龙江二号：全球无线电爱好者的共同胜利，中国航天版的“少年可期”
2019年11月14日，经过三个多月的漫长等待，NASA的月球勘测轨道飞行器（LRO）终于宣布在月球背面北纬16.6956°，东经159.5170°位置找到了嫦娥四号任务搭载的微卫星：龙江二号的撞月点 [1]。
为龙江二号探月任务画上了一个圆满的句号。
在过去的一年多时间里，这颗设计寿命1年、质量47公斤（其中15公斤是燃料）、主体只有2个家用微波炉大小（765×570×420毫米）的微卫星，独立完成了地月转移、近月制动和环月飞行，在轨运行了整整437天，成功展开了一系列射电天文观测和对月对地观测任务。
甚至，还不止这些。
人们不曾想到，这颗打包顺带、差点死在半路上的小不点，会在短短一年多的生命里为我们带来这么多奇景和惊喜。
出师不利，死里逃生
北京时间2018年5月21日5:28，嫦娥四号月球任务的通讯中继卫星鹊桥号在西昌卫星发射基地，由长征四号丙（CZ-4C）运载火箭发射升空。
由于这发火箭尚有余力，于是顺路捎带着一同发射了两颗由哈尔滨工业大学牵头研制的孪生微卫星，名叫龙江一号和龙江二号。
这两颗微卫星最初的设计功能是在环月轨道上进行射电天文观测，因此在被正式命名为“龙江一/二号”之前，它们最初的名字是“月球轨道超长波天文观测微卫星A/B”（Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder），简称DSLWP-A和DSLWP-B。
大大的鹊桥号和两边小小的龙江一号和二号。来源：航天八院
按照原本的计划，龙江一号和二号将在发射后不久与火箭分离，各自独立进入地月转移轨道，之后独立完成途中的轨道修正和近月制动，进入距离月球约300×3000千米的环月椭圆轨道[2]。待到顺利入轨之后，两颗卫星将一前一后编队飞行，以相距1～10千米（基线长度）的可变距离进行超长波天文干涉测量等试验[3]。
然而，现实并没有按照这个轨迹进行。
北京时间5月21日05:54:50和05:55:20，龙江一号和二号先后与火箭分离，开始独立飞行。
5月22日凌晨03:54，龙江团队对龙江一号（A星）进行第一次中途修正。然而，在按计划使用5N推力器之后，虽然点火过程中卫星状态正常，但点火结束之后…...龙江一号直接就失联了！地面站立刻采取措施，尝试了盲发指令、大口径天线等多种手段…...但还是没找到。
龙江一号就这么丢了。
更可怕的是…...由于信号丢失，地面站完全不知道龙江一号到底是哪里故障了啊！
那么问题来了。龙江二号和一号是孪生机，如果龙江一号哪里有问题，那么龙江二号肯定也会有一样的问题——如果还是按原计划对二号进行点火修正，二号九成九也要失联。但不点火也是不行的，如果不适时进行中途轨道修正，龙江二号又将会错失进入环月轨道的时机！
在这样一个刻不容缓又进退两难的尴尬时刻，哈工大团队和北京航天飞行控制中心当机立断，在短时间里完善了故障预案，推迟一天对龙江二号（B星）进行中途修正。
从龙江一号传回的残存的数据中判断，一号的角速度似乎上升了。仅仅通过这一点点线索，龙江团队决定双管齐下：
一方面换用推力较小的0.2N推力器，而且在点火结束后关闭自锁阀，让龙江二号不至于一下子速度变化太快；
另一方面换用较大口径的深空站天线进行跟踪，减少失联的可能性。
5月23日晚上20:00，龙江团队对龙江二号进行第一次中途修正。由于这次信号没有丢失，故障原因终于找到了。
龙江二号在轨控过程中也是状态正常的，但在轨控结束后推力器未能及时关机，导致卫星进入了快速旋转状态，陀螺出现饱和。然而由于卫星故障诊断程序判定陀螺仪出现故障，于是在三次重启无效后关闭了陀螺仪，致使卫星无法自主进行角速率阻尼（减速）。
也就是说，是由于推力器的控制逻辑错误，造成卫星开始极快速旋转且无法进行自主减速。事实上，即使是用了小推力并且及时关闭了推力闸，龙江二号的角速度也已经迅速超过了400度/秒。由此推断，龙江一号很可能在当时的快速旋转中直接解体了。即便没有直接解体，由于那时候的卫星已经无法维持姿态，太阳能板不能对日，也必然会在几小时内耗尽能源。
