中国航天器未来发展的GNC关键技术*

李 果

（中国空间技术研究院，北京100094）

中国航天器未来发展的GNC关键技术*

李 果

（中国空间技术研究院，北京100094）

针对未来航天器的发展需求，在对照国外航天器控制系统的先进水平和国内现有技术差距的基础上，提出了中国在航天器控制技术领域的发展目标和方向，并梳理出了一些支撑未来中国航天器制导、导航与控制技术发展的关键技术.

航天器；GNC；关键技术

过去几十年的空间开发利用活动对人类社会的政治、经济、国防、科技以及日常生活产生了广泛而深远的影响.空间技术正在全球迅速扩展，卫星通信、导航、遥感等技术已经得到了广泛深入的应用.

随着空间事业和科学技术的不断发展，航天器也经历了从试验到应用、从结构简单到结构复杂、从任务单一到任务多样的发展过程，卫星控制系统的复杂程度和性能要求也越来越高.不断增长的航天任务需求对航天器控制技术提出了新的问题和挑战.为了满足未来航天器对高精度、高可靠性和自主性等方面的要求，有必要开展新一代高性能控制系统关键技术的攻关研究.

本文从航天专业技术发展入手，针对未来航天器发展需求，在对照国外航天器控制系统的先进水平和国内现有技术差距的基础上，梳理出了一些支撑中国航天器制导、导航与控制未来发展的关键技术.具体包括如下几个方面：

1）高精度、高稳定度控制与快速姿态机动控制技术；

2）航天器自主运行技术；

3）深空探测航天器自主GNC技术；

4）多航天器高精度相对测量、相对控制技术；

5）航天器控制系统先进仿真技术.

本文将分别对以上5项关键技术的发展需求、发展现状和发展目标进行论述.

1 高精度、高稳定度控制与快速姿态机动控制技术

1.1 发展需求

中国大型对地观测卫星和新型气象卫星对高精度、高稳定度控制技术的需求非常迫切.一些任务要求星体在短时间内快速侧倾并大角度俯仰机动，在达到目标角执行任务时对姿态和姿态角速度有很高的精度要求.

1.2 发展现状

由国外的调研可知，从早期的阿波罗（Apollo）望远镜（ATM）开始，根据光学有效载荷的不同，航天器姿态控制的技术指标有指向精度、稳定度／长期稳定度、抖动／短期稳定度等，其中著名的哈勃太空望远镜（HST）［1］，其指向精度0.01″，姿态稳定度要求在数小时内镜像在焦面的稳定度误差不超过0.007″，在18m in内完成90°姿态机动.而美国的锁眼（KH-11／KH-12）［2］可见光成像侦察卫星在HST的基础上增加了一台可提供变轨机动能力的大型火箭发动机，其中KH-12改进了帆板的设计，被称为“极限摄像平台”.为了实现复杂卫星的甚高精度姿态控制指标，控制对象的变参数、不确定性、非线性等特性对甚高精度姿态控制的影响不能被忽略.必须从高精度的建模、部件指标的精细分配、控制方法研究等着手，提高和改进控制系统每一个环节的设计.例如，美国的下一代空间望远镜JWST［3］（见图1）采用可展开式光学有效载荷，其结构复杂而成像分辨率将比HST提高一个数量级，NASA正在开展相关的试验和理论研究.

图1 JWST太空望远镜

在卫星快速机动方面，为了增加成像幅宽，对突发事件地区实现即时观测，或通过卫星沿轨迹方向的前视和后视来实现同轨立体成像，对卫星快速机动能力提出了严格的要求［4］.例如美国“增强型成像系统”（EIS），它在高级光学成像侦察卫星的基础上稍加修改，增加了成像雷达天线，卫星质量达20 t.上述卫星配备大力矩控制力矩陀螺（CMG），具有侧摆机动能力，但具体控制指标秘而不宣.俄罗斯发射的ARKON卫星，卫星质量约6 t，具有20°左右侧摆能力，在其运行高度可使星上相机对远离星下点1 000 km范围内的多个目标区进行成像，也能对同一目标进行多视角观测.法国的“太阳神”（Helios）卫星，质量为2.5 t，可在25s内完成60°姿态机动.

