火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”由環(huán)繞器和著陸巡視器“兩兄弟”組成。5月15日，隨著“天問(wèn)一號(hào)”成功實(shí)施兩器分離，一路披荊斬棘、生死與共的“兄弟”倆，依依惜別，各奔東西、各擔(dān)使命。
3小時(shí)后，“著陸器巡視器兄弟”成功穿越火星大氣，在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸，開(kāi)啟“腳踏實(shí)地”火星探測(cè)之旅。而“環(huán)繞器兄弟”則點(diǎn)火上升再次進(jìn)入環(huán)火軌道，也開(kāi)啟了自己在“太空職場(chǎng)”的履新征程，從原先的“星際飛行器”變成著陸器與地球之間“中繼通信衛(wèi)星”，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行環(huán)火探測(cè)。
星際飛行不負(fù)使命
火星環(huán)繞器由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院抓總研制。自從2020年7月23日“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射以來(lái)，環(huán)繞器承擔(dān)了“星際飛行器”的重要職責(zé)，由它負(fù)責(zé)攜帶火星著陸巡視器，一起飛抵火星。
據(jù)八院專家介紹，自發(fā)射以來(lái)，環(huán)繞器經(jīng)歷了地火轉(zhuǎn)移段、制動(dòng)捕獲段、環(huán)火飛行段等飛行過(guò)程，成功完成火星制動(dòng)捕獲。
在地火轉(zhuǎn)移的飛行過(guò)程中，環(huán)繞器完成了地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空機(jī)動(dòng)，在抵達(dá)火星前，還利用高分相機(jī)對(duì)火星進(jìn)行了拍攝。2020年10月1日，國(guó)家航天局發(fā)布了“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器飛行圖像，圖上的五星紅旗光彩奪目、呈現(xiàn)鮮艷的中國(guó)紅，就是環(huán)繞器的首次深空“自拍”。2021年2月5日，國(guó)家航天局發(fā)布了“天問(wèn)一號(hào)”在距離火星約220萬(wàn)公里處，獲取的首幅火星圖像，也是環(huán)繞器用高分辨率相機(jī)采用黑白成像模式拍攝的。
在制動(dòng)捕獲段，環(huán)繞器藝高膽大、精準(zhǔn)剎車。2021年2月10日19時(shí)52分，“天問(wèn)一號(hào)”實(shí)施近火制動(dòng)，3000N發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)工作約15分鐘，探測(cè)器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度180000公里、周期約10天、傾角約10度的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星。
在環(huán)火飛行階段，環(huán)繞器為著陸巡視器在火星安全著陸保駕護(hù)航。2021年2月24日，“天問(wèn)一號(hào)”實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入近火點(diǎn)高度280公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)高度57000公里、周期為49.2小時(shí)(約2個(gè)火星日)的停泊軌道。在停泊軌道，環(huán)繞器利用中分相機(jī)、高分相機(jī)等載荷設(shè)備，對(duì)火星南北極和預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行了詳查，為著陸巡視器的安全著陸做好充足準(zhǔn)備。
在“太空職場(chǎng)”履新
2021年5月15日，在釋放著陸巡視器當(dāng)圈的近火點(diǎn)前約6個(gè)小時(shí)，環(huán)繞器進(jìn)行了降軌機(jī)動(dòng)。降軌完成后，建立兩器分離姿態(tài)。經(jīng)地面判斷允許后，釋放著陸巡視器。分離結(jié)束后，環(huán)繞器進(jìn)行升軌機(jī)動(dòng)，將軌道拉起返回到停泊軌道，為著陸巡視器建立實(shí)時(shí)的中繼通信鏈路。
據(jù)介紹，環(huán)繞器在停泊軌道上運(yùn)行1圈后到達(dá)近火點(diǎn)，將進(jìn)行第四次近火制動(dòng)，進(jìn)入中繼軌道，執(zhí)行與著陸巡視器的中繼通信任務(wù)，為地面和著陸巡視器搭建溝通的橋梁，中繼軌道運(yùn)行約3個(gè)月。
完成中繼任務(wù)后，環(huán)繞器將在近火點(diǎn)進(jìn)行第五次制動(dòng)降軌，進(jìn)入使命軌道。利用環(huán)繞器上搭載的7種有效載荷，對(duì)火星表面及其次表層開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，完成火星全球遙感探測(cè)任務(wù)。
在距離地球近3億公里的軌道上，將巡視器的數(shù)據(jù)“中繼”傳回地球，環(huán)繞器的新職責(zé)并不輕松。形象地比喻說(shuō)，相當(dāng)于在自身不斷做飛行運(yùn)動(dòng)的情況下，要在2米開(kāi)外，瞄準(zhǔn)一根繡花的針孔，并時(shí)刻保持住瞄準(zhǔn)狀態(tài)。
為了圓滿完成新任務(wù)，環(huán)繞器攜帶了2塊太陽(yáng)電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對(duì)巡視器數(shù)據(jù)中繼天線。在執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務(wù)時(shí)，環(huán)繞器需要驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)電池陣對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)方向，以保證自身電能的供應(yīng)。同時(shí)，需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”。環(huán)繞器需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視器、地球、太陽(yáng)3個(gè)目標(biāo)的高精度同步指向控制，需要“八面玲瓏”的心理素質(zhì)。
巡視器、火星車從火星表面發(fā)回的探測(cè)數(shù)據(jù)，是由環(huán)繞器測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)的器地、器火通道負(fù)責(zé)傳輸?shù)?。面?duì)如此遠(yuǎn)距離的器間中繼通信，在無(wú)法觀察遙測(cè)的情況下，如何保障通信的高可靠、高數(shù)據(jù)率?