原因找到了，事情就解决了一半。龙江团队当即对龙江二号展开抢救：反复发送陀螺仪开机指令，在陀螺仪自动关机前将数据下传至地面，利用（已经饱和的）陀螺度数判断卫星自旋方向，手动控制推力器进行减速，三小时内发送指令五百余条，终于将卫星角速度降低至400度/秒以下，卫星随即自主进行角速率阻尼，恢复正常姿态。
总之，在第一次轨道修正之后，龙江二号被抢救下来了。
而推力器的控制逻辑错误也在随后得到了修复，龙江二号于5月24日21:30顺利完成了第二次中途修正。
5月25日22:08，幸存的龙江二号顺利完成了近月制动，成功进入距离月面357×13704公里，轨道周期20.5小时的环月轨道[4]。
龙江一/二号实际飞行过程和轨道参数。来源：哈尔滨工业大学
然而，不要忘了，龙江号原本的观测规划是双星编队联测啊！现在出发是两个，到地儿就剩一个了可怎么办？？？
射电天文观测：单枪匹马探宇宙
龙江任务一共携带了两种科学载荷，其中最主要的一种就是低频射电探测仪，两颗龙江卫星上均有搭载，由中科院空间中心研制和收发指令/信号。
低频射电频谱仪天线，也就是这6根支出的天线
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熟悉嫦娥四号的朋友们应该对这个仪器不陌生了。由于电离层的阻挡，波长10米以上的电磁波几乎无法穿透大气来到地球表面，想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测，就必须离开地球大气层——月球附近就是一个极佳的观测场所。
因此不仅是龙江一/二号，嫦娥四号着陆器和鹊桥中继卫星上也都搭载了低频射电频谱仪。三者的观测频段虽然略有差异（嫦娥四号着陆器0.1~40 MHz，鹊桥0.1~80 MHz，龙江一/二号1~30MHz），但都能填补地基射电天文观测上的空白。
然而，龙江一号的失联，意味着两艘龙江号原本计划的双星射电干涉测量已注定无法完成，但单星低频射电探测依然有能做的。来都来了，当然要尽力而为。
同样是在月球附近，月球正面和背面轨道上观测到的低频射电信号依然有很大不同：在月球的遮挡之下，月球背面可以更好地屏蔽来自地球的射电干扰（Radio Frequency Interference，简称RFI）。
在环绕月球的过程中，龙江二号会反复飞过月球的正面和背面——也就可以完美验证和观测月球对低频射电信号的遮挡效果。
2018年5月26日，龙江二号上的低频射电探测仪首次开机，此后共接收了329分钟观测数据，证实月球对地球射电干扰的遮挡效果非常明显 [5]。
龙江二号在飞过月球正面的时候，明显观测到来自地球的射电干扰，而绕过过渡带，飞到月球背面时，又能明显观测到月球对地球射电干扰的屏蔽。来源：中科院空间中心
那同样是来自地球的射电干扰，在龙江二号1~30 MHz的低频射电观测频段里，哪些频段干扰强，哪些频段干扰没那么强呢？龙江二号测量了月球正面轨道上1~30MHz频段的连续谱，完成了地球射电干扰普查 [6]。
除了地球，太阳、太阳系巨行星和系外行星发出的射电辐射，其中一些也在龙江二号的观测频段内。
利用月球掩恒/行星时对这些辐射的遮挡，龙江二号多次对来自太阳、木星、银心和Cas-A等强射电源的低频射电辐射进行观测，相关探测数据还在进一步处理和解译中。
沙特相机：中国与中东合作的里程碑
龙江还不止这一点运气。
虽然龙江一号和二号是孪生机，但这次龙江号任务携带的另一种科学载荷——由沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王科技城研制的月球小型光学成像探测仪（微型光学相机），就幸运地搭载在大难不死的龙江二号上。
2018年5月28日，入轨三天后，沙特的微型光学相机首次开机。此后，在龙江二号在轨期间，沙特相机累计完成30次拍摄成像。
