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　　2020年7月23日，天問(wèn)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)數億公里的長(cháng)途跋涉，如今探測器已抵達火星停泊軌道，并計劃在后續擇機著(zhù)陸火星，執行一系列探測任務(wù)。

　　在飛往火星的漫漫征途中，探測器由誰(shuí)操控?距地球數億公里外的深空機動(dòng)、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(lèi)衛星、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，GNC是制導(Guidance)、導航(Navigation)與控制(Control)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它既是導航儀也是金牌司機，可以做到控制衛星嚴格按照既定軌道運行。

　　對于天問(wèn)一號這樣的行星探測器來(lái)說(shuō)，GNC的責任就更大了。從地球到火星這一趟“星際長(cháng)途”，堪比唐僧師徒四人的取經(jīng)之路。從軌道修正、太空“剎車(chē)”，再到最終實(shí)現“繞”“著(zhù)”“巡”總體目標，這一系列精準走位都要靠GNC來(lái)實(shí)現，每一步都至關(guān)重要。

　　金牌司機秘籍一

　　猛踩剎車(chē)時(shí)也要穩住“方向盤(pán)”

　　當“胖五”一記大力托舉將天問(wèn)一號送入地火轉移軌道后，探測器在宇宙中的自主飛行控制就由環(huán)繞器GNC分系統接管了。它的主要任務(wù)，就是確保探測器能夠按既定時(shí)間和地點(diǎn)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(guò)程中若不進(jìn)行精確修正，探測器就會(huì )與火星擦肩而過(guò)了。天問(wèn)一號實(shí)施的四次軌道中途修正和一次深空機動(dòng)，就是在不斷地調整“方向盤(pán)”，以實(shí)現精準到達火星的同時(shí)，盡可能地節省燃料消耗。

　　飛行過(guò)程中，每一次調整都需要環(huán)繞器GNC來(lái)實(shí)現變軌速度增量的高精度控制，其中難度最大、時(shí)間最長(cháng)、可靠性要求最高的當屬近火制動(dòng)捕獲控制，這一腳大力剎車(chē)的過(guò)程中，環(huán)繞器3000N發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火工作15分鐘。在這個(gè)過(guò)程中，GNC要克服巨大的干擾力矩，時(shí)刻保持探測器飛行姿態(tài)的指向穩定。

　　2021年2月10日20時(shí)，天問(wèn)一號減速約1km/s后成為我國第一顆環(huán)繞火星的人造衛星，制動(dòng)過(guò)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(chē)。

　　金牌司機秘籍二

　　找準“定位”很關(guān)鍵

　　我們開(kāi)車(chē)在路上時(shí)，都會(huì )通過(guò)車(chē)道線(xiàn)來(lái)判斷行駛狀態(tài)，但茫茫宇宙中，天問(wèn)一號如何感知自身姿態(tài)從而進(jìn)行各種軌道調整呢?這時(shí)，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分系統的“重要法寶”——星敏感器通過(guò)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。在飛往火星的過(guò)程中，天問(wèn)一號通過(guò)星敏感器實(shí)時(shí)進(jìn)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(wù)中GNC還配置了一雙“火眼金睛”，一只為“千里眼”光學(xué)導航敏感器，可在飛近火星的過(guò)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(shí)利用火星局部邊緣圖像實(shí)現環(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(xué)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(huì )“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(wèn)一號同時(shí)肩負著(zhù)環(huán)繞、著(zhù)陸和巡視的“三重任務(wù)”，可謂“一心多用”。

　　阿聯(lián)酋希望號的高增益天線(xiàn)和太陽(yáng)翼均采用固定安裝的方式，這使得其火星探測載荷觀(guān)測、太陽(yáng)翼對日保障能源和天線(xiàn)對地通訊指向不能同時(shí)兼顧，這樣的結構雖然降低了工程難度，卻也犧牲了一定的科學(xué)探測能力。

　　美國則采用直接著(zhù)陸的方式，這是由于美國還有能工作的火星軌道器為著(zhù)陸提供數據中繼服務(wù)，使其可以專(zhuān)注于火星著(zhù)陸探測的科學(xué)目標。

　　對于天問(wèn)一號來(lái)說(shuō)，環(huán)繞器要負責火星轉移飛行、火星環(huán)繞遙感、對火星車(chē)數據中繼等任務(wù)，這使得環(huán)繞器GNC在控制“方向盤(pán)”的同時(shí)，要轉動(dòng)太陽(yáng)翼實(shí)時(shí)對準太陽(yáng)獲取能量，還要轉動(dòng)高增益天線(xiàn)對準地球獲取信號，轉動(dòng)中繼天線(xiàn)對準火星車(chē)進(jìn)行姿態(tài)跟蹤，只有這些控制目標都達到要求，才能說(shuō)環(huán)繞器GNC完成了任務(wù)。

　　器地之間單向最長(cháng)達20分鐘的通訊時(shí)延，需要以上控制執行過(guò)程具備全自主和高可靠性。因此，環(huán)繞器GNC分系統的技術(shù)涵蓋慣性測量、光電探測、伺服驅動(dòng)等多領(lǐng)域，需要實(shí)現供電控制、信息交互、時(shí)空信息計算，角動(dòng)量控制、推力控制、多維指向驅動(dòng)，故障診斷、自主重構、最壞情況恢復等一系列功能性能，可謂“一點(diǎn)都不能差”。

　　截至目前，環(huán)繞器GNC分系統已準確執行了天問(wèn)一號飛行過(guò)程中的各次軌道修正，精準實(shí)現近火制動(dòng)捕獲，支撐環(huán)繞器載荷獲取遙感數據，時(shí)刻確保著(zhù)探測器飛行姿態(tài)、能源供給和通訊鏈路的安全。后續，隨著(zhù)探測器著(zhù)陸，GNC這位“金牌司機”還將繼續扮演重要的作用，為中國人的深空探測夢(mèng)提供重要保障。