为解决太空时延，上海团队给天问一号装备“眼睛、双臂和大脑”

5月15日7时18分，由中国航天科技集团有限公司研制的天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。  本文图片 中国航天科技集团供图

5月15日7时18分，由中国航天科技集团有限公司研制的天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。消息传来，举国欢腾。

可你知道吗？天问一号距离地球约3亿千米，单向通讯时延超过15分钟。与生活在地月系摇篮里的航天器不同，这一去一回的半个小时，使得地面不能给天问一号提供实时无微不至的帮助。

为了解决时延问题，中国航天科技集团八院控制所火星环绕器导航、制导与控制分系统（GNC）研制团队，给天问一号装备了明亮的眼睛、灵巧的双臂和聪明的大脑，使其具有了自己观察、自我决断和自主执行的能力，顺利地飞离地月摇篮，成为我国首颗火星人造卫星。

多双眼睛，感知方向和锁定位置的保证

要想去往火星，天问一号得先知道自己朝向哪里（探测器飞行姿态）和自己处在哪里（探测器轨道位置）。天问一号上装配有多台星敏感器，如同一双明亮眼睛一样，始终紧盯着深空中的恒星，通过比对自身看到的恒星与导航星表中恒星的相对姿态，就知道自己朝向何方了。

然而，系外恒星相对于探测器的距离都是无穷远，无论天问一号飞离了地球多远，这几亿公里的距离相对于那些恒星来说完全可以忽略，因此利用恒星来精确计算探测器飞行姿态的时候，却无法得知探测器自己的位置。

为此，为了提高探测器的自主导航能力，还需要借助另一双慧眼——光学导航敏感器和红外导航敏感器，这两款导航敏感器将火星作为导航的“灯塔”，通过这双眼睛对火星拍照，从图像中计算火星几何中心的位置和火星视半径的大小，结合火星的星历和导航滤波算法，就能计算出天问一号相对于火星的位置和速度，从而就知道自己在哪里了。

三头六臂，精准计算和可靠决策的秘诀

天问一号地火转移飞行过程中要确保探测器姿态指向的稳定、太阳翼对日定向保证能源、定向天线指向地球保证数据通讯链路，在环绕火星飞行期间还需要增加中继天线指向火星车的任务要求，这些任务的准确、可靠执行，都由环绕器GNC分系统完成。

为此，环绕器GNC一方面需要获取每双眼睛的数据，完成相应的姿态和轨道计算；另一方面则根据姿态和轨道的计算结果，调整探测器飞行指向，实现两翼太阳翼、两维定向天线驱动和两维中继天线驱动等控制。这些任务执行就是依靠环绕器的大脑——GNC单元，它采用三套独立CPU同步计算、三机相互诊断的方式运行。

环绕器与着陆器两器分离效果图。

天问一号飞行姿态测量和控制、轨道修正、制动捕获等功能必须兼顾精度、可靠性和自主性的三重要求。为此，环绕器的这台三机模式同步运行的大脑，首先设计了精确的时间对准机制，保证三台独立的CPU可以实现复杂运算过程的同步计算和结果输出、彼此数据的同步交互和故障诊断、以及控制模式的同步转换；其次尽可能缩短对存储区进行检错纠错的时间周期，使得存储区每个地址的数据受到空间粒子影响而发生“翻转”时可以及时、准确的被纠正，一台CPU运行不正常或计算结果不正确时可以被及时被隔离，从而确保这个关键大脑的准确可靠运行。

“大脑”能准确判断出任务是否执行结束

我的任务完成了吗？天问一号火星探测飞行通讯时延的特殊性，使得其自身必须具备精确判断出是否完成了既定任务的能力。探测器大角度姿态机动控制是否调整到位、轨道控制要求的速度增量是否调整到位，这些都需要环绕器GNC利用相关测量单机的数据计算获得。为了保证中途修正、制动捕获、轨道调整等速度增量的控制精度，天问一号在轨飞行控制过程中，环绕器GNC团队对于测量速度增量的加速度计输出数据实施了温度补偿，以保证速度增量大小的计算精度；并对速度增量的方向设计了在线自修正算法，通过点火姿态基准的修正克服3000N发动机安装偏斜等对速度增量控制方向的影响。通过多重修正措施，确保“大脑”能够准确判断出任务是否执行结束，这也是环绕器GNC的另一制胜法宝。

目前，天问一号已经正常稳定飞行了10个月，精确地完成了四次中途修正、火星制动捕获和环火轨道调整等关键动作，时刻保障着探测器的太阳能源、对地通讯和飞行姿态的稳定，环绕器GNC单元在执行这些任务的过程中，经历了700多次空间单粒子翻转，成功经受了静谧太空中空间环境的各种洗礼和考验。