月球背面非唯一选项，嫦娥四号曾考虑落嫦娥三号边上，难度世界级

众所周知嫦娥探月工程自立项伊始就制定了“绕、落、回”三步走规划，随着嫦娥五号返回器成功着陆地球，探月工程一、二、三期任务目标均已达成，现在工程全线已经全面转入探月四期任务。然而长达十八年的探月历程并不是简单罗列几个胜利成果就能够全面概括，其中还有很多细节值得我们探究。

嫦娥一号绕月探测器

嫦娥二号在环月轨道运行画面

先来看看“绕、落、回”三步走规划分工，嫦娥一号解决了如何绕月的问题，嫦娥二号作为第二步任务“落”的先导星为嫦娥三号执行落月任务获取了着陆区高分辨率影像，嫦娥三号在此基础上解决了如何落月的问题，嫦娥五号则在前两步基础上完成了月面采样返回任务。那么，嫦娥四号呢？

嫦娥三号着陆器

嫦娥五号探测器

实际上，嫦娥四号属实是一个计划外产物，探月工程各次任务至今保持着研制生产备份探测器的惯例，比如嫦娥二号是嫦娥一号的备份，嫦娥五号也有备份，就是旨在实现月球南极采样返回的嫦娥六号，该探测器已划归探月四期任务。

执行落月任务的嫦娥三号当然也有备份，就是嫦娥四号。同为备份的嫦娥二号肩负有获取着陆区高分辨率影像及全月球高分辨率遥感成像等关键工程任务，是解决落月问题的“刚需”，但对于嫦娥四号而言，并没有刚需性质的任务。

嫦娥二号获取的月球虹湾局部影像图

既然生产出来了，一向勤俭持家的航天人自然想着如何“物尽其用”，现在地球人都知道了，它代表人类去了月球背面，开启了一段月背拓荒之旅。

嫦娥四号着陆器在月球背面

然而最初嫦娥四号的前途并没有像如今这样“确定”，就在嫦娥三号成功实施月面软着陆任务的当年，嫦娥四号的前途问题也被摆上了台面讨论。

探月工程总师吴伟仁介绍，当时面临三种选择，第一种选择就是不打（发射）了，第二个选择是着陆月球正面南半球；第三个选择是去月球背面。

总装厂房内的嫦娥四号

第一个选择（不发射）可以集中力量专攻嫦娥五号任务，结果就是让嫦娥四号束之高阁；

第二个选择（去月球正面南半球）最为稳妥，可以获取月球正面不同着陆点的科学探测数据，但是工程方面价值不大；

第三个选择（去月球背面）在工程与科学探测两个方面都将带来极大的突破，这也是嫦娥四号的最终选择。

月球背面

除此之外，嫦娥四号还有一个选项。探月工程三期副总师李春来披露，当时甚至有人考虑，我们落在嫦娥三号的边上，这也能显示出我们的水平，控制精度很高啊。

如果选择落在嫦娥三号边上，就意味着要突破“月面定点着陆技术”，其工程价值丝毫不亚于月球背面的软着陆任务。

嫦娥三号着陆点附近月面

回顾历史，人类有没有过类似的壮举呢？有的，就是阿波罗12号任务。

半个世纪前NASA的阿波罗计划有6次成功的载人登月任务，第一次是阿波罗11号，该飞船的鹰号登月舱最终降落在偏离预定着陆点约6.4公里的月面。

阿波罗十一号任务月面作业

鉴于首次载人登月任务的位置偏差，在第二次登月任务中也就是阿波罗12号任务NASA着力要解决的问题之一就是精准落月，最终该飞船的无畏号登月舱成功降落在了勘测者3号无人探测器附近仅163米的月面着陆点。

