空间安全飞行器GNC技术研究进展

邹 奎， 宁 宇， 吕 楠，张世俊

北京控制工程研究所, 北京 100094

0 引 言

空间安全是国家安全的重要组成部分，是国家空间利益不受外部威胁和侵害的一道重要防线，是新时代世界大国之间的高边疆较量.

空间安全领域涉及的空间行为主要包括空间感知、博弈、对抗(如天基打击地面军事目标、天基反导、天基反卫星)等，提升国家空间安全领域的天基武器装备实力，构建地基、海基、空基和天基一体化的空间安全战略战术体系，增强国家空间态势感知和天基攻防能力，具有重要军事战略价值[1-3].随着2021年美国SpaceX星链卫星两次接近中国空间站[4]、2021年俄罗斯上升式反卫星导弹击毁已废弃的前苏联电子侦察卫星[5]、2019年来美国地球同步轨道空间态势感知计划(geosynchronous space situational awareness program, GSSAP)卫星多频次对全球高轨卫星详查等事件的发生[1]，空间安全领域已经成为了世界备受关注的焦点.

天基感知与攻防体系由天基态势感知系统、天基攻防武器系统和天基指挥控制系统三个基本要素组成.1)天基态势感知系统由高/低轨道空间监视卫星群构成，主要用于探测与跟踪空间目标、甄别目标身份、掌握目标功能性能、获取目标特征参数(如姿态轨道、几何构型、光学特征等)、推理目标行为特点(如挖掘异常行为、反演场景和侦收情报)，在体系中扮演“眼/耳”.2)天基攻防武器系统包括激光卫星、高功率微波卫星、动能拦截器等多种种类，主要用于响应并执行作战指令，可以对高价值目标(如高轨卫星、空间站等)进行守护，与恶意目标进行博弈，甚至能够对恶意目标实施智能打击与摧毁，在体系中扮演“手/脚”.3)天基指挥控制系统由地球同步轨道(geosynchronous earth orbit, GEO)卫星群构成，主要用于接收和处理天基态势感知系统反馈的情报，根据综合战争态势计算战术及作战指令，调度天基攻防武器系统和天基态势感知系统中的航天器投入战场，实现全域无缝指挥控制，在体系中扮演“大脑”.天基感知与攻防体系具备闭环反馈特征，可满足未来空间感知与攻防的一体化作战任务需求.

空间安全飞行器是指天基感知与攻防体系下的航天器.GNC技术历来是世界上各航天大国优先发展的技术，NASA更是将其发展确定为最高优先级并制定了详细的发展路线[6-9].国内在空间安全领域尚处于起步阶段，十分有必要针对GNC系统的关键技术进行梳理.针对天基感知与攻防任务特点，本文研究了空间安全飞行器GNC技术特点并归纳出6项关键技术，给出了关键技术的内涵、实现方法及工程进展，提出了关键技术的发展路线.

1 空间安全飞行器GNC技术特点

从天基态势感知系统、天基攻防武器系统和天基指挥控制系统3个方面阐述空间安全飞行器的GNC技术特点.

1.1 天基态势感知系统

美国已发射天基态势感知卫星如图1所示.

图1 美国已发射天基态势感知卫星示意图Fig.1 Diagrams of space-based situational awareness satellites launched by USA

天基空间监视(space-based space surveillance, SBSS)卫星于2010年11月26日发射，进入轨道倾角98°、高度631 km×634 km的太阳同步轨道，发射质量1031 kg，整星功耗小于840W.SBSS卫星的有效载荷是一台重228 kg、口径达0.3 m的光学望远镜，主要用于监视GEO目标.2015年，美国空军宣布启动SBSS后续星研制项目，计划用一个3星星座接替现有的SBSS卫星[10-12].SBSS卫星控制系统最大特点是配置了二维转台机构，能够自主控制转台使光学望远镜指向目标，捕获范围可达2π；转台运动对平台姿态控制精度及稳定度有很大影响，星上需要设计前馈补偿算法或自适应前馈补偿算法；基于二维转台的高精度动态跟踪技术是控制系统的关键技术，星敏安装在转台上，为指向控制提供惯性或动态基准.

