繼四個月前，日本ispace公司的白兔-R著陸器登月失敗之后，該國第二個登月探測器“月球探測智能著陸器”也即將迎來發射之期。

白兔-R著陸器撞月效果圖

原本按照計劃，本周一，一枚H-2A火箭將在種子島宇宙中心以拼車搭載的方式發射該探測器，但是發射當天出現了高空風力過大的問題，遂推遲發射，前一日也曾遭遇類似問題，這是第二次推遲，發射窗口將持續至9月15日，期間每一天都有發射窗口，但由于火箭發射準備工作耗時較長，下一次發射日期不會早于本周四。

推遲發射的H-2A火箭

“月球探測智能著陸器”不同于已經登月失敗的“白兔-R著陸器”，后者是商業航天公司整合國際力量研發，前者則是立足其國內由日本宇宙航空研究開發機構JAXA抓總研制，更能體現日本登月實力。

受制于國力與預算規模，日本航天難以在火星探測、月球探測、載人航天等領域全線跟進，只能謀求差異化競爭優勢，所以歷來喜歡劍走偏鋒，做法就是，通過集中力量攻關某一項其它航天強國尚沒有去做的項目，例如以隼鳥二號為代表的小行星采樣返回任務，“月球探測智能著陸器”也是如此。

月球探測智能著陸器效果圖

“月球探測智能著陸器”的競爭優勢在于將攻克“月面定點著陸”技術，以往人類登月任務都是科學家根據工程到達能力選擇某一大片區域著陸探測，即可滿足科學需求，然而隨著人類對月球認識的加深，科學家希望能夠到達指定的具體點位進行探測，例如，去月球南極既有連續光照區（能源優勢利于發電），又臨近永久陰影區（水冰資源集中）的地方著陸，這些地方可供選擇的著陸區通常都非常狹小，而且地形也更為復雜，客觀上要求著陸探測器必須具備高可靠的“月面定點著陸”功能。

月球南極區域沙克爾頓隕石坑及其周邊，有很多大大小小的永久陰影區與連續光照區。

上個世紀，人類無人著陸器僅具備基于大片開闊平坦區域的盲降登月能力，且失敗率較高，進入21世紀以來，嫦娥三號基于光學成像粗避障+激光三維成像精避障的接力避障技術，率先終結了人類無人探測器盲降登月的歷史，此后又取得了嫦娥四號、嫦娥五號登月任務的成功，三次登月三次成功，成功率高達100%。

嫦娥探月工程發展至今所取得的成就是巨大的，也引領了人類21世紀的探月高潮，但是也要認識到，目前嫦娥系列著陸器尚未拿下月面定點著陸技術能力。

嫦娥系列著陸器尚不具備定點著陸能力，圖為嫦娥三號避障段畫面。

日本航天寄希望于月球探測智能著陸器在全球范圍內率先掌握月面定點著陸技術，從其登月時間上看可領先我國嫦娥七號至少兩年時間，但卻被印度航天截胡，實際情況果真如此嗎？我們該如何應對？本文將就圍繞這些問題進行全面解讀。

月面定點著陸是指，著陸器在沒有發射前，提前選定具體的登月坐標位置，著陸器發射后瞄準選定的登月坐標精確著陸，實際登月位置與選定的登月坐標位置之間的偏差需要控制在百米量級。

以嫦娥三號為代表的嫦娥系列著陸器，滿足的是確保成功登月的高可靠高安全的月面著陸需求，比如嫦娥三號在精避障階段基于障礙規避需求可以通過激光三維成像敏感器選擇最安全的著陸點，著陸后的著陸點與激光三維成像敏感器選擇的安全著陸點位置偏差是1米，精度不可謂不高，但是，要認識到這里的1米偏差量并不是實際著陸點與選址著陸點之間的偏差，其與選址著陸點之間的偏差是600多米，到了嫦娥五號任務階段，這一偏差數值擴大到了2.33公里。

