天问一号：为登上火星做好准备

　　2月24日，中国首次火星探测任务天问一号再传喜讯。当日6时29分，天问一号探测器成功实施第三次近火制动，进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期两个火星日的火星停泊轨道。

　　事实上，在刚刚过去的春节假期，天问一号相当“忙碌”。2月10日，探测器抵达火星轨道，成为中国首颗人造火星卫星；2月12日，天问一号火星捕获过程影像公开，从距离地球1.9亿公里之外传回新春的祝福；2月15日，天问一号成功实施捕获轨道远火点平面机动……

　　进入停泊轨道后，天问一号探测器将在此运行约3个月，环绕器7台载荷将全部开机，开始科学探测，并为择机着陆火星做好准备。

　　制动捕获闯难关

　　天问一号探测器在经过长途飞行后，如何及时制动并最终被火星捕获，是任务中风险最高、难度最大的环节之一，直接关系到探测任务的成败。

　　捕获过程难在哪儿？探测器抵达火星轨道附近时，距离火星只有400公里，但相对火星的速度却高达4至5公里每秒。因此，探测器必须点火制动、及时“刹车”。否则，如果制动时间过长、刹车踩早了，探测器就会一头撞向火星；如果时间过短、晚踩刹车，探测器就会因速度过快而飞离火星，无法进入环绕轨道。

　　在此过程中，探测器能够被火星引力捕获的机会仅有一次，“窗口期”更是只有半个小时。要想实现完美捕获，天问一号不仅要靠地面的指令，更要在关键时刻依靠自己的“智慧”进行决断。

　　在历次嫦娥探月任务中，中国成功实施了多次近月制动。虽然同样是制动，近火制动的难度要比近月制动更大。地月平均距离约38万公里，单向通信时延只有1秒左右。大多数情况下，地面可以直接控制月球探测器的动作。但天问一号探测器被火星捕获时，火星探测器距离地球约1.9亿公里，单向通信时延达10分钟以上。地面无法对制动过程进行实时监控，只能依靠探测器自主执行捕获策略，这对于环绕器的自主导航与控制提出了极高要求。

　　专家表示，为了精确把控发动机的开关时机，环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨。除了无线电通信导航外，天问一号还首次利用光学导航敏感器作为备份导航工具，通过探测器上的一双“眼睛”实时观测环绕器和火星的精确位置。地面团队可借此更直观地确认飞行轨道和姿态，计算图像中火星的几何中心和视半径。天问一号可以通过最优估计算法自主获取实时位置和速度信息，依靠可靠的捕获策略，确保进入环火轨道。

　　据了解，这是中国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术，中国也由此成为世界上第二个掌握并在轨验证火星光学自主导航技术的国家。

　　此外，在制动过程中，环绕器需要在自身出现突发状况时自主完成相应处理，以最大限度保证火星捕获成功。为了解决超远距离通信问题，火星环绕器还装备了测控数传一体化系统，实现了系统重量轻、通信效率高、通信链路可靠的目标。

　　多维探测“打前站”

　　成功被火星捕获并完成“绕、着、巡”的第一步后，天问一号还有多项新任务——既要对火星开展多维度探测，更要为下一步着陆火星做好准备。

　　2月15日，天问一号进行远火点平面机动，探测器的飞行从绕着火星赤道变成绕着火星南北极。2月24日，探测器经过第三次近火制动进入火星停泊轨道。专家表示，这几次轨道的调整，就是为了让天问一号“考察”之前选中的着陆点。

　　天问一号的探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成。从发射到近火制动的过程中，环绕器主要承担飞行任务；火星捕获后，环绕器将为着陆巡视器进行着陆预报；成功释放着陆巡视器后，环绕器将作为通信器，为着陆巡视器建立与地球之间的中继通信链路；火星车3个月的工作结束后，环绕器还将继续进行长达一个火星年即将近两个地球年的深度探测。