第1章?緒論

1.1?基本概念

1.1.1　制導、導航與控制

制導、導航與控制技術(Guidance/Navigation and Control,GNC)是對運動體運動過程進行控制的一門綜合學科,常用于汽車、船舶、飛機以及航天器的運動(包括位置、速度、姿態等)控制。制導、導航與控制在運動過程中所起到的作用不同。通俗地講,如果制導、導航與控制的目標是實現運動體從A點移動到B點,那么其中“導航”的作用是“確定自身當前位置在哪兒”,“制導”的作用是“應該向哪個方向走才能到達目標位置”,“控制”的作用是“確定方向后具體實施”。以人的行為作類比,“導航”是信息獲取層面,“制導”是決策層面,“控制”是執行層面。

制導、導航與控制技術對于不同類型的對象,其具體含義不同。本書主要針對的是航天器,因此只從航天器的角度來解釋制導、導航與控制的基本概念[1]。

1.1.1.1　導航

對于航天器來說,導航(navigation)就是指確定或估計航天器運動狀態參數的過程,相應的運動狀態參數包括描述質心運動狀態的位置、速度和描述繞質心轉動的姿態角、角速度等。

從技術角度講,導航就是確定航天器的軌道和姿態。由于姿態確定方法比較成熟,因此航天器的導航通常僅指確定航天器的軌道。為了實現航天器導航,需要由其內部或外部的測量裝置提供測量信息,連同軌道控制信息一起,利用軌道動力學模型和估計算法,獲得航天器當前(或某一時刻)質心運動參數的估計。

對于航天器來說,實現導航的方式種類很多,比較成熟的包括天文導航、圖像導航、無線電導航、衛星導航、慣性導航等,未來還有一些新興的導航方法,例如脈沖星導航等[2]。

1.1.1.2　制導

制導(guidance)是根據導航所得到的飛行軌道和姿態,確定或生成航天器在控制力作用下飛行規律的過程。制導控制技術是指設計與實現制導方式、制導律、制導控制系統所采用的一系列綜合技術。制導控制技術是空間技術和高技術制導武器發展的必然結果。目前制導控制技術已經形成較完善的體系,包括自主式制導、遙控制導、尋的制導、復合制導和數據鏈制導等。

制導律是制導控制技術的重要組成部分,包括機動策略和參考軌跡,它是根據系統得到的飛行狀態和預定的飛行目標,以及受控運動的限制條件計算出來的。

1.1.1.3　控制

控制(control)是指確定執行機構指令并操縱其動作的過程。所謂自動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象在某個工作狀態或參數(即被控量)下自動地按照預定的規律運行,以完成特定的任務。

對于航天器來說,在不同軌道階段,必須按任務要求采取不同姿態,或使有關部件指向所要求的方向。為了達到和保持這樣的軌道和姿態指向,就需要進行軌道控制和姿態控制。

軌道控制是指對航天器施以外力,改變其質心運動軌跡的技術。軌道控制律給出推進系統開關機、推力大小和推力方向指令,航天器執行指令以改變飛行速度的大小和方向,沿著制導律要求的軌跡飛行[3,4]。

姿態控制是獲取并保持航天器在空間定向(即相對于某個坐標系的姿態)的技術[5,6],主要包括姿態機動、姿態穩定和姿態跟蹤。姿態機動是指航天器從一種姿態轉變到另一種姿態的控制任務,例如變軌時,為了能夠通過軌控發動機在給定方向產生速度增量,需要將航天器從變軌前的姿態變更到滿足變軌要求的點火姿態。姿態穩定是指克服內外干擾力矩,使航天器在本體坐標系中保持對某基準坐標系定向的控制任務。例如軌控點火時,發動機推力方向始終保持對慣性空間或軌道系穩定。姿態跟蹤是指航天器為了實現制導輸出的實時變化目標(推力)方向,不斷改變自身的飛行姿態,使本體特定軸始終與制導目標一致的控制任務。例如著陸和上升過程,姿態控制不斷改變航天器自身姿態,使得固連在航天器上的發動機輸出的推力能夠不斷跟蹤實時計算且始終變化的制導指令。

1.1.2　深空探測

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

制導本身也是一個比較寬泛的概念,針對不同的對象、不同的任務場景有很多不同的具體技術。因此在開展制導控制技術深入講解之前,還需要介紹一下本書的研究對象——深空探測。

在航天領域,從任務功能的角度可以將航天器分為三大類型,即應用衛星、載人航天和深空探測。應用衛星的特點是服務型的,目的是為人類生產、生活或者軍事活動提供支持,包括導航衛星、通信衛星、氣象衛星、偵察衛星等。載人航天器的特點是為人在地球大氣層外活動提供平臺,即有人的大氣層外飛行器。深空探測器則是飛離地球軌道的一類航天器,這類航天器一般肩負著人類探索宇宙,了解太陽系起源、演變和現狀,探索生命演化等科學任務。

我國2000年發布的《中國的航天》白皮書指出,深空探測是指對太陽系內除地球外的行星、小行星、彗星的探測,以及太陽系以外的銀河系乃至整個宇宙的探索。因此,按照我國通常的定義,深空探測航天器是指對月球和月球以外的天體與空間進行探測的航天器,包括月球探測器、行星和行星際探測器等。而國際上,按照世界無線電大會的標準,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使用這一標準。