李 果

（中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

中國航天器未來發(fā)展的GNC關(guān)鍵技術(shù)*

李 果

（中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

針對未來航天器的發(fā)展需求，在對照國外航天器控制系統(tǒng)的先進(jìn)水平和國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)差距的基礎(chǔ)上，提出了中國在航天器控制技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)和方向，并梳理出了一些支撐未來中國航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù).

航天器；GNC；關(guān)鍵技術(shù)

過去幾十年的空間開發(fā)利用活動對人類社會的政治、經(jīng)濟(jì)、國防、科技以及日常生活產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響.空間技術(shù)正在全球迅速擴(kuò)展，衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感等技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛深入的應(yīng)用.

隨著空間事業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器也經(jīng)歷了從試驗(yàn)到應(yīng)用、從結(jié)構(gòu)簡單到結(jié)構(gòu)復(fù)雜、從任務(wù)單一到任務(wù)多樣的發(fā)展過程，衛(wèi)星控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和性能要求也越來越高.不斷增長的航天任務(wù)需求對航天器控制技術(shù)提出了新的問題和挑戰(zhàn).為了滿足未來航天器對高精度、高可靠性和自主性等方面的要求，有必要開展新一代高性能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究.

本文從航天專業(yè)技術(shù)發(fā)展入手，針對未來航天器發(fā)展需求，在對照國外航天器控制系統(tǒng)的先進(jìn)水平和國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)差距的基礎(chǔ)上，梳理出了一些支撐中國航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù).具體包括如下幾個方面：

1）高精度、高穩(wěn)定度控制與快速姿態(tài)機(jī)動控制技術(shù)；

2）航天器自主運(yùn)行技術(shù)；

3）深空探測航天器自主GNC技術(shù)；

4）多航天器高精度相對測量、相對控制技術(shù)；

5）航天器控制系統(tǒng)先進(jìn)仿真技術(shù).

本文將分別對以上5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展需求、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行論述.

1 高精度、高穩(wěn)定度控制與快速姿態(tài)機(jī)動控制技術(shù)

1.1 發(fā)展需求

中國大型對地觀測衛(wèi)星和新型氣象衛(wèi)星對高精度、高穩(wěn)定度控制技術(shù)的需求非常迫切.一些任務(wù)要求星體在短時(shí)間內(nèi)快速側(cè)傾并大角度俯仰機(jī)動，在達(dá)到目標(biāo)角執(zhí)行任務(wù)時(shí)對姿態(tài)和姿態(tài)角速度有很高的精度要求.

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

由國外的調(diào)研可知，從早期的阿波羅（Apollo）望遠(yuǎn)鏡（ATM）開始，根據(jù)光學(xué)有效載荷的不同，航天器姿態(tài)控制的技術(shù)指標(biāo)有指向精度、穩(wěn)定度／長期穩(wěn)定度、抖動／短期穩(wěn)定度等，其中著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）［1］，其指向精度0.01″，姿態(tài)穩(wěn)定度要求在數(shù)小時(shí)內(nèi)鏡像在焦面的穩(wěn)定度誤差不超過0.007″，在18m in內(nèi)完成90°姿態(tài)機(jī)動.而美國的鎖眼（KH-11／KH-12）［2］可見光成像偵察衛(wèi)星在HST的基礎(chǔ)上增加了一臺可提供變軌機(jī)動能力的大型火箭發(fā)動機(jī)，其中KH-12改進(jìn)了帆板的設(shè)計(jì)，被稱為“極限攝像平臺”.為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜衛(wèi)星的甚高精度姿態(tài)控制指標(biāo)，控制對象的變參數(shù)、不確定性、非線性等特性對甚高精度姿態(tài)控制的影響不能被忽略.必須從高精度的建模、部件指標(biāo)的精細(xì)分配、控制方法研究等著手，提高和改進(jìn)控制系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì).例如，美國的下一代空間望遠(yuǎn)鏡JWST［3］（見圖1）采用可展開式光學(xué)有效載荷，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而成像分辨率將比HST提高一個數(shù)量級，NASA正在開展相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究.

