【技术·航天】我国首次自主火星探测技术创新---环绕器的四个关键技术
#航天快讯#
火星，天问一号已启航，正在沿霍曼转移轨道，向着火星奔去......
在这个过程中，特别是将来进入火星轨道，着陆火星的过程中，除去地火星际空间温度、辐照和辐射环境、微流星环境等特因环境必须适应以外，更重要的关键技术难题有四个：远距离测定轨能力、远距离测控通信、大时延自主管理及近火捕获制动导航控制。
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，为保证我国首次自主火星探测任务的顺利实施，中国航天科技集团有限公司第八研究院火星环绕器研制队伍针对几大关键难点逐一突破，通过一系列技术创新，将填补我国在深空探测技术领域的多项空白。
抓住唯一机会，精确制动捕获
火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为关键的环节之一，在火星探测器从地球飞向火星的过程中，能够被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会只有一次。利用火箭助推，探测器获得了摆脱地球引力的能量，使用精心设计的地火转移轨道，探测器能够最终顺利抵达火星附近。然而，此时探测器相对于火星的速度约为4-5km/s。就像两辆高速行驶的汽车，只有前进方向一致、相对速度为0时，才能并驾齐驱，因此，环绕器在接近火星后，必须把握住唯一的机会，利用自身携带的推进剂点火减速，最终实现对火星的捕获。
我国本次火星探测任务捕获时，探测器距离火星最近仅400km，稍有偏差就会撞击火星或飞离，因此，捕获的成败就成为了火星探测任务成败的关键。
在这一制动捕获过程中，火星环绕器面临着诸多困难。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里，单向通信时延达到了约11分钟，地面无法对这一制动过程进行实时监控，只能依靠探测器自主执行捕获策略。由于发动机点火减速的15分钟内，推进剂消耗量将近900kg，液体晃动及帆板抖动带来的干扰力矩大，需要探测器实时感知并进行精确的姿态控制。
捕获过程中，火星环绕器需要准确地进行点火制动，我们形象的称之为“踩刹车”。踩这脚刹车大有学问，踩早了不行、踩晚了不行、踩深了不行、踩浅了还不行，只有时机和时长都分秒不差，才能形成理想的捕获轨道。踩刹车的时机确定依赖于精确的轨道预报和精准的器地校时，踩刹车的时长取决于发动机和控制系统工作的可靠性。如果制动点火时间过短，探测器速度过快，就会飞离火星，造成捕获任务失败。
为了精确把控发动机的开关时机，环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨，再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息，得到环绕器的精确位置。制动过程中，依靠可靠的系统硬件配置和捕获策略设计，确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火捕获轨道。
4亿公里，信号微弱怎么破？
在探测任务过程中，火星环绕器距离地面最远达到了4亿公里，地面的测控信号到达环绕器最长需要22分钟，进行一次一来一回的“对话”需要44分钟，在这漫长的传输过程中，信号衰减极大，到达接收端的信号极其微弱，时间延迟是月球探测器的1000倍，信号衰减是月球探测器的100万倍。
在深空探测器重量资源有限、集成度要求极高的约束下，火星环绕器要克服巨大的信号衰减、传输时延和空间电磁干扰等因素。为此，研制团队开展了关键技术攻关，成功研制了以超高灵敏度的数字化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。
超高灵敏度的应答机让环绕器练就武林高手才有的听声辨位本领，能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号，正确解析并执行地面的指令。
大口径可两维驱动天线让环绕器练就一副神话故事里的顺风耳，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，尽可能多的收集信号能量，并传递给应答机。同时，大口径天线也有“聚音成束”的能耐，将环绕器在火星看到的、感知到的信息，亿万里传音到地球。
照顾好自己，实现在轨自主管理
