眾所周知嫦娥探月工程自立項伊始就制定了“繞、落、回”三步走規(guī)劃，隨著嫦娥五號返回器成功著陸地球，探月工程一、二、三期任務目標均已達成，現(xiàn)在工程全線已經(jīng)全面轉入探月四期任務。然而長達十八年的探月歷程并不是簡單羅列幾個勝利成果就能夠全面概括，其中還有很多細節(jié)值得我們探究。

嫦娥一號繞月探測器

嫦娥二號在環(huán)月軌道運行畫面

先來看看“繞、落、回”三步走規(guī)劃分工，嫦娥一號解決了如何繞月的問題，嫦娥二號作為第二步任務“落”的先導星為嫦娥三號執(zhí)行落月任務獲取了著陸區(qū)高分辨率影像，嫦娥三號在此基礎上解決了如何落月的問題，嫦娥五號則在前兩步基礎上完成了月面采樣返回任務。那么，嫦娥四號呢？

嫦娥三號著陸器

嫦娥五號探測器

實際上，嫦娥四號屬實是一個計劃外產物，探月工程各次任務至今保持著研制生產備份探測器的慣例，比如嫦娥二號是嫦娥一號的備份，嫦娥五號也有備份，就是旨在實現(xiàn)月球南極采樣返回的嫦娥六號，該探測器已劃歸探月四期任務。

執(zhí)行落月任務的嫦娥三號當然也有備份，就是嫦娥四號。同為備份的嫦娥二號肩負有獲取著陸區(qū)高分辨率影像及全月球高分辨率遙感成像等關鍵工程任務，是解決落月問題的“剛需”，但對于嫦娥四號而言，并沒有剛需性質的任務。

嫦娥二號獲取的月球虹灣局部影像圖

既然生產出來了，一向勤儉持家的航天人自然想著如何“物盡其用”，現(xiàn)在地球人都知道了，它代表人類去了月球背面，開啟了一段月背拓荒之旅。

嫦娥四號著陸器在月球背面

然而最初嫦娥四號的前途并沒有像如今這樣“確定”，就在嫦娥三號成功實施月面軟著陸任務的當年，嫦娥四號的前途問題也被擺上了臺面討論。

探月工程總師吳偉仁介紹，當時面臨三種選擇，第一種選擇就是不打（發(fā)射）了，第二個選擇是著陸月球正面南半球；第三個選擇是去月球背面。

總裝廠房內的嫦娥四號

第一個選擇（不發(fā)射）可以集中力量專攻嫦娥五號任務，結果就是讓嫦娥四號束之高閣；

第二個選擇（去月球正面南半球）最為穩(wěn)妥，可以獲取月球正面不同著陸點的科學探測數(shù)據(jù)，但是工程方面價值不大；

第三個選擇（去月球背面）在工程與科學探測兩個方面都將帶來極大的突破，這也是嫦娥四號的最終選擇。

月球背面

除此之外，嫦娥四號還有一個選項。探月工程三期副總師李春來披露，當時甚至有人考慮，我們落在嫦娥三號的邊上，這也能顯示出我們的水平，控制精度很高啊。

如果選擇落在嫦娥三號邊上，就意味著要突破“月面定點著陸技術”，其工程價值絲毫不亞于月球背面的軟著陸任務。

嫦娥三號著陸點附近月面

回顧歷史，人類有沒有過類似的壯舉呢？有的，就是阿波羅12號任務。

半個世紀前NASA的阿波羅計劃有6次成功的載人登月任務，第一次是阿波羅11號，該飛船的鷹號登月艙最終降落在偏離預定著陸點約6.4公里的月面。

阿波羅十一號任務月面作業(yè)

鑒于首次載人登月任務的位置偏差，在第二次登月任務中也就是阿波羅12號任務NASA著力要解決的問題之一就是精準落月，最終該飛船的無畏號登月艙成功降落在了勘測者3號無人探測器附近僅163米的月面著陸點。

