7月27日,天问一号在飞离地球约万公里处回头看地球最后一眼,利用深空探测光学自主导航仪的敏感器对地球,月球成像,生成了地月合影。目前天问一号已经离开了地球引力影响范围,进入了行星际转移轨道,继续向火星前进。
在地球上,我们可以靠美国的GPS,中国的北斗的卫星来导航。脱离地球范围,这些导航都是无效的。天问一号是靠什么来导航的呢?答案是光学自主导航。名称看起来高大上,其实原理很简单。
其实,在古代,就有了光学自主导航。那个时候,它有另外一个名称--天文导航(牵星术)。古代船只在远洋航行的时候,经验丰富的水手会通过恒星与月亮的位置来判断航向。西汉的《淮南子》说,坐船的时候分辨不清楚东南西北了,看见北极星就可以辨明航向了。(《齐俗训》:夫乘舟而惑者,不知东西,见斗极则寤矣。)早在西汉时期,人们已经知道看星星来定位。东晋时期,到印度取经的僧人法显坐船回国时说:“大海弥漫,无边无际,不知东西,只有观看太阳,月亮和星辰而进。”简单的说,就是晚上看星星,白天看太阳。刘欢的《好汉歌》里有句著名的歌词:“大河向东流哇,天上的星星参北斗哇!”。
光学自主导航根据参照物的不同分为两种:基于太阳和行星的导航以及基于小行星的导航两种。
(1)基于太阳和行星的导航。利用太阳和行星进行自主导航是最为成熟的光学自主导航方案。将太阳和行星作为导航的坐标参照物,确定探测器的位置。由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据天文星历获得,通过探测器上安装的天体敏感器观测探测器与行星之间的夹角、行星与恒星之间的夹角和行星视线方向等,并通过滤波算法即可确定探测器的位置。
将太阳和行星作为导航坐标,被动接收这些天体自身辐射的光学信息进行导航,太阳和行星在空间的运动规律是固定的,从根本上保证了这种导航方式的自主性和可靠性。该方式导航精度高,导航误差不会随时间积累。
20世纪60年代,美国“阿波罗”登月就已经使用了这种导航方法。年,美国的木星飞行任务,也是利用光学敏感器测量恒星与行星之间的夹角进行导航。年,美国的“勇气号”火星车,还是利用太阳敏感器测量太阳方位角和高度角来进行导航的。
(2)基于小行星的导航。小行星是太阳系中类似行星环绕太阳运动的天体,由于其体积和质量比一般的行星小很多,因此称为小行星。利用探测器在飞行过程中遭遇到的近距离10至12颗小行星进行定位,可以大大提高导航的精度。
天问一号的光学导航敏感器就是它的“千里眼”。该敏感器可以在一千万公里以外的距离识别出火星,从而帮助天问自主找到正确的前进道路,奔赴火星。