圖1 JWST太空望遠(yuǎn)鏡

在衛(wèi)星快速機(jī)動方面，為了增加成像幅寬，對突發(fā)事件地區(qū)實(shí)現(xiàn)即時(shí)觀測，或通過衛(wèi)星沿軌跡方向的前視和后視來實(shí)現(xiàn)同軌立體成像，對衛(wèi)星快速機(jī)動能力提出了嚴(yán)格的要求［4］.例如美國“增強(qiáng)型成像系統(tǒng)”（EIS），它在高級光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的基礎(chǔ)上稍加修改，增加了成像雷達(dá)天線，衛(wèi)星質(zhì)量達(dá)20 t.上述衛(wèi)星配備大力矩控制力矩陀螺（CMG），具有側(cè)擺機(jī)動能力，但具體控制指標(biāo)秘而不宣.俄羅斯發(fā)射的ARKON衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量約6 t，具有20°左右側(cè)擺能力，在其運(yùn)行高度可使星上相機(jī)對遠(yuǎn)離星下點(diǎn)1 000 km范圍內(nèi)的多個目標(biāo)區(qū)進(jìn)行成像，也能對同一目標(biāo)進(jìn)行多視角觀測.法國的“太陽神”（Helios）衛(wèi)星，質(zhì)量為2.5 t，可在25s內(nèi)完成60°姿態(tài)機(jī)動.

國內(nèi)“十一五”期間，北京控制工程研究所承擔(dān)有關(guān)衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制的機(jī)理和方法的研究，從非線性濾波、控制建模以及智能自適應(yīng)控制方法等方面開展機(jī)理和方法的基礎(chǔ)性研究.針對復(fù)雜航天器變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)及不確定性特點(diǎn)研制甚高精度控制技術(shù)，引入部分智能控制的思想和手段，采用有效的測量和控制技術(shù)，提高控制系統(tǒng)對復(fù)雜航天器不確定因素的適應(yīng)能力，從而達(dá)到甚高精度控制和長期穩(wěn)定運(yùn)行的目的.

1.3 發(fā)展目標(biāo)與方向

研究快速機(jī)動與穩(wěn)定控制方法，探討制約衛(wèi)星快速機(jī)動的因素，提出實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動及穩(wěn)定控制的有效方法，以滿足對地觀測衛(wèi)星的觀測范圍和實(shí)時(shí)性要求，從而提高衛(wèi)星對地觀測能力.在80s內(nèi)實(shí)現(xiàn)70°大角度機(jī)動，機(jī)動最大角速度不小于4（°）／s，姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于10－4（°）／s.

2 航天器自主運(yùn)行技術(shù)

2.1 發(fā)展需求

實(shí)現(xiàn)航天器自主運(yùn)行，對減輕地面測控負(fù)擔(dān)、降低航天器運(yùn)行成本和提高航天器生存能力等方面具有重要意義，這是航天科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢.未來航天器的復(fù)雜程度越來越高，對可靠性的要求也越來越高，這對航天器自主診斷、系統(tǒng)重構(gòu)與容錯控制技術(shù)提出了更高的要求.

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

美國一些主要研究機(jī)構(gòu)（包括NASA的哥達(dá)德航天中心GSFC、海軍研究院、JPL實(shí)驗(yàn)室等單位）和大學(xué)先后于20世紀(jì)80年代開始了航天器智能自主控制的研究.GSFC研制的亞毫米波天文衛(wèi)星通過地面裝載在處理器中的預(yù)編指令實(shí)現(xiàn)航天器自主運(yùn)行，在最壞情況下，航天器的設(shè)計(jì)可以保證在與地面失去聯(lián)系時(shí)間長達(dá)28 h的條件下實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，而不危急正常運(yùn)行.近地航天器智能自主運(yùn)行的一個典型代表是地球觀測1號（EO-1）航天器，其核心是航天器自主實(shí)驗(yàn)艙，主要作用是實(shí)現(xiàn)在軌自主決策和規(guī)劃以探測地球上的短期突發(fā)事件，并有選擇性的下傳高價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù).

從20世紀(jì)60年代開始，美國、俄羅斯和歐空局先后研究了多種衛(wèi)星自主導(dǎo)航方案，并研制了相應(yīng)的星載測量儀器，其中一部分還進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)，包括林肯試驗(yàn)衛(wèi)星8號和9號的在軌自主位置保持試驗(yàn)、利用航天飛機(jī)的空間六分儀導(dǎo)航系統(tǒng)飛行試驗(yàn)、俄羅斯研制的基于雷達(dá)高度計(jì)的自主導(dǎo)航試驗(yàn)等.與全自主導(dǎo)航方法相比，基于導(dǎo)航星的導(dǎo)航方法精度要高得多，且已得到廣泛應(yīng)用.經(jīng)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證其精度在10m量級，這種方法雖然精度較高，但并不是完全自主的，它依賴于導(dǎo)航星座的穩(wěn)定運(yùn)行［5-6］.

