趙 宇,袁 利,王曉磊,黃翔宇,2,劉旺旺,華寶成,李茂登,2,徐李佳,王云鵬,郝 策,李 濤，張 琳

(1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.空間智能控制技術(shù)重點實驗室，北京 100094)

0 引 言

天問一號火星探測器是我國首顆火星探測器，其目標是實現(xiàn)火星“繞、落、巡”任務(wù)。探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器由進入艙和祝融號火星車組成，進入艙由著陸平臺及包裹著陸平臺的背罩、防熱大底組成。2020年7月23日，天問一號火星探測器發(fā)射升空；2021年2月10日，探測器進入環(huán)火軌道；2021年5月15日，著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)；2021年5月22日，祝融號火星車順利駛離著陸平臺并開展火面巡視。這標志著我國成為繼美國之后第二個成功著陸火星并順利開展工作的國家，也是唯一的首次火星探測即成功著陸的國家。

火星著陸過程是所有火星探測過程中最危險的階段。據(jù)統(tǒng)計，到2021年底為止，人類共實施火星表面著陸任務(wù)19次，其中成功10次，成功率約52.0%。天問一號進入艙負責實施火星著陸任務(wù)，進入艙GNC系統(tǒng)負責著陸巡視器與環(huán)繞器分離后到著陸火星表面為止的探測器姿態(tài)及軌道控制，包括EDL前約3 h的大氣層外探測器姿態(tài)與軌道控制，以及約9 min的EDL過程的探測器控制。

天問一號的火星EDL過程從大氣進入點(距離火星參考表面約125 km)開始，GNC系統(tǒng)控制進入艙在9 min內(nèi)，將探測器速度從約4.8 km/s降為0 m/s，并確保探測器以正確的姿態(tài)著陸于地形安全區(qū)域。此外，在著陸過程中，GNC系統(tǒng)需控制進入艙先后完成展配平翼、彈降落傘、拋大底、展著陸腿、拋背罩、開7500 N主發(fā)動機等一系列不可逆的動作。因此，制導、導航和控制(Guidance navigation and control,GNC)技術(shù)是實現(xiàn)火星EDL過程的關(guān)鍵技術(shù)。

與地球大氣再入及月球著陸過程相比，火星著陸對GNC系統(tǒng)提出如下要求：

1)EDL過程時間短(7～10 min)，地面測控時延大(天問一號著陸時器地單程傳輸時延約18 min)，地面無法實施干預，要求進入艙GNC系統(tǒng)具有極高的自主性；

2)火星進入過程的彈降落傘、拋大底等多次火工品起爆會產(chǎn)生較大的沖擊加速度；傘降過程中若降落傘發(fā)生喘振效應(yīng)，進入艙會有大于400(°)/s的持續(xù)角速度。GNC系統(tǒng)需在這些大沖擊、高動態(tài)的工況下正常工作，需具備較強的系統(tǒng)魯棒性；

3)火星地形復雜且無高精度地圖數(shù)據(jù)支持，著陸過程中著陸平臺不能與降落傘-背罩組合體發(fā)生碰撞，因此要求GNC系統(tǒng)具備在多約束條件下同時實現(xiàn)自主地形障礙識別與規(guī)避，以及著陸平臺對傘-背罩組合體規(guī)避的能力。

本文首先簡要介紹了火星著陸巡視器進入艙GNC系統(tǒng)的任務(wù)剖面設(shè)計、GNC系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計，而后闡述了GNC系統(tǒng)根據(jù)火星EDL任務(wù)的自主性、魯棒性需求，在系統(tǒng)設(shè)計層面所開展的自主模式管理、自主供電管理、自主避障系統(tǒng)設(shè)計、自主觸地開關(guān)管理等特色設(shè)計；最后給出了系統(tǒng)地面試驗驗證情況及在軌飛行驗證情況。進入艙的導航制導與控制算法在文獻[1]中進行了介紹，本文不再贅述。

1 任務(wù)剖面設(shè)計及在軌實現(xiàn)

