“天问一号”火星探测器关键任务系统设计

2021-11-10孙泽洲陈百超

空间控制技术与应用 2021年5期

孙泽洲，饶炜，贾阳，王闯，董捷，陈百超

北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094

0 引言

2020年7月23日，“天问一号”探测器在海南文昌航天发射场成功发射，2021年2月10日，成功捕获火星，2021年5月15日，着陆巡视器成功实现火星进入、下降与着陆(EDL)，安全着陆到乌托邦平原(Utopia planitia)南端的预定着陆点，2021年5月22日，“祝融号”成功驶离到火星表面并开始开展火面巡视探测，使得我国成为世界上第二个成功实现火星表面巡视探测的国家.

首次火星探测任务，正式迈出我国行星探测步伐，实现了我国探测器首次登陆火星，在国际上首次通过一次任务实现火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越，开拓了中国人探索认知宇宙奥秘的新局面，创造了中国人和平利用太空的新辉煌.

“天问一号”任务通过一次发射实现火星环绕和着陆巡视，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测.工程以环绕器环绕火星、火星车着陆火星表面，并开展科学探测为成功标志.

从工程实施、技术进步的角度看，“天问一号”任务具有重要意义，任务的工程目标可概括为[1]：

1)突破火星制动捕获EDL、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，实现火星环绕探测和巡视探测，获取火星探测科学数据，使我国深空探测能力和水平进入世界航天第一梯队，实现在深空探测领域的跨越.

2)构建独立自主的深空探测基础工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，推动我国深空探测活动可持续发展.

“天问一号”任务的科学目标是：通过环绕探测，开展火星全球性和综合性探测；通过巡视探测，开展火星表面重点地区高精度、高分辨的精细探测.具体科学目标主要包括以下5个方面[1]：

1)研究火星形貌与地质构造特征.探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究.

2)研究火星表面土壤特征与水冰分布.探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究.

3)研究火星表面物质组成.识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析.

4)研究火星大气电离层及表面气候与环境特征.探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究.

5)研究火星物理场与内部结构.探测火星磁场特性.开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究.

1 “天问一号”探测器任务特点

“天问一号”探测器的任务是实现火星的环绕、火面软着陆和巡视探测，相对以往月球探测任务有很大不同.主要表现在以下几个方面[2-5]：

1)距离更加遥远

火星距离地球最远4×108km、最近5.5×107km，而月球距离地球仅为4×105km.距离遥远带来通信路径损耗巨大，与地月通信路径损耗相比，地火通信路径最大损耗增加约60 dB，导致天线难以全空间覆盖、传输实时性差及有效数据传输困难.

2)自主要求更高

火星至地球单程时延最大约22 min，月球为1 s，长的时间延迟，极大增加了深空测控通信实现难度.对于月球距离，勉强可以采用准实时遥控方式控制航天器平台和有效载荷工作，对于更遥远的火星，只能依赖于探测器自主控制能力.

3)着陆过程风险更大

月球着陆任务要求在12 min内减速1.7 km/s，火星着陆任务要求在约9 min内减速4.8 km/s，火星探测减速总量更多、要求更快.月球着陆过程采用发动机和着陆缓冲减速，火星着陆需要采用气动外形、减速伞、发动机及着陆缓冲减速，环节更多.而火星大气不确定度非常大，大气密度和火星风场等参数，随季节、地理位置及进入地方时不同而变化.诸多因素耦合在一起，极大影响EDL过程设计与分析.

4)火星表面能源更紧张

在火星轨道附近，太阳辐照强度最大值为715 W/m2，最小值为491 W/m2，平均值约为地球附近的43%，同时火星存在大气衰减，到达火星表面的太阳辐射强度仅为0.2个太阳常数.极大增加了探测器热设计、能源管理的挑战和难度.

2 “天问一号”探测器任务概述

2.1 系统组成

“天问一号”探测器系统由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器由进入舱和火星车组成.

图1 探测器组成示意图

环绕器由有效载荷、结构、测控数传、热控、综合电子、总体电路、制导导航与控制(GNC)、定向天线、太阳翼、电源、推进和工程测量等12个分系统组成.

着陆巡视器由有效载荷、结构与机构、GNC、推进、热控、数据管理、测控数传、天线、供配电、伞系减速、着陆缓冲、移动和工程测量等15个分系统组成.

2.2 基本构型

“天问一号”探测器构型为环绕器-着陆巡视器串联构型设计，环绕器与运载火箭对接，着陆巡视器安装于环绕器顶部.环绕器采用“中心承力筒+外部六面柱体”整体构型，配置2.5 m口径高增益天线.着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱由大底、背罩和着陆平台组成.探测器发射入轨后依次展开环绕器太阳翼、高增益天线等.