快速响应空间5号(operationally responsive space 5, ORS-5)卫星于2017 年8月21日发射，轨道高600 km、倾角0°、重140 kg.ORS-5号卫星有效载荷是空间态势感知(space situational awareness, SSA)敏感器，用来监视GEO目标[13-15].ORS-5卫星控制系统最大特点是将SSA敏感器测量的目标方位信息引入闭环，实现了载荷平台一体化跟踪控制设计；控制系统设计了阳光规避算法和观测任务规划算法，在对GEO目标跟踪过程中可避免SSA敏感器受太阳照射；文献[15]研究了快速响应空间系统的在轨陀螺自主标定方法，利用星敏修正陀螺的安装误差、标度因数，利用广义多模型自适应方法估计卫星姿态.

GSSAP1/2卫星于2014年7月28日发射，双星重1800～2000 kg，主要目标是对GEO目标进行巡视探测；GSSAP3/4卫星于2016年8月19日发射，有效载荷包括0.6 m口径光学相机和无线电侦收机，重约1000 kg，飞行在GEO±500 km轨道上；GSSAP5/6卫星于2022年1月21日由德尔塔4运载火箭以一箭双星方式发射入轨.文献[16-17]指出GSSAP卫星极有可用采用了Orbital公司的GEOStar-1平台，该平台能携带大量推进剂，速度增量在750-1000m/s之间，可频繁调整轨道.文献[18]给出了GEOStar-1平台的技术指标，其中双组元轨控发动机(比冲达310s)可完成多种类型的轨道机动任务，单组元姿控发动机用于完成轨道微调、定点保持及角动量管理任务；GEOStar-1平台使用“星敏+陀螺”组合定姿方案，使用全球定系统(global positioning system, GPS)提供精确轨道确定和授时；GEOStar-1平台的指向精度优于0.023°，姿态抖动优于1 μrad/s，定位精度优于50 m，配置有大力矩反作用轮，最大角速度跟踪达到1(°)/s；GSSAP卫星具备抵近详查、在轨巡视等能力，能够针对非合作目标建立起相对导航，具备多自由度制导与控制能力[16-18].

局部空间自主导航与制导试验(automated navigation and guidance experiment for local space, ANGELS)卫星和GSSAP1/2卫星一起发射，质量约70 kg，设计寿命1年，主要任务是对GEO目标进行逼近、绕飞、悬停等，进而完成对目标的探测、跟踪、监视及评估，标志着美国高轨空间监视技术走向小型化.ANGELS卫星采用boxed-shaped设计架构，具有单个太阳翼，具备三轴姿态稳定能力；控制系统具备很强的自主任务规划、自主相对导航(利用GPS和加速度计实现高精度自主导航[19])、制导与控制能力；单翼非对称结构使得整星角动量日积累量要比对称结构的卫星角动量日积累量大，要消耗较多的燃料进行角动量卸载.

高轨增强型实验室试验卫星(ESPA augmented geostationary laboratory experiment, EAGLE)是美国空军实验室发展的高轨小卫星，由Orbital ATK公司负责承研，包括1颗ESPA母星和5颗附着子星，2018年4月发射，用于开展高轨空间监视试验.EAGLE/Mycroft卫星演示验证了空间态势感知技术和“弹性卫星平台”技术,子星Mycroft可用于对GEO目标的巡视、编目与详察等任务.Mycroft卫星控制系统继承了ANGELS卫星的特点，重约100kg，利用反作用轮和化学推力器提供六自由度的姿态轨道控制；EAGLE卫星控制系统与上面级类似，是可容纳多个有效载荷(不小少6颗百公斤级二级小卫星载荷)的空间飞行器；平台的反作用轮安装在ESPA环上，利用星敏陀螺组合定姿、冷气推力器进行姿态控制，具有精确指向能力[20-21].

