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制动|我国第一颗人造火星卫星诞生了！天问一号成功“刹车”被火星“捕获”

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【制动|我国第一颗人造火星卫星诞生了！天问一号成功“刹车”被火星“捕获”】
制动|我国第一颗人造火星卫星诞生了！天问一号成功“刹车”被火星“捕获”
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中国航天科技集团八院制作高清效果图
东方网采访人员解敏2月10日报道：北京时间2021年2月10日19时52分 ， 中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动！环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟 ， 探测器顺利进入近火点高度约400千米 ， 周期约10个地球日 ， 倾角约10o的大椭圆环火轨道 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 ， 实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标 ， 环绕火星获得成功 。
一脚刹车瞄准唯一捕获机会

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火星捕获制动是探测器在抵近火星时 ， 通过发动机推力减速控制来降低速度 ， 从而使得探测器能够被火星引力场捕获 ， 进入绕火轨道 ， 这一动作也被形象地称为“踩刹车” 。 开车的人都知道 ， 在高速公路下匝道需要让车速降下来才能安全过弯 。 对于以28km/s高速靠近火星的探测器来说 ， 要想被火星引力捕获 ， 也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段 ， 精准、自主可靠完成“刹车” 。
作为火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 ， 制动捕获的机会是唯一的 ， 关系着整个火星工程的成败 。 此次任务中实施制动捕获的环绕器由中国航天科技集团八院抓总研制 ， 捕获过程中 ， 火星环绕器需要准确地进行点火制动 ， 只有点火时机和时长都分秒不差 ， 才能形成理想的目标捕获轨道 。
捕获时探测器的目标轨道距离火星最近处仅400km ， 一不留神就会撞击火星或飞离火星 。 地面测控系统的深空测控网和甚长基线干涉测量（VLBI）网通过接收探测器持续发射的高稳定度无线电信号 ， 经过连续计算获得高精度的轨道数据 ， 从而确保探测器能够在预定的时间、预定的高度顺利进入捕获走廊 ， 实施变轨动作 。
在制动捕获过程中 ， 火星环绕器面临着诸多困难 。 由于制动捕获时探测器距离地球1.92亿公里 ， 单向通信时延达到了10.7分钟 ， 地面无法对整个过程进行实时监控 ， 只能依靠探测器自主执行捕获策略 。 为了确保捕获成功 ， 环绕器团队设计了多通道切换策略、发动机双关机策略、两重保险等多项技术 ， 极大地提升了系统的可靠性 ， 为制动捕获过程探测器安全保驾护航 。
“在失去地面实时测控的环境下 ， 我们惟有通过方案设计 ， 充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况 ， 全自主执行精确轨道控制；再通过多因素组合的测试和仿真分析 ， 让控制方案更加健壮可靠 。 ”环绕器副总设计师朱庆华说道 。 “我们对火星探测全过程反复推演 ， 可以说已经将能想到的所有可能情况都考虑了进去 ， 并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品 。 ”GNC系统主任设计师聂钦博说道 。
VLBI全力护航 为探测器精准定位

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如何在1.92亿公里外围探测器精准定位也是整个天问一号任务中的关键 。 甚长基线干涉测量（VLBI）系统就承担了这一重任 。 VLBI测轨分系统由位于北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心（VLBI中心）组成 。 这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜 ， 测角精度可以达到千分之几角秒 。
团队通过VLBI和测速测距数据进行定轨和定位 ， 并按要求将环绕器定轨和火星车定位结果发送至北京中心 ， 以此来获得天问一号的准确位置 。 火星探测任务像长跑 ， 从“天问一号”发射开始 ， VLBI测轨分系统就参加地火转移、火星捕获、离轨着陆、环火探测等各阶段的测定轨任务 ， 在火星捕获环节VLBI测轨分系统也发挥了关键作用 。
上海天文台洪晓瑜研究员介绍 ， VLBI测轨分系统测量的是“天问一号”的信标 ， 距离越远 ， 信号传输时间越长 ， 信号的衰减越剧烈 ， 且要求的VLBI测量精度更高 ， 相比月球探测 ， 这次遥远的火星探测显然是一个更大的挑战 。
为了提升测角精度 ， 硬件软件上 ， VLBI分系统团队此前完成了超过40台套的软件和硬件的研发、测试和现场安装 。 与此前的探月工程相比 ， 火星离地球的距离更远 ， 地面与“天问一号”探测器的沟通存在一定的滞后；因此要求测定轨精度更高 。 目前VLBI时延测量精度0.1纳秒、时延率（指时延随着时间的变化）的测量误差不超过每秒0.3皮秒 ， 均远优于技术指标要求 。
天问一号后续还将迎来多项挑战

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自2020年7月23日发射以来 ， 火星探测研制团队已经持续开展了202天的在轨飞行控制任务 ， 完成了四次中途修正和一次深空机动 ， 开展了各种自检和功能验证工作 ， 对探测器的测控通信能力、能源保障能力、姿轨控能力、自主管理能力等进行了测试 ， 确保制动捕获过程涉及的功能、性能得到充分检验 。
在随后的2个月内 ， 天问一号还会在远火点启动 ， 推进系统调整轨道倾角和轨道形状 ， 并在近火点多次工作将远火点降低到数万千米高 。 等到窗口来临之时 ， 着陆器和巡视器的结合体将与环绕器分离 ， 冲进火星大气 ， 正式开启天问一号任务周期内最大挑战、也最为高光的“恐怖七分钟” 。 火星环绕器研制团队也将为着陆巡视器登陆火星开展巡视探测任务、科学载荷遥感探测获取原创成果、天问一号探测任务的圆满成功做好支撑 。
作者：解敏

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