星载GNC技术 现状及发展浅析

程文华　张雅声　姚红 （装备学院航天装备系）

星载GNC技术 现状及发展浅析

程文华张雅声姚红 （装备学院航天装备系）

星载制导、导航与控制（GNC）技术是指为了实现特定目标而对航天器进行的一系列的轨道规划、轨道机动和姿轨联合控制。星载GNC系统是卫星系统的重要组成部分，是进行任何航天任务必不可少的先决条件。其中，导航定义为测定航天器的位置和速度，并且计算出达到期望位置和速度的相关调整量；制导与控制定义为通过对航天器进行控制，以保持航天器满足所需的指向精度要求，同时，在必要时，还要进行跟踪导航计算。

从第一颗人造卫星上天，星载GNC技术已历经了近60年的发展，取得了令人瞩目的成就，尤其是近些年以来，无论是合作或者非合作目标的空间交会对接、空间在轨服务、月球探测、火星探测、行星际飞行、深空探测、小行星着陆等等，无一不彰显着星载GNC技术取得的巨大发展与成就。

GNC技术要素之间的交互

1　 星载GNC技术的组成

星载GNC技术可以分为两个方面：一是GNC飞行算法与软件；二是GNC飞行设备，包括星载设备和地面测试设备。

为了更好地说明GNC各部分之间的关系，以卫星安全着陆GNC系统为例，分析其各部分之间的交互关系。

基于GNC技术的卫星安全着陆制导导航与控制系统

GNC飞行算法及软件

GNC飞行算法及软件分为惯性导航与控制和相对目标估计。惯性导航与控制又分为六自由度制导控制、非线性轨道优化、自主GNC系统、集成软件系统和小推力制导等；相对目标估计又分为相对目标位置和姿态估计、大气内制导控制、危险探知及规避、编队飞行控制和高精度指向系统等。

GNC飞行设备

GNC飞行设备分为星载设备和地面测试设备。星载设备又分为相对目标传感器、惯性传感器等；地面测试设备又分为自由飞行推进测试平台、六自由度试验模拟器、长时间的航空试验平台和高速再入着陆测试平台等。

GNC飞行算法及软件组成

GNC飞行设备组成

2　 未来星载GNC技术的发展方向

航天任务带动着航天技术的发展，是航天技术发展的源动力，也是航天技术发展的目标。航天任务的发展方向直接决定着航天技术的发展方向。只有了解不同航天任务的特点，才能有针对性的发展航天技术。

未来可能进行的航天任务

2 0 1 1年底，我国发布了自己的航天白皮书《2011年中国的航天》，在总结过去5年成果的基础上，公布了未来5年的主要任务。同年，美国国家研究委员会（NRC）按照美国航空航天局（NASA）科学任务理事会（SMD）行星科学分会（PSD）的要求做了一份报告—《2013-2022年行星科学发展展望》，文中设想了许多依靠新技术的未来行星探索任务。结合其他国家的航天发展规划，可以得到未来航天任务的发展方向，大致包含以下四个方面。

（1）深空探测

它主要包括对金星、木星、土星、天王星、海王星及其附属卫星的探测。深空探测任务目标远、工作时间长、环境情况未知且复杂多变，这些特点使得对深空探测器的GNC与近地卫星具有很大的区别。目前，对于深空探测器的控制往往采用天地大回路的方式，由于上传链路的延迟、星体之间的遮挡、数据传输速率低等原因，这种方式很难保证探测器能够长期稳定可靠地工作，极大地限制了深空探测任务的实施。未来的深空探测任务是面向更远天体目标的任务，这就要求探测器具有高度的自主性，而且由于缺乏先验信息，对GNC系统的实时性和稳定性也提出了很高的要求。