1.2 天基攻防武器系统

天基激光武器是利用激光束攻击目标(如助推段来袭导弹、敌方卫星等)的定向能武器，主要由高能激光器、跟瞄系统、光束发射控制系统组成[22].天基激光武器能量高度集中，具有打击速度快、精度高、无污染、无后坐、易改变发射方向、可在短时间内对付多个目标及抗电磁干扰等特点，在光电对抗、防空、战略防御中发挥重要作用.美国于上世纪70年代就开始谋划论证天基激光武器的可行性，如图2中的综合飞行试验(integrated flight experiment, IFX) 卫星.IFX卫星在第一阶段集成激光阿尔法与发光仪器；第二阶段开展目标识别、跟踪、制导系统与火控系统的地面综合验证；第三阶段建造天基激光武器，开展空间飞行试验.高精度捕获、跟踪与指向技术是天基激光武器控制系统的关键技术，控制系统要求具备快姿态轨道速机动能力以及来袭非合作目标的告警能力，具备大角度快速机动、轨道追逃博弈能力[23]；激光载荷武器的打击范围和能力有限，要靠控制系统提供精准的目标方位信息并连续跟踪目标，实现对目标的薄弱区持续打击.

电磁轨道炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器.上世纪80年代，美国在“星球大战”计划中提出了要将电磁轨道炮作为天基战略反导弹和反卫星的研究计划.以卫星为运载平台，形成部署在空间的天基电磁轨道炮，可对战略弹道导弹实施中段拦截或助推段拦截，也可直接杀伤或摧毁在轨卫星[24-25].天基电磁轨道炮卫星平台的重量、惯量及挠性较大，需要大惯量、大挠性下的高精度指向控制能力.炮弹打出去的瞬间，会对平台产生强大冲击，将整星姿态轨道带偏，需要卫星控制系统具备姿态轨道快速修正能力.

智能卵石(brilliant pebbles)天基防御系统是智能化、轻量化的天基动能反导反卫星武器，其体积小、自主能力强、可大量部署，能够对目标实施密集拦截.1988年，美国提出智能卵石防御系统由部署在低轨4600个动能拦截器组成的卫星星座及相应的跟踪系统构成，单个拦截器重45 kg.文献[26]指出智能卵石防御系统无法拦截飞行高度低于100 km的导弹.智能卵石卫星控制系统由导引头、推进系统、制导控制系统、惯性测量装置、通信系统和伞型碰撞增强装置等组成.伞型碰撞增强装置把金属伞展开，迎着法线方向与目标相撞，以增大碰撞面积，具有机动能力强、制导精度高、跟踪鲁棒等特点.值得一提的是,美国分别在2003年、2005年试射了试验小卫星(experimental small satellite, XSS)XSS-10和XSS-11，从文献[27-28]可知XSS-10和智能卵石卫星在外观构型、几何结构上极为相似并且XSS-10在轨主要验证的精确拦截技术同样是智能卵石卫星的关键技术.

美国天基动能反卫星项目开始于1989年，旨在为美国反卫星系统构建动能打击和摧毁能力，携带多个动能拦截器的反旋转反卫星武器可在短期内完成对多个目标的打击任务.姿态控制系统敏感器部件不仅能作为闭环测量输入，还能配合跟瞄雷达对目标进行搜索捕获、识别与跟踪.针对非合作目标的搜索捕获、跟踪与瞄准技术是控制系统的一项关键技术；拦截器与星本体分离之后，要求平台三轴姿态快速稳定并建立起与拦截器、目标的相对导航；由于在拦截器与目标距离最近时引爆拦截器产生的杀伤力达到最大，因此需要星上火控系统找准合适的时机将拦截器引爆.对共面或异面目标的精准打击任务要求平台具备强大的轨道转移能力.

天基高功率微波武器与传统天基武器在工作原理、杀伤破坏机理和作战方式上显著不同，又称为电磁脉冲武器.天基高功率微波武器属于电子杀伤，不会产生大量的空间碎片且比地基高功率微波武器需要的功率小.目前美国已研制能在微波波段产生千兆瓦脉冲功率的实验型微波发射管，能在很短时间内使目标受高热而破坏，甚至能够引爆武器中的炸药破坏武器.微波武器与激光束、粒子束武器相比作用距离更远，受天气影响更小，从而使对方反抗措施更加困难，可用于攻击卫星、弹道导弹、巡航导弹、飞机、舰艇、坦克、雷达通信系统及计算机设备，尤其针对天基指挥控制系统或作战联络网等重要的信息战节点和部位，可使目标遭受物理性破坏，丧失作战效能，其破坏程度达到不能修复[30-31].天基高功率微波武器对跟瞄系统精度要求不如天基激光武器高，由定向天线发射形成具有方向性的波束打在目标上产生足够大的斑点能够一定程度降低跟瞄系统的精度需求.

