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航天九院|航天九院多项科技保驾“天问一号”进入火星轨道

火星天问一号火星轨道火星探测器航天九院

2021年2月10日 ， “天问一号”火星探测器顺利实施近火制动 ， 完成火星捕获 ， 准确进入火星轨道 。
在这一关键过程中 ， 要想得知火星探测器是否进入了正确轨道？它的准确位置在哪里？它工作状态怎么样？从地球给它发出的指令能否正确传达并被准确执行？中国航天科技集团公司第九研究院的多项科技产品在为此保驾护航 。
航天九院|航天九院多项科技保驾“天问一号”进入火星轨道
文章插图

“天问一号”火星任务探测器模拟图
加表组合、光纤陀螺组合确保精确入轨
火星环绕器的捕获制动是本次火星探测任务的难点之一 ， 也是关键任务之一 。 火星环绕器在捕获火星轨道时 ， 要保证火星环绕器精确入轨 ， 就需要13所研制的火星环绕器GNC分系统加表组合 。 它能够实现对环绕器的加速度进行精确测量 ， 控制系统通过返回参数控制发动机实施制动操作 ， 从而使探测器能够准确进入火星轨道 。 它在整个捕获阶段中扮演着关键角色 。
【航天九院|航天九院多项科技保驾“天问一号”进入火星轨道】加表组合是13所为火星环绕器GNC分系统配套研制的关键单机 。 它采用独立双冗余设计 ， 具有高精度、高稳定性、高可靠性、环境适应性好等特点 ， 用于环绕器中途轨道修正、捕获制动、轨道调整期间的线加速度、速度增量的测量 。
同时 ， 13所时代光电公司研制的光纤陀螺组合作为火星环绕器GNC分系统的唯一惯性测量装置 ， 同样发挥着重要作用 。 该装置用于测量火星环绕器三正交轴相对于惯性空间的转动角速度 ， 为实现高精度和高稳定度的姿态控制提供有力保障 。
与地球轨道卫星不同 ， 火星环绕器需要飞离地球 ， 经历地-火转移轨道才能到达火星轨道 。 由于火星轨道距离地球远 ， 受运载火箭推力等因素限制 ， 火星探测任务对光纤陀螺组合提出了轻质化、高可靠和高精度的要求 。
型号队伍开展多轮技术攻关 ， 重点突破了轻质化、高精度两项关键技术 ， 具备了启动快、精度高、可靠性高、环境适应性好等优点 ， 不仅可满足首次火星探测任务 ， 而且能够满足较长时间国内深空探测对于惯性产品体积、重量、飞行距离、测量精度、运行时间等严格的技术需求 ， 极大拓展了光纤陀螺组合未来的使用场景和应用领域 。
X频段深空应答机精准传输指令
在进入火星轨道时 ， 探测器需要实施近火制动 。 此时 ， 探测器距离地球近1.9亿公里 ， 发动机点火时间为1000多秒 ， 届时通讯延时近11分钟 ， 地面无法对这一制动过程进行实时监控 。 这时就该539厂自主研制的X频段深空应答机出场了 。
它是深空领域国内首台X频段高灵敏数字化应答机 。 研制人员攻克了4亿公里地火远距离通信技术等多项关键技术难题 ， 达到了国际先进水平 。 在功能上与传统应答机相比 ， 它能够适应不同遥控、遥测码速率的信息传输和高灵敏度的捕获、跟踪和数据解调 。 同时 ， 研制人员对它还进行了功能升级 ， 根据不同指令 ， 实现测控和数传双功能工作模式的切换 。
为了最大限度保证探测器被火星捕获成功 ， 539厂的研发人员还在计算机中提前设置了一套程序控制 。 即便在制动过程中 ， 探测器发生突发状况时 ， 也能够发出精准的指令 ， 自主完成相应的处理 。 在这一关键过程中 ， 深空应答机全程监控 ， 把过程中的遥测变化信息连续回传 ， 便于地面远程观测和地面判断 。
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“天问一号”火星任务探测器模拟图
天线组阵技术打造极远距离信息通道
随着“天问一号”探测器与地球距离的持续增大 ， 地面接收到的信号变得极其微弱 。 这对测控通信系统来说是前所未有的考验 。 为此 ， 我国自主研制成功了运用天线组阵技术的深空测控系统 ， 用于接收探测器从数亿公里外发出的信号 ， 同时将地面指挥控制命令发往探测器 。
九院704所为该深空测控系统研制了世界一流水平的天线组阵信号采集与数据记录、信号合成及解调处理设备两个关键分系统设备 。 它们通过采集4个35米口径天线接收到的来自遥远火星探测器发出的测控信号 。 它采用国际先进的数字信号处理技术实现4路信号的高效率合成和遥测数传数据的低损耗解调 ， 达到等效66米口径大天线的接收性能 。
在深空天线组阵系统中 ， 704所在国内首次采用了通用计算机集群架构 ， 利用分布式前端采样、异构软件资源池技术 ， 实现了多天线组阵的高效合成 ， 多种体制信号测量等功能 ， 具备灵活的系统升级扩展能力 。
其实 ， 539厂的深空应答机与704所的深空测控天线组阵设备共同构成了火星探测器与地球家园的唯一信息桥梁 ， 关系到整个任务的成败 。
在“天问一号”后续任务阶段 ， 九院研制的多种科技设备还将继续发挥作用 ， 持续为“天问一号”保驾护航 。


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