為什么實際著陸點與選址著陸點之間的偏差大？

航天器在太空中飛行，即便是很小的軌道偏差也往往是失之毫厘差之千里，而軌道偏差往往又是客觀存在，難以絕對消除，在這個基礎上執行登月任務時，還存在反推減速發動機的推力偏差，這就會進一步放大實際著陸點與選址著陸點之間的位置偏差。

在嫦娥探月工程已經實施的三次登月任務中，嫦娥四號的登月難度是最高的，它需要實現月球背面復雜崎嶇地形的安全著陸，預選著陸區的地形起伏有6000多米，嫦娥三號預選著陸區的地形起伏僅有600多米，對測距敏感器的數據精度以及著陸器控制算法的可靠性要求更高，預選著陸區面積也只有嫦娥三號任務時期的5%，在一定程度上要求嫦娥四號需要具備定時定點的著陸能力，保障成功登月的難度很大。

嫦娥四號登陸月背需要克服萬米高差

最終，嫦娥四號之所以能夠成功登陸面積小很多的月背預選著陸區，主要歸功于包括預測校正制導等新技術的應用，確保軌道偏差量最小化，并準確判讀軌道數據，進而盡最大限度縮小實際著陸點與選址著陸點之間的位置偏差，此次登月任務的成功，標志著我國掌握了基于科學探測需求任意選擇著陸區的全月面到達能力。

但是，即便做到了這一步，嫦娥四號仍舊沒有掌握月面定點著陸能力，這項技術真的很難嗎？

嫦娥四號原本是嫦娥三號探測器的備份，它原本有3個選擇：1.在嫦娥三號任務成功后，不發射，集中精力準備當時即將開始的嫦娥五號月球采樣返回任務；2.讓嫦娥四號降落在嫦娥三號旁邊；3.拓荒月背探測。

嫦娥三號著陸器

三個選項中，月球背面探測很吸引眼球，然而降落在嫦娥三號旁邊這個選項也不遑多讓，這說明嫦娥四號在選擇任務目標時曾經考慮過拿下“月面定點著陸”這一工程能力，探月工程三期副總師李春來曾這樣說道，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。

兩個著陸探測器在月球表面“會師”，在人類登月探測歷史中曾有過一次，也是迄今為止僅有的一次，就是上個世界的阿波羅12號任務，當時無畏號登月艙著陸在距離勘測者三號旁邊僅163米的位置，在如此近距離的條件下，宇航員徒步來到了勘測者三號著陸點，他們對這個無人著陸器拍攝了大量照片，并拆下部分零件帶回了地球。

阿波羅12號宇航員拍攝的勘測者3號無人著陸器

阿波羅12號宇航員與勘測者3號無人著陸器合影，遠處是無畏號登月艙。

之所以選擇降落在勘測者三號無人著陸器旁邊，也是為了向世界展示他們的工程實力，再就是這個無人著陸器有一定的特殊性，它在著陸時由于測距敏感器誤判導致在月面彈跳了兩次，幸運的是后續工作正常。宇航員親赴著陸現地，拍攝照片并拆下部分零件帶回地球，有助于研究在非正常著陸情況下探測器的應急表現，以及零部件在月面工作的壽命表現。

NASA的LRO繞月衛星拍攝的阿波羅12號與勘測者3號登月遺址

阿波羅12號指令艙宇航員拍攝無畏號登月艙

在航天事業剛剛起步的年代，阿波羅12號飛船的無畏號登月艙是怎樣實現月面定點著陸的？

正如前文所述，在嫦娥三號以前所有的無人月球著陸器都只具備沒有障礙識別與障礙規避的盲降登月能力，定點著陸究竟是怎么做到的？

一個非常重要的原因，就是有了人的參與，阿波羅12號飛船的無畏號登月艙在登月過程中，大部分航程都依靠自動駕駛儀控制登月艙，宇航員只需對飛行軌道參數進行校對，當參數錯誤較大時可人為控制修正，而定點著陸也只需要在著陸末段進行必要的機動，此時宇航員可以基于月面隕石坑進行方位判別，勘測者三號無人著陸器就在一個名為“雪人”的大型隕石坑的中心位置，宇航員可以通過舷窗目視識別，之后手動控制飛船朝向目標機動，進而實現月面定點著陸。