图2 美国已构想天基攻防武器示意图Fig.2 Diagrams of space-based weapons conceived by USA

1.3 天基指挥控制系统

天基指挥控制系统主要以通信、中继卫星为载体，是现代指挥与控制网络体系架构中重要的组成部分.如何调度运用各类天基态势感知卫星、天基攻防武器卫星完成使命任务是问题核心.文献[32]指出美国的移动用户目标系统(the mobile user objective system, MUOS)、宽带全球卫星(wideband global satellite, WGS)系统、先进极高频(advanced extreme high frequency, AEHF)卫星系统均具备指挥控制能力，卫星构型见图3.MUOS卫星为移动部队提供安全超高频窄带卫星通信服务，支持陆海空移动作战，可无缝连接世界各地和全球信息网络[33].MUOS由MUOS1/2/3/4/5构成，于2016年完成部署，其中MUOS5是备份星，具备未来天基态势感知系统和天基攻防武器系统的指挥控制拓展能力.MUOS卫星采用了洛克希德·马丁公司的A2100平台架构，干重3812kg，发射质量6740 kg.处于发射状态的MUOS卫星尺寸为6.7 m×3.66 m×1.83 m.控制系统有2个太阳帆板驱动机构，具有三轴稳定和精确指向能力.轨控发动机选择了日本IHI航空航天公司研制的BT-4发动机，重4 kg、长0.65 m、推力450 N.姿控发动机是联氨发动机，用于BT-4点火期间的姿态控制、GEO轨道位置保持和轨道漂移任务[34].AEHF卫星和MUOS卫星采用了相同的平台架构.截止2019年美国已发射10颗WGS卫星，使美军具备了全球战术指挥控制通信能力.WGS卫星采用了波音公司BSS-702HP卫星平台，化学推进系统包括1台490 N双组元推力器(比冲312 s)、4台22 N和4台10 N推力器；电推进系统包括了1个氙气贮箱、4台1300～4500 W离子推力器，最大推力达165 mN，其中2台离子推力器每天同时点火30 min可调整轨道相位0.01°[35].

图3 美国的天基指挥控制卫星示意图Fig.3 Diagrams of space-based command and control satellites of USA

1.4 小结

从天基态势感知系统、天基攻防武器系统和天基指挥控制系统3个方面分析了天基感知与攻防体系下的空间安全飞行器GNC技术特点，涉及到与空间感知、博弈和对抗任务密切相关的关键技术主要有：1)非合作目标捕获、跟踪和指向控制技术；2)非合作目标相对测量技术；3)多自由度制导与控制技术；4)高精高稳指向控制技术；5)博弈控制技术；6)作战任务自主规划技术.本文将在下一节介绍上述6项关键技术的内涵、实现方法及工程进展.

2 空间安全飞行器GNC关键技术研究进展

2.1 非合作目标捕获、跟踪和指向控制技术

空间安全飞行器实现非合作目标捕获、跟踪和指向(acquisition, tracking and pointing, ATP)控制是卫星平台投入到作战状态的第一步.非合作目标捕获涉及到多种手段.对于空间监视、态势感知、预警类卫星，非合作目标捕获方法主要采用捕获相机或雷达进行搜索式捕获.基于捕获相机的搜索式捕获方法有两种，一种方法是将捕获相机安装在卫星平台上，利用平台的姿态机动来搜索目标，例如高轨GSSAP卫星；另一种方法是将捕获相机与载荷相机共同安装在两自由度转台上，控制转台转动来搜索目标，如低轨SBSS卫星.当捕获相机发现目标后，卫星会进入目标跟踪模式，控制卫星平台或转台使载荷相机指向目标，对目标进行跟踪观测.不管按照哪种方法实现，都需要设计相应的捕获算法，提升捕获概率.主要的捕获方法包括线性扫描法、螺旋扫描法、矩形扫描法、圆周扫描法、李萨如图形扫描法等.圆周扫描法和螺旋扫描法的捕获概率较高，但是算法较复杂.文献[36]建立了非合作目标的捕获概率模型，为了做到捕获概率可控，搜索式捕获应综合考虑雷达驱动机构的动态性能、波束宽度、目标方向角变化率等因素来确定扫描参数.

