走出“摇篮” 神器助力“天问一号”着陆火星

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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。

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。

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)