“履新”太空新“职场”，问天的“天问”有哪些绝活儿？专家详解“天问一号”

作者：新华每日电讯记者张建松

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。

火星探测器着陆火星表面模拟图(5月15日摄)。新华社记者金立旺摄

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。

(国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像)

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。

5月15日，航天科研人员在北京航天飞行控制中心监测“祝融号”火星车工作情况。新华社记者金立旺摄

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。

5月15日，航天科研人员在北京航天飞行控制中心监测“祝融号”火星车工作情况。新华社记者金立旺摄

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。

由于距离地球遥远、天线波束角有限，一旦发生了通讯链路中断怎么办？八院团队设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦通讯链路中断，环绕器就会“自主慢旋”，在不停转动身体过程中，使天线扫到地球，进而恢复通讯链路。

5月15日，航天科研人员在北京航天飞行控制中心监测“祝融号”火星车工作情况，研究传回的火星地面高清图片。新华社记者金立旺摄

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。

5月15日，中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍着陆巡视器有关情况。新华社记者饶爱民摄

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。

5月15日，中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍火星车情况。新华社记者饶爱民摄

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。

2020年7月23日，在海南文昌航天发射场，天问一号探测器由长征五号遥四运载火箭成功发射。新华社记者才扬摄

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