在外太空，要捕获到非合作目标依赖的关键单机是捕获相机或雷达.捕获相机能够拍下星图信息，从图像中进一步识别目标，计算出非合作目标的方位角、俯仰角信息供平台控制系统使用.捕获相机具有宽视场、高精度、快速识别等特点，目标的方位信息会引导给窄视场的测量设备，如激光雷达、视觉相机、载荷相机等.文献[37]解决了大视场范围空间非合作多目标捕获、跟踪与测量的技术难题，相关算法已得到在轨应用，其核心思想是基于捕获及观测相机恒星惯性空间位置不变性，通过连续帧图像数据比对实现恒星目标和非恒星目标分离完成非恒星目标识别与跟踪.

基于激光雷达的非合作目标ATP控制技术适用于天基反卫星武器，一旦建立起与非合作目标的相对导航，就可支撑近距离作战.建立起相对导航关键在于激光雷达相对测量输出，从雷达测量信息中提取目标的特征，进行滤波、递推处理就能够得到相对导航位置速度等信息.表1给出了3种非合作目标ATP控制方法的特点及适用领域，工程实践中常设计基于“捕获相机+激光雷达”的非合作目标ATP控制方法，可在一定程度上满足对非合作目标的捕获、跟踪和指向能力.

表1 3种非合作目标ATP控制方法特点Tab.1 Characteristics of three ATP control methods of non-cooperative target

表2 不同相对测量技术特点Tab.2 Charactertics of different relative measurement techniques

2.2 非合作目标相对测量技术

2.3 多自由度制导与控制技术

空间安全飞行器对多自由度制导与控制技术需求强烈，用于完成高难度的姿态轨道控制任务，例如在轨巡视、绕飞、伴飞、抵近、悬停、跟踪、交会、撤离等.工程中常用制导方法包括Hohmann转移、Lambert 转移、多脉冲转移、连续小推力转移等[39].Hohmann转移算法简单、燃料消耗少，交会时间长、转移精度低且对初始位置有严格要求，是共面圆轨道交会的首选制导方法，常应用于交会初始寻的阶段.Lambert 转移能满足对时间要求紧迫的制导任务，算法相对复杂，可用于非共面轨道转移，能满足在指定时间内完成不同轨道的位置转移任务需求.多脉冲转移可用于解决异面轨道拦截问题，采用了2个脉冲的霍曼转移或Lambert 转移也称为双脉冲转移.连续小推力转移多采用电推进技术，电推发动机比冲高、轨控精度高、推力小、交会时间长，可用于远距离长时间自主轨控任务，但不适用于空间高烈度博弈环境.

与非合作目标的轨位状态主要包括水滴式轨迹、螺旋式轨迹、自然绕飞轨迹、强迫绕飞轨迹等[40-41]，如图4所示.水滴式轨迹是指由某点出发，经过一段小于轨道周期的飞行时间又回到出发点的轨迹；通过周期性地在出发点施加一次控制脉冲，可维持周期运动.若水滴包围目标航天器，可形成对目标的绕飞.水滴式轨迹能扩大在目标上方或下方的悬停时间，适合于长期巡视.螺旋式轨迹是以螺旋方式对目标轨道进行巡视，能从不同方向接近目标，螺旋式绕飞巡视的速度与螺旋半径直接相关，可用于多个目标的巡视.自然绕飞轨迹的绕飞轨道周期等于目标航天器的轨道周期，并且绕飞航天器与目标航天器的轨道参数几乎相同.自然绕飞主要用于保持绕飞轨道，能防止目标星漂离监视范围.由于环境干扰，自然绕飞轨道很难维持长期稳定，实际工程中会进行适当的轨道修正，如采用双脉冲控制能够实现自然绕飞轨道保持.

为了完成在轨巡视任务，巡视方法通常会多样化.除了水滴式、螺旋式、自然绕飞、强迫绕飞等巡视方式，还有同/逆向巡视.同/逆向巡视技术是利用轨道高度差产生的相对速度来实现对目标轨道的巡视.以GEO目标巡视为例，当航天器轨道低于GEO时，可对GEO目标实现同向巡视；反之，可实现对GEO目标的反向巡视，同/逆向巡视技术是GSSAP卫星的主要战技之一.