成功拍摄了包含波斯湾、红海、地中海、阿拉伯半岛等区域的地月合影。
成功获取了多幅清晰的月球雨海局部等区域的科学探测影像。
作为嫦娥四号任务国际合作载荷之一，龙江二号的成功在中东地区产生了强烈反响，成为我国与中东在航天领域合作的又一标志性成果，也由此拉开了中沙航天深度合作的序幕[6]。
业余无线电通信：全世界无线电爱好者们的共同努力
龙江卫星共有三个通讯频段：S波段、X波段和VHF/UHF波段。
其中，S波段用于测控、X波段用于科学载荷的数据传输，两者均由中国深空网台站负责。这些国家队有着18-65米口径的强大天线，但可以分配给龙江任务的资源有限，所需的高耗能也给龙江这样的小卫星造成一定压力。
因此，龙江卫星还携带了由紫丁香学生微纳卫星团队研制的甚高频/超高频（简称VHF/UHF）通信模块，其中VHF频段用于上行（上传指令）、UHF频段用于下行（接收卫星状态和载荷数据）。
在龙江卫星发射之前，哈工大紫丁香学生微纳卫星团队、哈工大业余无线电俱乐部的二十余名学生通过新建、改造、借用等方式，在哈尔滨、北京、哈密、广州、荷兰德文格洛、日本和歌山等地设立了6个VHF/UHF地面站，并开发了开源的调制解调软件和网络传输软件，搭建了数据解析服务器 [4]。
还不止这些。在整个龙江卫星任务期间，众多业余无线电组织、爱好者团体和个人都为龙江号的通信贡献了自己的力量。
其中一些无线电爱好者们甚至仅仅通过自家门前、屋顶的“简陋”接收设备，就投身了龙江任务的协作之中。
PY2SDR、N6RFM、CD3NDC、G4RGK分别是四位无线电爱好者的无线电呼号。来源：哈工大紫丁香学生微纳卫星团队 [8]
从两颗龙江卫星与火箭分离，到龙江二号结束任务，来自巴西、智利、美国、波兰等近17个国家的共50个地面站成功实现了龙江卫星UHF频段的信号和数据接收。
除了接收数据，多个地面台站还通过龙江二号的UHF频段开展了诸多业余无线电试验。
2018年6月10日，荷兰德文格洛25米天线和北京12米天线协作完成了国际首次月球轨道UHF频段VLBI（Very Long Baseline Interferometr，甚长基线干涉测量）定轨试验。
北京时间2019年7月1日13:51至15:27，在下载日全食（后面会讲到）测试影像的间隙，哈尔滨工业大学集体业余电台BY2HIT与德国业余无线电爱好者Reinhard Kuehn （DK5LA）通过龙江二号卫星的转发通信功能，实现了中国与德国的双向通信(QSO)。此时，卫星到通联双方距离约为360000公里。这是国际首次月球轨道卫星的业余双向通信 [10]。
2019年7月5日，德文格洛、和歌山、北京、哈尔滨台站进一步协作完成了四个台站的VLBI定轨试验。相关试验数据还在分析解译中。
龙江任务的VHF/UHF通信模块是一次低成本、低能耗的深空卫星通讯尝试，通过借力全世界各地的业余无线电爱好者们和通信台站，共同完成了龙江任务VHF/UHF频段的信号收发。这是国际首次在月球轨道进行的业余无线电通信试验。
从这个角度来说，龙江任务的顺利完成，不仅促进了民间的国际交流，本身亦是全世界无线电爱好者们的共同胜利。
学生CMOS相机：Inory之眼
2019年2月，龙江二号拍摄的“最美地月合影”在美国《科学》杂志、英国《独立》报上刊发，引起全世界各地广泛关注。
而拍摄这幅奇景的，是龙江二号上一个极小极不起眼的试验设备——微型CMOS相机。
微型CMOS相机在龙江二号上的位置。来源：哈尔滨工业大学
你可能想象不到，这枚微型相机重量仅仅只有20克，大小只有两个一元硬币那么大。
微型CMOS相机接近成品状态实拍。来源：哈尔滨工业大学
更难能可贵的是，这枚相机是由哈工大本科生为主的学生团队负责研制的：平均年龄不到24岁，可以称得上是中国最年轻的航天团队。
在龙江卫星极其严苛的尺寸和重量限制之下，这个年轻的微型相机团队克服了种种困难，出色完成了相机的设计、卫星在轨时的拍摄、照片的传输和后期处理。
