火星探測器“天問一號”由環(huán)繞器和著陸巡視器“兩兄弟”組成。5月15日，隨著“天問一號”成功實施兩器分離，一路披荊斬棘、生死與共的“兄弟”倆，依依惜別，各奔東西、各擔使命。
3小時后，“著陸器巡視器兄弟”成功穿越火星大氣，在火星表面實現(xiàn)軟著陸，開啟“腳踏實地”火星探測之旅。而“環(huán)繞器兄弟”則點火上升再次進入環(huán)火軌道，也開啟了自己在“太空職場”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”，同時繼續(xù)進行環(huán)火探測。
星際飛行不負使命
火星環(huán)繞器由中國航天科技集團公司八院抓總研制。自從2020年7月23日“天問一號”成功發(fā)射以來，環(huán)繞器承擔了“星際飛行器”的重要職責，由它負責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，環(huán)繞器經(jīng)歷了地火轉移段、制動捕獲段、環(huán)火飛行段等飛行過程，成功完成火星制動捕獲。
在地火轉移的飛行過程中，環(huán)繞器完成了地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空機動，在抵達火星前，還利用高分相機對火星進行了拍攝。2020年10月1日，國家航天局發(fā)布了“天問一號”探測器飛行圖像，圖上的五星紅旗光彩奪目、呈現(xiàn)鮮艷的中國紅，就是環(huán)繞器的首次深空“自拍”。2021年2月5日，國家航天局發(fā)布了“天問一號”在距離火星約220萬公里處，獲取的首幅火星圖像，也是環(huán)繞器用高分辨率相機采用黑白成像模式拍攝的。
在制動捕獲段，環(huán)繞器藝高膽大、精準剎車。2021年2月10日19時52分，“天問一號”實施近火制動，3000N發(fā)動機開機工作約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400公里、遠火點高度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航。2021年2月24日，“天問一號”實施第三次近火制動，進入近火點高度280公里、遠火點高度57000公里、周期為49.2小時(約2個火星日)的停泊軌道。在停泊軌道，環(huán)繞器利用中分相機、高分相機等載荷設備，對火星南北極和預定著陸區(qū)進行了詳查，為著陸巡視器的安全著陸做好充足準備。
在“太空職場”履新
2021年5月15日，在釋放著陸巡視器當圈的近火點前約6個小時，環(huán)繞器進行了降軌機動。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。分離結束后，環(huán)繞器進行升軌機動，將軌道拉起返回到停泊軌道，為著陸巡視器建立實時的中繼通信鏈路。
據(jù)介紹，環(huán)繞器在停泊軌道上運行1圈后到達近火點，將進行第四次近火制動，進入中繼軌道，執(zhí)行與著陸巡視器的中繼通信任務，為地面和著陸巡視器搭建溝通的橋梁，中繼軌道運行約3個月。
完成中繼任務后，環(huán)繞器將在近火點進行第五次制動降軌，進入使命軌道。利用環(huán)繞器上搭載的7種有效載荷，對火星表面及其次表層開展科學探測，完成火星全球遙感探測任務。
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)繞器的新職責并不輕松。形象地比喻說，相當于在自身不斷做飛行運動的情況下，要在2米開外，瞄準一根繡花的針孔，并時刻保持住瞄準狀態(tài)。
為了圓滿完成新任務，環(huán)繞器攜帶了2塊太陽電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對巡視器數(shù)據(jù)中繼天線。在執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務時，環(huán)繞器需要驅動太陽電池陣對準太陽方向，以保證自身電能的供應。同時，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)繞器需要同時實現(xiàn)對巡視器、地球、太陽3個目標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)回的探測數(shù)據(jù)，是由環(huán)繞器測控數(shù)傳分系統(tǒng)的器地、器火通道負責傳輸?shù)摹Ｃ鎸θ绱诉h距離的器間中繼通信，在無法觀察遙測的情況下，如何保障通信的高可靠、高數(shù)據(jù)率?
八院測控數(shù)傳團隊經(jīng)過長期分析論證，采用了器間高靈敏度接收、多碼速率自適應切換、高可靠的雙工握手協(xié)議、中繼多模式配合等先進通信技術，實現(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”，離不開八院研制的制導、導航及控制(GNC)分系統(tǒng)。這一系統(tǒng)賦予環(huán)繞器“聰明的大腦”，在面對各種復雜情況時，能自主判斷、自主決策、自主執(zhí)行。
在“天問一號”地火轉移飛行過程中，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要求。這些任務執(zhí)行的依靠就是環(huán)繞器大腦——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。
據(jù)介紹，環(huán)繞器三機模式同步運行的“大腦”，首先設計了精確的時間對準機制，保證三臺獨立的CPU，可以實現(xiàn)復雜運算過程的同步計算和結果輸出、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換;其次，盡可能地縮短對存儲區(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)、在受到空間粒子影響而發(fā)生“翻轉”時，可以及時、準確地被糾正，一臺CPU運行不正常或計算結果不正確時，可以被及時隔離，從而確保這個關鍵大腦的準確可靠運行。
截至目前，環(huán)繞器GNC單元在任務過程中，已經(jīng)歷了700多次空間單粒子“翻轉”，經(jīng)受住了復雜嚴峻未知的空間環(huán)境各種洗禮和考驗。
我的狀態(tài)還好嗎?環(huán)繞器“聰明的大腦”每時每刻都會問自己，“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策略。根據(jù)三重診斷的結果，對故障單機數(shù)據(jù)首先進行隔離，利用正常工作的單機完成重構;對連續(xù)故障的單機，自主執(zhí)行復位、重啟等操作;持續(xù)判斷故障單機能否恢復，并具備再次接入系統(tǒng)的條件。
我的能力還夠嗎?對于每一項控制任務，環(huán)繞器的GNC分系統(tǒng)所想的是要調(diào)動所具備的全部能力來完成。由于距離遙遠、通信時延，面對故障必須自己診斷、自己尋找解決方案，全自主地調(diào)用可能的執(zhí)行機構來完成任務。自主進行復雜的切換邏輯、并在切換過程中保證探測器姿態(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。
我的任務完成了嗎?環(huán)繞器GNC系統(tǒng)利用相關測量單機的數(shù)據(jù)計算，“聰明的大腦”就可以判斷自己是否完成任務。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，八院環(huán)繞器GNC團隊還會時刻關注著他，并通過多重修正措施，確保“大腦”能夠準確判斷出任務是否執(zhí)行結束，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”的華麗轉身，成功踏上“太空履新”之旅。(記者張建松)
編輯：譚鵬
