前言

深空探測航天器，簡稱深空探測器或探測器，是指對月球以及月球以外的天體與空間進行探測的航天器。對于深空探測而言，由于探測器飛行距離非常遙遠，地面干預特別困難，制導、導航與控制（GNC）系統的任務目標是實現探測器自主的軌道和姿態控制，其中，制導控制技術對于探測器完成關鍵階段的飛行控制尤為重要，例如軌道轉移控制、目標天體交會和捕獲控制、進入下降著陸控制、起飛上升控制、返回再入控制等。

在深空探測任務過程中，制導、導航與控制系統的三個組成部分各司其職、相互配合。導航負責獲取飛行狀態信息，制導負責制定飛行策略或確定飛行方向，控制負責實際執行，在這三者之中，制導處于核心地位。制導的嚴格定義是引導和控制航天器按照一定規律飛向目標或預定軌道的技術和方法。對于深空探測器來說，制導的主要任務是按照飛行目標或預定的飛行軌跡，確定當前實施軌跡調整所需要的控制量，即改變飛行軌跡所需要的加速度的大小、方向及后續的變化規律。該加速度可以由推進系統產生，也可以利用氣動、太陽光壓等外界環境產生。鑒于制導控制技術對深空探測的重要核心作用，本書專門針對該技術進行深入研究和探討。

由于深空探測任務目標多種多樣，不同飛行階段所采用的制導控制技術各不相同，涉及面非常廣，在一本書中很難面面俱到。為了便于讀者理解和獲得一個整體印象，本書從制導控制技術的基本原理出發，重點圍繞軌道轉移控制、軟著陸控制、大氣進入/再入控制等幾個具有代表性的關鍵飛行過程展開。書中詳細研究論述了各階段制導控制方法的推導過程、算法編排、仿真驗證和性能分析，并對地面試驗技術進行了簡單的介紹。

全書內容分為4個部分，共9章。第1部分為第1章緒論，介紹制導控制技術的基本概念，對深空探測任務中制導問題的內涵、制導與導航和控制的關系、主要的制導方法等內容進行梳理和歸納，并對全書的主要內容進行概括。第2部分為理論篇，包括第2、3章，分別是制導控制的動力學基礎和控制理論基礎，它們為后續章節介紹具體制導控制方法提供了基礎知識準備。第3部分為應用篇，包括第4～8章，其中第4～7章的每一章都以一個深空探測重要的任務階段為對象，研究探討具體的制導控制技術，包括轉移接近過程、軟著陸過程、大氣進入下降過程和返回再入過程，這四個階段基本覆蓋了目前深空探測任務中主要的制導控制飛行階段。第8章作為共用技術，介紹了深空探測制導控制的地面試驗方法。第4部分是第9章，對深空探測制導控制技術未來的發展趨勢進行了展望。

本書的主要特色如下。

（1）本書進行了比較充分的理論方法回顧，介紹了研究深空探測制導控制技術所必須了解的坐標系系統、時間系統、動力學模型以及最優控制理論等基礎知識。這樣由淺入深的過程，非常有利于讀者對根本問題的把握，以及對制導控制技術建立一個比較完整的概念。

（2）本書研究討論的制導控制技術，強調的是實用性，所涉及的技術方法很多都在國內外典型的深空探測任務中得到了應用和驗證，包括阿波羅、維京、好奇號等，也包括我國的嫦娥系列月球探測器。

（3）本書注重的是航天動力學、最優控制理論等與實際制導技術的結合，因此在敘述技術應用時會對相關的理論方法進行簡單的回顧，以便于讀者建立理論與應用之間的聯系。本書在編寫過程中，得到了李鐵壽研究員、何英姿研究員、魏春嶺研究員和李果研究員對本書章節內容安排的具體指導，得到了中國空間技術研究院嫦娥系列型號任務團隊和火星型號任務團隊的大力支持，其中張曉文、徐超、褚永輝等參與了本書部分內容的仿真、驗證和整理工作。

承蒙葉培建院士、劉良棟研究員、吳宏鑫院士、楊孟飛院士和馬興瑞老師對本書出版的深切關注和大力支持，嫦娥三號/四號總設計師和首次火星探測任務探測器總設計師孫澤洲研究員對本書給予了指導并提出寶貴意見。

本書的研究工作得到了國家杰出青年科學基金（61525301）、國防科技卓越青年科學基金、國家自然科學基金（61690215、61673057、61503023）、民用航天項目、北京空間飛行器總體設計部、北京控制工程研究所的大力支持，在此表示衷心的感謝。

深空探測制導控制技術的覆蓋面非常廣，技術發展非常迅速，再加上作者水平有限，難以全面、完整地就研究前沿一一深入探討。書中不當之處，懇請讀者批評指正。

著者