阿波羅12號無畏號登月艙駕駛員艾倫·賓

由于距離很近，兩名登月宇航員甚至直接步行就來到了勘測者3號登陸點，并與之合影，最終拆解了該無人探測器的部分零件帶回了地球。

阿波羅12號指令長康拉德與勘測者3號合影

兩個人造航天器在地外天體表面成功“會師”，這在人類空間探測史上是第一次，也是迄今為止的唯一一次。

為什么阿波羅12號可以有如此之高的著陸精度？

阿波羅12號著陸器（左上紅框）與勘測者3號探測器（右下紅框）相距僅163米，該圖由LRO環(huán)月軌道衛(wèi)星拍攝。

要知道，在阿波羅計劃實施前后的整個20世紀，所有無人登月任務全部都是“盲降”，這些探測器都是根據(jù)計算好的彈道逐級減速實現(xiàn)軟著陸，雖然有測距測速敏感器幫助修正彈道，但還是無法抑制誤差的發(fā)散，因此對著陸精度并沒有太多的要求，只要能在月面正常工作，這就是成功。

地外天體定點精準著陸指的是探測器實際落點與標稱落點的水平誤差在百米量級，實現(xiàn)此項任務無外乎兩種手段：一種是基于圖像匹配的絕對導航，探測器相機獲取大型自然路標，并與地形數(shù)據(jù)庫匹配，進而獲得路標的位置信息，不斷預報落點偏差控制變推力發(fā)動機推力，實現(xiàn)精準著陸；另一種是基于事先在地外天體布放的信標機，著陸器著陸過程與信標通信，實時獲取相對信標的三維坐標，在信標的導引下實現(xiàn)定點著陸。

上世紀無人探測器登月方式皆為“盲降”，圖為“月球-16探測器”。

這兩種手段都沒能在20世紀的地外天體探測任務中進行工程應用，那么阿波羅12號是如何實現(xiàn)定點精準著陸的呢？

進入21世紀以來，“人工智能”一直是一個比較高頻的標簽詞，然而時至今日機器并不能完全取代人。

在任何時候都不能忽視人的作用，比如艦載機在航空母艦百米級長度甲板上的起降任務被譽為“刀尖上的舞蹈”，歷史上率先攻克此項任務的當然是飛行員，而不是自動駕駛程序，即便是已經(jīng)攻克艦載無人機起飛與著艦技術的當下，飛行員依舊是艦載機起降任務的絕對主力，這就是人的作用。并不是說機器無法取代人，而是機器取代人需要一個漫長的技術演化過程。

F/A-18艦載機著艦

X-

47B無人機著艦

阿波羅計劃作為載人登月工程，自然要充分發(fā)揮人的作用。

比如執(zhí)行首次載人登月任務的阿波羅11號，該飛船鷹號登月艙在距離著陸點還有最后一分鐘航程時，宇航員阿姆斯特朗發(fā)現(xiàn)航線前方有一個直徑180米的環(huán)形山，如果按照自動程序降落后果不堪設想，于是很快他接通了手動控制程序，操控鷹號登月艙避開了這座環(huán)形山。

阿波羅11號鷹號登月艙自動駕駛程序選擇的著陸點是一個撞擊坑

實際上所有阿波羅登月艙都配置了自動駕駛程序，但沒有任何一次登月行動宇航員敢于完全依賴自動駕駛程序，因為該程序無法識別著陸末段的障礙物。

至于阿波羅12號實現(xiàn)定點精準著陸的方法實際上還是萬變不離其宗，它所依托的原理也是前文所述的“基于圖像匹配的絕對導航”，在那個年代登月艙計算機的存儲和計算能力當然無法支撐這一方案的落實，但是人可以做到。

阿波羅12號宇航員理查德·戈爾登在指令艙拍攝的無畏號登月艙與月球

阿波羅12號的無畏號登月艙在主減速段過渡至接近段時會逐漸調整至垂直姿態(tài)，此時著陸航線附近會出現(xiàn)一個被稱為“雪人”的撞擊坑，而勘測者3號無人探測器就在這個撞擊坑的中心，雪人撞擊坑就是一個“大型自然路標”，宇航員康拉德隨即接通手動控制程序，操控飛船降落在指定著陸點，進而實現(xiàn)了定點著陸。

那么，嫦娥四號有沒有能力定點著陸于嫦娥三號邊上呢？

先來看看嫦娥系列著陸器應用的登月技術，迄今為止我們共實施了嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號三次登月任務，登月成功率高達100%，這主要得益于基于機器視覺理念的相對導航控制方案。

