航天九院多項科技保駕“天問一號”進入火星軌道
2021年2月10日，“天問一號”火星探測器順利實施近火制動，完成火星捕獲，準確進入火星軌道。
在這一關鍵過程中，要想得知火星探測器是否進入了正確軌道？它的準確位置在哪裏？它工作狀態怎麼樣？從地球給它發出的指令能否正確傳達並被準確執行？中國航天科技集團公司第九研究院的多項科技產品在爲此保駕護航。
加表組合、光纖陀螺組合確保精確入軌
火星環繞器的捕獲制動是本次火星探測任務的難點之一，也是關鍵任務之一。火星環繞器在捕獲火星軌道時，要保證火星環繞器精確入軌，就需要13所研製的火星環繞器GNC分系統加表組合。它能夠實現對環繞器的加速度進行精確測量，控制系統通過返回參數控制發動機實施制動操作，從而使探測器能夠準確進入火星軌道。它在整個捕獲階段中扮演着關鍵角色。
加表組合是13所爲火星環繞器GNC分系統配套研製的關鍵單機。它採用獨立雙冗餘設計，具有高精度、高穩定性、高可靠性、環境適應性好等特點，用於環繞器中途軌道修正、捕獲制動、軌道調整期間的線加速度、速度增量的測量。
同時，13所時代光電公司研製的光纖陀螺組合作爲火星環繞器GNC分系統的唯一慣性測量裝置，同樣發揮着重要作用。該裝置用於測量火星環繞器三正交軸相對於慣性空間的轉動角速度，爲實現高精度和高穩定度的姿態控制提供有力保障。
與地球軌道衛星不同，火星環繞器需要飛離地球，經歷地-火轉移軌道才能到達火星軌道。由於火星軌道距離地球遠，受運載火箭推力等因素限制，火星探測任務對光纖陀螺組合提出了輕質化、高可靠和高精度的要求。
型號隊伍開展多輪技術攻關，重點突破了輕質化、高精度兩項關鍵技術，具備了啓動快、精度高、可靠性高、環境適應性好等優點，不僅可滿足首次火星探測任務，而且能夠滿足較長時間國內深空探測對於慣性產品體積、重量、飛行距離、測量精度、運行時間等嚴格的技術需求，極大拓展了光纖陀螺組合未來的使用場景和應用領域。
X頻段深空應答機精準傳輸指令
在進入火星軌道時，探測器需要實施近火制動。此時，探測器距離地球近1.9億公里，發動機點火時間爲1000多秒，屆時通訊延時近11分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控。這時就該539廠自主研製的X頻段深空應答機出場了。
它是深空領域國內首臺X頻段高靈敏數字化應答機。研製人員攻克了4億公里地火遠距離通信技術等多項關鍵技術難題，達到了國際先進水平。在功能上與傳統應答機相比，它能夠適應不同遙控、遙測碼速率的信息傳輸和高靈敏度的捕獲、跟蹤和數據解調。同時，研製人員對它還進行了功能升級，根據不同指令，實現測控和數傳雙功能工作模式的切換。
爲了最大限度保證探測器被火星捕獲成功，539廠的研發人員還在計算機中提前設置了一套程序控制。即便在制動過程中，探測器發生突發狀況時，也能夠發出精準的指令，自主完成相應的處理。在這一關鍵過程中，深空應答機全程監控，把過程中的遙測變化信息連續回傳，便於地面遠程觀測和地面判斷。
天線組陣技術打造極遠距離信息通道
隨着“天問一號”探測器與地球距離的持續增大，地面接收到的信號變得極其微弱。這對測控通信系統來說是前所未有的考驗。爲此，我國自主研製成功了運用天線組陣技術的深空測控系統，用於接收探測器從數億公里外發出的信號，同時將地面指揮控制命令發往探測器。
九院704所爲該深空測控系統研製了世界一流水平的天線組陣信號採集與數據記錄、信號合成及解調處理設備兩個關鍵分系統設備。它們通過採集4個35米口徑天線接收到的來自遙遠火星探測器發出的測控信號。它採用國際先進的數字信號處理技術實現4路信號的高效率合成和遙測數傳數據的低損耗解調，達到等效66米口徑大天線的接收性能。
在深空天線組陣系統中，704所在國內首次採用了通用計算機集羣架構，利用分佈式前端採樣、異構軟件資源池技術，實現了多天線組陣的高效合成，多種體制信號測量等功能，具備靈活的系統升級擴展能力。
其實，539廠的深空應答機與704所的深空測控天線組陣設備共同構成了火星探測器與地球家園的唯一信息橋樑，關係到整個任務的成敗。
在“天問一號”後續任務階段，九院研製的多種科技設備還將繼續發揮作用，持續爲“天問一號”保駕護航。