天問一號火星探測器入軌后，經(jīng)202天的地火轉(zhuǎn)移到達火星；2021年2月10日實現(xiàn)火星捕獲，后經(jīng)多次軌道調(diào)整進入火星停泊軌道；在火星停泊軌道進行了著陸點預探測和軌道精調(diào)。進入艙GNC系統(tǒng)在火星轉(zhuǎn)移軌道和停泊軌道上間斷加電，進行系統(tǒng)自檢確認單機產(chǎn)品的狀態(tài)，并進行了一系列與星敏和慣性測量單元(IMU)有關(guān)的標定，包括：通過星敏互標修正星敏的安裝偏差；通過陀螺全系數(shù)標定修正IMU的安裝矩陣,消除星敏和IMU之間的安裝誤差；通過加計零偏標定估計加計的零位偏差。

進入艙GNC系統(tǒng)于5月14日11點17分加電，開始進行EDL前指令注入、敏感器狀態(tài)檢查以及系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置。5月15日1點16分，探測器實施降軌轉(zhuǎn)入火星大氣進入軌道，進入艙GNC系統(tǒng)在降軌機動前10 min啟動導航，根據(jù)注入的位置速度初值以及采集到的星敏和IMU測量數(shù)據(jù)，實時解算探測器的位置和姿態(tài)。4點19分，環(huán)繞器與著陸巡視器分離，進入艙GNC系統(tǒng)啟動姿態(tài)控制，探測器繼續(xù)沿大氣進入軌道向火星大氣進入點滑行。在火星大氣進入前GNC系統(tǒng)將著陸巡視器調(diào)整為大氣進入姿態(tài)，此時探測器攻角為進入艙的配平攻角，約-11.6°。

5月15日7點08分54秒，著陸巡視器到達距離火星參考表面約125 km的大氣進入點，此時進入速度約4.8 km/s，開始EDL過程。天問一號火星EDL過程分為氣動減速段、傘降減速段和動力減速段,如圖1所示。

圖1 火星EDL段任務(wù)階段劃分示意圖

氣動減速段細分為配平攻角和升力控制兩個階段。氣動減速段初期火星高空大氣稀薄，可提供的升力小，進入艙GNC主要采用三軸穩(wěn)定控制，保持進入姿態(tài)；在阻力加速度大于1.96 m/s后，啟動升力控制，一方面維持攻角在配平攻角附近，另一方面控制進入艙的傾側(cè)角，實現(xiàn)進入軌跡的控制，保證開傘時的高度、動壓、馬赫數(shù)以及位置滿足要求。GNC系統(tǒng)在約2.8展開配平翼，通過氣動調(diào)整攻角為0°，滿足降落傘開傘的需求。整個氣動減速段持續(xù)281 s，其中的升力控制段持續(xù)210 s。

GNC系統(tǒng)在約1.8,距火星參考表面高度約11 km開降落傘，探測器轉(zhuǎn)入傘降段。開傘后約20 s，約0.53時拋大底、而后展著陸腿，微波類測距測速敏感器轉(zhuǎn)測量模式，測量著陸巡視器相對火星表面的高度和速度，GNC系統(tǒng)開始導航修正。GNC系統(tǒng)在拋大底前為角速率阻尼控制；拋大底后，俯仰和偏航通道采用速率阻尼控制，滾動軸采用姿態(tài)和角速度控制，目標姿態(tài)與當?shù)靥炷蠔|坐標系一致。傘降段持續(xù)約169 s后，著陸巡視器減速至約60 m/s，高度下降為距火星表面1.42 km，GNC系統(tǒng)拋除降落傘-背罩組合體，轉(zhuǎn)入動力減速段。

