第1章 绪论

1.1 基本概念

1.1.1　制导、导航与控制

制导、导航与控制技术(Guidance/Navigation and Control,GNC)是对运动体运动过程进行控制的一门综合学科,常用于汽车、船舶、飞机以及航天器的运动(包括位置、速度、姿态等)控制。制导、导航与控制在运动过程中所起到的作用不同。通俗地讲,如果制导、导航与控制的目标是实现运动体从A点移动到B点,那么其中“导航”的作用是“确定自身当前位置在哪儿”,“制导”的作用是“应该向哪个方向走才能到达目标位置”,“控制”的作用是“确定方向后具体实施”。以人的行为作类比,“导航”是信息获取层面,“制导”是决策层面,“控制”是执行层面。

制导、导航与控制技术对于不同类型的对象,其具体含义不同。本书主要针对的是航天器,因此只从航天器的角度来解释制导、导航与控制的基本概念[1]。

1.1.1.1　导航

对于航天器来说,导航(navigation)就是指确定或估计航天器运动状态参数的过程,相应的运动状态参数包括描述质心运动状态的位置、速度和描述绕质心转动的姿态角、角速度等。

从技术角度讲,导航就是确定航天器的轨道和姿态。由于姿态确定方法比较成熟,因此航天器的导航通常仅指确定航天器的轨道。为了实现航天器导航,需要由其内部或外部的测量装置提供测量信息,连同轨道控制信息一起,利用轨道动力学模型和估计算法,获得航天器当前(或某一时刻)质心运动参数的估计。

对于航天器来说,实现导航的方式种类很多,比较成熟的包括天文导航、图像导航、无线电导航、卫星导航、惯性导航等,未来还有一些新兴的导航方法,例如脉冲星导航等[2]。

1.1.1.2　制导

制导(guidance)是根据导航所得到的飞行轨道和姿态,确定或生成航天器在控制力作用下飞行规律的过程。制导控制技术是指设计与实现制导方式、制导律、制导控制系统所采用的一系列综合技术。制导控制技术是空间技术和高技术制导武器发展的必然结果。目前制导控制技术已经形成较完善的体系,包括自主式制导、遥控制导、寻的制导、复合制导和数据链制导等。

制导律是制导控制技术的重要组成部分,包括机动策略和参考轨迹,它是根据系统得到的飞行状态和预定的飞行目标,以及受控运动的限制条件计算出来的。

1.1.1.3　控制

控制(control)是指确定执行机构指令并操纵其动作的过程。所谓自动控制就是在无人直接参与下,利用控制器和控制装置使被控对象在某个工作状态或参数(即被控量)下自动地按照预定的规律运行,以完成特定的任务。

对于航天器来说,在不同轨道阶段,必须按任务要求采取不同姿态,或使有关部件指向所要求的方向。为了达到和保持这样的轨道和姿态指向,就需要进行轨道控制和姿态控制。

轨道控制是指对航天器施以外力,改变其质心运动轨迹的技术。轨道控制律给出推进系统开关机、推力大小和推力方向指令,航天器执行指令以改变飞行速度的大小和方向,沿着制导律要求的轨迹飞行[3,4]。

姿态控制是获取并保持航天器在空间定向(即相对于某个坐标系的姿态)的技术[5,6],主要包括姿态机动、姿态稳定和姿态跟踪。姿态机动是指航天器从一种姿态转变到另一种姿态的控制任务,例如变轨时,为了能够通过轨控发动机在给定方向产生速度增量,需要将航天器从变轨前的姿态变更到满足变轨要求的点火姿态。姿态稳定是指克服内外干扰力矩,使航天器在本体坐标系中保持对某基准坐标系定向的控制任务。例如轨控点火时,发动机推力方向始终保持对惯性空间或轨道系稳定。姿态跟踪是指航天器为了实现制导输出的实时变化目标(推力)方向,不断改变自身的飞行姿态,使本体特定轴始终与制导目标一致的控制任务。例如着陆和上升过程,姿态控制不断改变航天器自身姿态,使得固连在航天器上的发动机输出的推力能够不断跟踪实时计算且始终变化的制导指令。

1.1.2　深空探测

前面已经介绍了航天器制导、导航与控制的基本概念,可以感受到制导、导航与控制包含的内容非常广,涉及的技术非常多。从制导、导航与控制之间的关系看,导航是前提,制导是核心,控制是手段。鉴于制导控制技术的重要性,本书只围绕制导这一核心问题展开。

制导本身也是一个比较宽泛的概念,针对不同的对象、不同的任务场景有很多不同的具体技术。因此在开展制导控制技术深入讲解之前,还需要介绍一下本书的研究对象——深空探测。

在航天领域,从任务功能的角度可以将航天器分为三大类型,即应用卫星、载人航天和深空探测。应用卫星的特点是服务型的,目的是为人类生产、生活或者军事活动提供支持,包括导航卫星、通信卫星、气象卫星、侦察卫星等。载人航天器的特点是为人在地球大气层外活动提供平台,即有人的大气层外飞行器。深空探测器则是飞离地球轨道的一类航天器,这类航天器一般肩负着人类探索宇宙,了解太阳系起源、演变和现状,探索生命演化等科学任务。

我国2000年发布的《中国的航天》白皮书指出,深空探测是指对太阳系内除地球外的行星、小行星、彗星的探测,以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探索。因此,按照我国通常的定义,深空探测航天器是指对月球和月球以外的天体与空间进行探测的航天器,包括月球探测器、行星和行星际探测器等。而国际上,按照世界无线电大会的标准,通常将距离地球2×106km以上的宇宙空间称为深空,并在世界航天组织中交流时使用这一标准。