深空探測太空船的導引控制技術

深空探測太空船，簡稱深空探測器或探測器，是指對月球以及月球以外的天體與空間進行探測的太空船。對於深空探測而言，由於探測器飛行距離非常遙遠，地面干預特別困難，導引、導航與控制（GNC）系統的任務目標是實現探測器自主的軌道和姿態控制，其中，導引控制技術對於探測器完成關鍵階段的飛行控制尤為重要，例如軌道轉移控制、目標天體交會和捕獲控制、進入下降登陸控制、起飛上升控制、返回重返控制等。

在深空探測任務過程中，導引、導航與控制系統的三個組成部分各司其職、相互配合。導航負責獲取飛行狀態資訊，導引負責制定飛行策略或確定飛行方向，控制負責實際執行，在這三者之中，導引處於核心地位。導引的嚴格定義是引導和控制太空船按照一定規律飛向目標或預定軌道的技術和方法。對於深空探測器來說，導引的主要任務是按照飛行目標或預定的飛行軌跡，確定當前實施軌跡調整所需要的控制量，即改變飛行軌跡所需要的加速度的大小、方向及後續的變化規律。該加速度可以由推進系統產生，也可以利用氣動、太陽光壓等外界環境產生。鑒於導引控制技術對深空探測的重要核心作用，本書專門針對該技術進行深入研究和探討。

由於深空探測任務目標多種多樣，不同飛行階段所採用的導引控制技術各不相同，涉及面非常廣，在一本書中很難面面俱到。為了便於讀者理解和獲得一個整體印象，本書從導引控制技術的基本原理出發，重點圍繞軌道轉移控制、軟登陸控制、大氣進入／重返控制等幾個具有代表性的關鍵飛行過程展開。書中詳細研究論述了各階段導引控制方法的推導過程、演算法編排、模擬驗證和性能分析，並對地面試驗技術進行了簡單的介紹。

全書內容分為4個部分，共9章。第1部分為第1章緒論，介紹導引控制技術的基本概念，對深空探測任務中導引問題的內涵、導引與導航和控制的關係、主要的導引方法等內容進行整理和歸納，並對全書的主要內容進行概括。第2部分為理論篇，包括第2、3章，分別是導引控制的動力學基礎和控制理論基礎，它們為後續章節介紹具體導引控制方法提供了基礎知識準備。第3 部分為應用篇，包括第4～8章，其中第4～7章的每一章都以一個深空探測重要的任務階段為對象，研究探討具體的導引控制技術，包括轉移接近過程、軟登陸過程、大氣進入下降過程和返回重返過程，這四個階段基本覆蓋了目前深空探測任務中主要的導引控制飛行階段。第8章作為共用技術，介紹了深空探測導引控制的地面試驗方法。第4部分是第9章，對深空探測導引控制技術未來的發展趨勢進行了展望。

本書的主要特色如下。

（1）本書進行了比較充分的理論方法回顧，介紹了研究深空探測導引控制技術所必須了解的坐標系系統、時間系統、動力學模型以及最優控制理論等基礎知識。這樣由淺入深的過程，非常有利於讀者對根本問題的掌握，以及對導引控制技術建立一個比較完整的概念。

（2）本書研究討論的導引控制技術，強調的是實用性，所涉及的技術方法很多都在國內外典型的深空探測任務中得到了應用和驗證，包括阿波羅、維京、好奇號等，也包括中國的嫦娥系列月球探測器。

