航天科技八院火星探测GNC团队成功实现“天问一号”自主精准刹车记

　　2月10日，在历经近7个月的太空航行后，由航天科技（000901）集团研制的我国首个火星探测器天问一号成功实施捕获制动，精准进入环火轨道，正式开启了环绕火星阶段的探测任务。

　　制动捕获，简单来说就是通过发动机推力减速控制，来降低探测器的速度，使其能够被目标星体的引力所捕获，这一动作也被形象地称为“踩刹车”。但到底如何踩刹车？面对这一工程问题，八院火星探测GNC团队不仅做到了精准“刹车”，更实现了全过程由探测器自主完成这一高难度动作，交出了一份高分答卷。

　　让探测器实现全自动“刹车”

　　对于以每秒 28公里高速靠近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠完成“刹车”。理论上，给探测器一个反向推力，即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中，仍会遇到不少问题。

　　火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机，进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限，要求探测器在10分钟内将速度降低到约每秒1公里。

　　与常规卫星可以由地面实时操控不同，制动捕获过程中，探测器距离地球1.92亿公里，地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10分钟，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。

　　“在失去地面实时测控的环境下，要通过方案设计，充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况，全自主执行精确轨道控制；再通过多因素组合的测试和仿真分析，让控制方案更加健壮可靠。”环绕器副总设计师朱庆华说道。

　　团队研究了目前国际上所有的火星探测器，并对国外的案例进行深入剖析。 “我们对火星探测全过程反复推演，可以说已经将能想到的所有可能情况都考虑了进去，并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”GNC系统主任设计师聂钦博说道。

　　0.3%的影响也不能忽视

　　在研制阶段一次半物理仿真试验中，探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差，这使得研制团队高度紧张。方案已考虑了探测器燃料消耗引起的质量变化，也考虑了推力方向偏心造成的姿态干扰等多种可能的因素，为什么精度还是不够呢？

　　团队随即对捕获制动这一过程再次进行深入分析，终于发现，制动前的“沉底”时间过长，对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。

　　所谓“沉底”就是在主发动机推力减速前，先启动维持探测器姿态控制的小推力器工作，通过姿态控制推力器产生的加速度，使燃料集中到贮箱底部，便于主发动机工作。

　　为此，团队迅速对这一过程进行精确量化分析，将沉底工作过程的推力减少了一倍，并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时机的计算中，通过方案优化和进一步仿真验证，捕获制动精度有了显着提升。

　　此外，承担着指挥控制任务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证工作下，3台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决”，即运算时刻和初始数据始终保持一致，进而通过少数服从多数原则，确保计算结果准确无误。

　　为确保我国首次自主火星探测任务最关键的这次“刹车”可靠完成，团队在4年的研制过程中，不断进行着各参数的正常范围、极限拉偏测试，分析测试和试验中 GNC系统的表现，对异常现象迅速定位并对方案进行优化完善。

　　“我们已运用自己的算法对其他火星探测任务进行仿真，仿真结果与国际上公布的数据非常吻合。”环绕器GNC分系统产保师刘宇不无自豪地说。（李柏杨）