在21世紀科技大發展的當下，人們往往容易忽視人的作用，但事實是，即便是當下，以人工智能為代表的自動化技術也無法完全取代人類，比如載人飛船空間交會對接，在自主交會對接基礎上，通常都需要手控交會對接備份，因為自主交會對接敏感器存在誤判概率，尤其是在陽照區。

航天員葉光富執行天舟二號與空間站手控遙操作對接任務

基于前文敘述可知，早在多年前，我們就擁有通過嫦娥四號任務拿下月面定點著陸技術的條件，但如果讓嫦娥四號在嫦娥三號旁邊降落，雖然具備較高的工程技術價值，但科學考察價值并非最優，因為嫦娥三號已經在那里，就當時的需求而言，月面定點著陸也并非急需，經過利弊權衡后，嫦娥四號最終選擇了拓荒月背探測的任務目標。

通俗地說，月面定點著陸對于我們，并非能與不能的問題，而是選擇何時去做的問題。

后來各國的登月實踐表明，向月面定點著陸技術發起挑戰的各國探測器有不少，但他們如果要想去月球背面探測卻是難上加難，比如NASA也曾多次提出使用我國鵲橋號中繼衛星進行月背探測的請求。

阿波羅12號飛船的無畏號登月艙約160米的著陸位置偏差是20世紀人類月面著陸位置精度的最佳成績，而這也是那一時期人類的能力天花板。21世紀的當下，定點著陸需要將著陸位置偏差進一步控制在百米以內，比如日本即將發射的“月球探測智能著陸器”，那么，它又該如何實現這一工程目標呢？

月球探測智能著陸器的規格是，寬2.7米，長2.4米，厚1.7米，發射質量0.73噸。

月球探測智能著陸器（實物）

與之相比，嫦娥三號的發射質量是3.78噸，這一數據是日本月球探測智能著陸器的5倍有余。

月球探測智能著陸器的重量之所以很輕，主要還是因為預算問題，促使得該著陸器必須想辦法降低重量，降低重量也意味著能夠做的事情是很有限的，為了突出價值，只能專攻一項工程課題，就是月面定點軟著陸。

采用低能量轉移軌道是日本月球探測智能著陸器降低重量的主要手段，運載火箭可以先將探測器發射至近地點250公里、遠地點1.9萬公里繞地球運行的大橢圓軌道，探測器再自主變軌至一條遠地點更高的彈道式軌道，當探測器接近月球時基于月球引力轉向，繼而被月球引力捕獲，實現環繞月球飛行。

低能量地月轉移軌道

低能量轉移軌道之所以能夠降低探測器發射質量，是因為該轉移軌道可以實現燃料消耗最小化，自然就降低了發射重量，發射重量的降低對于壓縮發射成本的效益也是立竿見影。

凡事有利就有弊，低能量轉移軌道并不是適合所有任務，因為轉移飛行耗時很長，一般都要半年左右時間，像載人登月這種時間敏感性任務并不適合低能量轉移軌道。

當日本月球探測智能著陸器經過長途跋涉來到環月軌道后，就可以擇機登月。

其登月起始點高度與嫦娥系列著陸器一樣，都是15公里，選址著陸點在月球正面南半球酒海西北邊緣的“西里勒斯” 隕石坑東部的“西奧利”隕石坑邊緣，他們想要降落在隕石坑邊緣的斜坡上，預選著陸區相當小，唯有定點著陸技術可以勝任。

紅色箭頭所指之處就是日本月球探測智能著陸器的預選著陸區

實現月面定點著陸有兩條技術路徑，分別是，無線電信標導航與地形相對導航，無線電信標導航需要在著陸點提前放置無線電信標，適合多個月面探測器的集中部署，顯而易見，日本月球探測智能著陸器沒有這樣的技術條件，那就只能基于地形相對導航技術進行月面定點著陸。

定點著陸的核心就是要準確掌握著陸器的空間位置，并基于空間位置信息進行彈道修正，進而實現定點著陸。

地形相對導航

著陸任務開始前，著陸器將使用光學設備對月面成像，然后將成像圖像與機載預先儲存圖像進行隕石坑匹配，從而解算出自身準確的空間位置，此時，隕石坑的作用就相當于著陸器的路標。

