星載GNC技術(shù) 現(xiàn)狀及發(fā)展淺析

程文華　張雅聲　姚紅 （裝備學(xué)院航天裝備系）

星載GNC技術(shù) 現(xiàn)狀及發(fā)展淺析

程文華張雅聲姚紅 （裝備學(xué)院航天裝備系）

星載制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）技術(shù)是指為了實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)而對航天器進(jìn)行的一系列的軌道規(guī)劃、軌道機(jī)動和姿軌聯(lián)合控制。星載GNC系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，是進(jìn)行任何航天任務(wù)必不可少的先決條件。其中，導(dǎo)航定義為測定航天器的位置和速度，并且計(jì)算出達(dá)到期望位置和速度的相關(guān)調(diào)整量；制導(dǎo)與控制定義為通過對航天器進(jìn)行控制，以保持航天器滿足所需的指向精度要求，同時(shí)，在必要時(shí)，還要進(jìn)行跟蹤導(dǎo)航計(jì)算。

從第一顆人造衛(wèi)星上天，星載GNC技術(shù)已歷經(jīng)了近60年的發(fā)展，取得了令人矚目的成就，尤其是近些年以來，無論是合作或者非合作目標(biāo)的空間交會對接、空間在軌服務(wù)、月球探測、火星探測、行星際飛行、深空探測、小行星著陸等等，無一不彰顯著星載GNC技術(shù)取得的巨大發(fā)展與成就。

GNC技術(shù)要素之間的交互

1　 星載GNC技術(shù)的組成

星載GNC技術(shù)可以分為兩個(gè)方面：一是GNC飛行算法與軟件；二是GNC飛行設(shè)備，包括星載設(shè)備和地面測試設(shè)備。

為了更好地說明GNC各部分之間的關(guān)系，以衛(wèi)星安全著陸GNC系統(tǒng)為例，分析其各部分之間的交互關(guān)系。

基于GNC技術(shù)的衛(wèi)星安全著陸制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

GNC飛行算法及軟件

GNC飛行算法及軟件分為慣性導(dǎo)航與控制和相對目標(biāo)估計(jì)。慣性導(dǎo)航與控制又分為六自由度制導(dǎo)控制、非線性軌道優(yōu)化、自主GNC系統(tǒng)、集成軟件系統(tǒng)和小推力制導(dǎo)等；相對目標(biāo)估計(jì)又分為相對目標(biāo)位置和姿態(tài)估計(jì)、大氣內(nèi)制導(dǎo)控制、危險(xiǎn)探知及規(guī)避、編隊(duì)飛行控制和高精度指向系統(tǒng)等。

GNC飛行設(shè)備

GNC飛行設(shè)備分為星載設(shè)備和地面測試設(shè)備。星載設(shè)備又分為相對目標(biāo)傳感器、慣性傳感器等；地面測試設(shè)備又分為自由飛行推進(jìn)測試平臺、六自由度試驗(yàn)?zāi)M器、長時(shí)間的航空試驗(yàn)平臺和高速再入著陸測試平臺等。

GNC飛行算法及軟件組成

GNC飛行設(shè)備組成

2　 未來星載GNC技術(shù)的發(fā)展方向

航天任務(wù)帶動著航天技術(shù)的發(fā)展，是航天技術(shù)發(fā)展的源動力，也是航天技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。航天任務(wù)的發(fā)展方向直接決定著航天技術(shù)的發(fā)展方向。只有了解不同航天任務(wù)的特點(diǎn)，才能有針對性的發(fā)展航天技術(shù)。

未來可能進(jìn)行的航天任務(wù)

2 0 1 1年底，我國發(fā)布了自己的航天白皮書《2011年中國的航天》，在總結(jié)過去5年成果的基礎(chǔ)上，公布了未來5年的主要任務(wù)。同年，美國國家研究委員會（NRC）按照美國航空航天局（NASA）科學(xué)任務(wù)理事會（SMD）行星科學(xué)分會（PSD）的要求做了一份報(bào)告—《2013-2022年行星科學(xué)發(fā)展展望》，文中設(shè)想了許多依靠新技術(shù)的未來行星探索任務(wù)。結(jié)合其他國家的航天發(fā)展規(guī)劃，可以得到未來航天任務(wù)的發(fā)展方向，大致包含以下四個(gè)方面。

（1）深空探測

它主要包括對金星、木星、土星、天王星、海王星及其附屬衛(wèi)星的探測。深空探測任務(wù)目標(biāo)遠(yuǎn)、工作時(shí)間長、環(huán)境情況未知且復(fù)雜多變，這些特點(diǎn)使得對深空探測器的GNC與近地衛(wèi)星具有很大的區(qū)別。目前，對于深空探測器的控制往往采用天地大回路的方式，由于上傳鏈路的延遲、星體之間的遮擋、數(shù)據(jù)傳輸速率低等原因，這種方式很難保證探測器能夠長期穩(wěn)定可靠地工作，極大地限制了深空探測任務(wù)的實(shí)施。未來的深空探測任務(wù)是面向更遠(yuǎn)天體目標(biāo)的任務(wù)，這就要求探測器具有高度的自主性，而且由于缺乏先驗(yàn)信息，對GNC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性也提出了很高的要求。