動力減速段GNC系統(tǒng)借鑒了嫦娥月球著陸器的動力下降過程設(shè)計，分別為動力規(guī)避、懸停成像、避障機動、緩速下降和無控5個工作階段。拋背罩1 s后，GNC系統(tǒng)啟動7500 N變推力發(fā)動機，以最大推力進行減速，并完成背罩規(guī)避和粗安全點選取及避障；當高度下降至約100 m時，速度減為約0 m/s，著陸平臺懸停并利用成像類敏感器對落區(qū)地形進行三維立體成像，檢測障礙并選擇安全著陸點；而后GNC系統(tǒng)控制著陸平臺規(guī)避地形障礙并下降到著陸點上方約20 m，此時相對火星表面垂向速度約1.5 m/s，水平速度接近零。在20 m以下，著陸平臺相對火星表面勻速下降，姿態(tài)垂直火星表面，直到關(guān)機策略生效關(guān)閉發(fā)動機。動力減速段共持續(xù)約90 s。天問一號著陸巡視器于7點17分54秒成功軟著陸，整個EDL過程歷時約540 s。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)任務(wù)需求，進入艙GNC系統(tǒng)產(chǎn)品配置如下。

敏感器：兩個星敏感器、兩套光纖IMU、一套微波測距測速敏感器、一個相控陣敏感器、一個光學避障敏感器、一個多功能避障敏感器，此外安裝在4個著陸緩沖足墊上的觸地開關(guān)為GNC提供關(guān)機信號，安裝在配平翼上的到位開關(guān)為GNC提供配平翼展開到位信號。

執(zhí)行機構(gòu)：包括推力器和火工品，配備1臺7500 N變推力發(fā)動機用于軌道控制；配置了6臺25 N和20臺250 N推力器用于姿態(tài)控制，250 N推力器還用于著陸巡視器動力減速段的水平位置和速度控制，其中6臺25 N和6臺250 N推力器用于大氣層外以及氣動減速段的探測器姿態(tài)控制?；鸸て钒刂普古淦揭怼椊德鋫?、拋大底、拋背罩、展著陸腿的火工品，可由GNC的控制器直接起爆，也可由數(shù)管計算機控制起爆。

控制器：進入下降控制單元(EDCU)，包括三機熱備份的控制計算機板和兩機熱備份的圖像處理板以及外圍的輔助性板卡?？刂朴嬎銠C板采集并處理敏感器信息,進行GNC算法運算,向數(shù)管系統(tǒng)發(fā)送火工品控制指令，通過推進線路盒控制7500 N變推力發(fā)動機及各推力器工作。圖像處理板接收控制計算機板發(fā)送的在軌安全點選取信息，采集并處理光學避障敏感器和多功能避障敏感器的光學圖像數(shù)據(jù)與激光地形數(shù)據(jù)，計算安全著陸點信息,根據(jù)指令將安全點信息反饋給控制計算機板。此外, EDCU還是進入艙GNC產(chǎn)品的供配電及遙測遙控管理中心。

GNC系統(tǒng)的配置及信息流如圖2所示?？梢钥闯?，全系統(tǒng)的敏感器及控制器都為熱備份，系統(tǒng)配置具有很強的容錯能力，可確保故障處理及狀態(tài)恢復的快速性。

圖2 GNC系統(tǒng)配置及信息流

進入下降控制單元與多功能避障敏感器和光學避障敏感器組成圖像處理子系統(tǒng)，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，光學避障敏感器以及多功能避障敏感器的圖像數(shù)據(jù)可同時送給主備份圖像處理板，且通道完全獨立，主備份圖板獨立處理圖像數(shù)據(jù)，并可獨立向數(shù)管系統(tǒng)傳圖像數(shù)據(jù)。

圖3 圖像處理子系統(tǒng)信息流圖

3 產(chǎn)品設(shè)計

星敏感器用于在大氣層外測量著陸巡視器的慣性姿態(tài)，采用了北京控制工程研究所的貨架產(chǎn)品。產(chǎn)品采用了基于APS成像器件和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)+精簡指令集(RISC)電路形式的設(shè)計,采用“框架組合環(huán)繞式”的結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)了光軸優(yōu)于5″(3)，橫軸優(yōu)于30″(3)的測量精度，產(chǎn)品質(zhì)量1 kg，數(shù)據(jù)更新率10 Hz，雜光抑制角半角35°。