国内“十一五”期间，北京控制工程研究所承担有关卫星高精度姿态控制的机理和方法的研究，从非线性滤波、控制建模以及智能自适应控制方法等方面开展机理和方法的基础性研究.针对复杂航天器变结构、变参数及不确定性特点研制甚高精度控制技术，引入部分智能控制的思想和手段，采用有效的测量和控制技术，提高控制系统对复杂航天器不确定因素的适应能力，从而达到甚高精度控制和长期稳定运行的目的.

1.3 发展目标与方向

研究快速机动与稳定控制方法，探讨制约卫星快速机动的因素，提出实现快速机动及稳定控制的有效方法，以满足对地观测卫星的观测范围和实时性要求，从而提高卫星对地观测能力.在80s内实现70°大角度机动，机动最大角速度不小于4（°）／s，姿态稳定度优于10－4（°）／s.

2 航天器自主运行技术

2.1 发展需求

实现航天器自主运行，对减轻地面测控负担、降低航天器运行成本和提高航天器生存能力等方面具有重要意义，这是航天科学技术发展的趋势.未来航天器的复杂程度越来越高，对可靠性的要求也越来越高，这对航天器自主诊断、系统重构与容错控制技术提出了更高的要求.

2.2 发展现状

美国一些主要研究机构（包括NASA的哥达德航天中心GSFC、海军研究院、JPL实验室等单位）和大学先后于20世纪80年代开始了航天器智能自主控制的研究.GSFC研制的亚毫米波天文卫星通过地面装载在处理器中的预编指令实现航天器自主运行，在最坏情况下，航天器的设计可以保证在与地面失去联系时间长达28 h的条件下实现自主运行，而不危急正常运行.近地航天器智能自主运行的一个典型代表是地球观测1号（EO-1）航天器，其核心是航天器自主实验舱，主要作用是实现在轨自主决策和规划以探测地球上的短期突发事件，并有选择性的下传高价值的科学数据.

从20世纪60年代开始，美国、俄罗斯和欧空局先后研究了多种卫星自主导航方案，并研制了相应的星载测量仪器，其中一部分还进行了在轨飞行试验，包括林肯试验卫星8号和9号的在轨自主位置保持试验、利用航天飞机的空间六分仪导航系统飞行试验、俄罗斯研制的基于雷达高度计的自主导航试验等.与全自主导航方法相比，基于导航星的导航方法精度要高得多，且已得到广泛应用.经飞行试验验证其精度在10m量级，这种方法虽然精度较高，但并不是完全自主的，它依赖于导航星座的稳定运行［5-6］.

自主故障诊断及故障后的系统重构是自主运行航天器不可或缺的关键功能.为提高航天器的安全性与可靠性，减少损失，美国等西方国家从20世纪50年代就开始航天器故障诊断技术的研究，并取得了大量的研究和应用成果.随着航天器飞行任务的扩展，工作寿命延长等要求的提高，对航天器故障诊断技术的要求也不断提高.目前国外航天器已从原来单一配置的各分系统（如控制系统、电源系统、推进系统等）的故障诊断系统，向集系统状态监测、故障预测、故障诊断和故障修复为一体的航天器集成健康管理系统发展.航天器健康管理的概念出现于20世纪70年代，并于20世纪90年代掀起了研究热潮.世界航天大国在这方面开展了大量的研究工作，并在实际飞行中得到成功应用.目前，美国已在“深空一号”探测器（Deep Space 1）、地球观测卫星-1（EO-1）、火星巡视探测器（Mars Exp loration Rover）、航天飞机等航天器上成功运用了自主健康管理技术，对保证上述航天器的可靠运行发挥了重要作用.目前，国外航天器的在轨故障诊断与重构已逐步形成由天-地两大部分组成的系统，航天器上配有独立的自主故障诊断与重构的软件系统或硬件单元，由地面建立的故障诊断专家系统完成对航天器运行状态的实时监测与诊断.

