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制动|华丽转身 太空履新 专家详解“天问一号”前世今生

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华丽转身 太空履新
本报采访人员张建松
火星探测器“天问一号”由环绕器和着陆巡视器“两兄弟”组成 。 5月15日 ， 随着“天问一号”成功实施两器分离 ， 一路披荆斩棘、生死与共的“兄弟”俩 ， 依依惜别 ， 各奔东西、各担使命 。
3小时后 ， “着陆器巡视器兄弟”成功穿越火星大气 ， 在火星表面实现软着陆 ， 开启“脚踏实地”火星探测之旅 。 而“环绕器兄弟”则点火上升再次进入环火轨道 ， 也开启了自己在“太空职场”的履新征程 ， 从原先的“星际飞行器”变成着陆器与地球之间“中继通信卫星” ， 同时继续进行环火探测 。
星际飞行不负使命
火星环绕器由中国航天科技集团公司八院抓总研制 。 自从2020年7月23日“天问一号”成功发射以来 ， 环绕器承担了“星际飞行器”的重要职责 ， 由它负责携带火星着陆巡视器 ， 一起飞抵火星 。
据八院专家介绍 ， 自发射以来 ， 环绕器经历了地火转移段、制动捕获段、环火飞行段等飞行过程 ， 成功完成火星制动捕获 。
在地火转移的飞行过程中 ， 环绕器完成了地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空机动 ， 在抵达火星前 ， 还利用高分相机对火星进行了拍摄 。 2020年10月1日 ， 国家航天局发布了“天问一号”探测器飞行图像 ， 图上的五星红旗光彩夺目、呈现鲜艳的中国红 ， 就是环绕器的首次深空“自拍” 。 2021年2月5日 ， 国家航天局发布了“天问一号”在距离火星约220万公里处 ， 获取的首幅火星图像 ， 也是环绕器用高分辨率相机采用黑白成像模式拍摄的 。
在制动捕获段 ， 环绕器艺高胆大、精准刹车 。 2021年2月10日19时52分 ， “天问一号”实施近火制动 ， 3000N发动机开机工作约15分钟 ， 探测器顺利进入近火点高度约400公里、远火点高度180000公里、周期约10天、倾角约10度的大椭圆环火轨道 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 。
在环火飞行阶段 ， 环绕器为着陆巡视器在火星安全着陆保驾护航 。 2021年2月24日 ， “天问一号”实施第三次近火制动 ， 进入近火点高度280公里、远火点高度57000公里、周期为49.2小时（约2个火星日）的停泊轨道 。 在停泊轨道 ， 环绕器利用中分相机、高分相机等载荷设备 ， 对火星南北极和预定着陆区进行了详查 ， 为着陆巡视器的安全着陆做好充足准备 。
在“太空职场”履新
2021年5月15日 ， 在释放着陆巡视器当圈的近火点前约6个小时 ， 环绕器进行了降轨机动 。 降轨完成后 ， 建立两器分离姿态 。 经地面判断允许后 ， 释放着陆巡视器 。 分离结束后 ， 环绕器进行升轨机动 ， 将轨道拉起返回到停泊轨道 ， 为着陆巡视器建立实时的中继通信链路 。
据介绍 ， 环绕器在停泊轨道上运行1圈后到达近火点 ， 将进行第四次近火制动 ， 进入中继轨道 ， 执行与着陆巡视器的中继通信任务 ， 为地面和着陆巡视器搭建沟通的桥梁 ， 中继轨道运行约3个月 。
完成中继任务后 ， 环绕器将在近火点进行第五次制动降轨 ， 进入使命轨道 。 利用环绕器上搭载的7种有效载荷 ， 对火星表面及其次表层开展科学探测 ， 完成火星全球遥感探测任务 。
在距离地球近3亿公里的轨道上 ， 将巡视器的数据“中继”传回地球 ， 环绕器的新职责并不轻松 。 形象地比喻说 ， 相当于在自身不断做飞行运动的情况下 ， 要在2米开外 ， 瞄准一根绣花的针孔 ， 并时刻保持住瞄准状态 。
