天问|着陆火星！“天问一号”经历的关键时刻揭秘_火星卫星|火星大气|火星一号

15.05.2021

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导读：祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。
作者 | 第一财经金叶子
5月15日，我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，在火星上首次留下中国印迹。后续，祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。
本次天问一号的成功着陆，迈出了我国星际探测征程的重要一步，而在这背后，天问一号经历了哪些“步步惊心”的关键时刻？
星际“专车”保驾护航
火星探测器“天问一号”包括环绕器和着陆巡视器两部分，环绕器由中国航天科技集团八院（下称“八院”）抓总研制。自去年7月发射以来，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，完成了“绕、着、巡”三大目标中环绕探测目标。环绕器成功释放着陆器后，再次进入环火轨道成为着陆器与地球的通信中继站，进行火星环绕探测。

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来源：八院
为了实现着陆巡视器准确进入火星着陆轨道，环绕器需要首先在携带着陆巡视器的情况下控制到撞击火星的轨道，实施两器分离后，环绕器需要迅速抬升轨道，着陆巡视器则进入火星大气层。这个分离前后的控制需要7个小时，环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车” ，需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等一系列动作，而这些都需要环绕器自主、准确、可靠地完成。
“这是一系列很关键的姿态和轨道机动，稍有不慎，探测器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通讯时延的存在，我们并没有办法实时获知探测器的状态并对异常情况进行干预。 ”环绕器副总设计师朱庆华说道， “可以说，器器分离的过程是我们控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。 ”
实际上，明确了着陆器准确的着陆点后，探测器的一系列机动也就随之确定下来了。在探测器进行第一次降轨点火的3个小时前，设计师们已上注所有控制策略，策略中包含了对可能发生情况的应对。
分离时环绕器的轨道控制精度和姿态控制精度是着陆巡视器能否进入预定着陆区的前提。这些需要依赖于敏感器、执行机构、计算机以及算法的准确性，可以说是对探测器GNC系统的一次“大考” 。实际过程中，探测器需要自主进行测量计算并作出判断，每个环节都必须精准无误，分秒不能差。方案设计师王卫华打了个比方：“这就好比在室外，距离标准篮筐980米进行投篮，还必须事先考虑到投篮的角度、时机、投球力度，以及篮球自身旋转运动、风速和风向外部环境等种种因素的影响。 ”
同时，设计师们也做了不同情况下的预案和对策。当环绕器通过自身的敏感器发现没有完成既定的动作时，会自主带着着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星，并在合适的时机再次选择执行两器分离的一系列动作。
另外，在此次的火星探测任务中，环绕器不仅仅是一辆星际“专车” ，它同样也是一座功能强大的通信“中继站” ，为火星表面巡视器与地球搭建通讯桥梁。
升轨后的环绕器，并不是大家想象中“卸载”后的一身轻松，此刻它需要迅速肩负起对火星表面进行遥感探测的任务，同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球。在距离地球约3亿公里的轨道上准确指向地球，相当于要在2米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身还在不断的飞行运动情况下，时刻保持住瞄准状态。
据介绍，环绕器携带有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。在环绕器执行数据中继任务时，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” 。 “此时，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，绝对可以称得上是‘八面玲珑’了。 ”GNC系统主任设计师聂钦博说。
近地卫星通常是长期对地稳定，使用全向天线，不会出现通讯链路中断的问题。而环绕器在环火飞行时与地球距离远，由于天线波束角有限，设计师们要在确保对天线指向高精度控制的同时，对可能发生的通讯链路中断做出预案。
“我们设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通讯链路中断，探测器就会‘自主慢旋’ ，并在这一过程中，使天线扫到地球，进而恢复通讯链路。这一过程也是环绕器自主实现。 ”软件设计师周誌元介绍道。
可靠的安全策略和精准的自主控制有力保障了环绕器与着陆巡视器的成功分离，更确保了着陆巡视器与地球的顺畅通讯。如今，环绕器依然在稳定环火飞行，成为了着陆巡视器与地球之间的通信桥梁，完成数据中继任务后，它也将开启自己的环火遥感之旅。

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步步惊心的分离
与美国“毅力号”到达火星直接着陆不同，我国“天问一号”采取先环绕再着陆的方式，主要原因是我国首次发射探测器去火星，对火星表面环境及地形不是很了解，需要先捕获进入环火轨道，在环火停泊轨道上对着陆区进行详查，确定着陆区情况后再进行着陆火星。

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“天问一号”火星探测器在周期为两个火星日的停泊轨道上运行，在到达近火点前约6小时，环绕器4台120N发动机点火约两分多钟，实施降轨机动，进入火星大气进入轨道，之后转为两器分离姿态，并执行两器分离动作。着陆巡视器和环绕器分离后，继续沿火星大气进入轨道飞行，分离后再经过3个多小时进入火星大气，依靠气动外形减速、降落伞减速、发动机减速、悬停避障，最终安全着陆在火星表面。环绕器则在分离半小时后进行升轨机动，返回停泊轨道。
两器分离经过了“降轨、分离、升轨”三步曲，步步惊心。
降轨偏差过大，会影响着陆巡视器进入火星大气时进入角、经纬度等参数，最终影响着陆巡视器进入火星大气后的着陆过程，遇到此情况地面可以终止分离流程；分离有问题，探测器能够自主判断取消分离，继续携带着陆巡视器飞行，等待后续着陆机会；分离成功，但环绕器升轨近火点高度不够，会有进入火星大气坠毁的风险，探测器具备轨控故障自主处理能力，保证升轨过程可靠执行；着陆巡视器进入火星大气至着陆到火星表面，整个过程时间短动作多，全部依靠器上自主完成，是风险极大的黑色九分钟。
两器成功分离后，环绕器和着陆巡视器通过UHF中继通信设备进行信息交互，着陆巡视器将分离后及着陆过程中的遥测信息通过UHF中继通信发送给环绕器，环绕器使用大口径高增益天线对地转发这些重要遥测数据，再经过17分钟左右的无线电波远距离传输时间，地面就可以收到这些重要的着陆过程信息。

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着陆巡视器安全着陆后，进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开，火星车驶离着陆平台，行驶到火星表面开展巡视探测。环绕器在完成着陆过程的中继通信任务后，再在周期为两个火星日的停泊轨道上运行一圈，之后在近火点实施变轨机动，将轨道变为周期为三分之一个火星日的中继轨道，这样一个火星日内，环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信，为后续的巡视探测任务提供指令上注和探测信息传输服务。

【天问|着陆火星！“天问一号”经历的关键时刻揭秘】

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天问|着陆火星！“天问一号”经历的关键时刻揭秘

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