图4 水滴式、螺旋式和自然绕飞轨迹示意图Fig.4 Diagrams of drip-drop oribt, helix tourist orbit and natural fly-around orbit

2.4 高精高稳指向控制技术

高精高稳指向控制技术在空间安全飞行器中的应用需求主要体现在以下几个方面：1)激光类武器持续打击目标；2)光学类成像载荷在成像模式下跟踪目标；3)动能类作战武器在作战模式下打击目标.高精高稳指向控制方法主要包括快反镜指向控制方法、超精超稳超敏捷(下文简称为三超)指向控制方法、高精度转台指向控制方法.

快反镜指向控制系统广泛应用于激光通信、像移补偿、精确跟踪瞄准等领域.2021年发射的詹姆斯韦伯望远镜的快反镜指向控制系统闭环回路主要由控制线路、音圈电机和角位移传感器(差分阻抗变换器)构成，此外还包括有反射镜、遮光罩、安装基座、旋转装置、配重等机构[42-43].快反镜控制器能够提供30Hz的闭环带宽，对平台姿态控制引起的微振动具有一定的抑制能力.

文献[44]提出三超指向控制的在轨验证方法，控制系统包括隔振机构、测微敏感器、涡流传感器和控制线路.2021年中国发射的北京三号卫星实现了超精超稳超敏捷控制技术的在轨验证，三超指向控制系统可用于对指向跟踪能力要求极高的载荷.

文献[45]研究了高精度转台指向控制，包括方位轴驱动组件、俯仰轴驱动组件、U型支架、方位轴动量轮、俯仰轴动量轮、光电编码测角传感器、控制器等.方位轴动量轮和俯仰轴动量轮用来交换转台的角动量.SBSS卫星采用了类似的结构，具备高精度快速捕获与跟踪能力.可以采用平台角动量管理技术抵消二维转台运动产生的姿态干扰.

图5 高精度指向控制系统Fig.5 High precision pionting control systems

2.5 博弈控制技术

航天器博弈控制技术是基于航天器轨道姿态动力学、博弈论与控制论相结合的一门新技术，是在天体引力场内受轨道约束的两个或多个运动体在各自允许的控制能力和可获得的信息支持下，主动施加控制行为、追求相反、矛盾或不一致的相对位姿状态所形成的轨道演化过程及其结果.航天器博弈控制技术主要解决复杂作战场景下的姿态轨道控制问题，根据自身能力设计最优的姿态轨道控制策略，赢得交战的胜利.航天器博弈控制问题可分为姿态和轨道博弈控制问题，轨道博弈控制问题也称为航天器追逃问题.从交战航天器数量来讲，航天器博弈控制问题可分为两方交战博弈、三方交战博弈及多方交战博弈问题[46].

两方交战航天器博弈控制的一个典型应用场景是在轨拦截问题.追击者P的目标是实施拦截，逃跑者E的目标是逃避前者的追捕.博弈控制需要计算追击者和逃跑者的加速度，使下面指标J最优

(1)

式中,J是两个航天器之间的相对运动状态X、控制输入量UP、UP及时间T的函数，常选择二次型函数来描述.在解决博弈控制问题时，首先需要设计捕获与跟瞄子系统(如可见光、微波、激光或红外探测雷达)发现目标，进一步对目标进行跟踪并取得相对位姿信息，为博弈控制提供输入.

三方交战航天器博弈控制的一个典型应用场景是在轨护卫.高价值航天器通常只具备简单的姿态轨道机动能力和在轨告警能力.攻击航天器的主要目的是向高价值航天器靠近，使高价值航天器在攻击范围之内；守卫航天器的主要目的是对攻击航天器进行阻击，而且要在高价值航天器受到攻击之前对攻击航天器实施打击.攻击航天器要发挥双重作用，既要避开守卫航天器的拦截，又要去拦截高价值航天器.博弈中，任何一方的策略或行动发生变化都会影响其它两方的策略或行为.指标函数为

(2)

(3)

式中,U1、U2、U3表示三方的控制量，X13表示1、3方的相对状态、X12表示1、2方的相对状态，T为时间.如图6所示，对于指标J1，攻击航天器1的目标是使高价值航天器3进入作战范围R1内，高价值航天器3的目标是尽可能逃离作战区域R1；对于指标J2，守卫航天器2的目标是使攻击航天器1进入作战区域R2之内，攻击航天器1的目标是尽可能避开守卫航天器的作战区域R2.

