2021年5月15日7時(shí)18分，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”著陸巡視器，成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿(mǎn)成功。

“天問(wèn)一號(hào)”目前距離地球約3.2億公里，通訊單向時(shí)延超過(guò)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(gè)小時(shí)，使得地面不能給“天問(wèn)一號(hào)”提供實(shí)時(shí)無(wú)微不至的幫助。要想走出搖籃，走入未知的深空，“天問(wèn)一號(hào)”必須學(xué)習(xí)“獨(dú)立生活”。

中國(guó)航天科技集團(tuán)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(tuán)隊(duì)，給“天問(wèn)一號(hào)”裝備了明亮的眼睛、靈巧的雙臂和聰明的大腦，使“天問(wèn)一號(hào)”具有了自己觀(guān)察、自我決斷和自主執(zhí)行的能力。

多雙眼睛：感知方向和鎖定位置的保證

要想去往火星，“天問(wèn)一號(hào)”要先知道自己朝向哪里（探測(cè)器飛行姿態(tài)）和自己處在哪里（探測(cè)器軌道位置）。與我們?cè)诤谝估飳ふ冶睒O星來(lái)確定方向類(lèi)似，深空中滿(mǎn)布各個(gè)方向的恒星，可以幫助“天問(wèn)一號(hào)”確定自已的飛行姿態(tài)。

“天問(wèn)一號(hào)”上裝配有多臺(tái)星敏感器，它們自身都存儲(chǔ)著導(dǎo)航星表，如同一雙明亮眼睛一樣，星敏感器始終緊盯著深空中的恒星，通過(guò)比對(duì)自身看到的恒星與導(dǎo)航星表中恒星的相對(duì)姿態(tài)，就知道自己朝向何方了。然而，系外恒星相對(duì)于探測(cè)器的距離都是無(wú)窮遠(yuǎn)，也就是說(shuō)，無(wú)論“天問(wèn)一號(hào)”飛離了地球多遠(yuǎn)，這幾億公里的距離對(duì)于那些恒星來(lái)說(shuō)完全可以忽略，因此利用恒星來(lái)精確計(jì)算探測(cè)器飛行姿態(tài)的時(shí)候，卻無(wú)法得知探測(cè)器自己的位置。

“天問(wèn)一號(hào)”飛行過(guò)程主要依靠地面測(cè)定軌數(shù)據(jù)，定期更新探測(cè)器自身遞推計(jì)算的軌道，為了提高探測(cè)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”，從圖像中計(jì)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(jì)算出“天問(wèn)一號(hào)”相對(duì)于火星的位置和速度。

三頭六臂：精準(zhǔn)計(jì)算和可靠決策的秘訣

“天問(wèn)一號(hào)”地火轉(zhuǎn)移飛行過(guò)程中，要確保探測(cè)器姿態(tài)指向的穩(wěn)定、太陽(yáng)翼對(duì)日定向保證能源、定向天線(xiàn)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(xiàn)指向火星車(chē)的任務(wù)要求，這些任務(wù)的準(zhǔn)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(jì)算；另一方面則根據(jù)姿態(tài)和軌道的計(jì)算結(jié)果，調(diào)整探測(cè)器飛行指向，實(shí)現(xiàn)兩翼太陽(yáng)翼、兩維定向天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和兩維中繼天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)等控制。這些任務(wù)的執(zhí)行都要依靠環(huán)繞器的大腦——GNC單元。它采用三套獨(dú)立CPU同步計(jì)算、三機(jī)相互診斷的方式運(yùn)行。

“天問(wèn)一號(hào)”飛行姿態(tài)測(cè)量和控制、軌道修正、制動(dòng)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(tái)三機(jī)模式同步運(yùn)行的大腦，首先設(shè)計(jì)了精確的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)機(jī)制，保證三臺(tái)獨(dú)立的CPU可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算過(guò)程的同步計(jì)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；其次盡可能地縮短對(duì)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)的時(shí)間周期，使得存儲(chǔ)區(qū)每個(gè)地址的數(shù)據(jù)受到空間粒子影響而發(fā)生“翻轉(zhuǎn)”時(shí)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地被糾正。一臺(tái)CPU運(yùn)行不正常或計(jì)算結(jié)果不正確時(shí)可以被及時(shí)隔離，從而確保這個(gè)關(guān)鍵大腦的準(zhǔn)確可靠運(yùn)行。

三省吾身：自主運(yùn)行和完成任務(wù)的法寶

?我的狀態(tài)還好嗎？了解自己是第一步。

飛行過(guò)程中，環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)，時(shí)時(shí)刻刻都在檢查自己的眼睛、臂膀和大腦。環(huán)繞器GNC采用三重自主故障診斷和重構(gòu)策略來(lái)確保穩(wěn)妥運(yùn)行。根據(jù)三重診斷的結(jié)果，對(duì)故障單機(jī)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行隔離，利用正常工作的單機(jī)完成重構(gòu)；對(duì)連續(xù)故障的單機(jī)自主執(zhí)行復(fù)位、重啟等操作，持續(xù)判斷故障單機(jī)能否恢復(fù)并具備再次接入系統(tǒng)的條件。針對(duì)火星探測(cè)這樣的高難度任務(wù)，單機(jī)的可靠性是前提，每個(gè)元器件都經(jīng)過(guò)了層層篩選，每一臺(tái)單機(jī)均完成了力學(xué)振動(dòng)、高低溫和空間環(huán)境等可靠性試驗(yàn)，即使有超出我們預(yù)期的一些故障發(fā)生，也不會(huì)影響整個(gè)任務(wù)的正常執(zhí)行。

我的能力還夠嗎？作為火星探測(cè)最關(guān)鍵動(dòng)作之一的制動(dòng)捕獲控制，采用“3000N發(fā)動(dòng)機(jī)軌道控制+120N推力器姿態(tài)控制”作為主方案，軌控開(kāi)始后環(huán)繞器GNC便會(huì)對(duì)3000N發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出推力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，發(fā)現(xiàn)推力異常后會(huì)自主切換到利用8臺(tái)120N姿控推力器繼續(xù)執(zhí)行軌道和姿態(tài)控制，若姿態(tài)控制異常則會(huì)采用多臺(tái)25N姿控推力器替代120N的方式工作。

我的任務(wù)完成了嗎？“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)飛行通訊時(shí)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(cè)器大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)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(cè)量單機(jī)的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

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