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效果图 。中国航天科技集团八院 供图
中新网上海5月15日电 题：走出“摇篮”神器助力“天问一号”着陆火星
作者郭超凯 郑莹莹刘宇
中国首个火星探测器“天问一号”目前距离地球约3.2亿公里 ， 通讯单向时延超过15分钟 。 与生活在地月系“摇篮”里的航天器不同 ， 这一去一回的半个多小时 ， 使得地面不能给“天问一号”提供实时无微不至的帮助 。
要想走出“摇篮” ， 走入未知的深空 ， “天问一号”必须学习自己面对 。 中国航天科技集团八院控制所火星环绕器导航、制导与控制分系统(GNC)研制团队 ， 给天问一号装备了明亮的眼睛、灵巧的双臂和聪明的大脑 ， 使“天问一号”具有自己观察、自我决断和自主执行的能力 。
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效果图 。中国航天科技集团八院 供图
多双眼睛 ， 感知方向与锁定位置的保证
要想去往火星 ， “天问一号”得先知道自己朝向哪里(探测器飞行姿态)和自己处在哪里(探测器轨道位置) ， 否则非得闹出南辕北辙的笑话不可 。 “天问一号”上装配有多台星敏感器 ， 如同一双明亮眼睛 ， 星敏感器始终紧盯着深空中的恒星 ， 通过比对自身看到的恒星与导航星表中恒星的相对姿态 ， 就知道自己朝向何方了 。 然而 ， 系外恒星相对于探测器的距离都是无穷远 ， 也就是说 ， 无论“天问一号”飞离地球多远 ， 这几亿公里的距离相对于那些恒星来说 ， 完全可以忽略 ， 因此利用恒星来精确计算探测器飞行姿态的时候 ， 无法得知探测器自己的位置 。
为了提高探测器的自主导航能力 ， 还需要借助另一双慧眼——光学导航敏感器和红外导航敏感器 ， 这两款导航敏感器将火星作为导航的“灯塔” ， 通过这双眼睛对火星“拍照” ， 从图像中计算火星几何中心的位置和火星视半径的大小 ， 结合火星的星历和导航滤波算法 ， 就能计算出“天问一号”相对于火星的位置和速度 ， “天问一号”从而就知道自己在哪里了 。
三头六臂 ， 精准计算和可靠决策的秘诀
环绕器的大脑——GNC单元 ， 采用三套独立CPU同步计算、三机相互诊断的方式运行 。
“天问一号”飞行姿态测量和控制、轨道修正、制动捕获等功能必须兼顾精度、可靠性和自主性的三重要求 。 为此 ， 环绕器的这台三机模式同步运行的“大脑” ， 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 。
【飞行姿态|走出“摇篮” 神器助力“天问一号”着陆火星】目前 ， “天问一号”已经正常稳定飞行了10个月 ， 精确地完成了四次中途修正、火星制动捕获和环火轨道调整等关键动作 ， 时刻保障着探测器的太阳能源、对地通讯和飞行姿态的稳定 。
三省吾身 ， 自主运行和完成任务的法宝
我的状态还好吗？了解自己是第一步 。 飞行过程中环绕器GNC分系统时时刻刻都在检查自己的眼睛、臂膀和大脑 。 每双眼睛看到的是否准确、每只手臂运动得是否正常、自身大脑运转是否清醒等 ， 环绕器GNC采用三重自主故障诊断和重构策略来确保其稳妥运行 。
针对火星探测这样的高难度任务 ， 单机的可靠性是前提 。 每个元器件都经过了层层筛选 ， 每一台单机均完成了力学振动、高低温和空间环境等可靠性试验 。 结合三重诊断与重构保障 ， 即使有超出预期的一些故障发生 ， 也不会影响整个任务的正常执行 。
“天问一号”火星探测飞行通讯时延的特殊性 ， 使其自身必须具备精确判断出是否完成既定任务的能力 。 据称 ， “天问一号”在轨飞行控制过程中 ， 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 。 (完)
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