“火眼金睛”助天问一号环火“自动驾驶”
2021年11月8日 ， “天问一号”环绕器成功实施第五次近火制动 ， 准确进入遥感使命轨道 ， 开展火星全球遥感探测 ， 同时继续为火星车提供中继通讯支持 。 采访人员今天从中国航天科技集团八院获悉 ， 八院控制所自主研制的红外导航敏感器将助力天问一号在环火轨道进行深空“自动驾驶” 。

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天问一号效果图
环火轨道上的双料“广角镜”
在天问一号飞向火星的过程中 ， 环绕器GNC自带一双“火眼金睛” ， 在火星图像从遥远的点目标逐步变为近距离的面目标的过程中 ， 探测器靠“长焦镜头”—光学导航敏感器远距离敏感火星进行自主导航 ， 而同时安装了短焦可见光镜头和红外镜头的红外导航敏感器则是一只“广角镜” ， 可以在环火轨道上实现对火星的近距离成像、测量 。 早在天问一号一脚大力刹车进入停泊轨道后 ， 红外导航敏感器随即开机 ， 在近火点对火星表面进行了红外和可见光双波段成像 ， 验证了对火成像的关键光学参数 。
“按照国际惯例 ， 通常飞行器在近轨道时 ， 会利用宽视场相机来获取目标天体图像 ， 然后提取目标天体的边缘信息 ， 进一步拟合提取天体质心坐标 ， 解算并输出目标天体相对探测器的位置信息 ， 这些位置信息可以帮助飞控团队更直观地确认飞行器的飞行轨道和姿态 。 ”八院控制所光学导航专家郑循江介绍道 ， “所以 ， 准确的获取火星的边缘信息是天问一号实现自主导航的重要前提 。 ”
由于大气层的存在 ， 会让火星边缘出现弥散光圈 ， 导致图像边界不准确 。 为了更准确地获取火星边缘信息 ， 八院控制所充分结合自身在红外探测领域的技术优势 ， 于国际上首次将红外导航技术应用于火星环绕期间的自主轨道确定 。 由红外相机提供相对清晰的边缘信息 ， 可见光利用自身高分辨率的优势对边缘信息进行细分得到更为精确的边缘 ， 弥补了单可见光成像边界弥散不清晰的问题 ， 提高了整机的测量精度 。 另一方面 ， 红外相机也可在探测器进入火星阴影区时进行扩展探测 。
拍得准、算得快、测得精
研制初期 ， 在进行红外探测谱段选择及目标特性分析论证时 ， 因缺少相应的数据 ， 给产品方案设计带来了极大的困难 。 “对于测量敏感器来说 ， 各项功能、指标的确定都要基于被测物体的特性 ， 比如我们选择温度计的时候首先要知道被测物体的温度范围 ， 否则要么测不到、要么会爆表 ， 对于火星探测也是一样的道理 。 ”对火星目标特性分析着实下过一番苦功夫的主管设计师何峰说道 ， “但是 ， 目前国际上对火星的光学目标特性始终没有明确统一的认识 ， 特别是红外特性 ， 可以说几乎是一片空白 。 ”
为此 ， 所里组织了专项攻关团队 ， 并由院型号总师带队形成专项审查团 ， 历经4个多月 ， 反复论证审查 。 团队搜集了现有的关于火星的所有资料 ， 从火星大气特性入手 ， 建立了火星表面能量反射模型及辐射模型 ， 进行了红外探测各波段能量计算 ， 明确了探测谱段 ， 最终确定了红外导航敏感器核心部件红外探测器的选型 ， 并同步设计了专项测试验证设备 ， 对分析结果进行验证 。
而在导航测量的算法设计过程中 ， 团队一开始始终执着于构建火星的物理模型表达 ， 进而求解得到相对距离和视角 ， 但在工程实现中却发现有限的硬件资源难以达到预期的解算精度 。 团队迅速转换思路 ， 跳出了直接对火星进行椭圆拟合的既定思维 ， 构建了火星本体边缘点与轨道参数的数学模型 ， 提出了一种“基于火星本体局部边缘点的环火段高精度自主导航算法” ， 有效解决了算法的工程实现问题 。