自主故障診斷及故障后的系統(tǒng)重構(gòu)是自主運(yùn)行航天器不可或缺的關(guān)鍵功能.為提高航天器的安全性與可靠性，減少損失，美國等西方國家從20世紀(jì)50年代就開始航天器故障診斷技術(shù)的研究，并取得了大量的研究和應(yīng)用成果.隨著航天器飛行任務(wù)的擴(kuò)展，工作壽命延長等要求的提高，對航天器故障診斷技術(shù)的要求也不斷提高.目前國外航天器已從原來單一配置的各分系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等）的故障診斷系統(tǒng)，向集系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、故障診斷和故障修復(fù)為一體的航天器集成健康管理系統(tǒng)發(fā)展.航天器健康管理的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，并于20世紀(jì)90年代掀起了研究熱潮.世界航天大國在這方面開展了大量的研究工作，并在實(shí)際飛行中得到成功應(yīng)用.目前，美國已在“深空一號”探測器（Deep Space 1）、地球觀測衛(wèi)星-1（EO-1）、火星巡視探測器（Mars Exp loration Rover）、航天飛機(jī)等航天器上成功運(yùn)用了自主健康管理技術(shù)，對保證上述航天器的可靠運(yùn)行發(fā)揮了重要作用.目前，國外航天器的在軌故障診斷與重構(gòu)已逐步形成由天-地兩大部分組成的系統(tǒng)，航天器上配有獨(dú)立的自主故障診斷與重構(gòu)的軟件系統(tǒng)或硬件單元，由地面建立的故障診斷專家系統(tǒng)完成對航天器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷.

盡管中國在衛(wèi)星自主運(yùn)行控制技術(shù)方面已經(jīng)有一定的理論研究基礎(chǔ)，但多數(shù)還處于原理和方法層面，主要是跟蹤國外研究狀況，差距明顯.中國航天器的自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)仍停留在國外早期的水平.目前已應(yīng)用的自主故障診斷方法僅針對少數(shù)可預(yù)知的故障設(shè)計(jì)，并有一定的適用條件，故障處理對策也很有限，大部分故障診斷和處理仍需要地面協(xié)助完成.

2.3 發(fā)展目標(biāo)與方向

重點(diǎn)研究自主導(dǎo)航和自主軌道控制的工程應(yīng)用技術(shù)，研制新型導(dǎo)航敏感器樣機(jī)，進(jìn)行地面演示驗(yàn)證試驗(yàn)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)飛行試驗(yàn)；以靜止軌道衛(wèi)星為對象，研究自主控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和工程實(shí)現(xiàn)技術(shù).

探索航天器故障診斷的機(jī)理與方法，研究初步具備天地聯(lián)動機(jī)制的自主容錯控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，針對完整配置的設(shè)備級故障，探索容錯與避錯控制的新方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

3 深空探測航天器自主GNC技術(shù)

3.1 發(fā)展需求

深空探測航天器相比地球衛(wèi)星及飛船，其飛行距離遠(yuǎn)、運(yùn)行時(shí)間長、環(huán)境未知性較強(qiáng)，因此，深空探測對航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)在自主性、實(shí)時(shí)性和相對精度等方面的要求更高.

3.2 發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)對國外深空探測航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的調(diào)研分析，可以初步得出如下結(jié)論：首先，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及星載計(jì)算機(jī)和敏感器性能的不斷提高，絕大多數(shù)小天體深空探測器和一些大天體深空探測器已經(jīng)具有部分自主導(dǎo)航功能，而且該功能正逐漸完善和強(qiáng)大.其二，當(dāng)前的深空探測航天器的自主導(dǎo)航已成為地面測控的一種有效的補(bǔ)充手段.在某些特殊的飛行段，例如接近、繞飛、著陸、附著、撞擊等任務(wù)階段需要精確獲得探測器相對目標(biāo)天體的位置、速度和姿態(tài)，或者在地面測控受限以及不能滿足實(shí)時(shí)性需要的任務(wù)段，自主導(dǎo)航具有超越地面測控的性能表現(xiàn).在其他飛行段，自主導(dǎo)航也能在一定程度上起到作為地面測控的備份或者降低地面測控負(fù)擔(dān)的作用.其三，當(dāng)前主流的深空探測航天器的自主導(dǎo)航技術(shù)都采用光學(xué)導(dǎo)航敏感器對目標(biāo)天體或目標(biāo)進(jìn)行攝像，光學(xué)導(dǎo)航已成為當(dāng)前國外深空自主導(dǎo)航的核心內(nèi)容，如“深空一號”、“深度撞擊”等任務(wù)，光學(xué)導(dǎo)航的核心部件——光學(xué)導(dǎo)航敏感器也得到了不斷的發(fā)展.除此之外，國外也正在探索基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航方法［7］，但這些方法還沒有投入實(shí)際應(yīng)用.