（3）本書注重的是航太動力學、最優控制理論等與實際導引技術的結合，因此在敘述技術應用時會對相關的理論方法進行簡單的回顧，以便於讀者建立理論與應用之間的連繫。

王大軼，研究員，博士生指導教授，自動控制專業，太空船自主運行技術領域學術權威，長期從事自主導航和自主診斷重構技術研究。

李驥，科研學者。
黃翔宇，科研學者。
郭敏文，科研學者。

第1章 緒論
1.1 基本概念
1.1.1 導引、導航與控制
1.1.2 深空探測
1.2 深空探測典型任務中的導引控制技術
1.2.1 月球探測中的導引控制技術
1.2.2 火星探測中的導引控制技術
1.3 本書的主要內容
參考文獻
第2章 天體力學基礎
2.1 參考座標系及座標變換
2.1.1 參考曆元系的定義
2.1.2 座標系之間的變換
2.2 時間系統
2.2.1 時間系統的定義
2.2.2 儒略日的定義及轉換
2.3 太空船動力學模型
2.3.1 中心體引力及形狀攝動勢函數
2.3.2 其他攝動模型
2.4 小結
參考文獻
第3章 最佳控制基礎
3.1 最佳控制問題的提出
3.2 變分法
3.2.1 終端時刻tf給定
3.2.2 終端時刻tf自由
3.3 極小值原理
3.4 最佳控制的應用
3.4.1 最佳控制的應用類型
3.4.2 應用實例
3.5 小結
參考文獻
第4章 星際轉移和捕獲中的導引和控制技術
4.1 軌道動力學
4.1.1 轉移段
4.1.2 接近和捕獲段
4.2 轉移段導引控制方法
4.2.1 基於B平面的脈衝式軌道修正方法
4.2.2 連續推力軌道控制方法
4.2.3 推力在軌標定技術
4.3 接近和捕獲過程的導引控制方法
4.3.1 B平面導引方法
4.3.2 自主軌道規劃方法
4.3.3 氣動捕獲技術
4.4 應用實例
4.4.1 轉移段軌道修正
4.4.2 接近段自主軌道規劃
4.5 小結
參考文獻
第5章 月球軟登陸的導引和控制
5.1 月球軟登陸任務特點分析 865.
5.2 月球登陸動力學
5.2.1 座標系統
5.2.2 引力場和重力場
5.2.3 動力學方程
5.3 不含燃料約束的導引方法
5.3.1 重力轉彎閉環追蹤導引
5.3.2 多項式導引
5.4 燃料最佳導引方法
5.4.1 軟登陸的最佳導引問題
5.4.2 標稱軌跡法
5.4.3 重力轉彎最佳導引方法
5.4.4 顯式導引方法
5.5 定點登陸的最佳導引方法
5.5.1 定點登陸的最佳控制問題
5.5.2 基於顯式導引的定點登陸導引
5.6 應用實例
5.7 小結
參考文獻
第6 章 火星進入過程的導引和控制技術
6.1 火星進入任務特點分析
6.1.1 火星進入環境特性分析
6.1.2 火星進入艙氣動力學特性分析
6.1.3 火星進入導引方法特點分析
6.2 基於標稱軌跡設計的解析預測校正導引方法
6.2.1 標稱軌跡設計
6.2.2 解析預測校正導引方法
6.2.3 航向校正導引方法
6.2.4 應用實例
6.3 基於阻力剖面追蹤的魯棒導引方法
6.3.1 考慮不確定性的二階阻力動力學模型
6.3.2 阻力剖面追蹤魯棒導引方法
6.3.3 改進魯棒導引方法
6.3.4 應用實例
6.4 小結
參考文獻
第7章 高速返回地球重返過程的導引和控制技術
7.1 高速返回重返動力學模型
7.1.1 座標系的建立
7.1.2 座標系間的轉換矩陣
7.1.3 矢量形式的動力學方程
7.1.4 在半速度座標系建立質心動力學方程
7.2 高速返回重返任務特點和軌跡特性分析
7.2.1 高速重返任務特點
7.2.2 高速重返軌跡特點與分段
7.2.3 高速重返軌跡各段的動力學特點
7.2.4 高速重返的彈道特性與重返走廊分析
7.2.5 參數偏差對高速重返過程量和登陸精度的影響
7.3 標準軌道重返導引方法
7.3.1 標準軌道導引方法概述
7.3.2 標稱軌道導引方法跳躍式重返問題分析
7.3.3 基於Gauss偽譜法的參考軌跡優化設計
7.3.4 基於數值預測校正方法的參考軌跡線上設計
7.3.5 基於非線性預測控制方法的軌跡追蹤演算法設計
7.4 預測校正重返導引方法
7.4.1 預測校正導引方法概述
7.4.2 預測校正導引方法過載抑制問題分析
7.4.3 克卜勒段過載抑制演算法
7.4.4 融合導引演算法
7.4.5 應用實例
7.5 小結
參考文獻
第8章 導引控制技術的地面驗證
8.1 登陸避障試驗
8.1.1 懸吊試驗——「LLRF」
8.1.2 自由飛試驗 ——「睡神」
8.2 重返返回試驗
8.2.1「 嫦娥-5飛行試驗器」簡介
8.2.2 器艙組合介紹
8.2.3 試驗飛行過程
8.3 小結
參考文獻
第9章 深空探測太空船導引控制技術發展展望
參考文獻

第1章　緒論

1.1 基本概念

1.1.1 導引、導航與控制

導引、導航與控制技術（Guidance / Navigation and Control, GNC）是對運動體運動過程進行控制的一門綜合學科，常用於汽車、船舶、飛機以及太空船的運動（包括位置、速度、姿態等）控制。導引、導航與控制在運動過程中所造成的作用不同。通俗地講，如果導引、導航與控制的目標是實現運動體從A點移動到B點，那麼其中「導航」的作用是「確定自身當前位置在哪兒」，「導引」的作用是「應該向哪個方向走才能到達目標位置」，「控制」的作用是「確定方向後具體實施」。以人的行為作類比， 「導航」是資訊獲取層面，「導引」是決策層面，「控制」是執行層面。