阿波罗12号无畏号登月舱驾驶员艾伦·宾

由于距离很近，两名登月宇航员甚至直接步行就来到了勘测者3号登陆点，并与之合影，最终拆解了该无人探测器的部分零件带回了地球。

阿波罗12号指令长康拉德与勘测者3号合影

两个人造航天器在地外天体表面成功“会师”，这在人类空间探测史上是第一次，也是迄今为止的唯一一次。

为什么阿波罗12号可以有如此之高的着陆精度？

阿波罗12号着陆器（左上红框）与勘测者3号探测器（右下红框）相距仅163米，该图由LRO环月轨道卫星拍摄。

要知道，在阿波罗计划实施前后的整个20世纪，所有无人登月任务全部都是“盲降”，这些探测器都是根据计算好的弹道逐级减速实现软着陆，虽然有测距测速敏感器帮助修正弹道，但还是无法抑制误差的发散，因此对着陆精度并没有太多的要求，只要能在月面正常工作，这就是成功。

地外天体定点精准着陆指的是探测器实际落点与标称落点的水平误差在百米量级，实现此项任务无外乎两种手段：一种是基于图像匹配的绝对导航，探测器相机获取大型自然路标，并与地形数据库匹配，进而获得路标的位置信息，不断预报落点偏差控制变推力发动机推力，实现精准着陆；另一种是基于事先在地外天体布放的信标机，着陆器着陆过程与信标通信，实时获取相对信标的三维坐标，在信标的导引下实现定点着陆。

上世纪无人探测器登月方式皆为“盲降”，图为“月球-16探测器”。

这两种手段都没能在20世纪的地外天体探测任务中进行工程应用，那么阿波罗12号是如何实现定点精准着陆的呢？

进入21世纪以来，“人工智能”一直是一个比较高频的标签词，然而时至今日机器并不能完全取代人。

在任何时候都不能忽视人的作用，比如舰载机在航空母舰百米级长度甲板上的起降任务被誉为“刀尖上的舞蹈”，历史上率先攻克此项任务的当然是飞行员，而不是自动驾驶程序，即便是已经攻克舰载无人机起飞与着舰技术的当下，飞行员依旧是舰载机起降任务的绝对主力，这就是人的作用。并不是说机器无法取代人，而是机器取代人需要一个漫长的技术演化过程。

F/A-18舰载机着舰

X-47B无人机着舰

阿波罗计划作为载人登月工程，自然要充分发挥人的作用。

比如执行首次载人登月任务的阿波罗11号，该飞船鹰号登月舱在距离着陆点还有最后一分钟航程时，宇航员阿姆斯特朗发现航线前方有一个直径180米的环形山，如果按照自动程序降落后果不堪设想，于是很快他接通了手动控制程序，操控鹰号登月舱避开了这座环形山。

阿波罗11号鹰号登月舱自动驾驶程序选择的着陆点是一个撞击坑

实际上所有阿波罗登月舱都配置了自动驾驶程序，但没有任何一次登月行动宇航员敢于完全依赖自动驾驶程序，因为该程序无法识别着陆末段的障碍物。

至于阿波罗12号实现定点精准着陆的方法实际上还是万变不离其宗，它所依托的原理也是前文所述的“基于图像匹配的绝对导航”，在那个年代登月舱计算机的存储和计算能力当然无法支撑这一方案的落实，但是人可以做到。

阿波罗12号宇航员理查德·戈尔登在指令舱拍摄的无畏号登月舱与月球

阿波罗12号的无畏号登月舱在主减速段过渡至接近段时会逐渐调整至垂直姿态，此时着陆航线附近会出现一个被称为“雪人”的撞击坑，而勘测者3号无人探测器就在这个撞击坑的中心，雪人撞击坑就是一个“大型自然路标”，宇航员康拉德随即接通手动控制程序，操控飞船降落在指定着陆点，进而实现了定点着陆。

那么，嫦娥四号有没有能力定点着陆于嫦娥三号边上呢？

先来看看嫦娥系列着陆器应用的登月技术，迄今为止我们共实施了嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月任务，登月成功率高达100%，这主要得益于基于机器视觉理念的相对导航控制方案。