基于準確的位置信息，著陸器就能通過陀螺儀、星敏感器、測距測速敏感器等傳感器獲取的姿態、方向、速度、距離等信息對標設計彈道進行精準的修正，進而到達目標著陸點。

定點著陸能夠大幅縮小著陸點偏差，但并不能保證安全落月，因為當著陸器來到著陸點上空還要進行障礙識別與障礙機動規避，若沒有此環節，即便著陸器以極高的精度瞄準著陸點也不能識別著陸點究竟是巨石還是深坑，這樣一來著陸器就會傾覆，直接導致登月失敗。

說到障礙識別與障礙機動規避，這就要應用與我國嫦娥系列著陸器應用的相類似的避障技術。

雖然目前嫦娥系列著陸器暫時沒有定點著陸功能，但在前期任務中我們抓住了登月任務的主要技術矛盾--基于障礙識別的安全落月技術，這是事關登月成敗的關鍵技術。

日本月球探測智能著陸器要在距離月面50米高度懸停，并對著陸區進行光學掃描成像，并快速識別障礙物，進而選定安全著陸點控制著陸器機動避障。

50米高度懸停成像

與日本著陸器不同，嫦娥系列著陸器的要求是在距離月面100米高度懸停成像，兩者懸停高度為什么有差異？

日本月球探測智能著陸器的下降反推動力是2臺最大推力630N的主發動機，此型動力能在630N到330N推力區間變化，變推范圍52%至100%，可以在較低高度進行懸停成像，與月面距離越近，成像分辨率越高，更容易看得清，從而降低光學避障相機指標要求。

日本630N變推力發動機

我國嫦娥系列著陸器配置的則是1臺7500N變推力發動機，不僅推力更大，而且變推力范圍也更大，能在16%至110%推力區間連續變化，同樣也可以在50米高度懸停，但為什么我們要在100米高度懸停？

嫦娥系列著陸器配置的7500N變推力發動機

50米高度懸停，距離月面近，固然可以獲取較高分辨率的月面圖像，但是相機成像范圍受限，無法在較大范圍內選取安全著陸點，留給著陸器機動的空間、時間也有更大的限制，不利于安全落月。

嫦娥系列著陸器雖然懸停高度略高，但我們有高精度的激光三維成像敏感器，不僅解決了成像分辨率問題，也可以在較大范圍內選取安全著陸點，機動范圍、機動時間也都更寬裕。

日本月球探測智能著陸器具備挑戰月面定點著陸的功能，但在安全落月領域仍落后于嫦娥系列著陸器，前者僅具備50米高度光學成像障礙識別功能，嫦娥系列著陸器則是更加可靠的光學成像粗避障+激光三維成像精避障的接力避障，正因為有如此穩妥的登月控制技術，這才有三次登月三戰三捷的驕人戰績。

嫦娥四號懸停避障

在接觸月面之前，日本探月智能著陸器還要分離兩臺小型移動載荷，一個可以在月面跳躍移動，另一個是微型球形移動巡視器，設計壽命都很短，主要是試驗性質。

日本探月智能著陸器的著陸姿態也很獨特，當著陸器距月面3米高度時，發動機關閉，姿控發動機隨即啟動，促使著陸器以側傾姿態觸月，靠近尾部的兩個著陸腿先接觸月球表面，然后前腿觸月，最終以側傾姿態著陸月面。

之所以如此設計，還是為了減重，它無法使用傳統著陸腿登月，因為重量不允許，預選著陸區月面平均斜度是15°，這與以前不久撞擊月球的月球25號探測器能夠適應的月面斜度相同，后者的發射質量達到了1.75噸，比日本月球探測智能著陸器重了1倍多，若使用傳統著陸腿，就不能以火箭拼車的方式發射，發射成本將大幅增加。