導引、導航與控制技術對於不同類型的對象，其具體含義不同。本書主要針對的是太空船，因此只從太空船的角度來解釋導引、導航與控制的基本概念。

1.1.1.1 導航

對於太空船來說，導航（navigation）就是指確定或估計太空船運動狀態參數的過程，相應的運動狀態參數包括描述質心運動狀態的位置、速度和描述繞質心轉動的姿態角、角速度等。

從技術角度講，導航就是確定太空船的軌道和姿態。由於姿態確定方法比較成熟，因此太空船的導航通常僅指確定太空船的軌道。為了實現太空船導航，需要由其內部或外部的測量裝置提供測量資訊，連同軌道控制資訊一起，利用軌道動力學模型和估計演算法，獲得太空船當前（或某一時刻）質心運動參數的估計。

對於太空船來說，實現導航的方式種類很多，比較成熟的包括天文導航、圖像導航、無線電導航、衛星導航、慣性導航等，未來還有一些新興的導航方法，例如脈衝星導航等。

1.1.1.2 導引

導引（guidance）是根據導航所得到的飛行軌道和姿態，確定或生成太空船在控制力作用下飛行規律的過程。導引控制技術是指設計與實現導引方式、導引律、導引控制系統所採用的一系列綜合技術。

技術是空間技術和高技術導引武器發展的必然結果。目前導引控制技術已經形成較完善的體系，包括自主式導引、遙控導引、自動導引、複合導引和數據鏈導引等。

導引律是導引控制技術的重要組成部分，包括機動策略和參考軌跡，它是根據系統得到的飛行狀態和預定的飛行目標，以及受控運動的限制條件計算出來的。

1.1.1.3 控制

控制（control）是指確定執行機構指令並操縱其動作的過程。所謂自動控制就是在無人直接參與下，利用控制器和控制裝置使被控對象在某個工作狀態或參數（即被控量）下自動地按照預定的規律運行，以完成特定的任務。

對於太空船來說，在不同軌道階段，必須按任務要求採取不同姿態，或使有關部件指向所要求的方向。為了達到和保持這樣的軌道和姿態指向，就需要進行軌道控制和姿態控制。

軌道控制是指對太空船施以外力，改變其質心運動軌跡的技術。軌道控制律給出推進系統開關機、推力大小和推力方向指令，太空船執行指令以改變飛行速度的大小和方向，沿著導引律要求的軌跡飛行。

姿態控制是獲取並保持太空船在空間定向（即相對於某個座標系的姿態）的技術，主要包括姿態機動、姿態穩定和姿態追蹤。姿態機動是指太空船從一種姿態轉變到另一種姿態的控制任務，例如變軌時，為了能夠通過軌控引擎在給定方向產生速度增量，需要將太空船從變軌前的姿態變更到滿足變軌要求的點火姿態。姿態穩定是指克服內外干擾力矩，使太空船在本體座標系中保持對某基準座標系定向的控制任務。例如軌控點火時，引擎推力方向始終保持對慣性空間或軌道系穩定。姿態追蹤是指太空船為了實現導引輸出的即時變化目標（推力）方向，不斷改變自身的飛行姿態，使本體特定軸始終與導引目標一致的控制任務。例如登陸和上升過程，姿態控制不斷改變太空船自身姿態，使得固連在太空船上的引擎輸出的推力能夠不斷追蹤即時計算且始終變化的導引指令。

1.1.2 深空探測

前面已經介紹了太空船導引、導航與控制的基本概念，可以感受到導引、導航與控制包含的內容非常廣，涉及的技術非常多。從導引、導航與控制之間的關係看，導航是前提，導引是核心，控制是手段。鑒於導引控制技術的重要性，本書只圍繞導引這一核心問題展開。

導引本身也是一個比較寬泛的概念，針對不同的對象、不同的任務場景有很多不同的具體技術。因此在開展導引控制技術深入講解之前，還需要介紹一下本書的研究對象——深空探測。

在航太領域，從任務功能的角度可以將太空船分為三大類型，即應用衛星、載人航太和深空探測。應用衛星的特點是服務型的，目的是為人類生產、生活或者軍事活動提供支援，包括導航衛星、通訊衛星、氣象衛星、偵察衛星等。載人太空船的特點是為人在地球大氣層外活動提供平臺，即有人的大氣層外飛行器。深空探測器則是飛離地球軌道的一類太空船，這類太空船一般肩負著人類探索宇宙，瞭解太陽系起源、演變和現狀，探索生命演化等科學任務。

中國2000年發布的《中國的航太》白皮書指出，深空探測是指對太陽系內除地球外的行星、小行星、彗星的探測，以及太陽系以外的銀河系乃至整個宇宙的探索。因此，按照中國通常的定義，深空探測太空船是指對月球和月球以外的天體與空間進行探測的太空船，包括月球探測器、行星和行星際探測器等。而國際上，按照世界無線電大會的標準，通常將距離地球2×106km以上的宇宙空間稱為深空，並在世界航太組織中交流時使用這一標準。