「履新」太空新「職場」，問天的「天問」有哪些絕活兒？專家詳解「天問一號」

火星探測器「天問一號」由環繞器和著陸巡視器「兩兄弟」組成。5月15日，隨著「天問一號」成功實施兩器分離，一路披荊斬棘、生死與共的「兄弟」倆，依依惜別，各奔東西、各擔使命。

3小時後，「著陸器巡視器兄弟」成功穿越火星大氣，在火星表面實現軟著陸，開啟「腳踏實地」火星探測之旅。而「環繞器兄弟」則點火上升再次進入環火軌道，也開啟了自己在「太空職場」的履新徵程，從原先的「星際飛行器」變成著陸器與地球之間「中繼通訊衛星」，同時繼續進行環火探測。

火星探測器著陸火星表面模擬圖（5月15日攝）。新華社記者 金立旺 攝

星際飛行不負使命

火星環繞器由中國航天科技集團公司八院抓總研製。自從2020年7月23日「天問一號」成功發射以來，環繞器承擔了「星際飛行器」的重要職責，由它負責攜帶火星著陸巡視器，一起飛抵火星。

據八院專家介紹，自發射以來，環繞器經歷了地火轉移段、制動捕獲段、環火飛行段等飛行過程，成功完成火星制動捕獲。

在地火轉移的飛行過程中，環繞器完成了地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空機動，在抵達火星前，還利用高分相機對火星進行了拍攝。2020年10月1日，國家航天局釋出了「天問一號」探測器飛行影象，圖上的五星紅旗光彩奪目、呈現鮮豔的中國紅，就是環繞器的首次深空「自拍」。

2021年2月5日，國家航天局釋出了「天問一號」在距離火星約220萬公里處，獲取的首幅火星影象，也是環繞器用高解析度相機採用黑白成像模式拍攝的。

在制動捕獲段，環繞器藝高膽大、精準剎車。2021年2月10日19時52分，「天問一號」實施近火制動，3000N發動機開機工作約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400公里、遠火點高度180000公里、週期約10天、傾角約10度的大橢圓環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星。

（國家航天局公佈的「天問一號」在距離火星約220萬公里處獲取的首幅火星影象）

在環火飛行階段，環繞器為著陸巡視器在火星安全著陸保駕護航。2021年2月24日，「天問一號」實施第三次近火制動，進入近火點高度280公里、遠火點高度57000公里、週期為49.2小時（約2個火星日）的停泊軌道。在停泊軌道，環繞器利用中分相機、高分相機等載荷裝置，對火星南北極和預定著陸區進行了詳查，為著陸巡視器的安全著陸做好充足準備。

在「太空職場」履新

2021年5月15日，在釋放著陸巡視器當圈的近火點前約6個小時，環繞器進行了降軌機動。降軌完成後，建立兩器分離姿態。經地面判斷允許後，釋放著陸巡視器。分離結束後，環繞器進行升軌機動，將軌道拉起返回到停泊軌道，為著陸巡視器建立實時的中繼通訊鏈路。

據介紹，環繞器在停泊軌道上運行1圈後到達近火點，將進行第四次近火制動，進入中繼軌道，執行與著陸巡視器的中繼通訊任務，為地面和著陸巡視器搭建溝通的橋樑，中繼軌道運行約3個月。

5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心監測「祝融號」火星車工作情況。新華社記者 金立旺 攝

完成中繼任務後，環繞器將在近火點進行第五次制動降軌，進入使命軌道。利用環繞器上搭載的7種有效載荷，對火星表面及其次表層開展科學探測，完成火星全球遙感探測任務。

在距離地球近3億公里的軌道上，將巡視器的資料「中繼」傳回地球，環繞器的新職責並不輕鬆。形象地比喻說，相當於在自身不斷做飛行運動的情況下，要在2米開外，瞄準一根繡花的針孔，並時刻保持住瞄準狀態。

為了圓滿完成新任務，環繞器攜帶了2塊太陽電池陣、1幅高增益資料傳輸天線、1幅對巡視器資料中繼天線。在執行資料中繼任務時，環繞器需要驅動太陽電池陣對準太陽方向，以保證自身電能的供應。

同時，需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立資料「鵲橋」。環繞器需要同時實現對巡視器、地球、太陽3個目標的高精度同步指向控制，需要「八面玲瓏」的心理素質。

