星载GNC技术现状及发展浅析

<正>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。     

创新驱动谋发展,实干兴业谱新篇——专访北京控制工程研究所所长袁利

从1956年到2017年,北京控制工程研究所(以下简称"研究所")走过了六十一载春秋,与新中国航天事业相伴而生,共同成长。"东方红"系列卫星、返回式系列卫星、"资源"卫星、"神舟"系列飞船、"嫦娥"月球探测卫星……数百个航天器见证了研究所一次次的技术创新与突破,见证了我国在筑梦航天领域迈出的坚实步伐。研究所长期从事航天器制导、导航与控制系统、姿态轨道控制系统、程控系统、推进系统及其部件研制,以及控制科学与信息科学领域基础和前沿研究。成功研制了我国在轨90%以上的星船控制系统、推进系统及其产品,为我国航天事业做出了卓越贡献。     

航天器高精度自主导航技术——基于X射线脉冲星的组合导航系统方案

航天器自主导航是指航天器利用各种测量信息实时确定位置、速度、时间及姿态的方法和技术。完整的自主导航包括4个基本过程：路径规划、当前状态、航迹偏差和偏差修正,因此在实际工程应用中,导航、制导与控制（GNC）系统往往是一体化设计的。航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义,具体体现在两个方面：一方面可以减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低航天器（包括星座）系统建设和长期运行维持的费用;另一方面能减少航天器对地面测控系统的依赖,增强系统的抗干扰、抗摧毁和自主生存能力,然而,从航天器自主导航应具有的自主完备性能、实时操作、不发信号、不依赖于地面站以及长时间运行等基本特征来看,目前航天器尚未实现真正意义上的自主导航,绝大多数航天器仍然依赖地面跟踪测量系统来完成导航任务。     

航天器控制若干技术问题的新进展

航天器姿态和轨道控制技术是航天器研制中的关键技术,对实现复杂航天器的控制以及未来复杂的飞行任务都具有非常重要的作用。文中通过一些飞行实例概述国内外航天器控制技术的发展,论述了航天器控制技术在编队飞行、自主交会与对接和复杂对象控制中的进展。文章通过揭示航天器控制技术领域的研究和发展趋势,为我国航天器制导、导航与控制技术的发展提出建议。     

“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术

"嫦娥三号"探测器首次实现了我国航天器在地外天体软着陆,制导导航与控制技术是软着陆任务成功的关键。针对高安全和高可靠软着陆任务的要求,设计了包含接力避障的软着陆飞行程序,提出了单波束分时修正与多波束融合修正的自主导航方法和自适应动力显式制导、无迭代多项式粗避障制导以及内外环结合的精避障制导等方法。实际在轨飞行结果表明,导航算法提供了高精度的状态估计,制导算法实现了高精度状态控制和有效避障机动,确保了软着陆落月的安全性和可靠性。     

霍尔电推进技术-促成10年后去火星

日前,中国航天科技集团公司五院502所研制的“磁聚焦霍尔电推进系统”在实践－17卫星上完成了全部在轨飞行验证工作,这是世界首套完成在轨飞行验证的“磁聚焦霍尔电推进系统”。“磁聚焦霍尔电推进系统”采用新一代霍尔电推进技术,代表着国际上目前的主流发展方向,可广泛应用于我国新一代通信、全电推进等卫星平台。相比我国目前广泛采用的化学推进系统,“磁聚焦霍尔电推进系统”技术比冲高出6倍以上,对于同样的宇航任务,电推进消耗的推进剂约为化学推进的1/6,甚至更少,可显著提升航天器有效载荷,延长航天器在轨寿命,降低航天器发射成本。     

中国航天器未来发展的GNC关键技术

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．     

空间交会最终平移段控制策略

提出空间交会最终平移段的控制方法,选取追踪航天器的相对位置与姿态角作为控制变量,同步控制追踪航天器的质心运动与姿态运动,修正制导机动执行偏差的影响,使目标航天器保持在光学导航视场范围之内,且满足对接操作对追踪航天器状态的要求。     

美国卫星厂商竞相开发电推进技术

美国卫星厂商竞相开发电推进技术□□为了试验新型电推进技术，商用卫星制造商们都涌向美国航宇局，这将为大大提高航天器的机动性、延长工作寿命和增大有效载荷容量创造条件。近两年内，来自商业用户蜂拥而至的需求，加重了美航宇局刘易斯研究中心的卫星推进试验设施的负...     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

“星”出东方利中国——改革开放40年我国卫星发展成就回顾

正1978年,党的十一届三中全会在北京召开,我国由此进入了改革开放的历史新时期。那时,我国运行在天上的卫星仅有“东方红一号”和“实践一号”两颗科学试验航天器,卫星应用水平远落后于世界先进水平。40年后的今天,我国卫星的在轨数量已超过200颗,总数位居世界第二,不仅涵盖遥感、导航、通信、空间探测和技术实验等卫星种类,还成系统地发展出了通信广播卫星系列、北斗导航卫星系列、气象卫星系列、资源卫星系列     

