2019年11月14日，經過三個多月的漫長等待，NASA的月球勘測軌道飛行器（LRO）終於宣佈在月球背面北緯16.6956°，東經159.5170°位置找到了嫦娥四號任務搭載的微衛星——龍江二號的撞月點[1]。
龍江二號撞月點（白色箭頭處）一帶的月面影像（左）和地形圖（右）。來源：LROC NAC M1324916226L (NASA/GSFC/Arizona State University) [1]
為龍江二號探月任務畫上了一個圓滿的句號。
龍江二號微衛星實物。來源：哈爾濱工業大學
在過去的一年多時間裡，這顆設計壽命1年、質量47公斤（其中15公斤是燃料）、主體只有2個家用微波爐大小（765×570×420毫米）的微衛星，獨立完成了地月轉移、近月制動和環月飛行任務。在軌運行了整整437天，成功展開了一系列射電天文觀測和對月對地觀測任務。
甚至，還不止這些。
人們不曾想到，這顆打包順帶、差點“死”在半路上的小不點，會在短短一年多的生命裡為我們帶來這麼多奇景和驚喜。
出師不利，死裡逃生
北京時間2018年5月21日5:28，嫦娥四號月球任務的通訊中繼衛星鵲橋號在西昌衛星發射基地，由長征四號丙（CZ-4C）運載火箭發射升空。
搭載著鵲橋號的長征四號丙火箭發射升空。來源：新華網
由於這發火箭尚有餘力，於是順路捎帶著一同發射了兩顆由哈爾濱工業大學牽頭研製的孿生微衛星，名叫龍江一號和龍江二號。
這兩顆微衛星最初的設計功能是在環月軌道上進行射電天文觀測，因此在被正式命名為“龍江一/二號”之前，它們最初的名字是“月球軌道超長波天文觀測微衛星A/B”（Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder），簡稱DSLWP-A和DSLWP-B。
大大的鵲橋號和兩邊小小的龍江一號和二號。來源：航天八院
按照原本的計劃，龍江一號和二號將在發射後不久與火箭分離，各自獨立進入地月轉移軌道，之後獨立完成途中的軌道修正和近月制動，進入距離月球約300×3000千米的環月橢圓軌道[2]。待到順利入軌之後，兩顆衛星將一前一後編隊飛行，以相距1～10千米（基線長度）的可變距離進行超長波天文干涉測量等試驗[3]。
龍江一號和二號一前一後編隊飛行的假想圖。來源：參考文獻[3]
龍江一/二號衛星結構圖。來源：參考文獻 [3]
然而，現實並沒有按照這個計劃進行。
北京時間5月21日05:54:50和05:55:20，龍江一號和二號先後與火箭分離，開始獨立飛行。
火箭末級相機在箭器分離過程中拍攝的最先分離的鵲橋號（遠處）和其後分離的龍江一號（右下），此時龍江二號尚未分離出來。來源：航天八院
5月22日凌晨03:54，龍江團隊對龍江一號（A星）進行第一次中途修正。然而，在按計劃使用5N推力器之後，雖然點火過程中衛星狀態正常，但點火結束之後，龍江一號直接就失聯了！地面站立刻採取措施，嘗試了盲發指令、大口徑天線等多種手段，但還是沒找到。
龍江一號就這麼丟了。
更可怕的是，由於信號丟失，地面站完全不知道龍江一號到底是哪裡故障了！
那麼問題來了。龍江二號和一號是孿生機，如果龍江一號存在問題，那麼龍江二號肯定也會存在一樣的問題。如果還是按原計劃對二號進行點火修正，二號九成九也要失聯。
但不點火也不行，如果不適時進行中途軌道修正，龍江二號又將會錯失進入環月軌道的時機！
在這樣一個刻不容緩又進退兩難的尷尬時刻，哈工大團隊和北京航天飛行控制中心當機立斷，決定完善故障預案，推遲一天對龍江二號（B星）進行中途修正。
從龍江一號傳回的殘存的數據中判斷，一號的角速度似乎上升了。僅僅通過這一點點線索，龍江團隊決定雙管齊下：
一方面換用推力較小的0.2N推力器，而且在點火結束後關閉自鎖閥，讓龍江二號不至於一下子速度變化太快；
另一方面換用較大口徑的深空站天線進行跟蹤，減少失聯的可能性。
5月23日晚上20:00，龍江團隊對龍江二號進行第一次中途修正。這次信號沒有丟失，故障原因終於找到了。