5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心監測「祝融號」火星車工作情況。新華社記者 金立旺 攝

巡視器、火星車從火星表面發回的探測資料，是由環繞器測控數傳分系統的器地、器火通道負責傳輸的。面對如此遠距離的器間中繼通訊，在無法觀察遙測的情況下，如何保障通訊的高可靠、高資料率？

八院測控數傳團隊經過長期分析論證，採用了器間高靈敏度接收、多碼速率自適應切換、高可靠的雙工握手協議、中繼多模式配合等先進通訊技術，實現了環繞器和巡視器、火星車之間的前向、返向通訊，成功解決了距離地球最遠4億公里外的兩器之間高可靠資料傳輸。

由於距離地球遙遠、天線波束角有限，一旦發生了通訊鏈路中斷怎麼辦？八院團隊設計了一種通訊鏈路中斷後的自主恢復策略。一旦通訊鏈路中斷，環繞器就會「自主慢旋」，在不停轉動身體過程中，使天線掃到地球，進而恢復通訊鏈路。

5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心監測「祝融號」火星車工作情況，研究傳回的火星地面高清圖片。新華社記者 金立旺 攝

擁有「聰明的大腦」

火星環繞器如此「聰明能幹」，離不開八院研製的制導、導航及控制（GNC）分系統。這一系統賦予環繞器「聰明的大腦」，在面對各種複雜情況時，能自主判斷、自主決策、自主執行。

在「天問一號」地火轉移飛行過程中，要確保探測器姿態指向的穩定、太陽翼對日定向保證能源、定向天線指向地球保證資料通訊鏈路；在環繞火星飛行期間，還需要增加中繼天線指向火星車的任務要求。這些任務執行的依靠就是環繞器大腦——GNC單元，它採用三套獨立CPU同步計算、三機相互診斷的方式運行。

據介紹，環繞器三機模式同步運行的「大腦」，首先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；其次，儘可能地縮短對儲存區進行檢錯糾錯的時間週期，使得儲存區每個地址的資料、在受到空間粒子影響而發生「翻轉」時，可以及時、準確地被糾正，一臺CPU運行不正常或計算結果不正確時，可以被及時隔離，從而確保這個關鍵大腦的準確可靠運行。

5月15日，中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋介紹著陸巡視器有關情況。新華社記者 饒愛民 攝

截至目前，環繞器GNC單元在任務過程中，已經歷了700多次空間單粒子「翻轉」，經受住了複雜嚴峻未知的空間環境各種洗禮和考驗。

我的狀態還好嗎？環繞器「聰明的大腦」每時每刻都會問自己，「三省其身」。為確保身體健康，環繞器GNC採用三重自主故障診斷和重構策略。根據三重診斷的結果，對故障單機資料首先進行隔離，利用正常工作的單機完成重構；對連續故障的單機，自主執行復位、重啟等操作；持續判斷故障單機能否恢復，並具備再次接入系統的條件。

我的能力還夠嗎？對於每一項控制任務，環繞器的GNC分系統所想的是要調動所具備的全部能力來完成。由於距離遙遠、通訊時延，面對故障必須自己診斷、自己尋找解決方案，全自主地呼叫可能的執行機構來完成任務。自主進行復雜的切換邏輯、並在切換過程中保證探測器姿態穩定和狀態安全，是環繞器「聰明的大腦」制勝法寶之一。

5月15日，中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋介紹火星車情況。新華社記者 饒愛民 攝

我的任務完成了嗎？環繞器GNC系統利用相關測量單機的資料計算，「聰明的大腦」就可以判斷自己是否完成任務。為了保證中途修正、制動捕獲、軌道調整等速度增量的控制精度，「天問一號」在軌飛行控制過程中，八院環繞器GNC團隊還會時刻關注著他，並通過多重修正措施，確保「大腦」能夠準確判斷出任務是否執行結束，這也是環繞器GNC系統的另一制勝法寶。

勇敢闖蕩浩瀚宇宙，憑藉自己的觀察力、思考力與執行力，環繞器圓滿完成了從「星際飛行器」到「中繼通訊衛星」的華麗轉身，成功踏上「太空履新」之旅。

2020年7月23日，在海南文昌航天發射場，天問一號探測器由長征五號遙四運載火箭成功發射。新華社記者 才揚 攝

（來源：新華每日電訊）