星际“专车”变身通信“中继站” ——看环绕器如何为着陆火星保驾护航

李柏杨 科技日报记者 付毅飞 操秀英

5月15日凌晨4时许，由中国航天科技集团研制的火星探测器“天问一号”成功实施两器分离，3小时后，着陆器成功穿越火星大气在火星表面实现软着陆。

由中国航天科技集团八院研制的环绕器则在释放着陆器后再次进入环火轨道，成为着陆器与地球的通信中继站，同时继续进行火星环绕探测。

这是国际上首次在一次火星探测中实现绕、着、巡三大任务。

最安全的星际“专车”

火星探测器“天问一号”包括环绕器和着陆巡视器两部分，为实现着陆巡视器准确进入火星着陆轨道，环绕器需要首先在携带着陆巡视器的情况下控制到撞击火星的轨道，实施两器分离后，环绕器需要迅速抬升轨道，而着陆巡视器则进入火星大气层。

这个分离前后的控制需要7个小时。

环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”，需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等系列动作。

“这是一系列很关键的姿态和轨道机动，稍有不慎，探测器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通讯时延的存在，我们并没有办法实时获知探测器的状态并对异常情况进行干预。”环绕器副总设计师朱庆华说道，“可以说，器器分离的过程是对控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。” 

实际上，明确了着陆器准确的着陆点后，探测器的一系列机动也就随之确定下来了。在探测器进行第一次降轨点火的3个小时前，设计师们已上注所有控制策略，策略中包含了对可能发生情况的应对。 

分离时环绕器的轨道控制精度和姿态控制精度是着陆巡视器能否进入预定着陆区的前提。这些需要依赖敏感器、执行机构、计算机以及算法的准确性，是对探测器GNC系统的一次“大考” 。

方案设计师王卫华打了个比方：“这就好比在室外，距离标准篮筐980米进行投篮，还必须事先考虑到投篮的角度、时机、投球力度，以及篮球自身旋转运动、风速和风向外部环境等种种因素的影响。” 

同时，设计师们也做了不同情况下的预案和对策。当环绕器通过自身的敏感器发现没有完成既定的动作时，会自主带着着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星，并在合适的时机再次选择执行两器分离的一系列动作。 

最可靠的通信“中继站”

在此次火星探测任务中，环绕器不仅仅是一辆星际“专车”，它还是一座功能强大的通信“中继站”，为火星表面巡视器与地球搭建通讯桥梁，肩负对火星表面进行遥感探测的任务，同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球。

在距离地球2.93亿公里的轨道上准确指向地球，相当于要在2米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身飞行运动情况下，时刻保持瞄准状态。

据介绍，环绕器携带有2块太阳电池阵、1幅高增益数据传输天线、1幅对巡视器数据中继天线。在环绕器执行数据中继任务时，需要驱动太阳电池阵对准太阳方向以保证自身电能的供应，同时需要高增益天线跟踪地球、中继天线指向巡视器以建立数据“鹊桥”。

“此时，环绕器需要同时实现对巡视器、地球、太阳3个目标的高精度同步指向控制，绝对可以称得上是‘八面玲珑’了。”GNC系统主任设计师聂钦博解释。 

近地卫星通常是长期对地稳定，使用全向天线，不会出现通讯链路中断的问题，而环绕器在环火飞行时与地球距离远，由于天线波束角有限，设计师们要在确保对天线指向高精度控制的同时，对可能发生的通讯链路中断做出预案。

“我们设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通讯链路中断，探测器就会‘自主慢旋’，并在这一过程中，使天线扫到地球，进而恢复通讯链路。这一过程也是环绕器自主实现。”软件设计师周誌元介绍道。