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深空探测“金牌司机”是怎样炼成的
[ 发布时间:2021-03-26 ]   [ 信息来源: 中国的航天 ]  [ 字号: ]

  2020年7月23日,天问一号探测器成功发射,中国人的行星探测之旅正式启程。历经数亿公里的长途跋涉,如今探测器已抵达火星停泊轨道,并计划在后续择机着陆火星,执行一系列探测任务。


  在飞往火星的漫漫征途中,探测器由谁操控?距地球数亿公里外的深空机动、轨道修正都是如何完成的?这就不得不提到GNC。


  地球大气层外,各类卫星、探测器之所以能够始终行驶在自己的轨道而不互相干扰,是因为它们都自带GNC这一“自主驾驶”系统,GNC是制导(Guidance)、导航(Navigation)与控制(Control)的简称,它既是导航仪也是金牌司机,可以做到控制卫星严格按照既定轨道运行。


  对于天问一号这样的行星探测器来说,GNC的责任就更大了。从地球到火星这一趟“星际长途”,堪比唐僧师徒四人的取经之路。从轨道修正、太空“刹车”,再到最终实现“绕”“着”“巡”总体目标,这一系列精准走位都要靠GNC来实现,每一步都至关重要。


  金牌司机秘籍一


  猛踩刹车时也要稳住“方向盘”


  当“胖五”一记大力托举将天问一号送入地火转移轨道后,探测器在宇宙中的自主飞行控制就由环绕器GNC分系统接管了。它的主要任务,就是确保探测器能够按既定时间和地点准确到达火星。


  在上亿公里的飞行旅程中,失之毫厘,谬以千里。所以过程中若不进行精确修正,探测器就会与火星擦肩而过了。天问一号实施的四次轨道中途修正和一次深空机动,就是在不断地调整“方向盘”,以实现精准到达火星的同时,尽可能地节省燃料消耗。


  飞行过程中,每一次调整都需要环绕器GNC来实现变轨速度增量的高精度控制,其中难度最大、时间最长、可靠性要求最高的当属近火制动捕获控制,这一脚大力刹车的过程中,环绕器3000N发动机点火工作15分钟。在这个过程中,GNC要克服巨大的干扰力矩,时刻保持探测器飞行姿态的指向稳定。


  2021年2月10日20时,天问一号减速约1km/s后成为我国第一颗环绕火星的人造卫星,制动过程的速度增量控制精度达到了mm/s的量级,环绕器GNC完成了这关键的一脚刹车。


  金牌司机秘籍二


  找准“定位”很关键


  我们开车在路上时,都会通过车道线来判断行驶状态,但茫茫宇宙中,天问一号如何感知自身姿态从而进行各种轨道调整呢?这时,宇宙中的恒星就化身一座座“灯塔”,组成了探测器姿态测量的参考源。


  夜空中的星星,绝大部分是离地球非常遥远的恒星,它们的位置也可视为恒定的,GNC分系统的“重要法宝”——星敏感器通过拍摄图像识别出星空中的多颗恒星,并能够利用图像匹配算法计算出相对空间姿态旋转。在飞往火星的过程中,天问一号通过星敏感器实时进行姿态测量,从而提供了精准控制探测器飞行姿态的反馈信息。


  除此之外,此次火星探测任务中GNC还配置了一双“火眼金睛”,一只为“千里眼”光学导航敏感器,可在飞近火星的过程中,远距离计算火星中心方向和半径大小;另一只是“广角镜”红外导航敏感器,在环火近距离飞行时利用火星局部边缘图像实现环火轨道位置和速度的自主计算,目前两款敏感器均完成了在轨试验,为我国深空探测光学自主导航技术的工程应用积累了宝贵经验。


  金牌司机秘籍三


  不会“一心多用”的司机不是好司机


  在2020年发射的火星探测器中,和阿联酋、美国的探测器相比只有天问一号同时肩负着环绕、着陆和巡视的“三重任务”,可谓“一心多用”。


  阿联酋希望号的高增益天线和太阳翼均采用固定安装的方式,这使得其火星探测载荷观测、太阳翼对日保障能源和天线对地通讯指向不能同时兼顾,这样的结构虽然降低了工程难度,却也牺牲了一定的科学探测能力。


  美国则采用直接着陆的方式,这是由于美国还有能工作的火星轨道器为着陆提供数据中继服务,使其可以专注于火星着陆探测的科学目标。


  对于天问一号来说,环绕器要负责火星转移飞行、火星环绕遥感、对火星车数据中继等任务,这使得环绕器GNC在控制“方向盘”的同时,要转动太阳翼实时对准太阳获取能量,还要转动高增益天线对准地球获取信号,转动中继天线对准火星车进行姿态跟踪,只有这些控制目标都达到要求,才能说环绕器GNC完成了任务。


  器地之间单向最长达20分钟的通讯时延,需要以上控制执行过程具备全自主和高可靠性。因此,环绕器GNC分系统的技术涵盖惯性测量、光电探测、伺服驱动等多领域,需要实现供电控制、信息交互、时空信息计算,角动量控制、推力控制、多维指向驱动,故障诊断、自主重构、最坏情况恢复等一系列功能性能,可谓“一点都不能差”。


  截至目前,环绕器GNC分系统已准确执行了天问一号飞行过程中的各次轨道修正,精准实现近火制动捕获,支撑环绕器载荷获取遥感数据,时刻确保着探测器飞行姿态、能源供给和通讯链路的安全。后续,随着探测器着陆,GNC这位“金牌司机”还将继续扮演重要的作用,为中国人的深空探测梦提供重要保障。

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