为了圆满完成新任务 ， 环绕器携带了2块太阳电池阵、1幅高增益数据传输天线、1幅对巡视器数据中继天线 。 在执行数据中继任务时 ， 环绕器需要驱动太阳电池阵对准太阳方向 ， 以保证自身电能的供应 。 同时 ， 需要高增益天线跟踪地球、中继天线指向巡视器以建立数据“鹊桥” 。 环绕器需要同时实现对巡视器、地球、太阳3个目标的高精度同步指向控制 ， 需要“八面玲珑”的心理素质 。
【制动|华丽转身 太空履新 专家详解“天问一号”前世今生】巡视器、火星车从火星表面发回的探测数据 ， 是由环绕器测控数传分系统的器地、器火通道负责传输的 。 面对如此远距离的器间中继通信 ， 在无法观察遥测的情况下 ， 如何保障通信的高可靠、高数据率？
八院测控数传团队经过长期分析论证 ， 采用了器间高灵敏度接收、多码速率自适应切换、高可靠的双工握手协议、中继多模式配合等先进通信技术 ， 实现了环绕器和巡视器、火星车之间的前向、返向通信 ， 成功解决了距离地球最远4亿公里外的两器之间高可靠数据传输 。
拥有“聪明的大脑”
火星环绕器如此“聪明能干” ， 离不开八院研制的制导、导航及控制（GNC）分系统 。 这一系统赋予环绕器“聪明的大脑” ， 在面对各种复杂情况时 ， 能自主判断、自主决策、自主执行 。
在“天问一号”地火转移飞行过程中 ， 要确保探测器姿态指向的稳定、太阳翼对日定向保证能源、定向天线指向地球保证数据通讯链路；在环绕火星飞行期间 ， 还需要增加中继天线指向火星车的任务要求 。 这些任务执行的依靠就是环绕器大脑——GNC单元 ， 它采用三套独立CPU同步计算、三机相互诊断的方式运行 。
据介绍 ， 环绕器三机模式同步运行的“大脑” ， 首先设计了精确的时间对准机制 ， 保证三台独立的CPU ， 可以实现复杂运算过程的同步计算和结果输出、彼此数据的同步交互和故障诊断、以及控制模式的同步转换；其次 ， 尽可能地缩短对存储区进行检错纠错的时间周期 ， 使得存储区每个地址的数据、在受到空间粒子影响而发生“翻转”时 ， 可以及时、准确地被纠正 ， 一台CPU运行不正常或计算结果不正确时 ， 可以被及时隔离 ， 从而确保这个关键大脑的准确可靠运行 。
截至目前 ， 环绕器GNC单元在任务过程中 ， 已经历了700多次空间单粒子“翻转” ， 经受住了复杂严峻未知的空间环境各种洗礼和考验 。
我的状态还好吗？环绕器“聪明的大脑”每时每刻都会问自己 ， “三省其身” 。 为确保身体健康 ， 环绕器GNC采用三重自主故障诊断和重构策略 。 根据三重诊断的结果 ， 对故障单机数据首先进行隔离 ， 利用正常工作的单机完成重构；对连续故障的单机 ， 自主执行复位、重启等操作；持续判断故障单机能否恢复 ， 并具备再次接入系统的条件 。
我的能力还够吗？对于每一项控制任务 ， 环绕器的GNC分系统所想的是要调动所具备的全部能力来完成 。 由于距离遥远、通信时延 ， 面对故障必须自己诊断、自己寻找解决方案 ， 全自主地调用可能的执行机构来完成任务 。 自主进行复杂的切换逻辑、并在切换过程中保证探测器姿态稳定和状态安全 ， 是环绕器“聪明的大脑”制胜法宝之一 。
我的任务完成了吗？环绕器GNC系统利用相关测量单机的数据计算 ， “聪明的大脑”就可以判断自己是否完成任务 。 为了保证中途修正、制动捕获、轨道调整等速度增量的控制精度 ， “天问一号”在轨飞行控制过程中 ， 八院环绕器GNC团队还会时刻关注着他 ， 并通过多重修正措施 ， 确保“大脑”能够准确判断出任务是否执行结束 ， 这也是环绕器GNC系统的另一制胜法宝 。
勇敢闯荡浩瀚宇宙 ， 凭借自己的观察力、思考力与执行力 ， 环绕器圆满完成了从“星际飞行器”到“中继通信卫星”的华丽转身 ， 成功踏上“太空履新”之旅 。

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