（2）星體著陸與表面采樣返回

它主要包括月球著陸、火星著陸、彗星著陸、小行星著陸以及木衛(wèi)二和土衛(wèi)六的著陸。隨著我國探月工程的順利實(shí)施開展，在未來的航天任務(wù)中，星體著陸任務(wù)勢必會占有很大的比重。這類任務(wù)同樣需要全面自主的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制，對于那些重力加速度比較大的、具有大氣的星體，著陸器需要有較強(qiáng)的抗干擾能力，這就要求著陸器的姿態(tài)和軌道始終處在高頻率的閉環(huán)控制下；此外，由于是著陸，還需要有危險(xiǎn)探知及規(guī)避系統(tǒng)。目前，對于星體著陸的技術(shù)已經(jīng)在登月和探測火星中得到了驗(yàn)證，未來航天任務(wù)中的星體著陸將會面對許多未知的星體，這就要求更為先進(jìn)的傳感器及算法，以增強(qiáng)GNC系統(tǒng)的魯棒性。

未來美國海王星探測器示意圖

歐洲“惠更斯”探測器著陸土衛(wèi)六示意圖

未來美國載人登月示意圖

美國自主在軌服務(wù)示意圖

（3）載人航天

它主要涉及交會對接、空間站、載人登月以及載人登火星等。自1961年人類第一次進(jìn)入太空，載人航天的歷史已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)。載人航天匯集了最新的科學(xué)技術(shù)成果，最能體現(xiàn)一個(gè)國家的綜合國力，大大拓展了人類認(rèn)識太空利用太空的范圍，催生出了一大批的新學(xué)科、新材料、新技術(shù)，使人類發(fā)展進(jìn)入了新的階段。未來的載人航天將會朝著更快更高的方向發(fā)展，區(qū)別于無人的星載GNC系統(tǒng)，載人的星載GNC系統(tǒng)應(yīng)該具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和更高的精度要求。此外，地面測試對于未來的載人航天任務(wù)將起到至關(guān)重要的作用。

（4）自主在軌服務(wù)

它主要涉及空間裝配、空間維護(hù)、在軌修理等。目前，參與執(zhí)行在軌服務(wù)的主要有航天員、航天飛機(jī)、飛船和一些空間機(jī)械臂等輔助設(shè)備。相比于有人參與的在軌服務(wù)，自主在軌服務(wù)首先降低了太空操作的危險(xiǎn)，保障了航天員的生命；其次，節(jié)省了大量的人力物力；再次，由于自主運(yùn)行，減少了與外界的通信，增強(qiáng)了其隱蔽性；最后，自主在軌服務(wù)能夠快速及時(shí)地解決突發(fā)問題，提高航天器運(yùn)行的效率。正是這些優(yōu)越性，促使著世界各航天強(qiáng)國聚焦于自主在軌服務(wù)，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，未來也還會有更多的自主在軌服務(wù)任務(wù)。

對這些任務(wù)分析可以發(fā)現(xiàn)一些共同的特點(diǎn)：①往返時(shí)間很長；②環(huán)境情況未知；③復(fù)雜故障響應(yīng)；④高精度指向要求；⑤預(yù)算高。面對這些多種多樣的航天任務(wù)及新特點(diǎn)，雖然星載GNC技術(shù)歷經(jīng)幾十年發(fā)展，但仍不足以完成上面的任務(wù)，需要GNC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展來克服面臨的挑戰(zhàn)。

未來星載GNC技術(shù)的發(fā)展方向

為了適應(yīng)未來航天任務(wù)的新特點(diǎn)，未來星載GNC技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該在以下5個(gè)方面：

1）自主GNC技術(shù)。尤其針對那些具有未知環(huán)境、不確定性精度以及需要逼近探測的航天任務(wù)。

2）先進(jìn)的GNC傳感器。不僅在單個(gè)傳感器上進(jìn)行突破，也需要在集成傳感器上取得進(jìn)步。舉個(gè)例子，一個(gè)相機(jī)、一個(gè)激光雷達(dá)、一個(gè)慣性測量元件以及一個(gè)計(jì)算機(jī)就可以構(gòu)成一個(gè)傳感器系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)既可以測高測速，也可以實(shí)現(xiàn)相對目標(biāo)導(dǎo)航，甚至可以進(jìn)行危險(xiǎn)探知，一個(gè)傳感器系統(tǒng)替代了四個(gè)系統(tǒng)。

3）GNC集成技術(shù)。不僅僅是指制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制三者構(gòu)成一個(gè)整體，而且是多任務(wù)類型的GNC系統(tǒng)的集成，包括多數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，這樣可以使得任何一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行時(shí)更為經(jīng)濟(jì)高效，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和任務(wù)目標(biāo)的合理交互。

4）系統(tǒng)級的建模、測試與仿真。地面測試對航天任務(wù)的成敗起到至關(guān)重要的作用，每一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用都需要地面進(jìn)行詳盡的測試，每一個(gè)航天任務(wù)在上天之前都需要在地面進(jìn)行模擬仿真。為了提高地面驗(yàn)證的可靠性，需要進(jìn)行一體化的建模仿真以提高仿真系統(tǒng)的逼真度。

5）通用模塊設(shè)計(jì)。不僅是指各航天器上通用模塊的設(shè)計(jì)，也是不同領(lǐng)域之間相同原理通用模塊的設(shè)計(jì)，這樣做可以大大提高技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可重復(fù)性，利于技術(shù)在不同領(lǐng)域之間的轉(zhuǎn)移。

3　 結(jié)束語

星載制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的技術(shù)進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)未來航天任務(wù)的必不可少的先決條件。本文首先分析了星載GNC技術(shù)的組成；之后，結(jié)合國內(nèi)外的未來航天任務(wù)，得出了未來星載GNC技術(shù)的發(fā)展方向，對我國的相關(guān)研究工作具有一定的指導(dǎo)意義。

Current Situation and Development Analysis Of Space borne GNC