走出「搖籃」神器助力「天問一號」著陸火星

2021-05-15 13:31:21

效果圖。中國航天科技集團八院供圖

中新網上海5月15日電題：走出「搖籃」　神器助力「天問一號」著陸火星

作者　郭超凱鄭瑩瑩　劉宇

中國首個火星探測器「天問一號」目前距離地球約3.2億公里，通訊單向時延超過15分鐘。與生活在地月系「搖籃」裡的航天器不同，這一去一回的半個多小時，使得地面不能給「天問一號」提供實時無微不至的幫助。

要想走出「搖籃」，走入未知的深空，「天問一號」必須學習自己面對。中國航天科技集團八院控制所火星環繞器導航、制導與控制分系統(GNC)研製團隊，給天問一號裝備了明亮的眼睛、靈巧的雙臂和聰明的大腦，使「天問一號」具有自己觀察、自我決斷和自主執行的能力。

效果圖。中國航天科技集團八院供圖

多雙眼睛，感知方向與鎖定位置的保證

要想去往火星，「天問一號」得先知道自己朝向哪裡(探測器飛行姿態)和自己處在哪裡(探測器軌道位置)，否則非得鬧出南轅北轍的笑話不可。「天問一號」上裝配有多臺星敏感器，如同一雙明亮眼睛，星敏感器始終緊盯著深空中的恆星，通過比對自身看到的恆星與導航星表中恆星的相對姿態，就知道自己朝向何方了。然而，系外恆星相對於探測器的距離都是無窮遠，也就是說，無論「天問一號」飛離地球多遠，這幾億公里的距離相對於那些恆星來說，完全可以忽略，因此利用恆星來精確計算探測器飛行姿態的時候，無法得知探測器自己的位置。

為了提高探測器的自主導航能力，還需要藉助另一雙慧眼——光學導航敏感器和紅外導航敏感器，這兩款導航敏感器將火星作為導航的「燈塔」，通過這雙眼睛對火星「拍照」，從影象中計算火星幾何中心的位置和火星視半徑的大小，結合火星的星曆和導航濾波演算法，就能計算出「天問一號」相對於火星的位置和速度，「天問一號」從而就知道自己在哪裡了。

三頭六臂，精準計算和可靠決策的祕訣

環繞器的大腦——GNC單元，採用三套獨立CPU同步計算、三機相互診斷的方式運行。

「天問一號」飛行姿態測量和控制、軌道修正、制動捕獲等功能必須兼顧精度、可靠性和自主性的三重要求。為此，環繞器的這臺三機模式同步運行的「大腦」，設計了精確的時間對準機制，保證三臺獨立的CPU可以實現複雜運算過程的同步計算和結果輸出、彼此資料的同步互動和故障診斷、以及控制模式的同步轉換。

目前，「天問一號」已經正常穩定飛行了10個月，精確地完成了四次中途修正、火星制動捕獲和環火軌道調整等關鍵動作，時刻保障著探測器的太陽能源、對地通訊和飛行姿態的穩定。

三省吾身，自主運行和完成任務的法寶

我的狀態還好嗎？瞭解自己是第一步。飛行過程中環繞器GNC分系統時時刻刻都在檢查自己的眼睛、臂膀和大腦。每雙眼睛看到的是否準確、每隻手臂運動得是否正常、自身大腦運轉是否清醒等，環繞器GNC採用三重自主故障診斷和重構策略來確保其穩妥運行。

針對火星探測這樣的高難度任務，單機的可靠性是前提。每個元器件都經過了層層篩選，每一臺單機均完成了力學振動、高低溫和空間環境等可靠性試驗。結合三重診斷與重構保障，即使有超出預期的一些故障發生，也不會影響整個任務的正常執行。

「天問一號」火星探測飛行通訊時延的特殊性，使其自身必須具備精確判斷出是否完成既定任務的能力。據稱，「天問一號」在軌飛行控制過程中，通過多重修正措施，確保「大腦」能夠準確判斷出任務是否執行結束。(完)

走出「搖籃」 神器助力「天問一號」著陸火星

熱門文章

走出「搖籃」神器助力「天問一號」著陸火星