2021年5月15日7时18分，我国首个火星探测器“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。

    “天问一号”目前距离地球约3.2亿公里，通讯单向时延超过15分钟。与生活在地月系摇篮里的航天器不同，这一去一回的半个小时，使得地面不能给“天问一号”提供实时无微不至的帮助。要想走出摇篮，走入未知的深空，“天问一号”必须学习“独立生活”。

    中国航天科技集团八院控制所火星环绕器导航、制导与控制分系统（GNC）研制团队，给“天问一号”装备了明亮的眼睛、灵巧的双臂和聪明的大脑，使“天问一号”具有了自己观察、自我决断和自主执行的能力。

    多双眼睛：感知方向和锁定位置的保证

    要想去往火星，“天问一号”要先知道自己朝向哪里（探测器飞行姿态）和自己处在哪里（探测器轨道位置）。与我们在黑夜里寻找北极星来确定方向类似，深空中满布各个方向的恒星，可以帮助“天问一号”确定自已的飞行姿态。

    “天问一号”上装配有多台星敏感器，它们自身都存储着导航星表，如同一双明亮眼睛一样，星敏感器始终紧盯着深空中的恒星，通过比对自身看到的恒星与导航星表中恒星的相对姿态，就知道自己朝向何方了。然而，系外恒星相对于探测器的距离都是无穷远，也就是说，无论“天问一号”飞离了地球多远，这几亿公里的距离对于那些恒星来说完全可以忽略，因此利用恒星来精确计算探测器飞行姿态的时候，却无法得知探测器自己的位置。

    “天问一号”飞行过程主要依靠地面测定轨数据，定期更新探测器自身递推计算的轨道，为了提高探测器的自主导航能力，还需要借助另一双慧眼——光学导航敏感器和红外导航敏感器。这两款导航敏感器将火星作为导航的“灯塔”，从图像中计算火星几何中心的位置和火星视半径的大小，结合火星的星历和导航滤波算法，就能计算出“天问一号”相对于火星的位置和速度。

    三头六臂：精准计算和可靠决策的秘诀

    “天问一号”地火转移飞行过程中，要确保探测器姿态指向的稳定、太阳翼对日定向保证能源、定向天线指向地球保证数据通讯链路，在环绕火星飞行期间还需要增加中继天线指向火星车的任务要求，这些任务的准确、可靠执行都由环绕器GNC分系统完成。

    为此，环绕器GNC一方面需要获取每双眼睛的数据，完成相应的姿态和轨道计算；另一方面则根据姿态和轨道的计算结果，调整探测器飞行指向，实现两翼太阳翼、两维定向天线驱动和两维中继天线驱动等控制。这些任务的执行都要依靠环绕器的大脑——GNC单元。它采用三套独立CPU同步计算、三机相互诊断的方式运行。

    “天问一号”飞行姿态测量和控制、轨道修正、制动捕获等功能必须兼顾精度、可靠性和自主性的三重要求。为此，环绕器的这台三机模式同步运行的大脑，首先设计了精确的时间对准机制，保证三台独立的CPU可以实现复杂运算过程的同步计算和结果输出、彼此数据的同步交互和故障诊断，以及控制模式的同步转换；其次尽可能地缩短对存储区进行检错纠错的时间周期，使得存储区每个地址的数据受到空间粒子影响而发生“翻转”时可以及时、准确地被纠正。一台CPU运行不正常或计算结果不正确时可以被及时隔离，从而确保这个关键大脑的准确可靠运行。

    三省吾身：自主运行和完成任务的法宝

    我的状态还好吗？了解自己是第一步。

    飞行过程中，环绕器GNC分系统，时时刻刻都在检查自己的眼睛、臂膀和大脑。环绕器GNC采用三重自主故障诊断和重构策略来确保稳妥运行。根据三重诊断的结果，对故障单机数据首先进行隔离，利用正常工作的单机完成重构；对连续故障的单机自主执行复位、重启等操作，持续判断故障单机能否恢复并具备再次接入系统的条件。针对火星探测这样的高难度任务，单机的可靠性是前提，每个元器件都经过了层层筛选，每一台单机均完成了力学振动、高低温和空间环境等可靠性试验，即使有超出我们预期的一些故障发生，也不会影响整个任务的正常执行。

    我的能力还够吗？作为火星探测最关键动作之一的制动捕获控制，采用“3000N发动机轨道控制+120N推力器姿态控制”作为主方案，轨控开始后环绕器GNC便会对3000N发动机的输出推力状态进行实时诊断，发现推力异常后会自主切换到利用8台120N姿控推力器继续执行轨道和姿态控制，若姿态控制异常则会采用多台25N姿控推力器替代120N的方式工作。

    我的任务完成了吗？“天问一号”火星探测飞行通讯时延的特殊性，使得其自身必须具备精确判断出是否完成了既定任务的能力。探测器大角度姿态机动控制是否调整到位，轨道控制要求的速度增量是否调整到位，这些都需要环绕器GNC利用相关测量单机的数据计算获得。