嫦娥五号是嫦娥探月工程第三次登月任务

三艘登月器的月面软着陆任务皆分为七个阶段，即着陆准备段、主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段，整个着陆过程的避障工作也可划分为“粗避障”与“精避障”两个阶段，从动力减速下降开始探测器根据测距测速敏感器、光学避障敏感器、激光三维成像敏感器等敏感器得到的状态信息生成控制指令引导探测器实现安全着陆。

嫦娥系列探测器登月过程中的七个阶段

首次登月即成功的嫦娥三号凭借这套导航控制方案彻底终结了无人探测器盲降月球的历史。目前世界范围内，有多个月球探测器都计划使用此类制导控制方案，其先进性是毫无疑问的。

然而，要认识到相对导航致力于解决的是落月安全性问题，比如它可以根据激光三维图像选择安全着陆点，极大程度提高了登月成功率。以嫦娥三号为例，其实际落点相对着陆器自主选择的安全着陆点偏差优于1.5米，这个精度已经是世界第一。

激光三维成像敏感器

激光三维成像敏感器作业效果图

但是嫦娥三号还没有解决水平位置误差问题，其实际落点相对设定的标称着陆点偏差约600米，与定点着陆的标准相比还有一段距离。

继承嫦娥三号登月导航控制技术的嫦娥四号如果要想着陆在嫦娥三号边上，就势必需要攻克基于图像匹配的绝对导航技术，该技术可以解决水平位置偏差大的问题。

嫦娥四号最终选择去月球背面，而不是去嫦娥三号边上，这一决策是权衡工程价值与科学价值利弊的结果。

嫦娥四号着陆器避障相机拍摄画面

就工程价值而言，月球背面着陆需要发射鹊桥中继星，需要突破中继导航控制难题，与定点着陆的工程价值相比是伯仲之间，都属“世界级难题”；

就科学价值而言，嫦娥四号如果定点着陆于嫦娥三号着陆区，带有重复探测的属性，而选择去月球背面，这是人类的第一次，可以探索更多未知，价值极大。

两相权衡，去月球背面的综合价值显然是最大化。

嫦娥四号假如选择落在嫦娥三号边上，大概可以从这个距离看到嫦娥三号。图为玉兔二号拍摄嫦娥四号着陆器。

嫦娥四号虽然没能去嫦娥三号边上，但它对定点着陆技术也进行了有益的探索。月球背面撞击坑分布密度远大于月球正面，这就导致着陆区狭小的问题。比如冯·卡门撞击坑预选着陆区面积仅相当于嫦娥三号预选着陆区面积的5%，在客观上对精确着陆能力提出了新要求。最终嫦娥四号是在不改变既有制导控制方案基础上，基于多次变轨缩小轨控残差的方法实现月球背面狭小着陆区着陆任务。

通过嫦娥四号月背任务的实施，我们事实上具备了根据探测需求在月球表面任意选择着陆区的全月面到达能力，所以此次任务被划归探月工程四期的首次任务。

嫦娥四号着陆月球背面过程中避障相机拍摄画面

更进一步的月面定点着陆技术是接下来建造月面科研站的必备技术，因为届时多个探测器有在同一着陆区会和的工程需求，而这一技术课题被安排在了嫦娥探月四期的后续任务中。

按照计划最早我们将于明年发射嫦娥七号探测器，这是一艘旨在对月球南极进行深度探测的大规模无人探测器，在它所肩负的众多工程任务中就有定点着陆这一项，鉴于月球南极尚没有布放信标机，因此可以推断，其着陆任务将实现基于图像匹配技术的月面定点着陆。

嫦娥七号探测器效果图

将要攻克月面定点着陆技术的嫦娥七号并不是简单的技术替换，而是迭代升级，它将在嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号应用的基于机器视觉理念的相对导航技术基础上拓展定点着陆技术能力，实现既精准又安全的月面软着陆，此项任务成功之后又将是一个世界首次，首次实现无人探测器在月球表面的定点着陆。