偏差近17公里，嫦娥六號與印度比差了46倍？補齊短板，還需兩年

嫦娥六號的著陸器與上升器組合體在阿波羅撞擊坑預選著陸區著陸后不久，官媒就發布了全程登月實況視頻。

實況視頻是由嫦娥六號著陸器降落相機拍攝，全程記錄了從主減速段到緩沖著陸的登月全過程。在登月任務進行時，嫦娥六號會將降落相機拍攝的畫面進行壓縮并抽幀通過鵲橋二號中繼衛星實時回傳地球，供科研人員研判探測器的飛行狀態，待抵達月面之后探測器會將更高質量的圖像數據回傳地球，我們看到的就是后者。

嫦娥六號著陸器與上升器組合體登月下降開始后不久拍攝的月面影像

嫦娥六號登月視頻首先映入眼簾的就是月球背面高大的環形山系，用三個詞來形容就是，山高、谷陡、坑深。整個視頻最吸引我的是最后階段，探測器在100米高度懸停，并在極短的時間內選定最終安全落點，隨后進行斜向機動規避障礙地形，最終在一堆亂石坑中的一塊平地上著陸，再次展現出基于機器視覺技術的精確避障實力。

嫦娥六號懸停、避障、緩速下降、著陸緩沖

編外月球車“移動相機”拍攝的嫦娥六號著陸器與上升器組合體

航天博主SegerYU將嫦娥六號降落影像圖與高分辨率環月遙感圖進行了匹配對比，進而獲得了嫦娥六號著陸器與上升器組合體的著陸坐標是南緯41.64°，西經153.99°。

嫦娥六號著陸影像與環月遙感影像匹配對比。圖源：SegerYU

也就在前幾天，一段央視報道畫面中也不經意地披露了嫦娥六號登月的預選著陸點坐標是南緯42.1度、西經154.4°。

嫦娥六號從地球出發前選定的標稱著陸點

也就是說，嫦娥六號落在了預選著陸坐標點的東北方，已知兩點坐標解算出來的兩點間距離是16.7公里。

接近17公里的距離偏差，這是什么概念？

經過一番查詢后筆者找到了此前我國三次登月的著陸偏差數據：嫦娥三號偏差約600米，嫦娥四號偏差距離是千米量級，嫦娥五號的偏差是2.33公里。

嫦娥六號的著陸偏差數據是以往任務最優值的27.8倍，是以往任務最低值的7.2倍。

再與國外任務對比：

印度月船三號著陸器的“實際著陸坐標”與“預選標稱著陸坐標”的偏差距離：約360米；

印度月船三號著陸器

月船三號著陸位置偏差測量

日本SLIM探月智能著陸器的“實際著陸坐標”與“預選標稱著陸坐標”的偏差距離：55米。

日本SLIM探月智能著陸器

嫦娥六號與印度月船三號相比，前者的著陸偏差數據是后者的46倍。如此懸殊的著陸偏差數據，正常嗎？

嫦娥六號登月位置偏差允許的范圍是，經度正負4°，緯度正負2°，其預選著陸區是一個東西狹長南北較窄的長方形區域，最終落點只要在南緯42.1° ± 2° , 西經154.4° ± 4° 范圍內即可，而嫦娥六號偏差16.7公里的實際落點坐標剛好就在此范圍內。

位于阿波羅盆地的嫦娥六號預選著陸區

為什么嫦娥六號的著陸位置偏差比以往更大？

這還得從嫦娥探月工程的“繞、落、回”三步走發展規劃說起，嫦娥一號首次突破繞月工程技術，嫦娥二號直接進地月轉移軌道，近月制動入軌高度更低，精度更高，進一步鞏固繞月工程技術，承擔首次登月任務的嫦娥三號拿下了月面軟著陸工程技術，登陸月球背面的嫦娥四號是嫦娥三號的備份，產品性能高度一致，執行月球采樣返回任務的嫦娥五號的登月部分則是在嫦娥三號基礎上發展而來，嫦娥六號又是嫦娥五號的備份。