日本月球探測智能著陸器的側摔式落月

日本月球探測智能著陸器的著陸緩沖支撐裝置設計在著陸器的側面，這是一種基于3D打印技術制備的球形海綿結構緩沖裝置，著陸時通過海綿結構的碎裂進行著陸緩沖。

負責登月項目的子系統負責人Kushiki Kenji是這樣描繪登月任務，他說，就是從減速開始到登陸月球表面預計將是令人屏息、麻木的恐怖20分鐘！

如此表述足見該任務團隊對登月任務的艱難性有清醒認知，他們也提前為此次登月任務的成敗給出了定義：

1.安全登月，但沒有實現100米定點著陸目標，這是最小成功，但驗證了地形相對導航技術，為將來的定點著陸任務打下堅實基礎；

2.安全登月，并實現100米定點著陸，完全掌握基于地形相對導航技術的月面定點著陸工程能力，這是完全成功；

3.在定點著陸基礎上，著陸器搭載的各科學探測載荷工作正常，滿足設計壽命要求（一個月晝，14個地球日。），這是在完全成功情況下，收獲額外成功。

側摔式落月分解動作

在日本航天人看來，拿下定點著陸，他們就能在登月工程技術領域處于領先位置，然而這件事，其實已經被印度月船三號截胡。

印度成功登月的月船三號著陸器配置有位置檢測相機LPDC，在實施登月任務之前該相機就在離月面70公里高度對著陸航跡下方的月面成像，并將成像圖像與機載預先儲存的月面圖像進行匹配，從而解算出自身準確的空間位置，這臺相機還能為著陸器提供30公里高度下降過程中所需的經緯度信息，這就是典型的能夠實現月面定點著陸的地形相對導航技術。

印度空間研究組織的空間應用中心負責人尼勒什·德賽說，月船三號著陸器的預選著陸區是一塊4公里X 2.4公里的區域（約9.6平方公里），其實，四年前，月船二號的著陸區面積更小，僅0.25平方公里，在相同傳感器配置條件下，月船三號著陸區面積選擇雖然保守了一些，但其所表現出的著陸精度也已經足夠高。

月船三號著陸器的位置檢測相機LPDC

與之對比，登陸月背的嫦娥四號的預選著陸區是360公里X 90公里（約3.2萬平方公里），相當于一個海南島的面積。

兩個著陸器的預選著陸區面積對比，這就是月面定點著陸技術有與沒有的差異所在，此項技術于我們而言，正如前文所述，不是能與不能，而是選擇何時去做的問題。

印度月船三號與日本月球探測智能著陸器雖然都具備月面定點著陸功能，但它們在月面僅能存活14天，探測規模非常有限，技術驗證意味更濃。之所以不能擴大探測規模，與其掌握此項技術的自信不足有關，而自信與否源自實力的強弱。

月船三號月球車導航相機拍攝的月表畫面

反觀我們，月面定點著陸功能的掌握將基于嫦娥七號任務開局，這個開局任務也相當宏大。

嫦娥七號探測器是旨在對月球南極，及月球全球進行大規模深度探測的多器組合的大規模月球探測器，由推進艙、著陸器、月球車、飛越探測器，以及其它月面部署載荷組成，規模之大可謂空前。

除推進艙及支撐機構外，其余組成部分將全部軟著陸于月面，屆時我們選擇的登陸點不會像月船三號著陸器那樣，連月球南極區域的邊都沒碰到，嫦娥七號要登陸的是86°S以南有極晝極夜現象的真正的月球南極區域，并將派飛越探測器飛入永久陰影區直接獲取水冰資源存在與否的直接證據。

嫦娥七號

正如前文提及的，月球南極圈內，既有連續光照又有永久陰影區可供選擇的著陸區面積極為狹小，這表明我們的定點著陸技術要求會更高，著陸位置更精確。

若不是對自身掌握的月面定點著陸技術實力高度自信，就不會將嫦娥七號這樣規模如此龐大的探測器寄托在一項尚未驗證的新登月技術上。

嫦娥七號也不具備實施基于無線電信標導航的月面定點著陸條件，因此，它也將基于地形相對導航技術實施月面定點著陸，此項任務需要兩大能力支撐，首先是要有高分辨率的月面照片預先儲存于機載計算機，還需要高效率的專用圖像處理算法，以兼顧精度控制和處理時間。