龍江二號在軌控過程中也是狀態正常的，但在軌控結束後推力器未能及時關機，導致衛星進入了快速旋轉狀態，陀螺出現飽和。然而由於衛星故障診斷程序判定陀螺儀出現故障，於是在三次重啟無效後關閉了陀螺儀，致使衛星無法自主進行角速率阻尼（減速）。
也就是說，是由於推力器的控制邏輯錯誤，造成衛星開始極快速旋轉且無法進行自主減速。事實上，即使是用了小推力並且及時關閉了推力閘，龍江二號的角速度也已經迅速超過了400度/秒。由此推斷，龍江一號很可能在當時的快速旋轉中直接解體了。即便沒有直接解體，由於那時候的衛星已經無法維持姿態，太陽能板不能對日，也必然會在幾小時內耗盡能源。
原因找到了，事情就解決了一半。龍江團隊當即對龍江二號展開搶救：反覆發送陀螺儀開機指令，在陀螺儀自動關機前將數據下傳至地面，利用（已經飽和的）陀螺度數判斷衛星自旋方向，手動控制推力器進行減速，三小時內發送指令五百餘條，終於將衛星角速度降低至400度/秒以下，衛星隨即自主進行角速率阻尼，恢復正常姿態。
總之，在第一次軌道修正之後，龍江二號被搶救下來了。
而推力器的控制邏輯錯誤也在隨後得到了修復，龍江二號於5月24日21:30順利完成了第二次中途修正。
5月25日22:08，倖存的龍江二號順利完成了近月制動，成功進入距離月面357×13704公里，軌道週期20.5小時的環月軌道[4]。
龍江一/二號實際飛行過程和軌道參數。來源：哈爾濱工業大學
然而，不要忘了，龍江號原本的觀測規劃是雙星編隊聯測！現在出發是兩個，到地兒就剩一個了可怎麼辦？
射電天文觀測：單槍匹馬探宇宙
龍江任務一共攜帶了兩種科學載荷，其中最主要的一種是低頻射電探測儀，兩顆龍江衛星上均有搭載，由中科院空間中心研製和收發指令/信號。
低頻射電頻譜儀天線，也就是這6根支出的天線
▼
熟悉嫦娥四號的朋友們應該對這個儀器不陌生了。由於電離層的阻擋，波長10米以上的電磁波幾乎無法穿透大氣來到地球表面，想要對這類以及波長更長的低頻電磁波進行觀測，就必須離開地球大氣層——月球附近就是一個極佳的觀測場所。
因此不僅是龍江一/二號，嫦娥四號著陸器和鵲橋中繼衛星上也都搭載了低頻射電頻譜儀。三者的觀測頻段雖然略有差異（嫦娥四號著陸器0.1~40 MHz，鵲橋0.1~80 MHz，龍江一/二號1~30MHz），但都能填補地基射電天文觀測上的空白。
然而，龍江一號的失聯，意味著兩艘龍江號原本計劃的雙星射電干涉測量已註定無法完成，但單星低頻射電探測是可以做的。
來都來了，當然要盡力而為。
即使同樣是在月球附近，月球正面和背面軌道上觀測到的低頻射電信號依然有很大不同：在月球的遮擋之下，月球背面可以更好地屏蔽來自地球的射電干擾（Radio Frequency Interference，簡稱RFI）。
在環繞月球的過程中，龍江二號會反覆飛過月球的正面和背面——也就可以完美驗證和觀測月球對低頻射電信號的遮擋效果。
龍江二號在環繞月球的過程中，會反覆飛過“有地球干擾”區域和“遮擋住地球干擾”區域。來源：哈爾濱工業大學
2018年5月26日，龍江二號上的低頻射電探測儀首次開機，此後共接收了329分鐘觀測數據，證實月球對地球射電干擾的遮擋效果非常明顯[5]。
龍江二號在飛過月球正面的時候，明顯觀測到來自地球的射電干擾，而繞過過渡帶，飛到月球背面時，又能明顯觀測到月球對地球射電干擾的屏蔽。來源：中科院空間中心
來自地球的射電干擾，在龍江二號1~30 MHz的低頻射電觀測頻段裡，哪些頻段干擾強，哪些頻段干擾沒那麼強呢？龍江二號測量了月球正面軌道上1~30MHz頻段的連續譜，完成了地球射電干擾普查[6]。
龍江二號測得的1-30 MHz頻段地球干擾譜分佈特徵。橫軸是頻率，縱軸是相對的干擾強度，可以看出干擾較強的頻段基本上都是地球上廣播的頻段。來源：中科院空間中心
除了地球，太陽、太陽系巨行星和系外行星發出的射電輻射，其中一些也在龍江二號的觀測頻段內。
太陽和一些巨行星的射電輻射特徵，其中1~30 MHz頻段就在龍江二號的“管轄範圍”內。來源：[7]
