星載GNC技術 現狀及發展淺析

程文華　張雅聲　姚紅 （裝備學院航天裝備系）

星載GNC技術 現狀及發展淺析

程文華張雅聲姚紅 （裝備學院航天裝備系）

星載制導、導航與控制（GNC）技術是指為了實現特定目標而對航天器進行的一系列的軌道規劃、軌道機動和姿軌聯合控制。星載GNC系統是衛星系統的重要組成部分，是進行任何航天任務必不可少的先決條件。其中，導航定義為測定航天器的位置和速度，并且計算出達到期望位置和速度的相關調整量；制導與控制定義為通過對航天器進行控制，以保持航天器滿足所需的指向精度要求，同時，在必要時，還要進行跟蹤導航計算。

從第一顆人造衛星上天，星載GNC技術已歷經了近60年的發展，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的空間交會對接、空間在軌服務、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技術取得的巨大發展與成就。

GNC技術要素之間的交互

1　 星載GNC技術的組成

星載GNC技術可以分為兩個方面：一是GNC飛行算法與軟件；二是GNC飛行設備，包括星載設備和地面測試設備。

為了更好地說明GNC各部分之間的關系，以衛星安全著陸GNC系統為例，分析其各部分之間的交互關系。

基于GNC技術的衛星安全著陸制導導航與控制系統

GNC飛行算法及軟件

GNC飛行算法及軟件分為慣性導航與控制和相對目標估計。慣性導航與控制又分為六自由度制導控制、非線性軌道優化、自主GNC系統、集成軟件系統和小推力制導等；相對目標估計又分為相對目標位置和姿態估計、大氣內制導控制、危險探知及規避、編隊飛行控制和高精度指向系統等。

GNC飛行設備

GNC飛行設備分為星載設備和地面測試設備。星載設備又分為相對目標傳感器、慣性傳感器等；地面測試設備又分為自由飛行推進測試平臺、六自由度試驗模擬器、長時間的航空試驗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飛行設備組成

2　 未來星載GNC技術的發展方向

航天任務帶動著航天技術的發展，是航天技術發展的源動力，也是航天技術發展的目標。航天任務的發展方向直接決定著航天技術的發展方向。只有了解不同航天任務的特點，才能有針對性的發展航天技術。

未來可能進行的航天任務

2 0 1 1年底，我國發布了自己的航天白皮書《2011年中國的航天》，在總結過去5年成果的基礎上，公布了未來5年的主要任務。同年，美國國家研究委員會（NRC）按照美國航空航天局（NASA）科學任務理事會（SMD）行星科學分會（PSD）的要求做了一份報告—《2013-2022年行星科學發展展望》，文中設想了許多依靠新技術的未來行星探索任務。結合其他國家的航天發展規劃，可以得到未來航天任務的發展方向，大致包含以下四個方面。

（1）深空探測

它主要包括對金星、木星、土星、天王星、海王星及其附屬衛星的探測。深空探測任務目標遠、工作時間長、環境情況未知且復雜多變，這些特點使得對深空探測器的GNC與近地衛星具有很大的區別。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、數據傳輸速率低等原因，這種方式很難保證探測器能夠長期穩定可靠地工作，極大地限制了深空探測任務的實施。未來的深空探測任務是面向更遠天體目標的任務，這就要求探測器具有高度的自主性，而且由于缺乏先驗信息，對GNC系統的實時性和穩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二和土衛六的著陸。隨著我國探月工程的順利實施開展，在未來的航天任務中，星體著陸任務勢必會占有很大的比重。這類任務同樣需要全面自主的制導、導航與控制，對于那些重力加速度比較大的、具有大氣的星體，著陸器需要有較強的抗干擾能力，這就要求著陸器的姿態和軌道始終處在高頻率的閉環控制下；此外，由于是著陸，還需要有危險探知及規避系統。目前，對于星體著陸的技術已經在登月和探測火星中得到了驗證，未來航天任務中的星體著陸將會面對許多未知的星體，這就要求更為先進的傳感器及算法，以增強GNC系統的魯棒性。

未來美國海王星探測器示意圖

歐洲“惠更斯”探測器著陸土衛六示意圖

未來美國載人登月示意圖

美國自主在軌服務示意圖

（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年人類第一次進入太空，載人航天的歷史已經有半個世紀。載人航天匯集了最新的科學技術成果，最能體現一個國家的綜合國力，大大拓展了人類認識太空利用太空的范圍，催生出了一大批的新學科、新材料、新技術，使人類發展進入了新的階段。未來的載人航天將會朝著更快更高的方向發展，區別于無人的星載GNC系統，載人的星載GNC系統應該具有更強的適應性、穩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將起到至關重要的作用。

（4）自主在軌服務

它主要涉及空間裝配、空間維護、在軌修理等。目前，參與執行在軌服務的主要有航天員、航天飛機、飛船和一些空間機械臂等輔助設備。相比于有人參與的在軌服務，自主在軌服務首先降低了太空操作的危險，保障了航天員的生命；其次，節省了大量的人力物力；再次，由于自主運行，減少了與外界的通信，增強了其隱蔽性；最后，自主在軌服務能夠快速及時地解決突發問題，提高航天器運行的效率。正是這些優越性，促使著世界各航天強國聚焦于自主在軌服務，進行了一系列的試驗驗證，未來也還會有更多的自主在軌服務任務。

對這些任務分析可以發現一些共同的特點：①往返時間很長；②環境情況未知；③復雜故障響應；④高精度指向要求；⑤預算高。面對這些多種多樣的航天任務及新特點，雖然星載GNC技術歷經幾十年發展，但仍不足以完成上面的任務，需要GNC技術的進一步發展來克服面臨的挑戰。

未來星載GNC技術的發展方向

為了適應未來航天任務的新特點，未來星載GNC技術的發展方向應該在以下5個方面：

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

2）先進的GNC傳感器。不僅在單個傳感器上進行突破，也需要在集成傳感器上取得進步。舉個例子，一個相機、一個激光雷達、一個慣性測量元件以及一個計算機就可以構成一個傳感器系統，這個系統既可以測高測速，也可以實現相對目標導航，甚至可以進行危險探知，一個傳感器系統替代了四個系統。

3）GNC集成技術。不僅僅是指制導、導航與控制三者構成一個整體，而且是多任務類型的GNC系統的集成，包括多數據融合技術等，這樣可以使得任何一個任務在執行時更為經濟高效，實現系統功能和任務目標的合理交互。

4）系統級的建模、測試與仿真。地面測試對航天任務的成敗起到至關重要的作用，每一項新技術的應用都需要地面進行詳盡的測試，每一個航天任務在上天之前都需要在地面進行模擬仿真。為了提高地面驗證的可靠性，需要進行一體化的建模仿真以提高仿真系統的逼真度。

5）通用模塊設計。不僅是指各航天器上通用模塊的設計，也是不同領域之間相同原理通用模塊的設計，這樣做可以大大提高技術的轉化效率，增強系統的可重復性，利于技術在不同領域之間的轉移。

3　 結束語

星載制導、導航與控制的技術進步是實現未來航天任務的必不可少的先決條件。本文首先分析了星載GNC技術的組成；之后，結合國內外的未來航天任務，得出了未來星載GNC技術的發展方向，對我國的相關研究工作具有一定的指導意義。

Current Situation and Development Analysis Of Space borne GNC