通常情况下，环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但与地球卫星不同，火星环绕器由于器地距离远，通信延时大，往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。另外，深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象，即当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时，太阳辐射会干扰地火之间射频信号传输，导致通信中断，称之为“日凌”。本次火星探测任务最长“日凌”达到30天。“日凌”期间，环绕器必须“自己照顾好自己”，依靠自身完成任务管理，并在出“日凌”后迅速自主与地面恢复联系。
通过研制高度集成的小型化综合电子系统，实现器务管理、遥测遥控、热控管理、配电管理、推进控制、机构驱动、数据存储功能的一体化，为综合信息自主管理奠定了硬件基础。通过设计多系统多模式器上信息综合自主处理方法，保证一级故障任务正常执行，二级故障整器安全。通过关键技术攻关，可实现环绕器在轨自主运行大于30天的能力。
光学自主导航，深空中自己找路
火星环绕器在太空中，就像轮船漂泊在茫茫大海上，不同的是太空中没有北斗导航也没有GPS。除了地面无线电导航支持外，环绕器配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器，具备自主定位的能力。
在火星捕获制动阶段，火星探测器与地面的距离遥远，地面导航精度与实时性不足，因此环绕器需要结合器上自主导航手段，快速提供高精度轨道数据。光学导航敏感器采用恒星姿态识别+硬脉冲校时确保时空对准，通过亚像素级图像处理获取火星轮廓并解算出自身位置。此外，环绕器还配备了红外导航敏感器，采用可见光谱段和长波红外谱段复合探测方式，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。
两台导航敏感器实现了环绕器不同阶段的精确位置自主确定，即使没有外部导航信息，火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。
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火星，天问一号已启航，正在沿霍曼转移轨道，向着火星奔去......
在这个过程中，特别是将来进入火星轨道，着陆火星的过程中，除去地火星际空间温度、辐照和辐射环境、微流星环境等特因环境必须适应以外，更重要的关键技术难题有四个：远距离测定轨能力、远距离测控通信、大时延自主管理及近火捕获制动导航控制。
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，为保证我国首次自主火星探测任务的顺利实施，中国航天科技集团有限公司第八研究院火星环绕器研制队伍针对几大关键难点逐一突破，通过一系列技术创新，将填补我国在深空探测技术领域的多项空白。
抓住唯一机会，精确制动捕获
火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为关键的环节之一，在火星探测器从地球飞向火星的过程中，能够被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会只有一次。利用火箭助推，探测器获得了摆脱地球引力的能量，使用精心设计的地火转移轨道，探测器能够最终顺利抵达火星附近。然而，此时探测器相对于火星的速度约为4-5km/s。就像两辆高速行驶的汽车，只有前进方向一致、相对速度为0时，才能并驾齐驱，因此，环绕器在接近火星后，必须把握住唯一的机会，利用自身携带的推进剂点火减速，最终实现对火星的捕获。
我国本次火星探测任务捕获时，探测器距离火星最近仅400km，稍有偏差就会撞击火星或飞离，因此，捕获的成败就成为了火星探测任务成败的关键。
在这一制动捕获过程中，火星环绕器面临着诸多困难。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里，单向通信时延达到了约11分钟，地面无法对这一制动过程进行实时监控，只能依靠探测器自主执行捕获策略。由于发动机点火减速的15分钟内，推进剂消耗量将近900kg，液体晃动及帆板抖动带来的干扰力矩大，需要探测器实时感知并进行精确的姿态控制。
捕获过程中，火星环绕器需要准确地进行点火制动，我们形象的称之为“踩刹车”。踩这脚刹车大有学问，踩早了不行、踩晚了不行、踩深了不行、踩浅了还不行，只有时机和时长都分秒不差，才能形成理想的捕获轨道。踩刹车的时机确定依赖于精确的轨道预报和精准的器地校时，踩刹车的时长取决于发动机和控制系统工作的可靠性。如果制动点火时间过短，探测器速度过快，就会飞离火星，造成捕获任务失败。