嫦娥一號繞月

嫦娥三號落月

嫦娥五號采樣返回

可以看到，雖然從嫦娥三號到嫦娥六號，時間跨度有十年之久，但是嫦娥六號的登月技術能力與嫦娥三號仍然是一脈相承。隨著時間的推移，個別子系統技術指標雖有所提升，但設計架構并未改變。

舉個例子，比如嫦娥六號在粗避障階段配置的依然是與嫦娥三號同款的光學成像敏感器，只是增配了功能完全一致的著陸地形敏感器作為備份，起到的作用是鞏固設計可靠性，著陸位置偏差的控制水平依然與嫦娥三號一樣。

嫦娥三號又是什么水平？

讓我們把時間指針撥回到十年前，在嫦娥三號以前，人類的無人月球著陸探測器均為盲降登月，何為“盲”？指的就是在著陸末段沒有眼睛去識別障礙物，只能沿著既定彈道落下去，登月成功率沒有保障。

十年前的嫦娥三號開創了基于機器視覺登月的新紀元，徹底終結了人類無人探測器盲降月球的歷史，應用了光學粗避障+激光三維成像精避障的接力避障技術，確保了登月成功率，正是在這套技術的加持下，我們才能收獲嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號、嫦娥六號，四次登月四戰四捷的輝煌戰績。

圖注：嫦娥三號在距月面100米高度懸停，使用激光三維成像敏感器掃描月面識別障礙，并確定最終安全落點。

從收獲的成功次數，與拿到的科學探測數據來看，嫦娥三號的機器視覺避障登月技術無疑是巨大的成功。

但是，要認識到，在不同時期矛盾的主次是不同的，并不是說有了機器視覺避障登月技術就可以一勞永逸。

在探月初期階段，能否成功登月是主要矛盾，然而隨著時間的推移，科學探測的需求也對著陸探測器提出了更高的指標要求。比如，科學家要去月球某一個指定點位附近探測，或者要把這個點位附近的月壤樣本帶回來，這就要求著陸探測器必須具備“高精度定點著陸能力”。

比如科學家指定探測月面上的熔巖管，那就必須高精度定點著陸。

談到這，有些網友就不理解了，月球表面到處都是撞擊坑，難道著陸器明知指定坐標點有個撞擊坑也要硬著頭皮落下去嗎？

這首先是對高精度定點著陸指標有誤解，雖然是定點著陸，但它仍然容許一定范圍內的位置偏差，就是100米左右的偏差值。

以嫦娥五號為例，在進行粗避障時移動了101米，在進行精避障時僅移動了7.6米，可以看到其移動距離遠遠小于該探測器實際上的2.33公里著陸位置偏差距離。

避障任務中橫向移動距離通常只有幾米，圖為嫦娥三號末段精避障。

也就是說，著陸位置偏差大的問題與機動避障這件事并沒有多大的聯系。

另外，現今環月遙感衛星的高分辨率成像能力已經達到0.5米至0.3米，在實施登月任務之前的著陸區遴選階段，就可以避開絕大多數的撞擊坑。別說是大型撞擊坑，就是小型撞擊坑也能識別。

圖注：NASA環月衛星連嫦娥五號都能拍到，與其尺寸相當的撞擊坑自然也不在話下，我國嫦娥七號也可具備此能力。

從嫦娥三號到嫦娥六號，用的都是同款著陸技術，著陸位置偏差卻從600米不斷擴散到16.7公里，這是為什么呢？

按照工程總體給出的指標要求，嫦娥系列著陸器的著陸位置偏差最大值是6公里。嫦娥三號選擇的是開闊平坦區域著陸，測距測速數據相對準確，因此保持著目前嫦娥系列著陸任務的最高精度（約600米）。

