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深空探測“金牌司機”是怎樣煉成的

發布日期:2021年03月26日 來源 : 中國的航天 字體: 【大】【中】【小】

  2020年7月23日,天問一號探測器成功發射,中國人的行星探測之旅正式啟程。歷經數億公里的長途跋涉,如今探測器已抵達火星停泊軌道,并計劃在后續擇機著陸火星,執行一系列探測任務。


  在飛往火星的漫漫征途中,探測器由誰操控?距地球數億公里外的深空機動、軌道修正都是如何完成的?這就不得不提到GNC。


  地球大氣層外,各類衛星、探測器之所以能夠始終行駛在自己的軌道而不互相干擾,是因為它們都自帶GNC這一“自主駕駛”系統,GNC是制導(Guidance)、導航(Navigation)與控制(Control)的簡稱,它既是導航儀也是金牌司機,可以做到控制衛星嚴格按照既定軌道運行。


  對于天問一號這樣的行星探測器來說,GNC的責任就更大了。從地球到火星這一趟“星際長途”,堪比唐僧師徒四人的取經之路。從軌道修正、太空“剎車”,再到最終實現“繞”“著”“巡”總體目標,這一系列精準走位都要靠GNC來實現,每一步都至關重要。


  金牌司機秘籍一


  猛踩剎車時也要穩住“方向盤”


  當“胖五”一記大力托舉將天問一號送入地火轉移軌道后,探測器在宇宙中的自主飛行控制就由環繞器GNC分系統接管了。它的主要任務,就是確保探測器能夠按既定時間和地點準確到達火星。


  在上億公里的飛行旅程中,失之毫厘,謬以千里。所以過程中若不進行精確修正,探測器就會與火星擦肩而過了。天問一號實施的四次軌道中途修正和一次深空機動,就是在不斷地調整“方向盤”,以實現精準到達火星的同時,盡可能地節省燃料消耗。


  飛行過程中,每一次調整都需要環繞器GNC來實現變軌速度增量的高精度控制,其中難度最大、時間最長、可靠性要求最高的當屬近火制動捕獲控制,這一腳大力剎車的過程中,環繞器3000N發動機點火工作15分鐘。在這個過程中,GNC要克服巨大的干擾力矩,時刻保持探測器飛行姿態的指向穩定。


  2021年2月10日20時,天問一號減速約1km/s后成為我國第一顆環繞火星的人造衛星,制動過程的速度增量控制精度達到了mm/s的量級,環繞器GNC完成了這關鍵的一腳剎車。


  金牌司機秘籍二


  找準“定位”很關鍵


  我們開車在路上時,都會通過車道線來判斷行駛狀態,但茫茫宇宙中,天問一號如何感知自身姿態從而進行各種軌道調整呢?這時,宇宙中的恒星就化身一座座“燈塔”,組成了探測器姿態測量的參考源。


  夜空中的星星,絕大部分是離地球非常遙遠的恒星,它們的位置也可視為恒定的,GNC分系統的“重要法寶”——星敏感器通過拍攝圖像識別出星空中的多顆恒星,并能夠利用圖像匹配算法計算出相對空間姿態旋轉。在飛往火星的過程中,天問一號通過星敏感器實時進行姿態測量,從而提供了精準控制探測器飛行姿態的反饋信息。


  除此之外,此次火星探測任務中GNC還配置了一雙“火眼金睛”,一只為“千里眼”光學導航敏感器,可在飛近火星的過程中,遠距離計算火星中心方向和半徑大小;另一只是“廣角鏡”紅外導航敏感器,在環火近距離飛行時利用火星局部邊緣圖像實現環火軌道位置和速度的自主計算,目前兩款敏感器均完成了在軌試驗,為我國深空探測光學自主導航技術的工程應用積累了寶貴經驗。


  金牌司機秘籍三


  不會“一心多用”的司機不是好司機


  在2020年發射的火星探測器中,和阿聯酋、美國的探測器相比只有天問一號同時肩負著環繞、著陸和巡視的“三重任務”,可謂“一心多用”。


  阿聯酋希望號的高增益天線和太陽翼均采用固定安裝的方式,這使得其火星探測載荷觀測、太陽翼對日保障能源和天線對地通訊指向不能同時兼顧,這樣的結構雖然降低了工程難度,卻也犧牲了一定的科學探測能力。


  美國則采用直接著陸的方式,這是由于美國還有能工作的火星軌道器為著陸提供數據中繼服務,使其可以專注于火星著陸探測的科學目標。


  對于天問一號來說,環繞器要負責火星轉移飛行、火星環繞遙感、對火星車數據中繼等任務,這使得環繞器GNC在控制“方向盤”的同時,要轉動太陽翼實時對準太陽獲取能量,還要轉動高增益天線對準地球獲取信號,轉動中繼天線對準火星車進行姿態跟蹤,只有這些控制目標都達到要求,才能說環繞器GNC完成了任務。


  器地之間單向最長達20分鐘的通訊時延,需要以上控制執行過程具備全自主和高可靠性。因此,環繞器GNC分系統的技術涵蓋慣性測量、光電探測、伺服驅動等多領域,需要實現供電控制、信息交互、時空信息計算,角動量控制、推力控制、多維指向驅動,故障診斷、自主重構、最壞情況恢復等一系列功能性能,可謂“一點都不能差”。


  截至目前,環繞器GNC分系統已準確執行了天問一號飛行過程中的各次軌道修正,精準實現近火制動捕獲,支撐環繞器載荷獲取遙感數據,時刻確保著探測器飛行姿態、能源供給和通訊鏈路的安全。后續,隨著探測器著陸,GNC這位“金牌司機”還將繼續扮演重要的作用,為中國人的深空探測夢提供重要保障。

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