國外從20世紀(jì)60年代開始研制月面巡視探測器和火星表面巡視探測器，其中美國和前蘇聯(lián)在巡視探測器的研究方面處于世界領(lǐng)先地位［8-9］.美國的火星探測器，包括Sojouner和MER［8］，在很長的時(shí)延和很窄的通信帶寬等條件下，采取具有一定程度半自主能力的方式配合遙操作進(jìn)行控制.各國在探測計(jì)劃論證期間和巡視探測器工程研制任務(wù)的前期，開展了大量的預(yù)先研究工作，研制了各種類型的地面樣機(jī)，取得了巡視探測器設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為飛行試驗(yàn)提供了技術(shù)儲備，其中Rocky7、FIDO是最為典型的地面樣機(jī)，均采用了遙操作＋半自主的運(yùn)動控制方式.

突破自主導(dǎo)航敏感器的關(guān)鍵技術(shù)是深空探測航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn).北京控制工程研究所已經(jīng)為探月一期工程研制出用于環(huán)月姿態(tài)確定的紫外月球敏感器.但深空探測器的自主導(dǎo)航距離工程應(yīng)用還有較大差距.由北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部和北京控制工程研究所聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢單位研制的月面巡視探測器原理樣機(jī)，代表了目前國內(nèi)的最高水平.該原理樣機(jī)上配備了導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、慣性測量單元、傾角傳感器、太陽敏感器，實(shí)現(xiàn)了遙操作＋半自主的規(guī)劃與控制，在內(nèi)外場試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證.

3.3 發(fā)展目標(biāo)與方向

深入研究深空探測的關(guān)鍵技術(shù)——制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，力求突破深空探測制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)，形成具有創(chuàng)新性的中國深空探測制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，為中國深空探測器和巡視器的研制和未來深空探測任務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)與實(shí)用方法，并最終提高中國在深空探測技術(shù)方面的能力.同時(shí)深入開展基于脈沖星的航天器導(dǎo)航技術(shù)研究并進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn).

要求基于光學(xué)成像測量的深空探測巡航段自主導(dǎo)航技術(shù)的導(dǎo)航位置精度150 km，速度1m／s；深空探測接近和環(huán)繞目標(biāo)天體段的導(dǎo)航位置精度10 km，速度1 m／s；深空探測器表面巡視器里程精度10%，一次全局路徑規(guī)劃有效范圍10 m；航天器基于微推力的連續(xù)式軌道控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌道半徑5 km和傾角誤差0.5°；要求深空探測接近和環(huán)繞目標(biāo)天體段的軌道控制精度實(shí)現(xiàn)軌道高度和傾角誤差分別為5 km和0.2°的目標(biāo).

4 衛(wèi)星星座／編隊(duì)飛行的相對軌道和姿態(tài)的測量與控制技術(shù)

4.1 發(fā)展需求

利用多顆衛(wèi)星建立衛(wèi)星星座，能夠?qū)崿F(xiàn)全球?qū)Ш?、通信和全球環(huán)境監(jiān)測等單星難以完成的任務(wù).發(fā)展具有較高時(shí)間和空間分辨率的分布式光學(xué)成像衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)是掌握未來信息化主動權(quán)的重要手段之一.發(fā)展相對軌道和姿態(tài)的測量與控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度衛(wèi)星編隊(duì)飛行和衛(wèi)星星座／編隊(duì)飛行任務(wù)長期自主運(yùn)行的重要保障［10-12］.