嫦娥四號雖然是嫦娥三號的備份，各項指標狀態趨于一致，但它登陸的是月球背面復雜地形，為了防止地形起伏高差帶來的測距數據劇烈跳躍，在整個主減速段只能用慣性導航，而慣性導航隨著航程的延伸，積累誤差會擴大，所以嫦娥四號著陸偏差比嫦娥三號大（千米量級）。

玉兔二號月球車拍攝嫦娥四號著陸器

因為地形干擾，嫦娥四號在轉為垂直姿態前幾乎不啟用測距數據。

“嫦娥五號與嫦娥六號的著陸偏差”相較于“嫦娥三號與嫦娥四號的著陸偏差”明顯是成倍擴大，這又是為什么呢？

以嫦娥五號為例，它與嫦娥三號一樣，選擇都是月球正面開闊平坦區域著陸，但也有不同點，嫦娥五號登月部分是著陸器與上升器組合體，整體重量更大，更關鍵的是著陸彈道有很大的不同。

嫦娥三號的著陸準備軌道是近月點15公里、遠月點100公里，嫦娥五號的著陸準備軌道則是近月點15公里、遠月點200公里，二者雖然都是從近月點15公里處開始登月下降，但遠月點更高的嫦娥五號的下降航程更長，從下降用時的差異就可以感知這一點，嫦娥五號著陸過程用時833秒，嫦娥三號著陸過程用時則是720秒，前者比后者多了將近兩分鐘。

嫦娥五號的著陸器與上升器組合體

嫦娥五號、嫦娥六號的著陸準備軌道遠月點均比嫦娥三號、嫦娥四號

嫦娥五號著陸用時更長，著陸航程也會更長，而著陸航程越長，彈道積累誤差就越大，著陸位置偏差自然就更大。

嫦娥六號與嫦娥五號的技術狀態是一致的，為什么前者的偏差再次放大數倍？因為嫦娥六號登陸的又是月球背面復雜地形，與嫦娥四號一樣，慣性導航的積累誤差影響又來了，著陸位置偏差自然就再次放大。

可以說，嫦娥系列著陸器皆以嫦娥三號為標桿，同時伴隨著登月任務復雜性的提升，著陸位置偏差數據也會隨之放大。

為什么嫦娥系列著陸器的登月位置偏差數據不如印度與日本的探測器？

以我國嫦娥六號與印度月船三號為例，前者偏差16.7公里，后者偏差約360米，二者相差約46倍，用懸殊一詞來形容也是恰當的。這究竟是為什么？

嫦娥六號著陸器全景相機在表取采樣前拍攝的月面畫面

在人類21世紀的探月大潮中，中國毫無疑問是領頭雁，也是當今世界唯一擁有“繞落巡+采樣返回”全套探月工程技術的國家。放眼全球，能制造出嫦娥五號、嫦娥六號這種具備月球采樣返回能力探測器的國家，截至目前有且只有一家，就是中國。

擁有全套探月工程技術的中國航天是綜合能力最優的優等生，但這并不意味著就沒有短板。

印度月船三號就好比是一個偏科生，其從一開始就在定點著陸技術上著墨更多，與之相似的還有日本，該國SLIM探月智能著陸器的一個核心使命也是突破定點著陸技術。

印度月船三號著陸器釋放的月球車

月船三號著陸器在月面進行起飛測試

印度與日本雖然都是偏科生，但明顯日本更加偏科。

印度在吸取月船二號登月任務失敗的教訓后，月船三號加強了地面試驗，針對發現的問題做了大量的升級改良設計，最終實現360米小范圍偏差的月面軟著陸。

反觀日本，SLIM著陸器在距月面幾十米的高度發動機噴管直接噴掉至月面，動力可靠性太低，在此之前的人類探月史上還從未有過此類案例。

SLIM著陸器掉落月面的發動機噴管

不過，就是在這種極端工況條件下，日本SLIM探月智能智能著陸器還是實現了100米范圍內的高精度定點落月，落點偏差僅55米，如果不是發動機故障，它其實已經瞄準落點偏差僅11.8米的著陸位置。雖然是倒栽蔥姿態落月，但著陸器依然成功釋放了兩臺月面移動探測裝置，著陸器本體也存活了幾個月晝周期。

