第1章?緒論

1.1?基本概念

1.1.1　制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)(Guidance/Navigation and Control,GNC)是對(duì)運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制的一門綜合學(xué)科,常用于汽車、船舶、飛機(jī)以及航天器的運(yùn)動(dòng)(包括位置、速度、姿態(tài)等)控制。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制在運(yùn)動(dòng)過程中所起到的作用不同。通俗地講,如果制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),那么其中“導(dǎo)航”的作用是“確定自身當(dāng)前位置在哪兒”,“制導(dǎo)”的作用是“應(yīng)該向哪個(gè)方向走才能到達(dá)目標(biāo)位置”,“控制”的作用是“確定方向后具體實(shí)施”。以人的行為作類比,“導(dǎo)航”是信息獲取層面,“制導(dǎo)”是決策層面,“控制”是執(zhí)行層面。

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)對(duì)于不同類型的對(duì)象,其具體含義不同。本書主要針對(duì)的是航天器,因此只從航天器的角度來解釋制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的基本概念[1]。

1.1.1.1　導(dǎo)航

對(duì)于航天器來說,導(dǎo)航(navigation)就是指確定或估計(jì)航天器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的過程,相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)包括描述質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的位置、速度和描述繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的姿態(tài)角、角速度等。

從技術(shù)角度講,導(dǎo)航就是確定航天器的軌道和姿態(tài)。由于姿態(tài)確定方法比較成熟,因此航天器的導(dǎo)航通常僅指確定航天器的軌道。為了實(shí)現(xiàn)航天器導(dǎo)航,需要由其內(nèi)部或外部的測(cè)量裝置提供測(cè)量信息,連同軌道控制信息一起,利用軌道動(dòng)力學(xué)模型和估計(jì)算法,獲得航天器當(dāng)前(或某一時(shí)刻)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)。

對(duì)于航天器來說,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的方式種類很多,比較成熟的包括天文導(dǎo)航、圖像導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等,未來還有一些新興的導(dǎo)航方法,例如脈沖星導(dǎo)航等[2]。

1.1.1.2　制導(dǎo)

制導(dǎo)(guidance)是根據(jù)導(dǎo)航所得到的飛行軌道和姿態(tài),確定或生成航天器在控制力作用下飛行規(guī)律的過程。制導(dǎo)控制技術(shù)是指設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)方式、制導(dǎo)律、制導(dǎo)控制系統(tǒng)所采用的一系列綜合技術(shù)。制導(dǎo)控制技術(shù)是空間技術(shù)和高技術(shù)制導(dǎo)武器發(fā)展的必然結(jié)果。目前制導(dǎo)控制技術(shù)已經(jīng)形成較完善的體系,包括自主式制導(dǎo)、遙控制導(dǎo)、尋的制導(dǎo)、復(fù)合制導(dǎo)和數(shù)據(jù)鏈制導(dǎo)等。

制導(dǎo)律是制導(dǎo)控制技術(shù)的重要組成部分,包括機(jī)動(dòng)策略和參考軌跡,它是根據(jù)系統(tǒng)得到的飛行狀態(tài)和預(yù)定的飛行目標(biāo),以及受控運(yùn)動(dòng)的限制條件計(jì)算出來的。

1.1.1.3　控制

控制(control)是指確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令并操縱其動(dòng)作的過程。所謂自動(dòng)控制就是在無人直接參與下,利用控制器和控制裝置使被控對(duì)象在某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量)下自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行,以完成特定的任務(wù)。

對(duì)于航天器來說,在不同軌道階段,必須按任務(wù)要求采取不同姿態(tài),或使有關(guān)部件指向所要求的方向。為了達(dá)到和保持這樣的軌道和姿態(tài)指向,就需要進(jìn)行軌道控制和姿態(tài)控制。

