火星火星，我要如何找到你？天问一号的这个秘密武器不得了飞行200余天

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飞行200余天，跋涉4.75亿公里，天问一号终于靠近火星，完美实现刹车制动进入环火轨道。
要实现这次刹车制动，天问一号首先要找到并飞近火星。茫茫宇宙中，天问一号探测器如何依靠自己找到火星？答案就在天问一号上配置的一个秘密武器——光学导航敏感器。它可以利用拍摄的恒星与火星图像，精确计算出自身的飞行姿态、位置与速度，实现相对火星的自主导航。这也是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术。
“光学导航敏感器就好比天问一号自动驾驶过程中的‘眼睛’ 。 ”上海航天技术研究院光学导航专家郑循江打了个比方。一旦有了这双明亮的眼睛，在飞近火星的航行中，探测器靠这双眼睛实时观测火星的距离和方向，让飞控团队可以更直观地确认飞行轨道和姿态，计算图像中火星的几何中心和视半径。这样一来，天问一号就可以通过最优估计算法来自主获取实时的位置和速度信息了。
据透露，导航过程中，上海航天专家通过探测器姿态控制系统来保证光学导航敏感器始终指向火星中心，利用火星图像不仅可以计算出探测器飞向火星的位置和速度，同时还可以精准标校出姿态指向控制系统的角度偏移量，这对于探测器的空间姿态指向绝对基准的确认十分有效。火星环绕器GNC方案副主任设计师王卫华说， “正是有了光学导航敏感器对火星成像数据的标校，才进一步为飞控团队提供了修正空间姿态控制基准的依据，也为飞近火星时高分相机拍照过程的姿态指向控制提供了有力支撑。 ”
这样一个“神器”难度自然不小。
其中，目标光学特性先验信息的缺乏，是深空自主导航技术的难点。尤其是由远及近的飞行过程中光照方向、目标大小等连续变化，这就要求导航敏感器必须自主适应图像由点到面、由弱到强的大范围波动。此外，拍摄的图像中除了真实的火星边缘，还有因太阳照射角度不同所形成的火星明暗交界面，俗称“伪边缘” ，导航敏感器需要准确地剔除“伪边缘” ，才能得到准确的自主导航结果。
值得关注的是，这是我国深空自主导航技术首次在行星际飞行中应用，国内并无经验可参考，上海航天研制团队一点点在摸索中前进。针对全飞行剖面中导航敏感器的每个工作/存储环节、每个环境条件、每个设计参数以及每个重要部组件，研制团队设计了大大小小百余个试验项目，新研了火星模拟器等地面试验条件。
7年来，这群上海航天人不是在做试验，就是在去做试验的路上，正是有了广泛的试验数据加持，完成了设计方案的多轮优化，并最终完成了最恶劣条件下的全部功能及性能的验证。
【火星火星，我要如何找到你？天问一号的这个秘密武器不得了】此前，在天问一号飞近火星500万公里后，飞控团队对光学导航敏感器进行了目标特性的测试和成像参数的确定，并开启了自主导航算法，验证了飞往火星过程的光学自主导航功能，火星方位、距离和探测器飞行速度的导航计算结果符合预期。特别是验证了火星边缘提取及轮廓亚像素拟合技术以及光学导航观测量时间空间精确对准算法，获取了大量有效的在轨数据。而这也标志着我国成为世界上第二个掌握并在轨验证了火星光学自主导航技术的国家。
栏目主编：刘锟本文作者：刘锟文字编辑：刘锟题图来源：上海航天