尽管中国在卫星自主运行控制技术方面已经有一定的理论研究基础，但多数还处于原理和方法层面，主要是跟踪国外研究状况，差距明显.中国航天器的自主故障诊断与重构技术仍停留在国外早期的水平.目前已应用的自主故障诊断方法仅针对少数可预知的故障设计，并有一定的适用条件，故障处理对策也很有限，大部分故障诊断和处理仍需要地面协助完成.

2.3 发展目标与方向

重点研究自主导航和自主轨道控制的工程应用技术，研制新型导航敏感器样机，进行地面演示验证试验和自主导航系统飞行试验；以静止轨道卫星为对象，研究自主控制系统体系结构和工程实现技术.

探索航天器故障诊断的机理与方法，研究初步具备天地联动机制的自主容错控制系统体系结构，针对完整配置的设备级故障，探索容错与避错控制的新方法，并进行实验验证.

3 深空探测航天器自主GNC技术

3.1 发展需求

深空探测航天器相比地球卫星及飞船，其飞行距离远、运行时间长、环境未知性较强，因此，深空探测对航天器制导、导航和控制系统在自主性、实时性和相对精度等方面的要求更高.

3.2 发展现状

根据对国外深空探测航天器自主导航技术的调研分析，可以初步得出如下结论：首先，随着科学技术的进步以及星载计算机和敏感器性能的不断提高，绝大多数小天体深空探测器和一些大天体深空探测器已经具有部分自主导航功能，而且该功能正逐渐完善和强大.其二，当前的深空探测航天器的自主导航已成为地面测控的一种有效的补充手段.在某些特殊的飞行段，例如接近、绕飞、着陆、附着、撞击等任务阶段需要精确获得探测器相对目标天体的位置、速度和姿态，或者在地面测控受限以及不能满足实时性需要的任务段，自主导航具有超越地面测控的性能表现.在其他飞行段，自主导航也能在一定程度上起到作为地面测控的备份或者降低地面测控负担的作用.其三，当前主流的深空探测航天器的自主导航技术都采用光学导航敏感器对目标天体或目标进行摄像，光学导航已成为当前国外深空自主导航的核心内容，如“深空一号”、“深度撞击”等任务，光学导航的核心部件——光学导航敏感器也得到了不断的发展.除此之外，国外也正在探索基于X射线脉冲星的自主导航方法［7］，但这些方法还没有投入实际应用.

国外从20世纪60年代开始研制月面巡视探测器和火星表面巡视探测器，其中美国和前苏联在巡视探测器的研究方面处于世界领先地位［8-9］.美国的火星探测器，包括Sojouner和MER［8］，在很长的时延和很窄的通信带宽等条件下，采取具有一定程度半自主能力的方式配合遥操作进行控制.各国在探测计划论证期间和巡视探测器工程研制任务的前期，开展了大量的预先研究工作，研制了各种类型的地面样机，取得了巡视探测器设计的宝贵经验，为飞行试验提供了技术储备，其中Rocky7、FIDO是最为典型的地面样机，均采用了遥操作＋半自主的运动控制方式.

突破自主导航敏感器的关键技术是深空探测航天器自主导航技术的难点和重点.北京控制工程研究所已经为探月一期工程研制出用于环月姿态确定的紫外月球敏感器.但深空探测器的自主导航距离工程应用还有较大差距.由北京空间飞行器总体设计部和北京控制工程研究所联合国内优势单位研制的月面巡视探测器原理样机，代表了目前国内的最高水平.该原理样机上配备了导航相机、避障相机、惯性测量单元、倾角传感器、太阳敏感器，实现了遥操作＋半自主的规划与控制，在内外场试验中得到了验证.

3.3 发展目标与方向

深入研究深空探测的关键技术——制导、导航与控制技术，力求突破深空探测制导、导航与控制关键技术，形成具有创新性的中国深空探测制导、导航与控制技术，为中国深空探测器和巡视器的研制和未来深空探测任务的实现提供参考依据与实用方法，并最终提高中国在深空探测技术方面的能力.同时深入开展基于脉冲星的航天器导航技术研究并进行在轨演示验证试验.