嫦娥五號是嫦娥探月工程第三次登月任務

三艘登月器的月面軟著陸任務皆分為七個階段，即著陸準備段、主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段，整個著陸過程的避障工作也可劃分為“粗避障”與“精避障”兩個階段，從動力減速下降開始探測器根據(jù)測距測速敏感器、光學避障敏感器、激光三維成像敏感器等敏感器得到的狀態(tài)信息生成控制指令引導探測器實現(xiàn)安全著陸。

嫦娥系列探測器登月過程中的七個階段

首次登月即成功的嫦娥三號憑借這套導航控制方案徹底終結了無人探測器盲降月球的歷史。目前世界范圍內，有多個月球探測器都計劃使用此類制導控制方案，其先進性是毫無疑問的。

然而，要認識到相對導航致力于解決的是落月安全性問題，比如它可以根據(jù)激光三維圖像選擇安全著陸點，極大程度提高了登月成功率。以嫦娥三號為例，其實際落點相對著陸器自主選擇的安全著陸點偏差優(yōu)于1.5米，這個精度已經(jīng)是世界第一。

激光三維成像敏感器

激光三維成像敏感器作業(yè)效果圖

但是嫦娥三號還沒有解決水平位置誤差問題，其實際落點相對設定的標稱著陸點偏差約600米，與定點著陸的標準相比還有一段距離。

繼承嫦娥三號登月導航控制技術的嫦娥四號如果要想著陸在嫦娥三號邊上，就勢必需要攻克基于圖像匹配的絕對導航技術，該技術可以解決水平位置偏差大的問題。

嫦娥四號最終選擇去月球背面，而不是去嫦娥三號邊上，這一決策是權衡工程價值與科學價值利弊的結果。

嫦娥四號著陸器避障相機拍攝畫面

就工程價值而言，月球背面著陸需要發(fā)射鵲橋中繼星，需要突破中繼導航控制難題，與定點著陸的工程價值相比是伯仲之間，都屬“世界級難題”；

就科學價值而言，嫦娥四號如果定點著陸于嫦娥三號著陸區(qū)，帶有重復探測的屬性，而選擇去月球背面，這是人類的第一次，可以探索更多未知，價值極大。

兩相權衡，去月球背面的綜合價值顯然是最大化。

嫦娥四號假如選擇落在嫦娥三號邊上，大概可以從這個距離看到嫦娥三號。圖為玉兔二號拍攝嫦娥四號著陸器。

嫦娥四號雖然沒能去嫦娥三號邊上，但它對定點著陸技術也進行了有益的探索。月球背面撞擊坑分布密度遠大于月球正面，這就導致著陸區(qū)狹小的問題。比如馮·卡門撞擊坑預選著陸區(qū)面積僅相當于嫦娥三號預選著陸區(qū)面積的5%，在客觀上對精確著陸能力提出了新要求。最終嫦娥四號是在不改變既有制導控制方案基礎上，基于多次變軌縮小軌控殘差的方法實現(xiàn)月球背面狹小著陸區(qū)著陸任務。

通過嫦娥四號月背任務的實施，我們事實上具備了根據(jù)探測需求在月球表面任意選擇著陸區(qū)的全月面到達能力，所以此次任務被劃歸探月工程四期的首次任務。

嫦娥四號著陸月球背面過程中避障相機拍攝畫面

更進一步的月面定點著陸技術是接下來建造月面科研站的必備技術，因為屆時多個探測器有在同一著陸區(qū)會和的工程需求，而這一技術課題被安排在了嫦娥探月四期的后續(xù)任務中。

按照計劃最早我們將于明年發(fā)射嫦娥七號探測器，這是一艘旨在對月球南極進行深度探測的大規(guī)模無人探測器，在它所肩負的眾多工程任務中就有定點著陸這一項，鑒于月球南極尚沒有布放信標機，因此可以推斷，其著陸任務將實現(xiàn)基于圖像匹配技術的月面定點著陸。

嫦娥七號探測器效果圖

將要攻克月面定點著陸技術的嫦娥七號并不是簡單的技術替換，而是迭代升級，它將在嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號應用的基于機器視覺理念的相對導航技術基礎上拓展定點著陸技術能力，實現(xiàn)既精準又安全的月面軟著陸，此項任務成功之后又將是一個世界首次，首次實現(xiàn)無人探測器在月球表面的定點著陸。