为了精确把控发动机的开关时机，环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨，再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息，得到环绕器的精确位置。制动过程中，依靠可靠的系统硬件配置和捕获策略设计，确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火捕获轨道。
4亿公里，信号微弱怎么破？
在探测任务过程中，火星环绕器距离地面最远达到了4亿公里，地面的测控信号到达环绕器最长需要22分钟，进行一次一来一回的“对话”需要44分钟，在这漫长的传输过程中，信号衰减极大，到达接收端的信号极其微弱，时间延迟是月球探测器的1000倍，信号衰减是月球探测器的100万倍。
在深空探测器重量资源有限、集成度要求极高的约束下，火星环绕器要克服巨大的信号衰减、传输时延和空间电磁干扰等因素。为此，研制团队开展了关键技术攻关，成功研制了以超高灵敏度的数字化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。
超高灵敏度的应答机让环绕器练就武林高手才有的听声辨位本领，能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号，正确解析并执行地面的指令。
大口径可两维驱动天线让环绕器练就一副神话故事里的顺风耳，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，尽可能多的收集信号能量，并传递给应答机。同时，大口径天线也有“聚音成束”的能耐，将环绕器在火星看到的、感知到的信息，亿万里传音到地球。
照顾好自己，实现在轨自主管理
通常情况下，环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但与地球卫星不同，火星环绕器由于器地距离远，通信延时大，往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。另外，深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象，即当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时，太阳辐射会干扰地火之间射频信号传输，导致通信中断，称之为“日凌”。本次火星探测任务最长“日凌”达到30天。“日凌”期间，环绕器必须“自己照顾好自己”，依靠自身完成任务管理，并在出“日凌”后迅速自主与地面恢复联系。
通过研制高度集成的小型化综合电子系统，实现器务管理、遥测遥控、热控管理、配电管理、推进控制、机构驱动、数据存储功能的一体化，为综合信息自主管理奠定了硬件基础。通过设计多系统多模式器上信息综合自主处理方法，保证一级故障任务正常执行，二级故障整器安全。通过关键技术攻关，可实现环绕器在轨自主运行大于30天的能力。
光学自主导航，深空中自己找路
火星环绕器在太空中，就像轮船漂泊在茫茫大海上，不同的是太空中没有北斗导航也没有GPS。除了地面无线电导航支持外，环绕器配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器，具备自主定位的能力。
在火星捕获制动阶段，火星探测器与地面的距离遥远，地面导航精度与实时性不足，因此环绕器需要结合器上自主导航手段，快速提供高精度轨道数据。光学导航敏感器采用恒星姿态识别+硬脉冲校时确保时空对准，通过亚像素级图像处理获取火星轮廓并解算出自身位置。此外，环绕器还配备了红外导航敏感器，采用可见光谱段和长波红外谱段复合探测方式，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。
两台导航敏感器实现了环绕器不同阶段的精确位置自主确定，即使没有外部导航信息，火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。
自我成长故事第四篇:5月的天气已是酷热，这几天的雷阵雨却没带来一丝清爽，昨天零晨更是雷电交加，信号也一度中断。好不容易刷到的朋友圈已意料之中地说:开船去上班。我的鞋袜自然也未能幸免。在吃晚餐的时候，看到身影像是早前帮忙刷卡的领导，于事我微笑挥手打招呼。然后他走近过来寒暄了几句。他走后，坐身旁一同吃饭的同事问我是否认识的，尴尬是没戴眼镜的我认错人了。嗅大了。
请同事小哥协助航拍项目小景，风景分开来看尚可，全局却有小里小气的感觉，没有特别动人之处，还需多努力…航拍机也并不难控制，因为初次接触，老是担心飞机突然跌进小湖里或者中断信号难以寻觅，小哥笑说是我年龄大了之故…不敢倚老卖老，但与他老爹同龄，大约在这孩子心目中已是不小的数据，我服老，但亦不会自暴自弃，活到老学到老…
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