印度月船三號與日本SLIM探月智能著陸器是如何實現高精度定點著陸的？

功能實現的邏輯其實并不復雜，就是應用了“基于圖像匹配的地形相對導航技術”。著陸器在下降過程中拍攝航跡下方的月面，并將成像圖像與預先存儲的高分辨率環月遙感衛星圖進行比對，從而解算出位置偏差，反推發動機就可以根據偏差數據調節推力，從而修正彈道，在著陸末段也應用了與嫦娥系列著陸器類似的機器視覺技術進行避障，從而實現高精度落月。

圖注：印度月船三號在距月面812米處首次懸停，使用圖像匹配地形相對導航進行著陸軌跡修正。

嫦娥系列著陸器的登月位置偏差大，究竟差在哪里？

嫦娥系列著陸器整個登月航程可以劃分為7個階段，分別是：

1.主減速段：通過反推發動機滿推力運行大幅消減下降速度；

嫦娥六號著陸器與上升器組合體主減速段遙測動畫畫面

2.快速調整段：在極短時間內使探測器姿態由水平方向開始朝垂直下降姿態調整，同時發動機推力降低；

3.接近段，探測器朝目標著陸區域飛行，期間會進行第一次避障，就是粗避障，主要是避開較大的撞擊坑、溝壑等障礙地形；

嫦娥六號著上組合體接近段遙測畫面，此時姿態已經趨近于垂直。

4.懸停段：距月面100米時，探測器開始懸停，懸停期間對著陸器下方2500平方米月面區域進行高精度三維立體成像，精細識別障礙物，第二次也是最終選定安全著陸區，這是一塊10米乘10米的安全落點區域；

5.避障段：探測器瞄準目標著陸點一邊避障一邊下降；

6.緩速下降段：距月面30米高度時，探測器來到目標著陸點正上方，然后開始緩速下降；

7.著陸緩沖段：距月面3米高度時關閉發動機，探測器以自由落體形式落月，最后的著陸沖擊能量由著陸腿吸收。

緩速下降段與著陸緩沖段遙測動畫

影響探測器能否高精度定點著陸的因素不在最后的避障飛行階段，而是登月之前的著陸準備軌道是否與著陸點處于同一軌道面，稍有偏差就會失之毫厘差以千里，然后就是主減速段發動機推力數據的偏差，會造成下降彈道誤差，航程越長積累誤差越大。

舉個例子，這就好比是狙擊手進行遠程精確射擊，首先要能瞄準靶心，然后要估算出子彈出膛后影響彈道的各種不利干擾數據。對照登月任務，進入精確的著陸準備軌道就是瞄準靶心，下降飛行過程中也有各種影響彈道準確性的不利干擾。

“著陸準備軌道偏差”與“主減速段下降彈道偏差”往往是客觀存在的，高精度定點登月就是要想辦法修正偏差。

以正在執行任務的嫦娥六號為例，它和嫦娥四號一樣，主要是在著陸準備軌道的軌道面修正上想辦法，嫦娥六號是通過3次近月制動進入目標環月軌道，其中前兩次是進入不同時間周期的橢圓軌道，它就是根據橢圓軌道的特性進行軌道面修正，從而確保了較高的著陸準備軌道精度。

但是，只修正著陸準備軌道面的偏差是不夠的，因為接下來的主減速段的推力偏差同樣會導致著陸偏差。

在實施登月任務之前筆者就預測嫦娥六號可能會采用與嫦娥四號相似的著陸方案，即為了避免地形起伏高差影響測距修正，在整個主減速段不引入測距修正，只用慣性導航，而慣性導航積累誤差較大，為了確保安全，主減速段結束時的高度要足夠高，以免撞山。

