就像“人民科学家”、中国科学院院士叶培建之前在接受本报记者采访时所说，火星探测是一次重要的任务。之前我们走来走去还没走出地球，火星探测是我们国家真正意义上的 次行星探测。我国 火星探测器“天问一号”目前距离地球约2.7亿千米，光行时约15分钟。这意味着地面飞控中心发出测控指令后15分钟，天问一号才能收到指令，再过15分钟，地面才能收到天问一号回复的状态。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。要想走出摇篮，走入未知的深空，天问一号必须学习自己面对。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，使天问一号具有了自己观察、自我决断和自主执行的能力，确保天问一号顺利地飞离地月摇篮，成为我国首颗火星人造卫星。天问一号是如何走好这一步的呢？
今天上午，科研人员在北京飞控中心观看天问一号着陆火星
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），否则非得闹出南辕北辙的笑话不可。与我们在黑夜里寻找北极星来确定方向类似，深空中满布各个方向的恒星帮助天问一号可以确定自已的飞行姿态。天文学家们已经制作出了精确的银河系恒星星表（恒星在参考天球上的精确角位置——赤经和赤纬）。将星表中的容易混淆的相邻恒星和亮度不稳定的恒星等去掉，就可以得到用于姿态解算的导航星表。天问一号上装配有多台星敏感器，它们自身都存储着这份导航星表。如同一双明亮眼睛一样，星敏感器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，也就是说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。
天问一号飞行过程主要依靠地面测定轨数据定期更新探测器自身递推计算的轨道。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，从而天问一号就知道自己在哪里了。光学导航敏感器在近火制动捕获前工作，它可以适应探测器距离火星万公里到万公里时，火星由点目标到面目标、由暗目标到亮目标变化过程中的导航计算；红外导航敏感器在环绕火星期间工作，它利用火星的局部边缘图像精确拟合火星球的边缘轮廓，完成火星几何中心和半径的计算，并通过导航滤波算法获取探测器相对火星的位置和速度。
三头六臂， 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。这些任务执行的依靠就是环绕器的大脑——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。
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 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；其次尽可能的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。
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，经历了多次空间单粒子翻转，经受着静谧太空中空间环境的各种洗礼和考验。
三省吾身，自主运行和完成任务的法宝
我的状态还好吗？了解自己是 步。飞行过程中环绕器GNC分系统时时刻刻都在检查自己的眼睛、臂膀和大脑。每双眼睛看到的是否准确、每只手臂运动的是否正常、自身大脑运转是否清醒等，环绕器GNC采用三重自主故障诊断和重构策略来确保稳妥运行，包括每台单机输出数据的原码是否符合规则、每台单机数据代入运算后的结果是否符合逻辑、以及不同单机之间数据的比对是否在合理范围。根据三重诊断的结果，对故障单机数据首先进行隔离，利用正常工作的单机完成重构；对连续故障的单机自主执行复位、重启等操作，持续判断故障单机能否恢复并具备再次接入系统的条件。针对火星探测这样的高难度任务，单机的可靠性是前提，每个元器件都经过了层层筛选，每一台单机均完成了力学振动、高低温和空间环境等可靠性试验，结合系统级的三重诊断与重构保障，使得即使有超出我们预期的一些故障发生，也不会影响整个任务的正常执行。
我的能力还够吗？对于每一项控制任务，环绕器GNC分系统所想的是要调动所具备的全部能力来完成。作为火星探测最关键动作之一的制动捕获控制，采用“N发动机轨道控制+N推力器姿态控制”作为主方案，轨控开始后环绕器GNC便会对N发动机的输出推力状态进行实时诊断，发现推力异常后会自主切换到利用8台N姿控推力器继续执行轨道和姿态控制，若姿态控制异常则会采用多台25N姿控推力器替代N的方式工作。由于天问一号器地时延，使得推进系统的故障必须由环绕器GNC在线及时诊断出来，并且不能依靠地面而必须全自主的调用可能的执行机构来完成任务，这些复杂的切换逻辑，以及切换过程如何保证探测器姿态稳定和状态安全，这可以说是环绕器GNC的制胜法宝之一。
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N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。
天问一号这个蹒跚学步的孩子，在浩瀚宇宙飞行中尝试着自己观察、思考与行动，如今已成功地完成了飞抵火星的 步。“路漫漫其修远兮”，中国航天科技集团八院控制所火星探测GNC团队仍在不断探索新技术，让深空探测飞行控制能够更敏锐、更聪明、更可靠地面对宇宙更深处的未知世界。
广州日报·新花城记者：肖欢欢通讯员刘宇、张高翔
广州日报·新花城编辑：蔡凌跃