軌道控制是指對(duì)航天器施以外力,改變其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)。軌道控制律給出推進(jìn)系統(tǒng)開關(guān)機(jī)、推力大小和推力方向指令,航天器執(zhí)行指令以改變飛行速度的大小和方向,沿著制導(dǎo)律要求的軌跡飛行[3,4]。

姿態(tài)控制是獲取并保持航天器在空間定向(即相對(duì)于某個(gè)坐標(biāo)系的姿態(tài))的技術(shù)[5,6],主要包括姿態(tài)機(jī)動(dòng)、姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤。姿態(tài)機(jī)動(dòng)是指航天器從一種姿態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種姿態(tài)的控制任務(wù),例如變軌時(shí),為了能夠通過軌控發(fā)動(dòng)機(jī)在給定方向產(chǎn)生速度增量,需要將航天器從變軌前的姿態(tài)變更到滿足變軌要求的點(diǎn)火姿態(tài)。姿態(tài)穩(wěn)定是指克服內(nèi)外干擾力矩,使航天器在本體坐標(biāo)系中保持對(duì)某基準(zhǔn)坐標(biāo)系定向的控制任務(wù)。例如軌控點(diǎn)火時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向始終保持對(duì)慣性空間或軌道系穩(wěn)定。姿態(tài)跟蹤是指航天器為了實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)輸出的實(shí)時(shí)變化目標(biāo)(推力)方向,不斷改變自身的飛行姿態(tài),使本體特定軸始終與制導(dǎo)目標(biāo)一致的控制任務(wù)。例如著陸和上升過程,姿態(tài)控制不斷改變航天器自身姿態(tài),使得固連在航天器上的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的推力能夠不斷跟蹤實(shí)時(shí)計(jì)算且始終變化的制導(dǎo)指令。

1.1.2　深空探測(cè)

前面已經(jīng)介紹了航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的基本概念,可以感受到制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制包含的內(nèi)容非常廣,涉及的技術(shù)非常多。從制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制之間的關(guān)系看,導(dǎo)航是前提,制導(dǎo)是核心,控制是手段。鑒于制導(dǎo)控制技術(shù)的重要性,本書只圍繞制導(dǎo)這一核心問題展開。

制導(dǎo)本身也是一個(gè)比較寬泛的概念,針對(duì)不同的對(duì)象、不同的任務(wù)場(chǎng)景有很多不同的具體技術(shù)。因此在開展制導(dǎo)控制技術(shù)深入講解之前,還需要介紹一下本書的研究對(duì)象——深空探測(cè)。

在航天領(lǐng)域,從任務(wù)功能的角度可以將航天器分為三大類型,即應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天和深空探測(cè)。應(yīng)用衛(wèi)星的特點(diǎn)是服務(wù)型的,目的是為人類生產(chǎn)、生活或者軍事活動(dòng)提供支持,包括導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等。載人航天器的特點(diǎn)是為人在地球大氣層外活動(dòng)提供平臺(tái),即有人的大氣層外飛行器。深空探測(cè)器則是飛離地球軌道的一類航天器,這類航天器一般肩負(fù)著人類探索宇宙,了解太陽系起源、演變和現(xiàn)狀,探索生命演化等科學(xué)任務(wù)。

我國(guó)2000年發(fā)布的《中國(guó)的航天》白皮書指出,深空探測(cè)是指對(duì)太陽系內(nèi)除地球外的行星、小行星、彗星的探測(cè),以及太陽系以外的銀河系乃至整個(gè)宇宙的探索。因此,按照我國(guó)通常的定義,深空探測(cè)航天器是指對(duì)月球和月球以外的天體與空間進(jìn)行探測(cè)的航天器,包括月球探測(cè)器、行星和行星際探測(cè)器等。而國(guó)際上,按照世界無線電大會(huì)的標(biāo)準(zhǔn),通常將距離地球2×106km以上的宇宙空間稱為深空,并在世界航天組織中交流時(shí)使用這一標(biāo)準(zhǔn)。