天问一号成功在火星落脚!“黑暗9分钟”里,谁是它的“引路人”?
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天问一号成功在火星落脚!“黑暗9分钟”里,谁是它的“引路人”?

2021年05月15日 08:51:28
来源:川观新闻

川观新闻记者 徐莉莎

记者从国家航天局获悉,科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,5月15日,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。我国成为继美国和前苏联之后,世界上第三个成功登陆火星表面的国家。

天问一号的火星探索之旅并不容易。而这一次的“落”火,是火星探测“绕、落、巡”三项目标任务中,最难的一步。此前全世界已进行的21次火星着陆任务中,只有9次成功。

落火之旅为何如此惊险?“四川智造”如何为其保驾护航?如何保证“平安”信息的高效接收?川观新闻记者第一时间采访了参研专家。

“黑暗9分钟”:着陆火星为何这么难?

天问一号由着陆-巡视器(简称“着巡器”)与环绕器组成落火之后着巡器又分体为着陆器和巡视器两部分,巡视器就是前段时间刚刚公布名称的“祝融号”火星车。

天问一号在近火点(离火星最近点)之前的6小时,首先会执行降轨机动,离开停泊轨道转入进入轨道。 3小时后,着巡器会与环绕器两部分互相“告别”。天问一号的EDL旅程,就从这里开始。

(着巡器着陆火星的过程,总共分三步:第一步是“进入”,第二步是“下降”,第三步是“着陆”,把它们的英文首字母连起来就叫“EDL”。)

和环绕器告别后,着巡器采用弹道式进入火星大气层;通过高速气动减速、降落伞展开减速、反推动力减速以及着陆缓冲四个环节,经过一系列复杂的高动态机动动作,软着陆火星表面。这是火星探测中难度最大、风险最高的飞行阶段,也是下降段任务的最大难点之一。

为什么这个过程这么难?因为地球和火星之间距离太远,而过程又太短暂。

平时我们飞近地轨道的航天器,因为距离近,通讯时延仅在1秒左右,一旦出现紧急情况可以及时“抢救”。而对于火星探测这样的超远距离星际探测,天问一号和地球之间信息打一趟来回要36分钟左右。

航天器以什么姿态飞行,什么时间点火、工作多长、什么时候关机,出现问题如何处置,人工无法直接干预,都需要探测器“自行安排”。

不光没法实时控制,着巡器还会经历“杳无音信”的“黑暗9分钟”。着巡器从穿过火星大气层到软着陆在火星表面,速度会从4.8千米/秒减到接近于0,而整个减速过程大约9分钟。短短9分钟内,着巡器必须及时、精准地自主执行近千个指令步骤。同时,超音速飞行的航天器挤压大气产生电离,会出现“黑障”现象,造成通信中断,影响航天器与地表的通信,在北京的飞控中心无法掌握其降落情况。这个9分钟就是航天人口中的“黑暗时刻”。

同时,我们没法知道火星即时的大气密度、气压、风速等关键信息,航天器一头扎进不可确知的大气环境。这也是一半以上着陆任务失败的主要原因。

四川智慧:提前17个小时注入指令

怎么办?我们需要提前为航天器注入导航信息和动作指令

在川央企中国电子科技集团公司第十研究所(以下简称“十所”)就深度参与了这个过程。其承研的佳木斯66米深空站作为这次任务中的重要测控站点,为天问一号落火提前注入指令,进行轨道和导航控制。

中国电子科技集团公司第十研究所首次火星探测任务佳木斯深空测控团队 图片由受访者提供

十所高级工程师、我国首次火星探测任务佳木斯深空测控设备总设计师杜丹介绍,5月14日,从“天问一号”降轨机动前的17个小时开始,佳木斯深空站就连续不断地向它发送延时指令,其中包括降轨机动、器器分离、升轨机动及EDL(进入、下降和着陆)过程,以及落火后的初期工作等指令,为安全着陆和火面巡视工作提供有力保障。

为了安全着陆,探测器EDL过程中的导航信息至关重要,佳木斯深空站采用DOR干涉测量技术与其它深空站协同完成轨道测量,形成轨道预报,提供飞控中心连续数天进行降轨参数的反复试算,确定天问一号进入火星大气层的初始点位置。

降轨机动前约8小时,飞控中心向天问一号注入大气进入初始点和导航数据等关键指令,引领着巡器完成避障并安全着陆。随后的过程,就类似汽车的自动驾驶,天问一号按照指令自主飞行。

一帧都不能少!掌握着巡器落火工况

着巡器落火后,要第一时间与地面建立联系,给地球老家“报平安”。但由于地火距离太远,信息传送功率受限,火星车和地面之间数据传输的速率极低。

落火后,佳木斯测控站首次接收信号的时间仅约20分钟。这个时间段里,着巡器传送的数据帧最多不超过10帧。而这10帧数据,对地面来说又至关重要。我们需要根据这些信息在第一时间判断其生存和工作状态。

传统的遥测数传遥测接收中,前面几帧数据都“浪费”了,主要用于搜索和校验,不能产生有效信息。

如何能把这10帧数据尽可能利用起来,以获取尽可能多的落火初始阶段的着巡器信息,成为十所研发团队要解决的重要技术难题之一。

经过理论攻关和上百次试验验证,团队创造性地提出了“数据慢帧优化处理技术”。通过这一机制,实现了落火阶段极低码率数传信号的接收,首帧信息在完成同步/校验的基础上,还能作为有效数据,解调、输出、上报,这样就1帧不浪费地为飞控中心提供了全部可获得的着巡器落火工况信息。

现在,“祝融号”火星车即将在火星表面上开展地表成分、物质类型分布、地质结构以及火星气象环境等探测工作。而环绕器则在器-器分离后执行了升轨机动,返回到停泊轨道,为着巡器EDL过程及火星车火面初期工作提供中继通信;同时探测火星空间环境、大气层、地表。