4.2 發(fā)展現(xiàn)狀

在導(dǎo)航星座的自主導(dǎo)航研究方面，美國正在努力解決GPS星座本身的自主導(dǎo)航問題.已開始陸續(xù)發(fā)射的GPS Block IIR系列導(dǎo)航衛(wèi)星配備了星上自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可在沒有地面支持的情況下支持GPS自主運(yùn)行［13］.歐洲的Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)也有衛(wèi)星自主導(dǎo)航的發(fā)展規(guī)劃.美國GSFC已對基于星間鏈路偽距測量的相對導(dǎo)航原理在EO-1和LandSat-7的編隊(duì)飛行任務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

衛(wèi)星編隊(duì)飛行是極具開拓性的新興航天技術(shù)領(lǐng)域，國外許多空間任務(wù)擬采用編隊(duì)飛行任務(wù)來實(shí)現(xiàn).國外有代表性的編隊(duì)飛行任務(wù)的應(yīng)用研究實(shí)例有：分布式星載合成孔徑雷達(dá)（如美國空軍的技術(shù)衛(wèi)星Techsat21，它利用配置在空間圓形軌道上的8顆小型雷達(dá)星，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于大型雷達(dá)星的功能）、EO-1和LandSat-7對地觀測衛(wèi)星、分布式氣象衛(wèi)星、重力修正和氣候?qū)嶒?yàn)（GRACE）衛(wèi)星等.分布式協(xié)同控制將成為未來衛(wèi)星編隊(duì)飛行控制技術(shù)發(fā)展的重要方向，與目前的單星相比有革命性的變化，由此也將帶來分布式衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、分布式信息處理方式以及與之相適應(yīng)的分布式衛(wèi)星部件與有效載荷的巨大變革；編隊(duì)飛行衛(wèi)星控制技術(shù)將朝著更加智能自主化的方向發(fā)展，使得編隊(duì)衛(wèi)星成為真正具備自主規(guī)劃、自主運(yùn)行和自主修復(fù)的“遠(yuǎn)程智能體”；更高的飛行性能（其中包括更高的相對導(dǎo)航精度、更高的隊(duì)形控制精度、更長的在軌壽命等等）是未來編隊(duì)飛行任務(wù)發(fā)展的又一趨勢，也是適應(yīng)未來飛行任務(wù)的需要，這些性能的實(shí)現(xiàn)也必將與眾多新理論和新方法的發(fā)展緊密結(jié)合，相互促進(jìn).

國內(nèi)有關(guān)衛(wèi)星星座／編隊(duì)飛行任務(wù)自主運(yùn)行與自主控制方面的研究是近幾年來在國家有關(guān)計(jì)劃支持下開始啟動的，并已經(jīng)取得了一些成果.對導(dǎo)航星座的自主導(dǎo)航也進(jìn)行了研究，提出了利用光學(xué)測量裝置解決星座自主導(dǎo)航中的自主定向問題.與國外相比，國內(nèi)的基礎(chǔ)理論研究比較薄弱，特別是原創(chuàng)性的理論成果很少；對于編隊(duì)飛行任務(wù)的軌道及姿態(tài)控制實(shí)用技術(shù)的研究較少，特別是高精度的相對姿態(tài)和相對軌道的測量技術(shù)研究還有待深化.

4.3 發(fā)展目標(biāo)與方向

研究衛(wèi)星星座／編隊(duì)飛行任務(wù)的自主導(dǎo)航與控制領(lǐng)域的理論方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，突破星座／編隊(duì)飛行自主運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，并帶動適合分布式衛(wèi)星的分系統(tǒng)及有效載荷的開發(fā)和研究，為實(shí)現(xiàn)編隊(duì)衛(wèi)星的工程化奠定技術(shù)基礎(chǔ).通過編隊(duì)衛(wèi)星自主導(dǎo)航與控制領(lǐng)域的理論方法和技術(shù)途徑的研究，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行自主控制關(guān)鍵技術(shù)的突破，并帶動適合分布式衛(wèi)星的分系統(tǒng)及有效載荷的開發(fā)和研究，為實(shí)現(xiàn)編隊(duì)衛(wèi)星的工程化奠定基礎(chǔ).

5 航天器控制系統(tǒng)先進(jìn)仿真技術(shù)

5.1 發(fā)展需求

未來航天器研制成本高，系統(tǒng)規(guī)模大，技術(shù)復(fù)雜，絕大多數(shù)情況下難以進(jìn)行在軌修復(fù)，屬于高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目.充分利用先進(jìn)仿真技術(shù)，在飛行試驗(yàn)前的各階段進(jìn)行充分的地面驗(yàn)證，能有效降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，提高任務(wù)的可靠性［14］.

