无线联试：探测火星前的一次大练兵

火星车与着陆巡视器外观设计构型图国防科工局探月与航天工程中心供图
近日，北京航天飞行控制中心圆满完成了我国首次火星探测任务无线联试。
北京航天飞行控制中心火星任务团队负责人崔晓峰向科技日报记者介绍，无线联试相当于模拟未来航天任务的整个过程。包括哪个阶段要发送什么指令、实施什么控制，航天器要做什么动作等等，对任务全程进行演练和测试。
“此次联试取得成功，我们对火星探测任务心里就真正有底了。”他说。
控制中心与探测器唯一合练机会
在航天任务中，航天器发射以后，都要由地面控制中心进行控制。无线联试就是指航天任务实施前，地面控制中心和航天器各个系统之间开展的连接测试。
崔晓峰表示，无线联试的主要要求，是要能真正有效地覆盖任务的情况，保证任务可靠性。如果联试的内容有缺失，导致一部分重要的情形没有验证到，无疑会给任务带来很大风险。因此在联试准备阶段，对其内容、过程、方式方法的设计极为重要。经过多年的航天任务经验积累，我国已形成一套成熟、科学、高效的体系，来开展这方面的工作筹划。
按照我国火星探测工程总体计划安排，我国首次火星探测任务将在今年7月实施。此次无线联试是火星任务控制中心与火星探测器正样的唯一一次地面联合演练。
紧凑的工程进度为无线联试的开展增加了难度。崔晓峰说，由于工程研制进度十分紧张，各系统工作压力原本就大，要安排共同时间开展全系统演练，组织工作十分艰巨。
但此时开展无线联试却又势在必行。崔晓峰说，联试要在各个系统的研制工作基本完成以后进行才有意义。如果进行得过早，各系统状态可能还没有完全确定；如果再晚，会直接影响发射前的各项进程。联试时间，实际上是在具备联试条件的前提下，根据工程计划往前倒排而确定下来的。
根据北京航天飞行控制中心发布的消息，本次联试充分验证了探测器与地面系统的接口匹配性和一致性，对各类方案、技术状态、软硬件系统进行了全面测试，达到了联试预期效果。
崔晓峰说，在此之前，火星任务控制中心与火星探测器真器本身还没有进行过交互与控制。联试整个过程走下来，打通了信息传递处理等环节，证明了此前方案的正确性。“这样，我们对任务的信心就完全建立起来。”他说。
联试“出卷人”面临难题
据报道，此次无线联试采用真实的飞控系统以及真实的航天器，所有重大关键过程全部按照1∶1全过程演练。崔晓峰介绍说，联试的一大原则，就是根据系统验证的需求，尽可能做到完全真实。
我国首次火星任务将一次实现对火星的绕、落及巡视探测，任务十分复杂。相比我国以往的航天任务，火星探测任务光飞行时间就将近7个月，加上制动下降、着陆火星，任务时间周期很长，可能面临的情况也很多。但联试的时间有限，怎样把整个任务覆盖进去，把这么多复杂的工作压缩到很短的时间里，成为联试“出卷人”面临的难题。
崔晓峰说，对于此次联试，在前期开展了大量设计工作，以选取最具典型性、代表性的内容进行测试，简化了一些可以通过其他方式验证的内容。同时通过时间压缩等特殊手段，实现全过程覆盖。
这张“考卷”划了哪些重点？
崔晓峰说，探测器飞向火星途中需要开展多次轨道修正，接近火星时要进行制动从而进入火星捕获轨道。此外，探测器在火星降落是整个任务中风险最大的一个环节，在各国火星探测任务中，大部分失败案例都是在这个环节功亏一篑。探测器进入火星大气到降落的过程只有几分钟，在这么短时间内需要完成减速以及各种调整。由于火星距离地球非常遥远，信号传输延时长达几十分钟，这些动作无法实时控制，只能提前设定编排程序，预先把指令发给探测器，在实施降落时由探测器自主控制。
无线联试正是要验证这些指令的正确性。“如果事先计算的控制量、指令的编排有错误，任务真正执行的时候就会出问题。而这次联试正是进行全面检验的过程。”崔晓峰说。
火星任务联试比探月更复杂
由于其重要性，无线联试是各项航天任务实施前必须经历的一项考核，包括我国多次开展的探月任务都是如此。不过崔晓峰表示，火星任务无线联试比探月任务更为复杂。
他说，两者的不同之处主要源于任务特点。首先月球是地球的卫星，围绕地球旋转。火星是行星，它与地球一起围绕太阳旋转。这样一来，地球、探测器以及目标星体之间的相互位置关系就有很大不同。
对于月球车与火星车来说，工作环境也有很大区别。月面虽然有石块、撞击坑，但没有空气流动，环境相对静止。火星表面不仅地形复杂，而且有各种天气变化，可以持续数月的尘暴等恶劣气候环境，将给探测器带来严峻考验。
在距离方面，月球距离地球大约30万公里，信号延迟几乎可以忽略，对探测器相当于可以实时控制。而火星距离地球最近也有大约5000万公里，最远可达4亿公里，信号延迟超过地月信号延迟千倍，发给探测器、火星车的指令都需要预先编排规划，设定好动作以及合适的执行时间。探测器收到指令，在适当时间执行之后，再择机把数据传回地球。每一次交互都需要一定周期。
记者了解到，后续北京航天飞行控制中心火星任务团队将持续完善各项方案预案，优化组织流程，落实技术细节，全力完成我国首次火星探测飞控任务。