要求基于光学成像测量的深空探测巡航段自主导航技术的导航位置精度150 km，速度1m／s；深空探测接近和环绕目标天体段的导航位置精度10 km，速度1 m／s；深空探测器表面巡视器里程精度10%，一次全局路径规划有效范围10 m；航天器基于微推力的连续式轨道控制技术实现目标轨道半径5 km和倾角误差0.5°；要求深空探测接近和环绕目标天体段的轨道控制精度实现轨道高度和倾角误差分别为5 km和0.2°的目标.

4 卫星星座／编队飞行的相对轨道和姿态的测量与控制技术

4.1 发展需求

利用多颗卫星建立卫星星座，能够实现全球导航、通信和全球环境监测等单星难以完成的任务.发展具有较高时间和空间分辨率的分布式光学成像卫星编队飞行任务是掌握未来信息化主动权的重要手段之一.发展相对轨道和姿态的测量与控制技术是实现高精度卫星编队飞行和卫星星座／编队飞行任务长期自主运行的重要保障［10-12］.

4.2 发展现状

在导航星座的自主导航研究方面，美国正在努力解决GPS星座本身的自主导航问题.已开始陆续发射的GPS Block IIR系列导航卫星配备了星上自主导航系统，可在没有地面支持的情况下支持GPS自主运行［13］.欧洲的Galileo导航卫星系统也有卫星自主导航的发展规划.美国GSFC已对基于星间链路伪距测量的相对导航原理在EO-1和LandSat-7的编队飞行任务中的应用进行了仿真验证.

卫星编队飞行是极具开拓性的新兴航天技术领域，国外许多空间任务拟采用编队飞行任务来实现.国外有代表性的编队飞行任务的应用研究实例有：分布式星载合成孔径雷达（如美国空军的技术卫星Techsat21，它利用配置在空间圆形轨道上的8颗小型雷达星，实现相当于大型雷达星的功能）、EO-1和LandSat-7对地观测卫星、分布式气象卫星、重力修正和气候实验（GRACE）卫星等.分布式协同控制将成为未来卫星编队飞行控制技术发展的重要方向，与目前的单星相比有革命性的变化，由此也将带来分布式卫星系统设计方法、分布式信息处理方式以及与之相适应的分布式卫星部件与有效载荷的巨大变革；编队飞行卫星控制技术将朝着更加智能自主化的方向发展，使得编队卫星成为真正具备自主规划、自主运行和自主修复的“远程智能体”；更高的飞行性能（其中包括更高的相对导航精度、更高的队形控制精度、更长的在轨寿命等等）是未来编队飞行任务发展的又一趋势，也是适应未来飞行任务的需要，这些性能的实现也必将与众多新理论和新方法的发展紧密结合，相互促进.

国内有关卫星星座／编队飞行任务自主运行与自主控制方面的研究是近几年来在国家有关计划支持下开始启动的，并已经取得了一些成果.对导航星座的自主导航也进行了研究，提出了利用光学测量装置解决星座自主导航中的自主定向问题.与国外相比，国内的基础理论研究比较薄弱，特别是原创性的理论成果很少；对于编队飞行任务的轨道及姿态控制实用技术的研究较少，特别是高精度的相对姿态和相对轨道的测量技术研究还有待深化.

4.3 发展目标与方向

研究卫星星座／编队飞行任务的自主导航与控制领域的理论方法和技术实现途径，突破星座／编队飞行自主运行的关键技术，并带动适合分布式卫星的分系统及有效载荷的开发和研究，为实现编队卫星的工程化奠定技术基础.通过编队卫星自主导航与控制领域的理论方法和技术途径的研究，实现编队飞行自主控制关键技术的突破，并带动适合分布式卫星的分系统及有效载荷的开发和研究，为实现编队卫星的工程化奠定基础.

5 航天器控制系统先进仿真技术

5.1 发展需求

未来航天器研制成本高，系统规模大，技术复杂，绝大多数情况下难以进行在轨修复，属于高风险项目.充分利用先进仿真技术，在飞行试验前的各阶段进行充分的地面验证，能有效降低任务风险，提高任务的可靠性［14］.

