5月15日7時18分，由中國航天科技集團有限公司研制的天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。  本文圖片 中國航天科技集團供圖

5月15日7時18分，由中國航天科技集團有限公司研制的天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得成功。消息傳來，舉國歡騰。

可你知道嗎？天問一號距離地球約3億千米，單向通訊時延超過15分鐘。與生活在地月系搖籃里的航天器不同，這一去一回的半個小時，使得地面不能給天問一號提供實時無微不至的幫助。

為了解決時延問題，中國航天科技集團八院控制所火星環(huán)繞器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制分系統(tǒng)（GNC）研制團隊，給天問一號裝備了明亮的眼睛、靈巧的雙臂和聰明的大腦，使其具有了自己觀察、自我決斷和自主執(zhí)行的能力，順利地飛離地月?lián)u籃，成為我國首顆火星人造衛(wèi)星。

多雙眼睛，感知方向和鎖定位置的保證

要想去往火星，天問一號得先知道自己朝向哪里（探測器飛行姿態(tài)）和自己處在哪里（探測器軌道位置）。天問一號上裝配有多臺星敏感器，如同一雙明亮眼睛一樣，始終緊盯著深空中的恒星，通過比對自身看到的恒星與導(dǎo)航星表中恒星的相對姿態(tài)，就知道自己朝向何方了。

然而，系外恒星相對于探測器的距離都是無窮遠，無論天問一號飛離了地球多遠，這幾億公里的距離相對于那些恒星來說完全可以忽略，因此利用恒星來精確計算探測器飛行姿態(tài)的時候，卻無法得知探測器自己的位置。

為此，為了提高探測器的自主導(dǎo)航能力，還需要借助另一雙慧眼——光學(xué)導(dǎo)航敏感器和紅外導(dǎo)航敏感器，這兩款導(dǎo)航敏感器將火星作為導(dǎo)航的“燈塔”，通過這雙眼睛對火星拍照，從圖像中計算火星幾何中心的位置和火星視半徑的大小，結(jié)合火星的星歷和導(dǎo)航濾波算法，就能計算出天問一號相對于火星的位置和速度，從而就知道自己在哪里了。

三頭六臂，精準計算和可靠決策的秘訣

天問一號地火轉(zhuǎn)移飛行過程中要確保探測器姿態(tài)指向的穩(wěn)定、太陽翼對日定向保證能源、定向天線指向地球保證數(shù)據(jù)通訊鏈路，在環(huán)繞火星飛行期間還需要增加中繼天線指向火星車的任務(wù)要求，這些任務(wù)的準確、可靠執(zhí)行，都由環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)完成。

為此，環(huán)繞器GNC一方面需要獲取每雙眼睛的數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的姿態(tài)和軌道計算；另一方面則根據(jù)姿態(tài)和軌道的計算結(jié)果，調(diào)整探測器飛行指向，實現(xiàn)兩翼太陽翼、兩維定向天線驅(qū)動和兩維中繼天線驅(qū)動等控制。這些任務(wù)執(zhí)行就是依靠環(huán)繞器的大腦——GNC單元，它采用三套獨立CPU同步計算、三機相互診斷的方式運行。

環(huán)繞器與著陸器兩器分離效果圖。

天問一號飛行姿態(tài)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(huán)繞器的這臺三機模式同步運行的大腦，首先設(shè)計了精確的時間對準機制，保證三臺獨立的CPU可以實現(xiàn)復(fù)雜運算過程的同步計算和結(jié)果輸出、彼此數(shù)據(jù)的同步交互和故障診斷、以及控制模式的同步轉(zhuǎn)換；其次盡可能縮短對存儲區(qū)進行檢錯糾錯的時間周期，使得存儲區(qū)每個地址的數(shù)據(jù)受到空間粒子影響而發(fā)生“翻轉(zhuǎn)”時可以及時、準確的被糾正，一臺CPU運行不正常或計算結(jié)果不正確時可以被及時被隔離，從而確保這個關(guān)鍵大腦的準確可靠運行。

“大腦”能準確判斷出任務(wù)是否執(zhí)行結(jié)束

我的任務(wù)完成了嗎？天問一號火星探測飛行通訊時延的特殊性，使得其自身必須具備精確判斷出是否完成了既定任務(wù)的能力。探測器大角度姿態(tài)機動控制是否調(diào)整到位、軌道控制要求的速度增量是否調(diào)整到位，這些都需要環(huán)繞器GNC利用相關(guān)測量單機的數(shù)據(jù)計算獲得。為了保證中途修正、制動捕獲、軌道調(diào)整等速度增量的控制精度，天問一號在軌飛行控制過程中，環(huán)繞器GNC團隊對于測量速度增量的加速度計輸出數(shù)據(jù)實施了溫度補償，以保證速度增量大小的計算精度；并對速度增量的方向設(shè)計了在線自修正算法，通過點火姿態(tài)基準的修正克服3000N發(fā)動機安裝偏斜等對速度增量控制方向的影響。通過多重修正措施，確保“大腦”能夠準確判斷出任務(wù)是否執(zhí)行結(jié)束，這也是環(huán)繞器GNC的另一制勝法寶。

目前，天問一號已經(jīng)正常穩(wěn)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(huán)火軌道調(diào)整等關(guān)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(tài)的穩(wěn)定，環(huán)繞器GNC單元在執(zhí)行這些任務(wù)的過程中，經(jīng)歷了700多次空間單粒子翻轉(zhuǎn)，成功經(jīng)受了靜謐太空中空間環(huán)境的各種洗禮和考驗。