利用月球掩恆/行星時對這些輻射的遮擋，龍江二號多次對來自太陽、木星、銀心和Cas-A等強射電源的低頻射電輻射進行觀測，相關探測數據還在進一步處理和解譯中。
沙特相機：中國與中東合作的里程碑
龍江還不止這一點運氣。
雖然龍江一號和二號是孿生機，但這次龍江二號上還攜帶了另一種龍江一號上沒有的科學載荷——由沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齊茲國王科技城研製的月球小型光學成像探測儀（微型光學相機）。
沙特相機在龍江二號上的位置。來源：哈爾濱工業大學
2018年5月28日，入軌三天後，沙特的微型光學相機首次開機。此後，在龍江二號在軌期間，沙特相機累計完成30次拍攝成像。
成功拍攝了包含波斯灣、紅海、地中海、阿拉伯半島等區域的地月合影。
沙特相機2018年6月8日拍攝的地月。衛星軌道高度約728.1 km，星下點月面位置為西經149°1’，北緯22°28’。拍攝到的月面影像位於月球背面北半球彼得羅帕夫洛夫斯基M環形坑(Crater Petropavlovskiy M)附近。來源：探月與航天工程中心
成功獲取了多幅清晰的月球雨海局部等區域的科學探測影像。
沙特相機在5月29日和6月1日拍攝的月面影像。來源：探月與航天工程中心、Mohammed Bin Othman
作為嫦娥四號任務國際合作載荷之一，龍江二號的成功在中東地區產生了強烈反響，成為中國與中東在航天領域合作的又一標誌性成果，也由此拉開了中沙航天深度合作的序幕[6]。
業餘無線電通信：全世界無線電愛好者們的共同努力
龍江衛星共有三個通訊頻段：S波段、X波段和VHF/UHF波段。
其中，S波段用於測控、X波段用於科學載荷的數據傳輸，兩者均由中國深空網臺站負責。這些國家隊有著18-65米口徑的強大天線，但可以分配給龍江任務的資源有限，所需的高耗能也給龍江這樣的小衛星造成一定壓力。
因此，龍江衛星還攜帶了由紫丁香學生微納衛星團隊研製的甚高頻/超高頻（簡稱VHF/UHF）通信模塊，其中VHF頻段用於上行（上傳指令）、UHF頻段用於下行（接收衛星狀態和載荷數據）。
VHF/UHF通信模塊在龍江二號衛星上的位置。來源：哈爾濱工業大學
在龍江衛星發射之前，哈工大紫丁香學生微納衛星團隊、哈工大業餘無線電俱樂部的二十餘名學生通過新建、改造、借用等方式，在哈爾濱、北京、哈密、廣州、荷蘭德文格洛、日本和歌山等地設立了6個VHF/UHF地面站，並開發了開源的調製解調軟件和網絡傳輸軟件，搭建了數據解析服務器[4]。
世界各地的地面站天線助力龍江號任務的通信。來源：哈爾濱工業大學[4]
還不止這些。在整個龍江衛星任務期間，眾多業餘無線電組織、愛好者團體和個人都為龍江號的通信貢獻了自己的力量。
其中一些無線電愛好者們甚至僅僅通過自家門前、屋頂的“簡陋”接收設備，就投身了龍江任務的協作之中。
PY2SDR、N6RFM、CD3NDC、G4RGK分別是四位無線電愛好者的無線電呼號。來源：哈工大紫丁香學生微納衛星團隊 [8]
從兩顆龍江衛星與火箭分離，到龍江二號結束任務，來自巴西、智利、美國、波蘭等近17個國家的共50個地面站成功實現了龍江衛星UHF頻段的信號和數據接收。
成功接收到龍江衛星信號和數據的地面站分佈。來源：哈工大紫丁香學生微納衛星團隊 [9]
除了接收數據，多個地面臺站還通過龍江二號的UHF頻段開展了諸多業餘無線電試驗。
2018年6月10日，荷蘭德文格洛25米天線和北京12米天線協作完成了國際首次月球軌道UHF頻段VLBI（Very Long Baseline Interferometr，甚長基線干涉測量）定軌試驗。
荷蘭德文格洛25米天線（左）和北京12米天線（右）。來源：哈爾濱工業大學
北京時間2019年7月1日13:51至15:27，在下載日全食（後面會講到）測試影像的間隙，哈爾濱工業大學集體業餘電臺BY2HIT與德國業餘無線電愛好者Reinhard Kuehn （DK5LA）通過龍江二號衛星的轉發通信功能，實現了中國與德國的雙向通信(QSO)。此時，衛星到通聯雙方距離約為360000公里。這是國際首次月球軌道衛星的業餘雙向通信[10]。
