华丽转身 太空履新 专家详解“天问一号”前世今生

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。

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。（记者张建松）