嫦娥四號是在八千多米的高度結束主減速段，六千多米高度轉為垂直下降，此時再引入測距修正，就沒有地形起伏高差帶來的數據跳躍難題，因為此時探測器已經來到了目標著陸區上空，測距載荷可以直視目標著陸區。

但是，嫦娥六號登月成功后某單位發布了報道通稿，里面提到嫦娥六號是在距月面3公里高度轉垂直下降。

十年前的嫦娥三號是從3公里高度開始朝垂直姿態調姿

當時筆者就有疑惑，3公里高度轉垂直下降這是嫦娥三號的標準動作，但這里可是復雜地形的月球背面，如果刻舟求劍，那么是如何避免地形起伏高差帶來的測距數據劇烈跳躍的影響？

嫦娥六號如果是從3公里高度轉垂直下降，而又沒有采用嫦娥四號的辦法，那只能說明我們的科研人員又實現了重大創新。

結果，筆者在看央視報道的時候得知，嫦娥六號是在距離月面1.2萬米的高度結束主減速段，這就印證了我此前的預測，為了避免地形起伏高差帶來的測距數據跳躍難題，嫦娥六號的確是用到了與嫦娥四號任務相同的辦法。

嫦娥六號在距月面1.2萬米高度轉向垂直下降

出乎我預料的是，嫦娥六號結束主減速段時的高度比嫦娥四號8000多米還要高，這也說明此次登陸航跡下方的月面地形更加復雜，這一點從公開的登月實拍視頻畫面中也能感知到。

主減速段是造成下降彈道偏差的主要階段，因為航程占比最大，因此要想高精度登月，就要在結束主減速段后想辦法修正彈道。

嫦娥六號主減速段實拍畫面

此時就需要類似印度與日本應用的基于圖像匹配的地形相對導航技術，比如嫦娥六號原本就會在1500米高度使用光學成像敏感器對月面成像進行第一次粗避障，此時如果用圖像匹配技術，就可以在較高的高度瞄準標稱著陸點進行彈道修正。

而且高度越高修正彈道的能力越強，高度越低就越弱，比如距離月面只有100米時再去修正就晚了，不可能指望著陸器橫向移動幾公里乃至十幾公里，因為沒有那么多燃料，到了末段最大的橫向移動范圍也就是最多幾十米的量級。

通過梳理可知，要想補齊這最后的短板，就需要引入基于圖像匹配的地形相對導航技術。我們為什么沒有用這項技術？

日本SLIM探月智能著陸器的基于圖像匹配的地形相對導航技術

這是因為嫦娥系列著陸器當前的著陸位置偏差控制水平能夠滿足當前任務的技術需求，任何事物都有主要矛盾與次要矛盾，具體到嫦娥系列登月任務中也要抓大放小。從嫦娥三號到嫦娥六號的主要矛盾就是確保著陸器的成功落月，唯有成功才是通往可持續發展道路的秘鑰。

比如日本與印度航天，他們集中力量鉆研定點著陸這一項技術，收獲了什么？任爾東西南北風，現今在月球表面活躍的探測器仍然只有中國一家的嫦娥三號著陸器、嫦娥四號著陸器、玉兔二號月球車、嫦娥六號，這些探測器源源不斷地將月球探測數據、月球樣本回傳地球，這就是可持續發展。

沒有用圖像匹配導航并不代表我們做不到，對于中國航天而言，只是選擇何時去做的問題。

早在十年前，在我們已經取得嫦娥三號任務成功的背景下，科研人員就嫦娥三號的備份探測器的用途展開了討論。

吳偉仁院士披露當時主要有三個選擇：

第一個選擇：不發射備份探測器；

第二個選擇：再在月球正面找一個地方落下去；

第三個選擇：到月球背面去。

在進行第二個選擇討論時，有科研人員甚至建議備份探測器降落在嫦娥三號旁邊，這樣也能顯示我們的水平，控制精度很高，這就是高精度定點著陸。

以嫦娥三號的登月位置偏差精度水平顯然難以做到高精度定點著陸，既然當時我們有這個選擇的能力，就意味著當時如果我們選擇這個方案，早在十年前我們就可以實現若干年后日本印度才實現的基于圖像匹配地形相對導航的高精度定點著陸技術。