（2）星体着陆与表面采样返回

它主要包括月球着陆、火星着陆、彗星着陆、小行星着陆以及木卫二和土卫六的着陆。随着我国探月工程的顺利实施开展，在未来的航天任务中，星体着陆任务势必会占有很大的比重。这类任务同样需要全面自主的制导、导航与控制，对于那些重力加速度比较大的、具有大气的星体，着陆器需要有较强的抗干扰能力，这就要求着陆器的姿态和轨道始终处在高频率的闭环控制下；此外，由于是着陆，还需要有危险探知及规避系统。目前，对于星体着陆的技术已经在登月和探测火星中得到了验证，未来航天任务中的星体着陆将会面对许多未知的星体，这就要求更为先进的传感器及算法，以增强GNC系统的鲁棒性。

未来美国海王星探测器示意图

欧洲“惠更斯”探测器着陆土卫六示意图

未来美国载人登月示意图

美国自主在轨服务示意图

（3）载人航天

它主要涉及交会对接、空间站、载人登月以及载人登火星等。自1961年人类第一次进入太空，载人航天的历史已经有半个世纪。载人航天汇集了最新的科学技术成果，最能体现一个国家的综合国力，大大拓展了人类认识太空利用太空的范围，催生出了一大批的新学科、新材料、新技术，使人类发展进入了新的阶段。未来的载人航天将会朝着更快更高的方向发展，区别于无人的星载GNC系统，载人的星载GNC系统应该具有更强的适应性、稳定性和更高的精度要求。此外，地面测试对于未来的载人航天任务将起到至关重要的作用。

（4）自主在轨服务

它主要涉及空间装配、空间维护、在轨修理等。目前，参与执行在轨服务的主要有航天员、航天飞机、飞船和一些空间机械臂等辅助设备。相比于有人参与的在轨服务，自主在轨服务首先降低了太空操作的危险，保障了航天员的生命；其次，节省了大量的人力物力；再次，由于自主运行，减少了与外界的通信，增强了其隐蔽性；最后，自主在轨服务能够快速及时地解决突发问题，提高航天器运行的效率。正是这些优越性，促使着世界各航天强国聚焦于自主在轨服务，进行了一系列的试验验证，未来也还会有更多的自主在轨服务任务。

对这些任务分析可以发现一些共同的特点：①往返时间很长；②环境情况未知；③复杂故障响应；④高精度指向要求；⑤预算高。面对这些多种多样的航天任务及新特点，虽然星载GNC技术历经几十年发展，但仍不足以完成上面的任务，需要GNC技术的进一步发展来克服面临的挑战。

未来星载GNC技术的发展方向

为了适应未来航天任务的新特点，未来星载GNC技术的发展方向应该在以下5个方面：

1）自主GNC技术。尤其针对那些具有未知环境、不确定性精度以及需要逼近探测的航天任务。

2）先进的GNC传感器。不仅在单个传感器上进行突破，也需要在集成传感器上取得进步。举个例子，一个相机、一个激光雷达、一个惯性测量元件以及一个计算机就可以构成一个传感器系统，这个系统既可以测高测速，也可以实现相对目标导航，甚至可以进行危险探知，一个传感器系统替代了四个系统。

3）GNC集成技术。不仅仅是指制导、导航与控制三者构成一个整体，而且是多任务类型的GNC系统的集成，包括多数据融合技术等，这样可以使得任何一个任务在执行时更为经济高效，实现系统功能和任务目标的合理交互。

4）系统级的建模、测试与仿真。地面测试对航天任务的成败起到至关重要的作用，每一项新技术的应用都需要地面进行详尽的测试，每一个航天任务在上天之前都需要在地面进行模拟仿真。为了提高地面验证的可靠性，需要进行一体化的建模仿真以提高仿真系统的逼真度。

5）通用模块设计。不仅是指各航天器上通用模块的设计，也是不同领域之间相同原理通用模块的设计，这样做可以大大提高技术的转化效率，增强系统的可重复性，利于技术在不同领域之间的转移。

3　 结束语

星载制导、导航与控制的技术进步是实现未来航天任务的必不可少的先决条件。本文首先分析了星载GNC技术的组成；之后，结合国内外的未来航天任务，得出了未来星载GNC技术的发展方向，对我国的相关研究工作具有一定的指导意义。

Current Situation and Development Analysis Of Space borne GNC