BY2HIT與DK5LA的通過龍江二號轉發器進行雙向通信的消息記錄。來源：哈爾濱工業大學
2019年7月5日，德文格洛、和歌山、北京、哈爾濱臺站進一步協作完成了四個臺站的VLBI定軌試驗。相關試驗數據還在分析解譯中。
龍江任務的VHF/UHF通信模塊是一次低成本、低能耗的深空衛星通訊嘗試，通過借力全世界各地的業餘無線電愛好者們和通信臺站，共同完成了龍江任務VHF/UHF頻段的信號收發。這是國際首次在月球軌道進行的業餘無線電通信試驗。
從這個角度來說，龍江任務的順利完成，不僅促進了民間的國際交流，本身亦是全世界無線電愛好者們的共同勝利。
學生CMOS相機：Inory之眼
2019年2月，龍江二號拍攝的“最美地月合影”在美國《科學》雜誌、英國《獨立》報上刊發，引起全世界各地廣泛關注。
2019年2月15日《科學》雜誌刊發的“最美地月合影，標題為《行星科學：月球背面，以及其後的家園》
而拍攝這幅奇景的，是龍江二號上一個極小極不起眼的試驗設備——微型CMOS相機。
微型CMOS相機在龍江二號上的位置。來源：哈爾濱工業大學
你可能想象不到，這枚微型相機重量僅僅只有20克，大小隻有兩個一元硬幣那麼大。
微型CMOS相機接近成品狀態實拍。來源：哈爾濱工業大學
更難能可貴的是，這枚相機是由哈工大本科生為主的學生團隊負責研製的：平均年齡不到24歲，可以稱得上是中國最年輕的航天團隊。
在龍江衛星極其嚴苛的尺寸和重量限制之下，這個年輕的微型相機團隊克服了種種困難，出色完成了相機的設計、衛星在軌時的拍攝、照片的傳輸和後期處理。
除了這張網紅“最美地月合影”，微型CMOS相機還拍攝過其他角度的地月合影、火星與摩羯座天區、月面雲海等諸多美麗的照片——小小的身軀，大大的能量。
這個小相機，在龍江團隊和助力龍江任務的無線電愛好者團體內部有個可愛的暱稱：Inory之眼——這是相機設計師泰米爾喜歡的愛豆、動漫歌手“祈Inory”的名字。
字母INORY被刻在了CMOS相機的電路板上，隨著龍江二號一起環遊月球，一路見證著龍江二號的艱辛和喜悅。
（這屆年輕人真會玩.jpg）
微型CMOS相機的數據通過UHF業餘頻段傳輸，也就是說這些照片也都是全世界無線電愛好者們協同接收的——每張照片被分割成一小包一小包數據，由多位愛好者接收之後再拼接起來。
如果某幾包數據有丟失，最終“拼”出來的圖像就會有條帶缺失。來源：哈爾濱工業大學 [13]
是龍江團隊和全世界無線電愛好者們共同“拼”出了包括這張網紅“最美地月合影”在內的諸多地月美圖。
而這群逐夢航天的朋友們，還要攜手幹最後一件大事。
從月球上看日全食是一種怎樣的體驗？
北京時間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。
攝影：劉博洋，拍攝於智利
在這次日全食發生期間，地球上的我們如果在合適的地方，能看到月球完全遮擋了太陽。
當月亮運行到日地之間時，會發生日食。來源：ESA [14]
那如果在月球附近觀測日食，會看到怎樣的場景？彼時正在繞月飛行的龍江二號為我們提供了一種“上帝視角”[15]。
如何做好規劃，讓龍江二號的CMOS相機找到合適的機位和時機，用自己有限的性能，記錄下這次千載難逢的奇觀呢？
這場來自宇宙的挑戰讓年輕的龍江二號團隊和眾多業餘無線電愛好者們摩拳擦掌，激動不已。
微型CMOS相機要求拍攝目標位於太陽矢量的相反方向，而且需要相機的視野中必須包含一定面積的月面才能正確曝光。在日全食發生的2個多小時裡，月球遮擋住太陽，而龍江二號剛好會經過月球背面，可以找到滿足對地拍攝的條件和時機。
另一方面，為了獲得38萬千米外地球的更多細節，同時又不會由於姿態指向誤差錯過地球，項目組選擇使用2x的數碼變焦倍率進行拍攝。