但是，我們考慮到重復降落在嫦娥三號已經登陸的著陸區不會帶來更多的科學探測信息，也就是說科研價值不大，因此就放棄了在十年前突破定點著陸技術的選項。

嫦娥三號著陸器

于是，我們決定去月球背面，這就是嫦娥四號任務，此選項是既有工程價值，也有更大的科學價值。降落月背意味著我們要征服復雜月面地形登陸的工程難題，在科學價值方面，這是人類首個月球背面軟著陸探測器，可以獲取更多未知的知識。

嫦娥四號的實踐表明，它沒有辜負科研人員們的期望，穩定運行五年多時間，至今仍處于工況良好的狀態，嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車的壽命之長甚至都快把服務他們哥倆的鵲橋號中繼衛星熬到壽終正寢，在未來的歲月里目前正在環月大橢圓軌道上的鵲橋二號中繼衛星將接棒鵲橋號服務包括嫦娥四號在內的一系列月面探測器。

玉兔二號月球車與鵲橋號中繼衛星通信

至于定點著陸這個現存的技術短板，我們將在兩年時間內補齊，兩年后發射的嫦娥七號就將具備高精度定點著陸能力，著陸范圍偏差可控制在100米以內。

對于嫦娥七號任務而言，高精度定點著陸技術是剛需技術，因為它需要降落在月球南極區域，在那里不僅有更為復雜的月面地形，同時還有光照角度的快速變化導致的陰影區與光照區的快速變化，我們還要求嫦娥七號降落在距離永遠陰影區不遠的光照區，以便于飛躍探測器進入其中直接探查水冰資源，多種因素制約，使得可供選擇的著陸區更為狹小，因此需要嫦娥七號降落在指定坐標點位附近。

嫦娥七號

月球南極區域連續光照區與永久陰影區相伴而生

依稀記得五年前當嫦娥四號穩穩地降落在月球背面馮·卡門撞擊坑內時，航天系統是這樣定義此次任務的工程價值的：這標志著我們具備了根據科學探測需求在月球表面任意選擇著陸區的全月面到達能力。

對標嫦娥四號，結合嫦娥六號的新使命，筆者認為可以這樣重新定義我們的能力：嫦娥六號任務的實施標志著，我們具備了根據科學探測需求在月球表面任意選擇采樣區的全月面取樣返回能力。

嫦娥六號鉆取采樣

嫦娥六號月面表取采樣

嫦娥六號上升器月面起飛

兩年后，嫦娥七號任務的實施將意味著，我們將具備根據科學探測需求，在月球表面任意選擇著陸點位的高精度全月面到達能力。

從“任意選擇著陸區”到“任意選擇著陸點”，一字之差的背后是探月工程實力的大幅躍升，與嫦娥七號并行推進的探月任務還有嫦娥八號與載人登月，一幅波瀾壯闊的探月圖景已經呈現在我們面前。

我國是世界上最早倡議建設地月空間經濟圈的國家，我們當然不只是說說，倡議的背后依托的是探月硬實力。

嫦娥探月工程立項伊始確立了繞落回三步走規劃，而這三步是從屬于更宏偉的“探登駐”大三步規劃，待載人登月工程實施后，我們將具備載人地月空間往返能力，再隨著由我國主導的月球科研站工程建設的推進，接下來我們將朝著終極目標“駐月”推進。

與“探登駐”三步走并行推進的還有“勘建用”三步走，可以預見，通過幾代人的努力，利用月球資源開發地球的這個夢想必將率先在中國人手里成為現實。