图6 三方交战航天器博弈控制Fig.6 Game control of tripartite engagement spacecrafts

2.6 作战任务自主规划技术

作战任务自主规划技术是天基指挥控制系统的核心业务之一，根据来自地面、天基态势感知系统或天基攻防武器系统的情报规划任务，形成作战序列.作战任务自主规划技术主要处理高时效性复杂任务，对控制计算机存储与运算能力、平台快速机动能力(快速建立星间链路)要求较高.天基指挥控制系统的作战任务自主规划技术与传统自主任务规划技术不同，主要决策天基态势感知系统或天基攻防武器系统的行为，控制计算机除了完成姿态轨道控制任务外，还要求具备已装订目标的轨道外推能力、作战航天器的诸元计算能力等.

空间安全飞行器对于多星协同任务的需求越来越迫切，未来的任务规划系统将逐步从面向单星作战任务的规划系统，发展为面向多星协同任务的联合作战任务规划系统.对于单星系统，GNC自主任务规划要充分考虑非合作目标数量、光照条件、测控范围、能源约束、GNC能力及载荷能力等，使卫星的能力最大化；对于多星系统，作战自主任务规划需要利用信息的深度融合、调度寻优、策略学习校正、姿轨精准控制等技术，给出交战航天器损失最小的策略.

3 发展路线

空间安全飞行器GNC系统任意一项关键技术的突破与实现都有可能带来对空间感知、博弈和对抗的全新认知与思考.

下面主要从空间安全飞行器GNC系统涉及到的核心敏感器/执行机构、关键/前沿技术多角度阐述发展路线.

(1)捕获与观测敏感器.捕获与观测敏感器主要用于测量卫星本体系相对于惯性系的姿态及捕获非合作目标，是一类基于恒星敏感器、由软件定义的敏感器，具有视场大、光轴指向精度高、捕获距离远等特点，是空间感知的关键.为了满足未来空间安全飞行器对非合作目标的捕获需求，对捕获与观测敏感器的发展路线建议为：1)优先发展2″级纳型捕获与观测敏感器.2″的光轴指向精度基本可覆盖大部分任务需求，如果指向精度优于2″，指向误差将会被其它系统误差(校准误差、力/热变形引起的误差、微振动误差)淹没，其它系统误差将成为影响姿态确定或相对测量的主要因素；2)进一步增强多个非合作目标识别能力，发展从运动学、形态学综合认证目标的能力.

(2)探测雷达.探测雷达在博弈对抗任务中主要用于测量目标的距离、方位、速度和形态等，是相对测量的关键.对探测跟踪雷达的发展路线建议为：1)优先发展百公里级的激光雷达.激光雷达具有测量精度高、测距远等特点，百公里级激光雷达的功耗通常小于两百瓦，不仅能够满足大功率卫星平台的长期跟踪任务，还可适应小功率小卫星平台的短期任务;2)发展并丰富雷达种类，建议考虑基于雷达探头、驱动机构和控制处理线路的光机电一体化设计.雷达一体化发展方向不仅仅是结构上的拼装，更重要的是战技指标一体化，主要优势是探测能力更强、重量功耗更小.

(3)惯性测量单元.基于光纤陀螺/石英挠性加速度计集成的惯性测量单元角速度绝对误差可达5×10-4(°)/s、加速度绝对误差可达8×10-4m/s2，这一指标可满足大部分空间安全飞行器的需求.对惯性测量单元的发展路线建议为：1)对于需求量大的任务建议维持组件和配电器分体式，机电一体化设计工艺复杂、装配难度大，不利于批量生产.对于极个别特殊任务可考虑机电一体化设计，降低重量功耗；2)进一步推进标度因数、零偏稳定性等关键参数与环境温度之间的非线性特性研究，降低惯性测量单元陀螺/加速度计标度因数、零偏稳定性对控制系统的影响.