5.2 发展现状

从20世纪50年代起，美国先后建立了多个大型航天器物理和半物理仿真实验室，JPL、约翰逊航天中心（JSFC）等均设立了各种大型仿真系统，对美国航天关键技术的发展发挥了重要作用.例如复杂挠性结构、大型空间结构（LSS）、空间交会对接、可展开天线高精度控制等航天关键技术，均由大量的地面仿真系统试验作为研究支撑.在数学仿真方面，经过多年的技术积累，美国在航天器仿真领域逐渐形成了各种专业化的数学仿真平台和分析工具，其中一部分现在已经成为著名的商业化专用工具软件，如Adams、Nastran等.

从20世纪70年代开始，美国国防项目和航天器仿真技术逐渐向系统化、专业化方向迈进.1992年美国公布了“国防建模与仿真倡议”，并成立了国防项目建模与仿真办公室，负责倡议的实施；1992年7月，“综合仿真环境”被美国国防部列为保证美国战略优势地位的七大关键技术之一.1995年10月，美国国防部公布了“建模与仿真主计划”，提出了美国国防部建模与仿真的6个主目标；1997年度提出的“美国国防技术领域计划”将“建模与仿真”列为“有助于极大提高军事能力的四大支柱”之一.

近年来中国航天仿真技术的发展也取得了长足的进步.目前已建成了多个基于气浮台的物理仿真系统、基于三轴转台的半物理仿真系统，以及综合平动和转动模拟装置在内的大型仿真试验系统等；并建成了包括地球模拟器、太阳模拟器、星模拟器、GPS模拟器等具有多种目标模拟能力的目标模拟器，已经具备了进行多体复杂航天器、空间交会对接、系统故障诊断等航天器系统仿真验证能力，以及关键部件和系统的仿真建模、验模能力［15］.

但由于起步晚、基础差等原因，目前中国的航天器仿真技术与国外先进航天大国相比还存在相当大的差距，对于包含多挠性结构、新型推进剂贮箱的复杂航天器动力学，以及高精度空间力学环境和电磁环境的地面仿真，还缺少可靠、高效的仿真方法.从仿真专业体系建设到具体的先进仿真技术，以及仿真技术在航天器研制过程中的应用还都有较大的提升空间.

5.3 发展目标与方向

开展先进航天器仿真技术研究，建立数字化航天器GNC模拟系统.数字化航天器GNC模拟系统由高精度的部件模型、对象模型和空间环境模型组成，模型应覆盖运动学、动力学、结构特性、电磁特性、热特性、光学特性等多学科内容，以综合描述航天器在轨运行时部件、整星和空间环境的相互作用.

在物理仿真方面，研究新型重力卸载方法，新型空间电磁环境和力学环境模拟技术，建立先进的物理仿真试验系统，可针对未来多挠性、多贮箱、带有大型可运动附件的航天器进行地面环境下的等效物理仿真试验，以达到模型验证和各种制导、导航与控制技术验证的目的.

6 结束语

本文在对国内外航天器控制技术发展状态调研和需求分析的基础上，重点围绕未来航天器对高精度、高可靠性和自主性方面的要求，结合高分辨率信息获取、星上智能自主控制、深空探测等技术能力的提升，对卫星GNC领域的共性关键技术进行了梳理，并提出了各项关键技术的发展现状和发展目标.深入研究和发展这些关键技术，将促进中国航天科技核心能力的提升.

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A Survey of GNC Critical Techniques for Development of China Spacecrafts in the Future

LIGuo
（China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

This paper shows needs for spacecraft development in the future，based on comparing the gapbetween advanced techniques of spacecraft control system abroad and existing techniques in China，presents development goals and direction of the spacecraft control field.Finally，some critical techniques for developing spacecraft guidance，navigation and control of China are proposed.

spacecraft；guidance，navigation and control；critical techniques

*国家自然科学基金（90405017）资助项目.

2009-07-30

李 果（1961—），男，山东人，研究员，研究方向为航天器制导、导航与控制（e-mail：liguo502＠yahoo.com.cn）.

V 448.2

A

1674-1579（2009）06-0001-05