图2 探测器各飞行状态下构型示意图

2.3 飞行任务过程

“天问一号”探测器由长征五号运载火箭直接发射至近地点约200 km的地火转移轨道；探测器与运载火箭分离后，在地火转移轨道上飞行约7个月，期间经过4次中途修正和1次深空机动，在近火点处实施第1次近火制动，实现火星捕获，随后经过1次远火点平面机动和2次近火点制动，进入周期2天的环火椭圆停泊轨道；停泊轨道运行约3个月后，择机实施两器分离和火星进入；着陆巡视器采用“弹道-升力式”进入，通过气动外形、降落伞、发动机多级减速和着陆缓冲机构缓冲，软着陆于火星表面；环绕器自主升轨机动，将轨道拉起并返回到停泊轨道，在下一个近火点实施第4次近火制动进入周期8.2 h的天回归中继通信轨道；90天的火面巡视探测任务结束后，环绕器实施第5次近火制动，进入周期7.8 h的椭圆遥感轨道；环绕探测约一个火星年，利用火星重力场特性实现近火点漂移，实现对火星表面覆盖探测. “天问一号”探测器任务实施阶段的飞行过程如图3所示.

图3 “天问一号”探测器飞行过程

3 “天问一号”探测器系统关键任务设计

为实现“天问一号”火星环绕、软着陆及巡视探测任务，整个任务过程可分为轨道、远距离深空通信、近火捕获、EDL、火星车驶离及火面巡视探测等5个关键任务.

3.1 轨道设计

“天问一号”探测器轨道设计包含地火转移、火星捕获、火星停泊、中继通信、遥感使命等5个阶段.

3.1.1 地火转移轨道设计

综合考虑运载能力、探测器质量约束以及转移时间，选择短转移方案.在此基础上进一步采用深空机动，改变绕日飞行轨道的平面和大小，减小火星捕获所需速度增量.最终地火转移轨道采用“短转移+深空机动”方案.

3.1.2 火星捕获轨道设计

捕获轨道倾角设计取决于火星进入点纬度，由停泊轨道时间倒推至火星捕获时刻，得到所需的火星捕获轨道倾角.

近火点高度设计：综合考虑捕获速度增量、火星大气、最后一次中途修正、近火制动有限推力和火星非球形摄动等影响，捕获轨道近火点高度选取为400 km.

轨道周期设计：综合考虑轨道的稳定性、远火点平面制动的速度增量、远火点控制误差对近火点高度的影响，轨道周期选择为250.5 h(约10个火星日).

远火点平面机动目标倾角设计：综合考虑遥感使命轨道近火点光照条件和火星全球覆盖需求，探测器遥感使命轨道倾角选择为86.9°.

3.1.3 火星停泊轨道设计

综合停泊轨道两器分离前后降轨、升轨推进剂需求，以及火星摄动条件对轨道影响，选择2天周期的停泊轨道.为实现着陆区预探测要求，停泊轨道近火弧段设置于预选着陆区上空.

综合两器分离速度增量(降轨、拉起)和保证进入点初始精度和遥感使命轨道倾角等因素，标称停泊轨道设计为近火点高度265 km，周期为49.2 h(2个火星日)的极轨椭圆轨道.

探测器在停泊轨道上运行约3个月，完成着陆区预探测、落点经度微调等着陆前准备工作.

3.1.4 中继通信轨道设计

环绕器在与着陆巡视器分离后，需调整进入中继通信轨道，实施为期约3个月的中继通信任务，并兼顾科学探测.为保证稳定的中继通信弧段，中继轨道设计成天回归轨道，考虑到停泊轨道和遥感轨道的衔接，探测器标称中继轨道选择1天运行3圈的回归轨道，轨道周期约8.2 h.

3.1.5 遥感使命轨道设计

环绕器完成3个月的中继任务之后，进入遥感使命轨道.环绕器遥感探测阶段，受推进剂以及相机成像幅宽约束，为了保证近火点成像时太阳高度角不小于10°，以及一个火星年内完成全火覆盖的任务要求，利用了火星大椭圆轨道近火点漂移特性，遥感使命轨道设计成近火点高度265 km、回归周期20个火星日，一个回归周期运行圈数为63圈，一个火星年随太阳漂移一圈的环火极轨道.

3.2 远距离深空通信设计

探测器系统的通信链路设计如图4所示，其中：

图4 探测器系统通信链路

1)探测器对地面站采用X频段通信，两器均具有X频段上下行链路；

2)环绕器和着陆巡视器之间配备有UHF频段双向器间通信链路；

3)着陆巡视器复用X频段下行链路，对环绕器进行单向数据传输.