大致方案確定後，哈工大團隊與西班牙無線電愛好者Dani Estevez （EA4GPZ）等人對最佳的拍照時刻進行反覆的核算與討論，最終確定：
為了驗證相機參數設置的正確性，在協調世界時（UTC，加8個小時就是北京時間）6月30日進行6次測試成像；
在協調世界時7月2日18:57:00和19:32:45兩個臨界時間點的前後1分鐘裡，龍江二號進行6次成像；
確定了拍照後用於數據接收的時間段。
這些反覆核算過的觀測計劃最終被轉化為指令碼字，從北京航天控制中心通過S頻段測控網發送至龍江二號。
北京時間7月3日凌晨，龍江二號完美執行了既定規劃，用微型CMOS相機從月球軌道上拍攝了下了日全食期間月球投在地球上的影子。
照片中可以看到地球的美洲大陸、大洋上的風暴、太陽在海面反射的光斑，以及最重要的：月球落在地球上的影子
日食第五次成像，拍攝於協調世界時2019年7月2日19:32:45。陰影中全黑區域裡的人們，彼時看到的就是日全食。來源：哈爾濱工業大學
照片下載的指令由哈工大團隊生成，通過德國業餘無線電愛好者Reinhard Kuehn （DK5LA）的VHF頻段EME天線陣列發送至龍江二號，UHF頻段的下行圖像數據則由荷蘭德文格洛25米射電望遠鏡、北京沙河12米站以及哈工大在國家無線電檢測中心哈爾濱監測站搭建的小八木陣列天線進行同步接收[15]。
日食第三次成像，拍攝於協調世界時2019年7月2日18:57:00。來源：哈爾濱工業大學
這次協同大作戰的成功，讓所有參與行動規劃和數據接收的朋友們獲得了極大的喜悅和滿足。參與了多次龍江二號數據接收的志願者Tammo Jan Dijkema說：我們對這個相機的使用越來越擅長了，這幾張照片比我們之前的都好[15]。
但遺憾的是，此時已是2019年7月初，已經完成既定使命的龍江二號將在月底結束任務。為了避免衛星失去動力後產生空間垃圾，龍江二號選擇在尚有燃料的情況下主動撞月墜毀——就像撞月的嫦娥一號、撞土星的卡西尼號等諸多探測器前輩們一樣。
早在2019年1月，龍江二號已進行了軌道調整，隨後將慢慢隨著軌道的演化在7月底撞擊月球。
受控墜毀：月宮長眠
2019年7月31日晚22:20分左右，已經完成所有任務的龍江二號衛星按照既定計劃撞上月球背面墜毀，結束任務。
龍江二號受控撞月前傳回的最後一張完整照片，由荷蘭德文格洛地面站接收。來源：哈爾濱工業大學
通過龍江二號的軌道，無線電愛好者Daniel Estévez估算龍江二號的撞月點大致在月球背面的Van Gent撞擊坑附近（黃圈）
DSLWP-B是龍江二號最初的名字
不過，因為龍江二號與通訊中繼衛星鵲橋之間沒有數據接口，所以龍江二號運行到背面的時候是沒有信號傳回的。
我們無法看到最後撞月的實況直播，也無法立刻知道最終的精確撞月點。
只能等待這一時期唯一的在軌環月衛星：NASA的月球勘測軌道飛行器（LRO）過境的時拍攝撞擊之後的月面才可能知道。
幸運的是，月球勘測軌道飛行器LRO在2個多月後順利拍攝到了預定撞月區域一帶的月面照片，隨後，LROC項目組從中找到了龍江二號撞月點——只比Daniel Estévez估算的位置偏離了328米！
龍江二號撞月點（白色箭頭處）。來源：LROC NAC M1324916226L (NASA/GSFC/Arizona State University) [1]
最後的最後，龍江二號在月球背面留下了一個直徑4×5米的人造撞擊坑，和眾多探月的前輩探測器們一起，永遠在月球這片土地上沉沉睡去。
月球旅行者——龍江二號漫畫。作者：@渦輪噴氣蛋
前面提到過，兩顆龍江衛星最初的名字是“月球軌道超長波天文觀測微衛星A/B”（Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder），簡稱DSLWP-A和DSLWP-B。
而在哈工大衛星團隊裡，學生們私下有屬於自己的愛稱——“對數龍王炮”。既首字母完美貼合衛星的代號，又別有一種中二的神秘感。
再見了，對數龍王炮A！再見了，對數龍王炮B！
閱讀更多 聽海之聲的小耳朵 的文章