IMU用于測量著陸巡視器在慣性空間中的角速度和加速度。每個IMU包括3個光纖陀螺和3個石英撓性加速度計，各陀螺的測量軸空間正交，加速度計測量軸與陀螺測量軸平行。IMU的陀螺量程大于400(°)/s，短時零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.2(°)/h；加速度計量程大于21(=9.8 m/s)，短時零偏穩(wěn)定性優(yōu)于1×10(3),產(chǎn)品總質(zhì)量4.5 kg。

微波測距測速敏感器在傘降段及動力下降段為GNC系統(tǒng)提供沿波束方向探測器相對火星表面的距離與速度信息，產(chǎn)品工作在Ka頻段,具有4個獨立的測距測速波束，信號處理電路部分熱備份。敏感器采用了線性調(diào)頻連續(xù)波進行測距與測速，測量波束在進入艙機械系的指向如圖4所示，敏感器總重17.5 kg。產(chǎn)品最大作用距離16 km，最小作用距離5 m。測量精度指標見表1、表2。

表1 測距精度指標

表2 測速精度指標

圖4 微波測距測速敏感器的測量波束指向示意圖

相控陣敏感器實現(xiàn)的功能和微波測距測速敏感器相近，可對微波測距測速敏感器形成備份。相控陣敏感器采用Ku波段，線性調(diào)頻中斷連續(xù)波測距，偽碼調(diào)制連續(xù)波測速。天線有256個發(fā)射/接收(T/R)組件構(gòu)成，T/R組件通過天線和電路一體化設(shè)計實現(xiàn)模塊的輕小型化。敏感器固定測量9個指向的測距測速信息，但EDCU每次指定4個波束指向，產(chǎn)品反饋這4個指向的測量信息。敏感器波束在進入艙機械系的指向如圖5所示。產(chǎn)品測量性能指標與微波測距測速敏感器一致，質(zhì)量8.7 kg。

圖5 相控陣敏感器測距測速收發(fā)天線指向示意圖

光學避障敏感器在傘降段和動力下降段對火星表面成像，圖像用于著陸安全區(qū)選取。敏感器產(chǎn)品采用APS成像器件，工作在500～800 nm的可見光頻段, 30°×30°的方形視場，分辨率2048×2048像素。敏感器根據(jù)EDCU指令工作，圖像在EDCU的圖像處理板中處理,質(zhì)量0.6 kg。

多功能避障敏感器在傘降段和動力下降段對火星表面光學成像，在懸停段進行火星表面激光三維成像。多功能避障敏感器包括光學成像模塊和激光成像模塊。光學處理模塊的性能指標與光學成像敏感器一致。激光成像模塊發(fā)射1064 nm的高重頻激光,通過微機電系統(tǒng)(MEMS)擺鏡形成對火星表面的二維掃描，經(jīng)地表反射的光線被光學系統(tǒng)接收后，為雪崩光電二極管(Avalanche photon diode,APD)捕獲，形成回波信號，經(jīng)電路處理最終形成視場范圍內(nèi)的三維地形圖像。激光成像模塊為30°×30°的圓形視場,全視場掃描時間小于500 ms。平面分辨率優(yōu)于0.2 m×0.2 m(100 m高度),斜距測量精度優(yōu)于0.15 m(3)。產(chǎn)品在距火星表面80～120 m高工作，質(zhì)量6 kg。

EDCU為GNC系統(tǒng)的控制器，包括控制計算機模塊和圖像處理模塊。其中控制計算機模塊采用可擴展處理器架構(gòu)(SPARC)的32位處理器，具有錯誤檢測與糾正(EDAC)功能，主頻10 MHz，配置了2 Mbyte的RAM存儲器?？刂朴嬎銠C模塊采用三機熱備份結(jié)構(gòu)，三機同步運行，通過三機間數(shù)據(jù)交換比對找出錯誤計算機，無縫切除故障計算機。圖像處理模塊采用北京控制工程研究所的32位處理器SOC2008，具有EDAC功能，配置32MB的RAM存儲器，兩機熱備份，兩機同步運行，EDCU的控制計算機模塊對兩機的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，完成故障圖像板的診斷和隔離。