4)着陆巡视器测控包括器间通信和火星车对地直接测控两部分.

3.2.1 探测器器地测控体制

1)环绕器

调制方式：统一载波X频段测控体制(测控)，抑制载波调制方式(数传).

测距方式：侧音测距.

测角方式：DOR差分单向侧音方式进行VLBI观测.

测速方式：双向多普勒测速，同时验证单向多普勒测速技术.

信道编码：“R-S+卷积”级联码和“LDPC”编码.

2)着陆巡视器

调制方式：上行统一载波调制方式，下行抑制载波调制方式.

信道编码：“R-S+卷积”级联码和“LDPC”编码.

3.2.2 器间测控体制

采用UHF频段作为环绕器与着陆巡视器的双向通信频段.同时，为了提高中继通信能力，环绕器配置X频段接收机，利用着陆巡视器对地的X频段通信链路，具备将尽可能多的探测数据回传地球的能力.根据轨道特点，近火主用UHF频段通信，远火主用X频段通信.

调制方式：器间UHF频段通信采用Bi-phase-L分相码PCM信号进行BPSK调制，器间X频段通信采用BPSK体制.

信道编码方式：UHF频段器间通信采用卷积(7，1/2)码，X频段器间通信采用“R-S+卷积”级联码.

3.3 火星捕获过程设计

整个火星捕获过程控制，由探测器全自主完成.火星制动捕获采用“匀速率变化”控制策略，制动捕获关机策略采用双关机策略，利用开机时长和速度增量两个指标控制发动机的关机.即，以加表积分速度增量控制为主要条件，加表积分量达到标称速度增量时关机；同时，设计关机时间区间[T1，T2]约束，制动时间超出区间范围，加表积分即使不到标称速度增量，亦关机.T1时间为制动捕获最短点火时长，该时间的确定主要考虑因素：两台加表故障情况下，标称推力作用下，能够形成标称轨道点火时长.T2时间为制动捕获最长点火时长，该时间确定主要考虑因素：两台加表故障情况下，标称推力作用下，形成停泊轨道远火点高度的点火时长.

火星捕获制动流程如图5所示.

图5 火星捕获制动流程

3.4 EDL过程设计

火星EDL过程采用“气动外形+伞系减速+动力减速+着陆缓冲”的减速方式.

1)进入方式：弹道-升力式；

2)气动外形：半锥角为70°的球锥形大底+球锥形背罩；

3)伞系减速：盘缝带伞、一级减速；

4)动力减速：反推发动机、悬停避障；

5)着陆缓冲：着陆缓冲机构.

EDL过程时序图见图6.

图6 EDL过程时序图

3.4.1 过渡段

该段主要任务是：

1)两器分离后自主启控建立并保持中继通信姿态.

2)大气进入前建立大气进入姿态.

此段的结束标志是距参考火星表面高度125 km(国际天文联合会(IAU)定义的火星椭球基准).

此高度以上大气阻力和气动干扰力矩影响可忽略.该阶段主要干扰力为姿控推力器工作时的干扰力和力矩.

3.4.2 气动减速段

根据火星大气密度、制导控制策略不同具体分为两个阶段：

1)攻角配平段

距火星表面高度从约125 km(IAU椭球基准)到约60 km(IAU椭球基准).

主要任务：

保持进入姿态，根据配平攻角、侧滑角和滚转角等要求，进行三轴稳定姿态控制；

UHF器间通信返向链路工作，传回EDL过程中器上关键遥测数据.

2) 升力控制段

距火星表面高度从约60 km(IAU椭球基准)到约10 km(IAU椭球基准)，该段主要任务如下：

采用“弹道-升力控制”进行气动减速；

在导航马赫数为2.8时执行配平翼展开动作，使进入舱标称配平攻角调整至0°，此后进入舱GNC分系统进行角速度阻尼控制；

在导航马赫数为1.8执行开伞动作；

UHF器间通信返向链路工作，传回EDL过程中的器上关键遥测数据.

3.4.3 伞系减速段

距火星表面高度从约10 km(IAU椭球基准)到约1～2 km(距当地实际高度)，利用降落伞进行减速，期间主要任务如下：

在弹伞指令发出后(标称马赫数1.8)，降落伞弹射、开伞；

实施大底分离和着陆缓冲机构展开动作；

综合高度和速度测量信息(高度1 km～2 km和速度95 m/s)，实施平台与舱伞组合体分离；

在此阶段，器上按飞行时序，自主执行进入舱和火星车UHF发射机切换和工程测量设备开机和采集工作.

