2021年5月15日7時18分，我國首個(ge) 火星探測器“天問一號”著陸巡視器，成功著陸於(yu) 火星烏(wu) 托邦平原南部預選著陸區。我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

“天問一號”目前距離地球約3.2億(yi) 公裏，通訊單向時延超過15分鍾。與(yu) 生活在地月係搖籃裏的航天器不同，這一去一回的半個(ge) 小時，使得地麵不能給“天問一號”提供實時無微不至的幫助。要想走出搖籃，走入未知的深空，“天問一號”必須學習(xi) “獨立生活”。

中國航天科技集團八院控製所火星環繞器導航、製導與(yu) 控製分係統（GNC）研製團隊，給“天問一號”裝備了明亮的眼睛、靈巧的雙臂和聰明的大腦，使“天問一號”具有了自己觀察、自我決(jue) 斷和自主執行的能力。

多雙眼睛：感知方向和鎖定位置的保證

要想去往火星，“天問一號”要先知道自己朝向哪裏（探測器飛行姿態）和自己處在哪裏（探測器軌道位置）。與(yu) 我們(men) 在黑夜裏尋找北極星來確定方向類似，深空中滿布各個(ge) 方向的恒星，可以幫助“天問一號”確定自已的飛行姿態。

“天問一號”上裝配有多台星敏感器，它們(men) 自身都存儲(chu) 著導航星表，如同一雙明亮眼睛一樣，星敏感器始終緊盯著深空中的恒星，通過比對自身看到的恒星與(yu) 導航星表中恒星的相對姿態，就知道自己朝向何方了。然而，係外恒星相對於(yu) 探測器的距離都是無窮遠，也就是說，無論“天問一號”飛離了地球多遠，這幾億(yi) 公裏的距離對於(yu) 那些恒星來說完全可以忽略，因此利用恒星來精確計算探測器飛行姿態的時候，卻無法得知探測器自己的位置。

“天問一號”飛行過程主要依靠地麵測定軌數據，定期更新探測器自身遞推計算的軌道，為(wei) 了提高探測器的自主導航能力，還需要借助另一雙慧眼——光學導航敏感器和紅外導航敏感器。這兩(liang) 款導航敏感器將火星作為(wei) 導航的“燈塔”，從(cong) 圖像中計算火星幾何中心的位置和火星視半徑的大小，結合火星的星曆和導航濾波算法，就能計算出“天問一號”相對於(yu) 火星的位置和速度。

三頭六臂：精準計算和可靠決(jue) 策的秘訣

“天問一號”地火轉移飛行過程中，要確保探測器姿態指向的穩定、太陽翼對日定向保證能源、定向天線指向地球保證數據通訊鏈路，在環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，這些任務的準確、可靠執行都由環繞器GNC分係統完成。

為(wei) 此，環繞器GNC一方麵需要獲取每雙眼睛的數據，完成相應的姿態和軌道計算；另一方麵則根據姿態和軌道的計算結果，調整探測器飛行指向，實現兩(liang) 翼太陽翼、兩(liang) 維定向天線驅動和兩(liang) 維中繼天線驅動等控製。這些任務的執行都要依靠環繞器的大腦——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。

“天問一號”飛行姿態測量和控製、軌道修正、製動捕獲等功能必須兼顧精度、可靠性和自主性的三重要求。為(wei) 此，環繞器的這台三機模式同步運行的大腦，首先設計了精確的時間對準機製，保證三台獨立的CPU可以實現複雜運算過程的同步計算和結果輸出、彼此數據的同步交互和故障診斷，以及控製模式的同步轉換；其次盡可能地縮短對存儲(chu) 區進行檢錯糾錯的時間周期，使得存儲(chu) 區每個(ge) 地址的數據受到空間粒子影響而發生“翻轉”時可以及時、準確地被糾正。一台CPU運行不正常或計算結果不正確時可以被及時隔離，從(cong) 而確保這個(ge) 關(guan) 鍵大腦的準確可靠運行。

三省吾身：自主運行和完成任務的法寶

 我的狀態還好嗎？了解自己是第一步。

飛行過程中，環繞器GNC分係統，時時刻刻都在檢查自己的眼睛、臂膀和大腦。環繞器GNC采用三重自主故障診斷和重構策略來確保穩妥運行。根據三重診斷的結果，對故障單機數據首先進行隔離，利用正常工作的單機完成重構；對連續故障的單機自主執行複位、重啟等操作，持續判斷故障單機能否恢複並具備再次接入係統的條件。針對火星探測這樣的高難度任務，單機的可靠性是前提，每個(ge) 元器件都經過了層層篩選，每一台單機均完成了力學振動、高低溫和空間環境等可靠性試驗，即使有超出我們(men) 預期的一些故障發生，也不會(hui) 影響整個(ge) 任務的正常執行。

我的能力還夠嗎？作為(wei) 火星探測最關(guan) 鍵動作之一的製動捕獲控製，采用“3000N發動機軌道控製+120N推力器姿態控製”作為(wei) 主方案，軌控開始後環繞器GNC便會(hui) 對3000N發動機的輸出推力狀態進行實時診斷，發現推力異常後會(hui) 自主切換到利用8台120N姿控推力器繼續執行軌道和姿態控製，若姿態控製異常則會(hui) 采用多台25N姿控推力器替代120N的方式工作。

我的任務完成了嗎？“天問一號”火星探測飛行通訊時延的特殊性，使得其自身必須具備精確判斷出是否完成了既定任務的能力。探測器大角度姿態機動控製是否調整到位，軌道控製要求的速度增量是否調整到位，這些都需要環繞器GNC利用相關(guan) 測量單機的數據計算獲得。

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