圖6 導航敏感器使用情況示意圖

4 針對火星任務(wù)的特色設(shè)計

火星EDL過程中的大測控時延、多次火工品起爆的大沖擊是區(qū)別于其它型號的特點。此外進入艙作為短期工作設(shè)備，供電和熱控系統(tǒng)對GNC系統(tǒng)產(chǎn)品功率及加斷電時間有較嚴格的約束。為此GNC分系統(tǒng)開展了特色性設(shè)計，內(nèi)容包括自主模式管理、在軌自主供電管理、在軌自主避障功能設(shè)計和觸地開關(guān)狀態(tài)自主管理。

4.1 自主模式管理

根據(jù)著陸巡視器的飛行過程和飛行任務(wù)，系統(tǒng)共設(shè)置了11種工作模式：巡航模式、分離滑行模式、進入準備模式、攻角配平模式、升力控制模式、傘降控制模式、動力避障模式、懸停成像模式、避障機動模式、緩速下降模式和無控模式。

巡航工作模式為GNC系統(tǒng)上電后的初始工作模式，該模式下完成敏感器的狀態(tài)檢查以及各種標定，在環(huán)繞器降軌前，根據(jù)地面指令轉(zhuǎn)分離滑行模式；分離滑行模式下完成EDL前的狀態(tài)設(shè)置，啟動導航外推，與環(huán)繞器分離后進行姿態(tài)控制，分離滑行模式按時間轉(zhuǎn)著陸準備模式；著陸準備模式下，探測器建立大氣進入姿態(tài)，按時間轉(zhuǎn)攻角配平模式，開始火星EDL過程；攻角配平模式下著陸巡視器維持著陸巡視器大氣進入姿態(tài)，直到敏感到的阻力加速度大于閾值,轉(zhuǎn)升力控制模式；升力控制模式下著陸巡視器進行升力控制，當探測器馬赫數(shù)滿足閾值或軸向速度增量累計滿足閾值時，轉(zhuǎn)傘降模式；在傘降模式下進行著陸巡視器角速度阻尼，引入微波類測距測速敏感器進行慣導修正，綜合探測器高度和下落速度拋除傘-背罩組合體，轉(zhuǎn)動力避障模式；動力避障模式下用發(fā)動機減速并規(guī)避背罩及粗避障，當高度和垂向速度滿足閾值時，轉(zhuǎn)懸停成像模式；在懸停成像模式下著陸巡視器尋找落區(qū)精安全點，當找到安全點或達到模式維持時間上限后，轉(zhuǎn)避障機動模式；避障機動模式下著陸巡視器向落區(qū)安全點機動，當達到預設(shè)高度時，轉(zhuǎn)緩速下降模式；在緩速下降模式下，著陸巡視器平穩(wěn)下降，直至觸地信號有效，滿足關(guān)機條件關(guān)閉發(fā)動機，轉(zhuǎn)無控模式，系統(tǒng)任務(wù)結(jié)束。除巡航模式和分離滑行模式外，其余模式都是自主依靠判據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出。由于EDL過程不可逆，系統(tǒng)不設(shè)專門的故障工作模式。

4.2 在軌自主供電管理

受整器電源及熱控能力的約束，艙GNC系統(tǒng)用于著陸的微波測距測速敏感器、相控陣敏感器、多功能避障敏感器等需在EDL過程中自主加電，著陸后自主斷電；另一方面，EDL過程中的各火工品起爆沖擊達到1900以上，存在改變產(chǎn)品內(nèi)部繼電器觸點狀態(tài)，導致產(chǎn)品異常加斷電的可能；為此系統(tǒng)在EDL過程中自主管理敏感器的加斷電。