3.4.4 动力下降段

距火星表面高度从1～2 km至火面，利用发动机进行减速，期间主要任务如下：

发出背罩抛除指令后，考虑分离安全性，延时启动自主动力下降制导、导航与控制程序，建立着陆巡视器动力下降初始姿态，自主打开所有着陆导航敏感器至正常测量工作模式；

完成背罩规避机动，防止伞罩组合体与着陆巡视器发生碰撞；

通过粗避障、悬停避障，完成安全着陆区域自主优选并落入优选安全区；

在接触火星表面时，控制姿态角、姿态角速度、垂向和水平速度满足要求；

动力下降过程中利用光学成像敏感器连续对火星表面成像并存储，直至着陆至火星表面.

相比嫦娥系列月球软着陆动力下降过程，火星动力下降过程初始状态(轨道、姿态)存在较大不确定性、水平机动能力有限等约束，还存在风速、地貌等不确知影响，主要任务除了减速和避障外，还要实现水平机动规避背罩.

3.4.5 着陆缓冲段

完成着陆触火后发动机关机控制，着陆缓冲机构完成缓冲，实现稳定着陆.

不同于嫦娥三号着陆器和嫦娥五号着陆上升组合体的配置，着陆巡视器限于构型布局及安装等约束，无法配置伽玛关机敏感器，同时鉴于接触火面时测距测速敏感器测量精度低，最终确定采用触火关机策略.

3.5 火星车驶离

火星车利用15个火星日时间完成驶离及可视化任务，释放分离段各火星日工作项目如下：

第1个火星日：完成火星车初始状态建立，包括机构解锁展开和对地通信等，进入火夜，火夜进行1 h的对环绕器X频段器间通信.

第2个火星日：导航地形相机、避障相机成像，进行火面全局感知.

第3个火星日：载荷开机自检.

第4～5个火星日：下传全局感知图像、载荷自检数据、延时遥测数据.

第6个火星日：短距离行走进行移动自检，下传延时遥测数据.

第7个火星日：下传EDL过程延时遥测数据.

第8个火星日：火星车驶离着陆平台，并下传驶离相关数据.

第9个火星日：局部感知，用于地面规划移动至最佳国旗成像点的路径.

第10个火星日：下传部分EDL过程工程测量数据.

第11个火星日：火星车移动到最佳国旗成像点，并下传部分EDL过程进入舱GNC图像.

第12个火星日：局部感知，用于地面规划移动至最佳WIFI分离拍摄探头释放点的路径.

第13个火星日：对进入舱器表国旗进行成像.

第14个火星日：火星车移动至最佳WIFI分离拍摄探头释放点.

第15个火星日：火星车释放WIFI分离拍摄探头，WIFI分离拍摄探头对火星车和进入舱国旗成像并下传.驶离过程见图7.

图7 火星车驶离过程构型示意图

3.6 火面工作

火星车完成释放分离段工作任务后，进入火面巡视探测工作阶段.

1)火星车寿命初期(着陆第16个火星日～第45个火星日)，以3个火星日作为一个任务周期：第1个火星日主要进行环境感知，火夜进行1 h对环绕器通信，进行图像数据下传；第2个火星日主要进行科学探测；第3个火星日进行载荷数据下传以及火面移动.

2)火星车寿命末期(着陆第46个火星日～第90个火星日)，随着发电能力的降低，根据实际功率平衡情况，可选择将任务周期从3个火星日逐渐增加到6个火星日，任务周期内总的工作内容不变，增加3个火星日的时间用于待机充电.火面工作段的构型见图8.

图8 火面工作段构型示意图

4 “天问一号”探测器取得的技术创新

“天问一号”探测器是一个全新的航天器，新技术和新产品的比例高达80%.其研制的总体思路是：瞄准当今世界先进水平，高起点地确定探测器的功能与性能指标，通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星开展全球立体探测和局部详细探测；针对新领域中所遇到的新问题，通过大量的设计分析、关键技术攻关和地面验证试验，突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，在航天器总体设计、制导导航和控制系统设计、推进系统设计、热控系统设计等方面取得一系列自主创新的科研成果.

4.1 国际上首次通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视

在国际上首次通过一次任务实现了火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越.显著增强了多目标复杂航天任务总体设计能力，面对火星环绕、着陆、巡视、探测、中继等任务耦合程度深、制约因素繁、单点环节多的难题，带动了总体设计能力和水平的巨大跨越，为后续多目标行星探测任务设计创立了新范式.显著提升了行星环境建模和模拟能力，建立了一套行星环境不确知情况下，可靠开展环境建模的方法，以及在地面开展行星环境模拟试验的方法，建设、改造了一批试验设施，为后续行星探测创立了新条件.