天文导航在航天工程应用中的若干问题及进展

导航作为航天器核心技术之一,是确保航天任务成败的关键。天文导航以其连续性好、自主性强、实时性优、导航精度高等优点,逐渐成为航天器导航的有效手段。基于国内外天文导航理论及应用的现状,结合近地卫星、深空探测任务特点,探讨了天文导航在航天工程应用中的理论问题与技术问题,如导航目标源观测量精确建模问题、高精度感知与检测问题等,并对新型天文导航技术进行了展望,指出了未来天文导航理论与技术的发展方向,为解决航天工程中的连续自主、实时高精度导航问题提供了有效途径,为学术与工程界进一步深入开展航天器天文导航理论与技术研究提供参考。     

嫦娥一号卫星的制导、导航与控制

嫦娥一号卫星是中国首颗月球卫星。卫星制导、导航与控制(GNC)任务复杂多变,对系统实时性、可靠性和精度要求较高。文章介绍嫦娥一号卫星GNC系统组成、控制方法、系统特点和典型飞行结果。     

航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义、分类及控制

给出了航天器开普勒轨道（KO）和非开普勒轨道（NKO）的来源、定义、分类和特点,阐明了KO和NKO之间的关系,介绍了相关的轨道控制与轨道确定、制导与导航的涵义.     

月球表面巡视探测GNC技术

嫦娥三号巡视器是中国首个地外天体表面巡视探测器, 其制导、导航及控制 (GNC)技术与地球卫星等航天器完全不同. 探测器实现月表巡视探测需要在地 外天体表面确定自身位置、航向及姿态, 识别周围地形环境并寻找安全路径, 控制巡视器沿规划路径安全行驶等. 本文针对嫦娥三号巡视器月面巡视对GNC系统的 任务要求及工作性能, 对月面自主导航定姿定位、协调运动控制、环境感知、 路径规划、激光探测避障以及地面试验等重要技术环节进行了分析, 研究月面制 导、导航与控制特性并进行实验验证, 进而对巡视器GNC技术进行了模拟仿真.      

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。     

《空间控制技术与应用》

正《空间控制技术与应用》(Aerospace Control and Application)是由北京控制工程研究所主办的航天类学术期刊,主要刊载空间控制工程中涉及的:1)航天器动力学;2)制导、导航与控制;3)敏感器;4)执行机构;5)计算机与综合电子;6)系统与应用软件;7)推进系统;8)地面仿真系统测试及在轨验证等方面的理论方法与工程应用论文。《空间控制技术与应用》主要关注航天科技领域的重要进展,尤其关注航天控制理论和应用紧密结合的创新性成果。     

一种利用角动量进行电推力矢量标定的算法

航天器上越来越多地使用电推进进行轨道修正,电推力器的配置安装和使用方式决定了电推进的调整策略,大多数情况下在轨卫星都需要进行电推力矢量的标定和调整。针对国内某类型地球静止轨道卫星,提出一种利用在轨电推力器工作时引起的星体角动量变化来进行电推力矢量标定及调整的算法,同时给出了国内首次在轨电推力矢量标定及调整的应用实例。在轨标定结果表明算法正确可行,该算法为在轨卫星电推标定和调整提供了一种解决方案。     

中国航天器工程的成就与展望

中国航天器工程 40多年来经历了技术准备阶段、技术试验阶段和工程应用阶段 ,已形成了返回式遥感卫星系列 ,通信广播卫星系列 ,气象卫星系列和科学探测与技术试验卫星系列 ,而地球资源卫星系列和导航定位卫星系列也即将形成 ;至今中国已发射成功人造地球卫星 5 1颗 ,发射成功试验载人飞船 4艘 ,取得了举世瞩目的成就 ,为国民经济、国防建设、文化教育和科学研究作出了重大的贡献。进入 2 1世纪 ,根据中国航天近期和远期的发展目标 ,中国航天器工程将迎来新的辉煌     

行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势

行星着陆自主导航与制导控制技术是行星着陆过程的核心技术之一,关系到行星着陆任务的成败。本文基于未来火星和小天体着陆对自主导航与制导控制技术的发展需求,阐述了进一步开展自主导航与制导控制研究的必要性,围绕行星着陆过程环境特点,分析了自主导航与制导控制技术所遇到的挑战,随后概括了行星着陆自主导航与制导控制所涉及的关键技术,并综述了关键技术的研究现状。最后对我国未来行星着陆探测自主导航与制导控制技术的发展方向进行了展望。