(4)角动量交换机构.空间安全飞行器最大跟踪角速度/角加速度指标反映了姿态机动能力，是GNC系统角动量交换装置选型、构型设计的关键.高动态环境下的博弈对抗飞行器，选用控制力矩陀螺进行角动量交换和姿态机动比较合适；对跟踪角速度没有约束的飞行器可选用反作用轮.在设计反作用轮或控制力矩陀螺的构型时，要充分考虑平台的角动量包络、重量及功耗，一般在保证满足最大跟踪角速度、最大角加速度指标的条件下，要使重量及功耗做到最小化.对角动量交换机构的发展路线建议为：1)进一步增强15 N·m·s/25 N·m·s级角动量交换机构的能力.15 N·m·s控制力矩陀螺或25 N·m·s大力矩反作用轮适用于1～3 t的卫星，以经典4轮45°倾角金字塔构型为例，若机动轴惯量为2000 kg·m2，25 N·m·s角动量交换装置最大跟踪角速度能达到1.01(°)/s，可大范围覆盖姿态机动需求；2)轻小化发展方向.空间安全飞行器的总体设计思路是考虑尽可能多的携带载荷或填装燃料，满足复杂空间机动任务需求，提升服役能力，平台对GNC系统的重量功耗通常是刚性约束，降低角动量交换机构在GNC系统中的总量比重、实现轻小型化是未来的发展趋势.

(5)非合作目标捕获、跟踪和指向控制技术.1)建议优先发展高轨卫星对高轨目标感知需要的非合作目标捕获、跟踪和指向控制技术，强化GSSAP卫星的应对能力，进一步增强捕获、跟踪和指向控制性能.2)迫切需要发展捕获与跟踪系统的自动标校能力.捕获与跟踪系统的标定是在卫星入GEO轨道之后寻找一个目标配合完成的，依赖于地面支持，一定程度约束了卫星投入应用的时机，未来可以尝试在转移轨道段进行标定；3)拓展低轨卫星感知能力，大力发展基于二自由度转台的捕获与跟踪技术.

(6)非合作目标相对测量技术.1)针对空间安全飞行器(如激光、微波卫星等)，建议发展多种类型相对测量敏感器，如激光、红外和可见光雷达，赋予卫星全天时、全天域探测能力，在满足基本功能性能的前提下可进一步拓展武器技能，实现装备武器化;2)建议优先发展多源数据融合与滤波能力，设计复合探测雷达实现距离/场景变化时的相对导航无缝交接班.

(7)多自由度制导与控制技术.1)针对天基感知飞行器，建议优先发展自主绕飞控制，满足未来强迫绕飞、异面绕飞、自然绕飞等多功能详查任务需要的能力；2)针对空间定向能飞行器，建议优先发展抵近悬停控制，满足未来全方位抵近对抗任务的需求；3)需要探索电推进技术在绕飞、悬停等长期对抗任务方面的需求.

(8)高精高稳指向控制技术.反作用轮系、控制力矩陀螺群等高速转动的机构是影响姿态指向控制精度的主要因素，建议优先发展隔振技术，如被动隔振技术、主动隔振技术和主被动混合隔振技术.国内已经在某些遥感卫星领域突破了0.0001(°)/s(3σ) 的姿态控制稳定度，空间安全领域可借鉴.

(9)博弈控制技术属于空间安全飞行器的前沿范畴，建议未来在多方交战环境下重点针对天基拦截、天基守卫等场景开展研究.

(10)作战任务自主规划技术对计算机的能力需求主要体现在强算、超算、智算等方面，建议优先增强控制计算机的算力，依托中继/通信卫星开展在轨验证.

(11)GNC总体设计技术.建议强化空间安全飞行器GNC总体设计能力，除了要满足姿态轨道控制系统自身的指标，还要从能源、结构等角度优化系统，比如考虑帆板驱动机构的能力、发动机几何尺寸、角动量交换机构安装布局、相对测量系统的隐蔽性等因素.

4 结 论

本文研究了天基感知与攻防体系下已发射/构想的空间安全飞行器GNC技术特点，梳理出6项关键/前沿技术，即非合作目标捕获、跟踪和指向控制技术、非合作目标相对测量技术、多自由度制导与控制技术、高精高稳指向控制技术、博弈控制技术和自主任务规划技术；介绍了关键技术的内涵、实现方法及工程进展；针对空间安全飞行器GNC技术发展路线，提出了敏感器/执行机构沿轻小型化、装备武器化和光机电一体化等发展路线建议，给出了在未来3～5年内将非合作捕获捕获与跟踪测量技术、多自由度制导与控制技术、非合作目标相对测量技术、高精高稳指向控制技术列为优先发展与应用的建议.