5.2 發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)50年代起，美國先后建立了多個大型航天器物理和半物理仿真實(shí)驗(yàn)室，JPL、約翰遜航天中心（JSFC）等均設(shè)立了各種大型仿真系統(tǒng)，對美國航天關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用.例如復(fù)雜撓性結(jié)構(gòu)、大型空間結(jié)構(gòu)（LSS）、空間交會對接、可展開天線高精度控制等航天關(guān)鍵技術(shù)，均由大量的地面仿真系統(tǒng)試驗(yàn)作為研究支撐.在數(shù)學(xué)仿真方面，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，美國在航天器仿真領(lǐng)域逐漸形成了各種專業(yè)化的數(shù)學(xué)仿真平臺和分析工具，其中一部分現(xiàn)在已經(jīng)成為著名的商業(yè)化專用工具軟件，如Adams、Nastran等.

從20世紀(jì)70年代開始，美國國防項(xiàng)目和航天器仿真技術(shù)逐漸向系統(tǒng)化、專業(yè)化方向邁進(jìn).1992年美國公布了“國防建模與仿真倡議”，并成立了國防項(xiàng)目建模與仿真辦公室，負(fù)責(zé)倡議的實(shí)施；1992年7月，“綜合仿真環(huán)境”被美國國防部列為保證美國戰(zhàn)略優(yōu)勢地位的七大關(guān)鍵技術(shù)之一.1995年10月，美國國防部公布了“建模與仿真主計(jì)劃”，提出了美國國防部建模與仿真的6個主目標(biāo)；1997年度提出的“美國國防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)劃”將“建模與仿真”列為“有助于極大提高軍事能力的四大支柱”之一.

近年來中國航天仿真技術(shù)的發(fā)展也取得了長足的進(jìn)步.目前已建成了多個基于氣浮臺的物理仿真系統(tǒng)、基于三軸轉(zhuǎn)臺的半物理仿真系統(tǒng)，以及綜合平動和轉(zhuǎn)動模擬裝置在內(nèi)的大型仿真試驗(yàn)系統(tǒng)等；并建成了包括地球模擬器、太陽模擬器、星模擬器、GPS模擬器等具有多種目標(biāo)模擬能力的目標(biāo)模擬器，已經(jīng)具備了進(jìn)行多體復(fù)雜航天器、空間交會對接、系統(tǒng)故障診斷等航天器系統(tǒng)仿真驗(yàn)證能力，以及關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的仿真建模、驗(yàn)?zāi)Ｄ芰Γ?5］.

但由于起步晚、基礎(chǔ)差等原因，目前中國的航天器仿真技術(shù)與國外先進(jìn)航天大國相比還存在相當(dāng)大的差距，對于包含多撓性結(jié)構(gòu)、新型推進(jìn)劑貯箱的復(fù)雜航天器動力學(xué)，以及高精度空間力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境的地面仿真，還缺少可靠、高效的仿真方法.從仿真專業(yè)體系建設(shè)到具體的先進(jìn)仿真技術(shù)，以及仿真技術(shù)在航天器研制過程中的應(yīng)用還都有較大的提升空間.

5.3 發(fā)展目標(biāo)與方向

開展先進(jìn)航天器仿真技術(shù)研究，建立數(shù)字化航天器GNC模擬系統(tǒng).數(shù)字化航天器GNC模擬系統(tǒng)由高精度的部件模型、對象模型和空間環(huán)境模型組成，模型應(yīng)覆蓋運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)特性、電磁特性、熱特性、光學(xué)特性等多學(xué)科內(nèi)容，以綜合描述航天器在軌運(yùn)行時(shí)部件、整星和空間環(huán)境的相互作用.

在物理仿真方面，研究新型重力卸載方法，新型空間電磁環(huán)境和力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)，建立先進(jìn)的物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，可針對未來多撓性、多貯箱、帶有大型可運(yùn)動附件的航天器進(jìn)行地面環(huán)境下的等效物理仿真試驗(yàn)，以達(dá)到模型驗(yàn)證和各種制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)驗(yàn)證的目的.

6 結(jié)束語

本文在對國內(nèi)外航天器控制技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)調(diào)研和需求分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞未來航天器對高精度、高可靠性和自主性方面的要求，結(jié)合高分辨率信息獲取、星上智能自主控制、深空探測等技術(shù)能力的提升，對衛(wèi)星GNC領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，并提出了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo).深入研究和發(fā)展這些關(guān)鍵技術(shù)，將促進(jìn)中國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

*國家自然科學(xué)基金（90405017）資助項(xiàng)目.

2009-07-30

李 果（1961—），男，山東人，研究員，研究方向?yàn)楹教炱髦茖?dǎo)、導(dǎo)航與控制（e-mail：liguo502＠yahoo.com.cn）.

V 448.2

A

1674-1579（2009）06-0001-05