除了这张网红“最美地月合影”，微型CMOS相机还拍摄过其他角度的地月合影、火星与摩羯座天区、月面云海等诸多美丽的照片——小小的身躯，大大的能量。
这个小相机，在龙江团队和助力龙江任务的无线电爱好者团体内部有个可爱的昵称：Inory之眼——这是相机设计师泰米尔喜欢的爱豆、动漫歌手“祈Inory”的名字。
字母INORY被刻在了CMOS相机的电路板上，随着龙江二号一起环游月球，一路见证着龙江二号的艰辛和喜悦。
微型CMOS相机的数据通过UHF业余频段传输，也就是说这些照片也都是全世界无线电爱好者们协同接收的——每张照片被分割成一小包一小包数据，由多位爱好者接收之后再拼接起来。
是龙江团队和全世界无线电爱好者们共同“拼”出了包括这张网红“最美地月合影”在内的诸多地月美图。
而这群逐梦航天的朋友们，还要携手干最后一件大事
从月球上看日全食是种怎样的体验？
北京时间2019年7月3日清晨，2019年唯一一次日全食在南美洲的上空上演。
在这次日全食发生期间，地球上的我们如果在合适的地方，能看到月球完全遮挡了太阳。
那如果在月球附近观测日食，会看到怎样的场景？彼时正在绕月飞行的龙江二号为我们提供了一种“上帝视角” [15]。
如何做好规划，让龙江二号的CMOS相机找到合适的机位和时机，用自己有限的性能，记录下这次千载难逢的奇观呢？
这场来自宇宙的挑战让年轻的龙江二号团队和众多业余无线电爱好者们摩拳擦掌，激动不已。
微型CMOS相机要求拍摄目标位于太阳矢量的相反方向，而且需要相机的视野中必须包含一定面积的月面才能正确曝光。在日全食发生的2个多小时里，月球遮挡住太阳，而龙江二号刚好会经过月球背面，可以找到满足对地拍摄的条件和时机。
另一方面，为了既获得38万千米外地球的更多细节，又不会由于姿态指向误差错过地球，项目组选择使用2x的数码变焦倍率进行拍摄。
大致方案确定后，哈工大团队与西班牙无线电爱好者Daniel Estévez （EA4GPZ）等人对最佳的拍照时刻进行反复的核算与讨论，最终确定：
- 为了验证相机参数设置的正确性，在协调世界时（UTC，加8个小时就是北京时间）6月30日进行6次测试成像；
- 在协调世界时7月2日18:57:00和19:32:45两个临界时间点的前后1分钟里，龙江二号进行6次成像；
- 确定了拍照后用于数据接收的时间段。
这些反复核算过的观测计划最终被转化为指令码字，从北京航天控制中心通过S频段测控网发送至龙江二号。
北京时间7月3日凌晨，龙江二号完美执行了既定规划，用微型CMOS相机从月球轨道上拍摄了下了日全食期间月球投在地球上的影子。
照片中可以看到地球的美洲大陆、大洋上的风暴、太阳在海面反射的光斑， 以及最重要的： 月球落在地球上的影子▼
日食第五次成像，拍摄于协调世界时2019年7月2日19:32:45。阴影中全黑区域里的人们，彼时看到的就是日全食。来源：哈尔滨工业大学
照片下载的指令由哈工大团队生成，通过德国业余无线电爱好者Reinhard Kuehn （DK5LA）的VHF频段EME天线阵列发送至龙江二号，UHF频段的下行图像数据则由荷兰德文格洛25米射电望远镜、北京沙河12米站以及哈工大在国家无线电检测中心哈尔滨监测站搭建的小八木阵列天线进行同步接收[15]。
日食第三次成像，拍摄于协调世界时2019年7月2日18:57:00。来源：哈尔滨工业大学
这次协同大作战的成功，让所有参与行动规划和数据接收的朋友们获得了极大的喜悦和满足。参与了多次龙江二号数据接收的志愿者Tammo Jan Dijkema说：我们对这个相机的使用越来越擅长了，这几张照片比我们之前的都好[15]。
但遗憾的是，此时已是2019年7月初，已经完成既定使命的龙江二号将在月底结束任务。为了避免卫星失去动力后产生空间垃圾，龙江二号选择在尚有燃料的情况下主动撞月坠毁——就像撞月的嫦娥一号、撞土星的卡西尼号等诸多探测器前辈们一样。