GNC系統(tǒng)根據(jù)EDL過程對各敏感器測量數(shù)據(jù)的需求以及敏感器加電預熱準備時間，確定敏感器的最晚加電時間，根據(jù)整器電源及熱控要求確定敏感器的最早加電時間，其間選擇合適的探測器關(guān)鍵動作點作為敏感器自主加斷電的觸發(fā)條件。此外，在EDL段各次火工品動作時，系統(tǒng)持續(xù)對控制產(chǎn)品加斷電的繼電器發(fā)送維持當前狀態(tài)的控制信號，使繼電器內(nèi)部控制線圈持續(xù)產(chǎn)生電磁力以吸合觸點，保持當前狀態(tài)，提高繼電器抗沖擊的能力。

4.3 自主避障功能

天問一號著陸巡視器繼承了嫦娥系列月球著陸器的動力下降接力避障架構(gòu)設(shè)計，先在約1 km高空利用落區(qū)光學平面圖進行粗安全點選擇，再在100 m低空利用落區(qū)三維地形圖進行精安全點選擇，光學粗避障算法和三維地形精避障算法基本繼承嫦娥系列月球著陸器，此外根據(jù)探測器任務(wù)特點進行了光學雙目與激光三維成像異構(gòu)備份、背罩規(guī)避和粗避障安全著陸區(qū)的一體化確定和光學雙目避障算法等火星任務(wù)特色設(shè)計，下面詳細闡述。

在敏感器配置上，通過光學避障敏感器和多功能避障敏感器的相互配合，實現(xiàn)了成像功能的完全備份。在整器安裝上，多功能避障敏感器與光學避障敏感器的光軸指向平行，并拉開一定的間距，形成雙目基線。粗安全點選擇時，光學避障敏感器和多功能避障敏感器光學模塊互為備份；精安全點選擇時，光學避障敏感器和多功能避障敏感器光學模塊構(gòu)成光學雙目立體相機，完成落區(qū)的光學雙目立體成像，與多功能避障敏感器的激光三維成像模塊形成功能上的異構(gòu)備份,如圖7所示。

圖7 成像類敏感器組合使用方案

在系統(tǒng)能力上，增加了著陸全程成像功能。從傘降段拋大底后，EDCU以固定時間間隔控制兩個光學相機同步拍圖，將圖像傳輸給數(shù)管保存，直至探測器落火，期間EDCU根據(jù)圖像的灰度，實時調(diào)整相機的曝光時間。

著陸巡視器動力減速過程中，為避免著陸平臺和傘-背罩組合相撞，GNC系統(tǒng)提出了背罩規(guī)避和粗避障安全著陸區(qū)的一體化確定策略。即拋除傘-背罩組合體后，著陸巡視器的水平速度小于閾值時，著陸巡視器向傘降段末期軌跡的軌道平面外機動，機動目標為基于敏感器所拍光學圖像尋找的安全著陸區(qū)；若速度大于閾值，則不執(zhí)行背罩規(guī)避機動，待進入艙到達預定高度范圍(高度800～850 m)后光學相機完成粗避障成像，而后依圖選擇安全落點并完成避障機動。

在時序設(shè)計上，在粗安全點選擇時，由控制計算機模塊向圖像板主備份發(fā)送光學相機成像指令，圖像板控制光學避障敏感器和多功能避障敏感器光學模塊同時曝光成像，并接收兩臺敏感器的圖像。為了達到異構(gòu)備份的目的，主份圖像處理板處理多功能避障敏感器的光學圖像數(shù)據(jù)，備份圖像處理板處理光學避障敏感器的光學圖像數(shù)據(jù)。EDCU的控制計算機板獲取兩個圖像板的計算結(jié)果，優(yōu)先使用主份圖像處理板的計算結(jié)果，故障時使用備份圖像處理板的計算結(jié)果。

