“天問一號”制動捕獲演示動畫

2021年2月10日19時52分，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器實施火星捕獲制動，發動機工作約15分鐘后，探測器順利進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10o的大橢圓環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實現此次任務“繞、著、巡”目標的第一步，成功開啟環繞火星模式。

“天問一號”制動捕獲高清效果圖

后續天問一號還將經過多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計劃于2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。

此次“天問一號”火星捕獲制動的成功，標志著我國首次火星探測任務“繞、落、巡”三大目標中的“環繞”目標順利達成，為后續著陸、巡視任務的實施奠定了基礎。

什么是火星捕獲制動？

火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發動機長時間點火，使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場捕獲，進入繞火軌道。作為火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，制動捕獲的機會是唯一的，關系著整個工程任務的成敗。

捕獲過程中，火星環繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。

此次火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米，一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統的深空測控網通過接收探測器持續發射的高穩定度無線電信號，經過連續計算獲得高精度的軌道數據，從而確保探測器能夠在預定時間、預定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。

在捕獲制動過程中，“天問一號”面臨諸多挑戰。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。

自2020年7月23日發射以來，研制團隊已持續開展202天在軌飛行控制任務，完成四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。

這腳“火星剎車”，厲害！

制動捕獲，簡單來說就是通過發動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？面對這一難題，“天問一號”交出了一份高分答卷。

開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成“剎車”。理論上，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現過程中，仍會遇到不少問題。

火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向和點火時長的精確控制。

“在失去地面實時測控的環境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自主執行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。”中國航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華說。

火星探測任務背后的青島力量

繼“嫦娥五號”任務之后，青島理工大學復雜網絡與可視化研究所又為“天問一號”火星探測任務保駕護航。截至1月3日6時，“天問一號”探測器已經在軌飛行163天，飛行里程突破4億公里，距離地球約1.3億公里，距離火星約830萬公里，飛行狀態良好。按計劃，探測器將在一個多月后實施近火制動，進入環火軌道，準備著陸火星。

青島理工大學復雜網絡與可視化研究所航天可視化團隊多年來研發的空間實時三維可視化技術，在北京航天飛行控制中心為“天問一號”探測器的飛行控制與指揮保駕護航，相關系統運行正常。

據悉，航天可視化團隊此前先后參與并圓滿完成多項深空探測、載人航天等國家重大航天工程實戰任務，主要包括探月工程嫦娥二號、三號、四號、五號任務的可視化飛行控制指揮與遙操作操控任務，載人航天工程天宮一號與神舟八號、九號、十號，天宮二號與神舟十一號交會對接任務的可視化飛行控制指揮任務。

另據2020年7月24日的報道，青島科技大學也是參與火星探測任務的單位，他們承擔了該項目的子課題——“行星表面特征提取跟蹤與快速運動估計方法”,主要針對火星著陸末端，利用地表圖像進行特征提取跟蹤并進行視覺自主導航而開展的一系列研究工作。

“我們學校的自主導航與智能控制研究所2003年就已經成立，主要做探測器自主導航方面的工作,是國內較早研究自主導航的高校單位。”青島科技大學自動化與電子工程學院教授邵巍說，此前的研究基礎讓他們有了足夠的信心完成這次國家重大項目，而在這個領域已經研究10余年的邵巍對自己也信心十足。

邵巍介紹，青科大承擔的子課題是完成星際自主、精確、安全著陸任務要解決的關鍵一環。特征提取匹配算法能否進行穩定、連續跟蹤及其運行速度直接關系到自主導航的可行性、精度與可靠性。另一方面,行星著陸過程中動力學環境的不確知、強非線性以及相對運動估計的累積誤差,導致實時高精度導航極為困難。

邵巍介紹他們研究的是探測器的著陸段自主導航算法，探測器上面有處理器，里面運行著多種程序。當著陸器的防熱罩拋掉后，光學相機開始工作,在下降著陸段探測器利用光學相機對火星表面進行拍照以獲取火星表面的瞬時圖像,并對火星表面的特征點、隕石坑、山脊、溝壑等特征進行提取與跟蹤。

探測器根據這些特征作為導航陸標,對自己的位置、速度、姿態進行估計，從而避開大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測器高度下降，光學相機拍到的影像清晰度增加，探測器進而能夠識別更小的石塊，從而進行標記和規避,最終尋找到最完美的降落地。就像駕駛員開車需要看交通指示牌一樣，才能夠知道自己在哪,否則就可能迷路，到不了目的地。

（來源：觀海新聞/青島日報記者郭菁荔，新華社、央視新聞、人民日報）

責任編輯：王鳳一