八院測(cè)控?cái)?shù)傳團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期分析論證，采用了器間高靈敏度接收、多碼速率自適應(yīng)切換、高可靠的雙工握手協(xié)議、中繼多模式配合等先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞器和巡視器、火星車之間的前向、返向通信，成功解決了距離地球最遠(yuǎn)4億公里外的兩器之間高可靠數(shù)據(jù)傳輸。
擁有“聰明的大腦”
火星環(huán)繞器如此“聰明能干”，離不開(kāi)八院研制的制導(dǎo)、導(dǎo)航及控制(GNC)分系統(tǒng)。這一系統(tǒng)賦予環(huán)繞器“聰明的大腦”，在面對(duì)各種復(fù)雜情況時(shí)，能自主判斷、自主決策、自主執(zhí)行。
在“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)執(zhí)行的依靠就是環(huán)繞器大腦——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。
據(jù)介紹，環(huán)繞器三機(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)、在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?；蛴?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。
截至目前，環(huán)繞器GNC單元在任務(wù)過(guò)程中，已經(jīng)歷了700多次空間單粒子“翻轉(zhuǎn)”，經(jīng)受住了復(fù)雜嚴(yán)峻未知的空間環(huán)境各種洗禮和考驗(yàn)。
我的狀態(tài)還好嗎?環(huán)繞器“聰明的大腦”每時(shí)每刻都會(huì)問(wèn)自己，“三省其身”。為確保身體健康，環(huán)繞器GNC采用三重自主故障診斷和重構(gòu)策略。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。
我的能力還夠嗎?對(duì)于每一項(xiàng)控制任務(wù)，環(huán)繞器的GNC分系統(tǒng)所想的是要調(diào)動(dòng)所具備的全部能力來(lái)完成。由于距離遙遠(yuǎn)、通信時(shí)延，面對(duì)故障必須自己診斷、自己尋找解決方案，全自主地調(diào)用可能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成任務(wù)。自主進(jìn)行復(fù)雜的切換邏輯、并在切換過(guò)程中保證探測(cè)器姿態(tài)穩(wěn)定和狀態(tài)安全，是環(huán)繞器“聰明的大腦”制勝法寶之一。
我的任務(wù)完成了嗎?環(huán)繞器GNC系統(tǒng)利用相關(guān)測(cè)量單機(jī)的數(shù)據(jù)計(jì)算，“聰明的大腦”就可以判斷自己是否完成任務(wù)。為了保證中途修正、制動(dòng)捕獲、軌道調(diào)整等速度增量的控制精度，“天問(wèn)一號(hào)”在軌飛行控制過(guò)程中，八院環(huán)繞器GNC團(tuán)隊(duì)還會(huì)時(shí)刻關(guān)注著他，并通過(guò)多重修正措施，確保“大腦”能夠準(zhǔn)確判斷出任務(wù)是否執(zhí)行結(jié)束，這也是環(huán)繞器GNC系統(tǒng)的另一制勝法寶。
勇敢闖蕩浩瀚宇宙，憑借自己的觀察力、思考力與執(zhí)行力，環(huán)繞器圓滿完成了從“星際飛行器”到“中繼通信衛(wèi)星”的華麗轉(zhuǎn)身，成功踏上“太空履新”之旅。(記者張建松)
編輯：譚鵬
