2月10日，在历经近7个月的太空航行后，由航天科技集团研制的我国首个火星探测器天问一号成功实施捕获制动，精准进入环火轨道，正式开启了环绕火星阶段的探测任务。

制动捕获，简单来说就是通过发动机推力减速控制，来降低探测器的速度，使其能够被目标星体的引力所捕获，这一动作也被形象地称为“踩刹车”。但到底如何踩刹车？面对这一工程问题，八院火星探测GNC团队不仅做到了精准“刹车”，更实现了全过程由探测器自主完成这一高难度动作，交出了一份高分答卷。

让探测器实现全自动“刹车”

对于以每秒 28公里高速靠近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠完成“刹车”。理论上，给探测器一个反向推力，即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中，仍会遇到不少问题。

火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机，进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限，要求探测器在10分钟内将速度降低到约每秒1公里。

与常规卫星可以由地面实时操控不同，制动捕获过程中，探测器距离地球1.92亿公里，地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10分钟，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。

“在失去地面实时测控的环境下，要通过方案设计，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。

团队研究了目前国际上所有的火星探测器，并对国外的案例进行深入剖析。 “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。

0.3%的影响也不能忽视

在研制阶段一次半物理仿真试验中，探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差，这使得研制团队高度紧张。方案已考虑了探测器燃料消耗引起的质量变化，也考虑了推力方向偏心造成的姿态干扰等多种可能的因素，为什么精度还是不够呢？

团队随即对捕获制动这一过程再次进行深入分析，终于发现，制动前的“沉底”时间过长，对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。

所谓“沉底”就是在主发动机推力减速前，先启动维持探测器姿态控制的小推力器工作，通过姿态控制推力器产生的加速度，使燃料集中到贮箱底部，便于主发动机工作。

为此，团队迅速对这一过程进行精确量化分析，将沉底工作过程的推力减少了一倍，并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时机的计算中，通过方案优化和进一步仿真验证，捕获制动精度有了显著提升。

此外，承担着指挥控制任务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证工作下，3台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决”，即运算时刻和初始数据始终保持一致，进而通过少数服从多数原则，确保计算结果准确无误。

为确保我国首次自主火星探测任务最关键的这次“刹车”可靠完成，团队在4年的研制过程中，不断进行着各参数的正常范围、极限拉偏测试，分析测试和试验中 GNC系统的表现，对异常现象迅速定位并对方案进行优化完善。

“我们已运用自己的算法对其他火星探测任务进行仿真，仿真结果与国际上公布的数据非常吻合。”环绕器GNC分系统产保师刘宇不无自豪地说。（李柏杨）