早在2019年1月，龙江二号已进行了轨道调整，随后将慢慢随着轨道的演化在7月底撞击月球。
受控坠毁：月宫长眠
2019年7月31日晚22:20分左右，已经完成所有任务的龙江二号卫星按照既定计划撞上月球背面坠毁，结束任务。
直到撞月前几个小时，各地爱好者们依然没有停止接收龙江二号的数据。
通过龙江二号的轨道，无线电爱好者Daniel Estévez估算龙江二号的撞月点大致在月球背面的Van Gent撞击坑附近（黄圈）▼
不过，因为龙江二号与通讯中继卫星鹊桥之间没有数据接口，所以龙江二号运行到背面的时候是没有信号传回的。
我们无法看到最后撞月的实况直播，也无法立刻知道最终的精确撞月点。
只能等待这一时期唯一的在轨环月卫星：NASA的月球勘测轨道飞行器（LRO）过境的时拍摄撞击之后的月面才可能知道。
幸运的是，月球勘测轨道飞行器LRO在2个多月后顺利拍摄到了预定撞月区域一带的月面照片，随后，LROC项目组从中找到了龙江二号撞月点——只比Daniel Estévez估算的位置偏离了328米！
最后的最后，龙江二号在月球背面留下了一个直径4×5米的人造撞击坑，和众多探月的前辈探测器们一起，永远月球这片土地上沉沉睡去。
一点后记
最初想要动笔写这篇文章，是在去年7月底，龙江二号刚结束任务那会儿。很开心能够联系到龙江二号任务的学生团队，了解了大量关于龙江二号的细节。
几经拖延之后，总算赶在2019年结束之前，写完了这篇文章。
于我个人而言，私以为很难用简单几句话来概括龙江二号任务的意义。
龙江二号是世界首个独立完成地月转移、近月制动、环月飞行和一定探测任务的月球微卫星。
但绝不止如此。
它，真的是挺不一样的。
小卫星、低成本、顺路搭载、自筹经费…...这些先天条件决定了龙江卫星无法像国家队的探测器那样，肩负重要的探测使命、完成复杂的探测工作。
但也正因为如此，龙江二号探索出了一种低成本深空探测的新模式。
- 鼓励有能力的年轻学生参与设计和运营，从真刀真枪的实战中学习和成长，也为中国航天培养了年轻的血液。
- 调动民间爱好者的设备和力量，让更多人能够参与到真实的深空探测中去，尽自己的力量，也实现自己的梦想。
- 允许更深度的国际国内合作，更灵活自由的观测规划，让卫星在有限的条件下创造出更多意想不到的精彩。
- 拿出更开放的宣传姿态，提供更透明的数据共享方案，既让全世界更多人看到龙江任务的成果，也让龙江任务成为一个优秀的“走出去”项目。
- ……
龙江二号公开的任务代码和数据，在紫丁香lilacsat网站和其他一些数据共享平台可下载▼
从另一个角度来说， 龙江二号的成功， 是全世界航天爱好者们的共同胜利， 也是中国航天版的“少年可期”。
月球旅行者——龙江二号漫画。作者：@涡轮喷气蛋
前面提到过，两颗龙江卫星最初的名字是“月球轨道超长波天文观测微卫星A/B”（Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder），简称DSLWP-A和DSLWP-B。
而在哈工大卫星团队里，学生们私下有属于自己的爱称——“对数龙王炮”。既首字母完美贴合卫星的代号，又别有一种…...中二的神秘感
再见了，对数龙王炮A！再见了，对数龙王炮B！
致谢
本文感谢哈尔滨工业大学龙江号项目组多位成员的资料和审稿~
也谨代表龙江团队，向关心龙江任务进展、或为龙江任务提供过帮助的世界各地官方和私人组织和个人致以诚挚的感谢！
出品：科普中国
制作：haibaraemily
监制：中国科学院计算机网络信息中心
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
参考
[1] LROC |Longjiang-2 Impact Site Found!
https://www.lroc.asu.edu/posts/1132
