2020年7月23日，天問一號探測器成功發(fā)射，中國人的行星探測之旅正式啟程。歷經(jīng)數(shù)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(xù)擇機著陸火星，執(zhí)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(shù)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(wèi)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(tǒng)，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(wèi)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(jīng)之路。從軌道修正、太空“剎車”，再到最終實現(xiàn)“繞”“著”“巡”總體目標，這一系列精準走位都要靠GNC來實現(xiàn)，每一步都至關(guān)重要。
金牌司機秘籍一
猛踩剎車時也要穩(wěn)住“方向盤”
當“胖五”一記大力托舉將天問一號送入地火轉(zhuǎn)移軌道后，探測器在宇宙中的自主飛行控制就由環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)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(diào)整“方向盤”，以實現(xiàn)精準到達火星的同時，盡可能地節(jié)省燃料消耗。
飛行過程中，每一次調(diào)整都需要環(huán)繞器GNC來實現(xiàn)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(huán)繞器3000N發(fā)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(tài)的指向穩(wěn)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(huán)繞火星的人造衛(wèi)星，制動過程的速度增量控制精度達到了mm/s的量級，環(huán)繞器GNC完成了這關(guān)鍵的一腳剎車。
金牌司機秘籍二
找準“定位”很關(guān)鍵
我們開車在路上時，都會通過車道線來判斷行駛狀態(tài)，但茫茫宇宙中，天問一號如何感知自身姿態(tài)從而進行各種軌道調(diào)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(tài)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(tǒng)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(tài)旋轉(zhuǎn)。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(tài)測量，從而提供了精準控制探測器飛行姿態(tài)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(huán)火近距離飛行時利用火星局部邊緣圖像實現(xiàn)環(huán)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(shù)的工程應用積累了寶貴經(jīng)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(fā)射的火星探測器中，和阿聯(lián)酋、美國的探測器相比只有天問一號同時肩負著環(huán)繞、著陸和巡視的“三重任務”，可謂“一心多用”。
阿聯(lián)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(huán)繞器要負責火星轉(zhuǎn)移飛行、火星環(huán)繞遙感、對火星車數(shù)據(jù)中繼等任務，這使得環(huán)繞器GNC在控制“方向盤”的同時，要轉(zhuǎn)動太陽翼實時對準太陽獲取能量，還要轉(zhuǎn)動高增益天線對準地球獲取信號，轉(zhuǎn)動中繼天線對準火星車進行姿態(tài)跟蹤，只有這些控制目標都達到要求，才能說環(huán)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(zhí)行過程具備全自主和高可靠性。因此，環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)的技術(shù)涵蓋慣性測量、光電探測、伺服驅(qū)動等多領域，需要實現(xiàn)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(qū)動，故障診斷、自主重構(gòu)、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(huán)繞器GNC分系統(tǒng)已準確執(zhí)行了天問一號飛行過程中的各次軌道修正，精準實現(xiàn)近火制動捕獲，支撐環(huán)繞器載荷獲取遙感數(shù)據(jù)，時刻確保著探測器飛行姿態(tài)、能源供給和通訊鏈路的安全。后續(xù)，隨著探測器著陸，GNC這位“金牌司機”還將繼續(xù)扮演重要的作用，為中國人的深空探測夢提供重要保障。