“千里眼”相控阵敏感器助力“天问一号” 度过“黑色9分钟”

科技日报记者 付毅飞 操秀英

5月15日，“天问一号”火星探测器成功着陆在距离地球亿万公里外的火星乌托邦平原。此次火星探测是我国首次独立开展的行星星际探测任务，旨在通过一次发射实现对火星的环绕、着陆和巡视。

作为位置和速度测量的重要手段，中国航天科工二院25所独立研发的具备高精度测量能力的相控阵敏感器，持续为航天器提供高精度的测量数据，成功助力着陆巡视器安全着陆火星表面。

首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量

据介绍，相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方，作用范围达数十千米，可谓火星探测器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的测量敏感器一起，密切配合，“接力”引导航天器平安落地。相控阵敏感器在航天器进入火星大气后，距火星表面约 7千米高度时开始工作，持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据，用于航天器的减速、悬停和软着陆控制，直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。

航天器从130多公里的高空进入火星大气，时速高达每秒5.9公里，要在短短9分钟时间内，让航天器的速度降低到零，是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的环节。

相控阵敏感器总工程师孙武介绍，这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量。与此前的载人航天工程任务不同，火星和地球之间距离漫长，通信存在十几分钟的时延，在地球上无法控制着陆过程，必须让着陆巡视器自主完成这“黑色9分钟”的旅程，对敏感器提出的要求极为苛刻。 

“相比于国内外已有的着陆测量雷达，相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成，就像生物学中蜻蜓的复眼，具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。”孙武详细介绍了新体制敏感器的技术优势。

孙武称，25所研制的相控阵敏感器可以提供9个方向的测量功能，探测的方向可以通过软件定义，航天器可以切换其中任意4个方向同时测量距离速度信息，从而快速修正航天器的姿态测量误差，准确地找到火星的水平面，确保着陆器的方向控制准确无误。”

抗干扰 高可靠 

相控阵敏感器主任设计师刘佳透露，火星着陆巡视器在下降过程中，会经历多种工作环境。与之前落月任务相比，由于火星重力比月球大，着陆下降加速度会更快，需要利用火星大气进行降落伞减速。在高速下落过程中打开降落伞，航天器会因减速冲击发生剧烈摆动，是影响着陆成败的关键时刻。

“这一瞬间，在相控阵敏感器的测量方向上，距离会有很大的变化，同时部分测量信号会打到地平线以上，出现检测不到目标的情况。”刘佳说，“对相控阵敏感器来说，就像在快速荡秋千时，眼睛要看清地面一页纸上写的字。”

产品相控阵体制测量速度快、受干扰影响小的特点，在摆动过程中依然能够实现快速、准确测量，同时，航天器可以通过软件切换测量方向，选用可探测到地面的方向信号，为着陆成功提供了坚强保障。 

此外，火星上时常会发生剧烈的尘暴天气，在巡视着陆器靠近火星表面时，航天器发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾，对探测传感器造成影响。

“微波信号体制应对这种环境具有相对优势，”软件设计师徐秋锋说，“在这个前提下，产品在信号频段选择上做了充分的对比和论证，采用多种算法进行了综合优化，并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态，确保测量的可靠性。” 

同时，相控阵敏感器采用了瓦片式收发模块高密度集成，大幅提高了小型化、轻量化水平，“相当于用 1套设备完成9套传统设备的功能。”设计师贾学振介绍，“这意味着航天器可以携带更多科学载荷和燃料，完成更多的探测任务。”