[2]吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计.深空探测学报,4(2), 111-117.
[3] 张锦绣，陈学雷，曹喜滨，等. 月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务[J]. 深空探测学报，2017，4（2）：158-165.
[4] 公众号 紫丁香卫星 | 龙江二号成功绕月，开展国际首次月球轨道业余无线电通信试验https://mp.weixin.qq.com/s/0y2XJiKNP8IGYAhoAhILKQ
[5]公众号 中国探月工程|概览：“龙江号”微卫星
https://mp.weixin.qq.com/s/CqL8R0BpmCCgwQPWrtQ78g
[6] 公众号 中国探月工程|“龙江二号”微卫星圆满完成环月探测任务,受控撞月
https://mp.weixin.qq.com/s/Jl44e8VdXlr92waRuWwIxA
[7]Radioastronomy Science from the Moon
https://sci.esa.int/documents/34375/36249/1567260083880-ESA-CAS-workshop1_poster7_Radioastronomy-Science-from-the-Moon_P-Zarka.pdf
[8] 成功接收龙江卫星信号的爱好者及仪器
http://lilacsat.hit.edu.cn/wp/?page_id=844
[9] 龙江卫星贡献者地图 http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/map.html
龙江卫星贡献者列表http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/contributor.html
[10]公众号 紫丁香卫星 |BY2HIT与DK5LA通过龙江二号完成国际首次绕月业余卫星双向QSO
https://mp.weixin.qq.com/s/xr3WPtkFBRRJe9dISTnA3g
[11]公众号 紫丁香卫星 |《科学》杂志刊登龙江二号卫星拍摄的地月合影
https://mp.weixin.qq.com/s/EoE_W51yOLNCGFWHnqnPkg
[12]公众号 紫丁香卫星 |『月色真美』https://mp.weixin.qq.com/s/I55Vj5ixkRCC6STYsPE7oQ
[13] 龙江二号传回的照片http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/pics-b.html
[14] https://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2018/07/What_is_an_eclipse
[15]公众号 紫丁香卫星 |在月球看日食！龙江二号卫星成功拍摄7月2日南美全食影像
https://mp.weixin.qq.com/s/sXRMDXZ-jQ_DcKmZRrY4WQ?
[16]TPS | Imaging the Earth from Lunar orbit
http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/imaging-the-earth-from-lunar-orbit.html
[17]https://destevez.net/2019/08/trying-to-find-the-dslwp-b-crash-site/
本文经授权转载自行星事务所（ID：haibaraemily_planets），如需二次转载请联系原作者
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