环月轨道进行优化设计，在步骤一选择的区域内给出器下点所覆盖的区域，并考虑通过增加环月轨道面调整的变轨机动以增加可到达区域，进一步缩小着陆区范围。

步骤三：安全性

着陆区应满足动力下降安全着陆的要求和月面长期工作的安全性要求。需要考虑的主要因素包括着陆区的地形平坦性，地形对光照、测控遮挡情况，以及具备推迟一天着陆的故障应对能力。其中地形平坦性需要考虑坡度、撞击坑和石块分布等因素。根据上述因素，在步骤二所选区域内，最终选择出主着陆区和备着陆区两个着陆区，每个着陆区范围为经度±2°、纬度±1°，备选着陆区位于主着陆区向西13°左右，任务以主着陆区着陆为主，如在轨发生故障，推迟一天后着陆在备选着陆区。具体选择方法：以两个长方形区域（经度±1.2°、纬度±0.5°）为一组在步骤二所选择的区域内进行遍历搜索，其中两个长方形在经度方向上相差13°左右，纬度方向上基本一致。对每个长方形区域均开展坡度分析、撞击坑分布分析、石块分布分析、地形对光照与测控遮挡分析，根据分析结果对每对长方形区域进行评分，根据评分的情况确定最终的着陆区。

嫦娥四号着陆区的多层次优选方法

SPA盆地中满足实现性原则的范围

主着陆区高程分布图

备着陆区高程分布图

针对步骤一进行分析，满足条件的着陆区位于经度180°±19°，纬度40°S～55°S的范围内。该区域高程为-8291.5～7430.5m，高程起伏较大，撞击坑密布，大范围平坦区域较少。

针对步骤二和步骤三两个方面，经过多轮反复迭代分析，选择的主备着陆区如下：

主着陆区范围如上图方框所示。主着陆区位于冯·卡门撞击坑东南部，范围约为50km×30km。冯·卡门撞击坑直径约190km，深度约5km，其坑底直径约140km，中央峰高度约1.55km。

备选着陆区位于主着陆区西侧，坐落在克雷蒂安（Chretien）撞击坑内，该撞击坑直径约为140km，深度约为1.8km，坑底直径约为125km。克雷蒂安撞击坑没有中央峰。

5 结论

为应对月球背面崎岖复杂的地形条件，提高任务可靠度，本文充分分析了嫦娥四号任务着陆区选择的影响因素，并提出了基于实现性、可达性、安全性的着陆区多层次优选方法。第一步从科学探测需求和工程可实现角度在SPA盆地内初选出经度 1 80°±19°、纬度 4 0°S～ 5 5°S的区域；再进一步考虑轨道、动力下降误差以及月面地形地貌条件等因素，从可达性和安全性角度精选出冯·卡门（Von Karman）撞击坑内主着陆区（177.6°E±1.2°，45.5°S±0.5°）和克雷蒂安撞击坑内的备着陆区（163.1°E±1.2°，46.1°S±0.5°）。