以嫦娥系列著陸器登月末段的精確避障任務為例，激光三維成像敏感器只需0.25秒就能完成著陸區掃描，機載計算機也僅需1秒鐘就能完成著陸區障礙識別，并選定安全著陸點，反觀日本月球探測智能著陸器在進行圖像處理時則需要5秒鐘。

雖然二者的內容不盡相同，但窺一斑而知全豹，在機載計算機性能指標以及專用圖像處理算法領域，我們確實有相當大的優勢。

激光三維成像敏感器

要想定點著陸，還需要高分辨率的月面照片，我們有沒有呢？

在眾多的嫦娥系列探測器中，專職月球遙感探測的有兩個，就是嫦娥一號與嫦娥二號，不同于國外專注月面高分辨率成像，嫦娥一號獲取的是120米分辨率全月圖，嫦娥二號則進一步提高了分辨率，獲得了7米分辨率高精度全月立體影像圖。

7米分辨率對比國外動輒0.5米、0.3米的高分辨率確實要低不少，但這恰恰反映出了我們工程戰略決策的智慧。

別看只有7米分辨率，我們是月球全球覆蓋的7米分辨率，截至目前這張全月圖依舊是世界最高分辨率的全月圖。

嫦娥二號降軌拍攝月球虹灣局部高分影像

像NASA的LRO月球勘測軌道飛行器、印度月船二號軌道器能夠拍攝0.5米、0.3米高分辨率月面圖像，但他們的成像效率很低，運行時間長達十四年的LRO月球勘測軌道飛行器至今也無法獲得0.5米分辨率全月圖，該探測器只能獲取100米分辨率的全月圖，遠落后于嫦娥二號只用半年時間就獲得的7米分辨率全月圖。

嫦娥一號、嫦娥二號之所以沒有聚焦高分辨率月面成像，而是專注提高覆蓋月球全球的全月圖分辨率，是基于有限工程資源條件下實現探測成果最大化的選擇，也是自力更生的需求使然，有了全球最高分辨率的全月圖，那么我們就可以不必有求于人。

但是，7米分辨率對于實現月面定點著陸的導航需求而言可能還有欠缺，咋辦？

我們還有后招，嫦娥七號在進入繞月軌道后有繞月詳查階段任務安排，完成詳查任務后再登月，此前天問一號探測器入軌火星后也有同類詳查階段任務安排。

在嫦娥七號詳查任務階段，就可以動用推進艙配置的高分辨率相機對預選著陸區進行高分辨率成像，這臺相機的綜合性能將居于世界領先水平。

嫦娥七號入軌月球后，將先期進行詳查遙感探測任務。

嫦娥七號擇優指標要求披露，該高分相機可獲取100公里高度成像距離下優于0.5米分辨率全色影像圖，這也僅是競標指標，成功競標的相機指標只會更優，高分辨率只是優勢之一，更大的優勢是其擁有大于18公里的成像幅寬，與之對比，NASA的LROC窄視場相機的高分辨率成像幅寬是5公里，是印度OHRC高分相機的成像幅寬是3公里。這意味著我們可以在相同時間內獲得更多的高分辨率月面影像。

在可預見的將來，月球不再沉寂，會越來越熱鬧，月球就像是一個舞臺，你方唱罷他登場，然而無論有再多的表演者，主角只一人。

沒剩幾個月就要到明年了，屆時我們將再發射兩個月球任務航天器，分別是鵲橋二號中繼衛星與嫦娥六號，前者能同時為十個月球探測器進行中繼通信，嫦娥六號將赴月球背面采樣返回，這也是人類首次。

緊隨其后的還有嫦娥七號、嫦娥八號、月面科研站，往后的每一個月球探測器都是國之重器，并行開展的還有載人登月工程，放眼世界，能做實現上述任務的國家有幾個？用“屈指可數”來形容都顯得不夠準確，雖然看上去可能還有一個，但就實際情況而言，可能一個都沒有。