100 m懸停時，由控制計算機模塊向圖像板主備份發(fā)送精避障成像指令，精避障最多串行進行三次圖像處理，前兩次使用多功能避障敏感器所拍攝的落區(qū)激光三維地形數(shù)據(jù)，最后一次使用光學雙目立體相機所拍攝的落區(qū)光學立體地形數(shù)據(jù)，任意一次圖像處理獲得安全點則向控制計算機板返回解算結(jié)果，并取消后續(xù)成像操作。精避障時兩份圖板處理板獲得的成像數(shù)據(jù)完全一致，并都向數(shù)管發(fā)送三維地形數(shù)據(jù)，達到了精避障所用數(shù)據(jù)冗余處理及存儲的目的。

自主避障系統(tǒng)首次實現(xiàn)了地外天體軟著陸實時雙目視覺成像及安全點選取功能。為了實現(xiàn)雙目計算的實時性，系統(tǒng)對雙目成像算法中重復性強的部分進行了FPGA硬件化。整個雙目視覺系統(tǒng)從采集圖像到安全點計算完成用時約2 s，滿足系統(tǒng)實時使用的需求。

4.4 觸地開關(guān)狀態(tài)自主管理

著陸巡視器接觸火星表面后,GNC系統(tǒng)需盡快關(guān)閉推力器，否則著陸巡視器有傾覆的危險。為直接判斷觸地狀態(tài)，GNC系統(tǒng)配置了4個觸地關(guān)機敏感器，分別安裝在著陸巡視器四條著陸腿的足墊上。敏感器為觸點開關(guān)型，提供0/1型的觸點通斷信號。著陸過程的火工品起爆、彈開傘等力學環(huán)境可能會導致觸地敏感器開關(guān)觸點誤通斷。1999年美國極地著陸器在火星EDL過程中失聯(lián)，事后分析最大的可能性是機構(gòu)動作時的沖擊誤觸發(fā)了觸地開關(guān)，控制計算機依判據(jù)過早關(guān)閉了發(fā)動機，探測器墜毀。汲取經(jīng)驗教訓，天問一號進入艙GNC系統(tǒng)設(shè)計了一套觸地開關(guān)狀態(tài)自主管理策略：

1)進入下降控制單元中的FPGA實時采集觸地關(guān)機敏感器的開關(guān)狀態(tài)并進行濾波，若濾波后為觸地狀態(tài)，則FPGA輸出保持該狀態(tài)。

2)軟件在所有火工品動作執(zhí)行完畢后，將FPGA輸出的四路觸地開關(guān)狀態(tài)置為未觸地狀態(tài)，而后從動力規(guī)避模式開始到避障模式結(jié)束進行FPGA輸出的四路觸地開關(guān)狀態(tài)診斷，若此時軟件采集到某一路觸地開關(guān)為觸地狀態(tài)，則認為該路敏感器開關(guān)故障，后續(xù)不參與系統(tǒng)觸地關(guān)機邏輯判斷；

3)緩速下降模式不進行觸地開關(guān)故障診斷，GNC系統(tǒng)采用了時間+觸地開關(guān)+加速度的多重策略判斷著陸，詳見文獻[8]。

5 系統(tǒng)試驗驗證

在研制過程中，針對新研單機和新研算法系統(tǒng)開展了一系列的專項驗證試驗，以下簡單闡述。

針對新研的大量程輕小型化IMU及系統(tǒng)大動態(tài)導航算法，開展了火箭彈試驗、彈開傘動載試驗、系統(tǒng)動態(tài)導航試驗，驗證了模擬火星EDL的高動態(tài)、大沖擊工況下的產(chǎn)品工作性能及系統(tǒng)導航性能，文獻[9]詳述。

開展了系統(tǒng)級掛飛試驗，將IMU、相控陣敏感器、多功能避障敏感器、光學避障敏感器及進入下降控制單元裝上直升機，飛機以不同的姿態(tài)、高度和速度在預選的地形地貌上空飛行，對多功能避障敏感器的激光三維成像功能、光學雙目避障算法，基于雷達測速及IMU測量結(jié)果在線恢復慣導基準的算法開展試驗驗證,圖8所示是分系統(tǒng)直升機掛飛試驗圖。

