聪明能干的“太空多面手”

“天问一号”由环绕器、着陆巡视器组成。其中，中国航天科技集团公司八院承担了火星环绕器的研制重任。据首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花介绍，火星环绕器采用“外部六面柱体＋中心承力锥筒”构型。环绕器不仅是地球到火星“行星际公路”上的飞行器，也是火星车与地球之间的中继通信卫星，还能环绕火星进行科学探测，是一位名副其实的“太空多面手”。

“行星际公路”上的飞行器

火星探测，首先要面对极其遥远的星际旅途。即使是选择地球与火星距离最短的时间窗口发射，“天问一号”地火飞行路径也超过了4亿公里，这是地月距离的1000倍。

在这条孤寂、漫长的“行星际公路”上，火星环绕器的第一个角色是飞行器。由它负责携带火星着陆巡视器，以近10万千米／小时（约30Km／s）的速度，飞行大约7个月时间，一起抵达火星轨道。

当火星环绕器携带着陆巡视器，终于摆脱了地球引力、踏上这条“行星际公路”的时候，旅途中，还需在地面测控系统的支持下，进行4－5次中途修正和一次深空机动修正飞行路径，才能逐渐飞近火星。

器地距离越远，通信时延越大。环绕器距离地球最远时，单向通信延时达到22分钟，一来一回通信将会延迟44分钟；而在这漫长的传输过程中，信号衰减也极大，到达接收端的信号极其微弱。通信时延是月球探测器的1000倍，信号衰减是月球探测器的100万倍。

此外，当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时，太阳辐射干扰地火之间射频信号传输，还会导致通信中断的“日凌”现象。在这次火星探测任务中，最长“日凌”达到30天。在此期间，火星环绕器必须独自面对，依靠自身完成任务管理，并在出“日凌”后迅速自主与地球恢复联系。

如何解决如此复杂的超远距离深空通信？据张玉花介绍，八院研制团队开展了关键技术攻关，成功研制了以“超高灵敏度应答机”和“大口径可两维驱动天线”为核心的X频段“测控数传一体化”测控系统。

超高灵敏度应答机，能让环绕器拥有“听声辨位”本领，在嘈杂的宇宙噪声中，准确捕捉到一丝微弱的有用信号，正确解析并执行来自地球的指令。同时，具备多档码率的自适应接收功能，接收动态范围大于传统区间的1000倍。

大口径可两维驱动天线，装有2.5m口径的定向天线，仿佛给环绕器装上了“顺风耳”。通过精准的两维指向控制，将天线实时对准数亿公里外的地球，尽可能多地收集信号能量，并传递给应答机。同时，大口径天线还能“聚音成束”，将环绕器在火星看到的、感知到的信息，亿万里“传音”到地球。

自主决定“太空刹车”

如果将地球与火星之间的“行星际公路”，比作一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速，火星就相当于这条高速公路的一个出口。

经过长达约7个月风尘仆仆的星际跋涉，当火星环绕器携带着陆巡视器，在这条高速公路上驶往火星出口的时候，必须利用自身携带的推进剂点火减速，将飞行速度降下来，这就好比要踩一脚“太空刹车”。

这是极为关键的“一脚”，直接关系到我国此次火星探测任务成功与否，时机与分寸的把握非常重要。如果这一脚“太空刹车”踩早了，速度降得过低，环绕器就会坠入大气层，撞击火星；如果踩晚了，环绕器就不能被火星引力捕获，出不了“高速”，从而飞离火星，围绕着太阳公转。

这一脚“太空刹车”有多难？根据计算，环绕器距离火星仅400km，相对火星的速度却高达4－5km／s，刹车的“时间窗口”仅为半个小时左右。届时，环绕器已距离地球大约1.93亿公里，无线电通信单向时延约11分钟。显然，所有的制动过程，都必须由环绕器独立完成，自主执行“火星捕获”策略。

据首次火星探测任务探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍，独自承担“太空刹车”重任的环绕器，“耳聪目明”，行动决策“科学民主”，根据实际情况采用最优解。

环绕器上配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器，能自主进行定位。光学导航敏感器采用“恒星姿态识别＋硬脉冲校时”技术，确保时空对准，通过亚像素级图像处理，获取火星轮廓并解算出自身位置。红外导航敏感器，采用复合的探测方式，通过对火星凝视成像，检测火星图像边缘，辅助环绕器完成轨道测量。此外，环绕器在近火捕获前，地面也将对其进行一次精确的无线电测定轨。结合环绕器上光学自主导航仪器的导航信息，得到环绕器和火星的精确位置。制动过程中，依靠可靠的捕获策略，确保探测器处于“捕获走廊”，直至进入环火轨道。

火星环绕器如此“聪明”，离不开八院研制的制导、导航及控制（GNC）分系统。姿轨控分系统的GNC单元，是火星环绕器飞行控制的“指挥员”。科研人员提出了三模冗余计算机设计方案。三台计算机相当于三个大脑，实时同步运转，并进行最优表决，确保执行最优指令，以将火星环绕器送入火星轨道。

为完成任务多次升降轨道

当火星环绕器携带着陆巡视器，终于进入了梦寐以求的环火轨道后，还将经过3－4次轨道调整，进入“停泊轨道”，以寻找合适的火星着陆区。

环绕器将在预着陆区开展成像探测，并将成像数据回传至地球；当地面确认着陆条件满足要求后，环绕器将择机进行一次降轨机动，进入“火星进入轨道”，自主完成环绕器与着陆巡视器的分离。完成分离后，着陆巡视器进行火星大气进入段的飞行；环绕器则立即进行升轨机动，将轨道拉起返回到“停泊轨道”。在停泊轨道上，再次进行轨道调整，进入“中继轨道”后，为火星车提供中继通信任务。

在中继轨道上，环绕器运行大约3个月。中继通信任务完成后，将在近火点进行制动降轨，进入“科学探测轨道”，并在该轨道上继续运行1个火星年，执行火星全球遥感探测任务。环绕器上共搭载7种有效载荷，可对地火转移空间、火星轨道空间、火星表面及其次表层开展科学探测。