圖8 系統(tǒng)直升機掛飛試驗

同嫦娥三號著陸器類似，天問一號著陸巡視器也開展了懸停避障試驗。對探測器懸停到觸地過程的GNC系統(tǒng)的控制能力及工作程序、敏感器的工作性能、GNC系統(tǒng)與推進系統(tǒng)的配合能力、系統(tǒng)觸地關(guān)機策略等進行了驗證。文獻[11]對試驗情況進行了詳細的說明。

6 在軌飛行情況

在火星EDL過程中進入艙GNC系統(tǒng)按預期完成了各項操作，敏感器工作正常，系統(tǒng)工作正常。著陸巡視器平穩(wěn)著陸火星表面，在軌選擇的著陸區(qū)安全。

圖9是以開傘點的星下點為原點，建立天南東系下的探測器EDL全程運動曲線。可見主航程是在攻角配平段和升力控制段下完成的，在升力控制段下，可以明顯看到升力控制傾側(cè)角調(diào)整產(chǎn)生的對橫向位移的控制。傘降段和動力減速段航程改變不大。

圖9 天南東系下的著陸巡視器EDL過程運動軌跡

圖10所示是傘降段飛行軌跡，圖中拋大底點的軌跡跳變是由于解算高度時火星半徑由火星橢球半徑調(diào)整為落區(qū)當?shù)匕霃剿鶎е?。傘降段著陸巡視器向南飄約6 km，測距信息的引入并沒有造成導航高度的突變，這也說明EDL前期的慣性導航精度較好。

圖10 傘降段飛行軌跡

圖11所示是傘降段的本體系縱軸速度和加速度曲線，橫軸為相對大氣進入點的時刻。GNC分系統(tǒng)敏感器測得的開傘最大加速度約6，拋大底的沖擊導致縱向加速度有尖峰。開傘后約40 s，傘所提供的縱向加速度基本穩(wěn)定在3.9 m/s附近，未看到降落傘的喘振效應(yīng)，降落傘的減速效果好，最終穩(wěn)降速度約58 m/s。

圖11 本體系縱軸速度和加速度曲線

圖12所示是動力減速段著陸巡視器在開傘點天東南坐標下的三維空間運動軌跡。系統(tǒng)在約1330 m高光學敏感器成像，解算背罩規(guī)避方向及安全點位置。從圖中可以看出動力規(guī)避段做背罩規(guī)避機動，探測器向北偏東機動約285 m。

圖12 動力減速段三維運動軌跡

圖13所示是多功能避障敏感器的激光三維模塊拍的落區(qū)地形圖，可看出落區(qū)較平坦。圖14所示是著陸后火星車所拍背罩方向的著陸區(qū)光學圖像，兩圖黑色橢圓區(qū)域為對應(yīng)的崎嶇區(qū)域。

圖13 激光三維地形圖

圖14 落區(qū)光學圖

根據(jù)著陸后的各方數(shù)據(jù)，天問一號著陸巡視器最終實際落點為火星(109.926°E，25.066°N)，GNC分系統(tǒng)在軌導航落點為火星(109.908°E，25.083°N)。導航落點距實際落點差約1.37 km，實際落點距理論落點約3.11 km,著陸精度達到世界先進水平。

著陸器最終觸地時垂直速度為1.547 m/s，水平速度0.156 m/s，觸地時著陸巡器縱軸與重力方向夾角0.0042°，三軸角速度小于0.34(°)/s。著陸姿態(tài)平穩(wěn)。

7 結(jié) 論

著陸巡視器進入艙GNC系統(tǒng)是天問一號火星探測器重要系統(tǒng)之一，面對火星EDL任務(wù)特點，系統(tǒng)開展了自主性、魯棒性及輕小型化等設(shè)計。根據(jù)實際飛行數(shù)據(jù)分析以及著陸后祝融號火星車和環(huán)繞器拍攝的圖像顯示，我國首次火星著陸任務(wù)堪稱完美，GNC系統(tǒng)工作正常。天問一號火星成功著陸，為我國火星采樣返回、小行星探測等后續(xù)深空任務(wù)打下良好的基礎(chǔ)。