浅谈深空探测GNC系统技术

浅谈深空探测GNC系统技术
摘要：本文从航天专业技术发展入手，针对未来航天器发展需求，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，梳理出了一些支撑中国深空探测航天器制导、导航与控制未来发展的关键技术，对于关键部分做了解读，有助于进一步了解深空探测GNC系统技术。

关键词：深空探测GNC系统技术介绍
ABSTRACT:This article starts with the development of professional space. According to the requirements of the future development of the spacecraft, based on the gap between the control of foreign spacecraft control system and the existing domestic advanced level of technology, this article presents some key technologies which can support China deep space exploration spacecraft in guidance, navigation and control of future development. It will help you to further understand the deep space exploration technology in GNC system technology. KEY WORDS: deep space exploration, GNC system technology, introduction
深空探测指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。

[1]而在飞行器探测过程中，GNC（Guidance,Navigation and Control）系统技术承担着飞船从起飞到返回的全部运动控制任务。

美国国家科学研究委员会（NRC）认为，未来十年的空间探测体现出“持续增长的自主性和持续增长的复杂性”，对GNC的要求自然也水涨船高。

美国空间探测有三大类目标，分为目标A、B、C。

目标A是“拓展和维持超越近地轨道的人类活动”，目标B是“探索太阳系的进化和潜在的外星生命”，目标C是“扩展对地球和宇宙的理解”。

在前两类中GNC均作为关键技术，并且“目标B”中GNC技术的优先级排在首位。

深空探测深空探测器相比地球卫星及飞船,其飞行距离远、运行时间长、环境未知
性较强，因此，深空探测对深空探测器制导、导航和控制系统在自主性、实时性和相对精度等方面的要求更高。

[2]
1国内外深空探测航天器在GNC技术上的发展现状
1.1 国内现状
中国的深空探测活动起步于月球探测，目前已圆满实现了“绕”和“落”的目标，掌握了环月与月表探测、月面软着陆及月地再入返回等关键技术，具备了发射、测控、通信及回收等航天基础设施与能力。

同时正在实施三期“月面采样返回”工程，将于2020年前完成工程预定目标。

在“三步走”之后，中国深空探测如何发展已成为各方
关注的重点，这也是航天强国建设面临的重大问题。

[3]下面简要介绍中国探月工程主要在GNC方面的发展变化。

（1）“嫦娥二号”卫星：采取直接地月转移与机动飞行控制技术，采用自主惯性对准技术，实现了轨控准备过程的全自主控制。

使用小行星交会轨道设计与交会控制技术，突破并验证了交会轨道设计和交会控制等技术；
（2）“嫦娥三号”卫星：采用软着陆自主制导、导航和控制技术，软着陆过程的导航、制导、避障和姿态控制等方面大量控制方法和策略均为国内首次应用。

运用自主导航与遥操作控制技术，采用立体视觉技术实现月面未知环境的三维恢复与重建；
（3）探月三期工程：突破了再入制导导航与控制等关键技术。

具备月球无人采样返回的能力，突破月表自动采样、样品的封装与保存、月面动力上升、采样返回轨道设计、月球轨道交会对接、多目标高精度测控通信等关键技术，实现航天技术的重大跨越。

1.2 国际现状
为了解决深空探测器的深空测角以及连续观测等问题，目前国际上采取的措施有：通过加大地球上深空站的天线口径、提高射频频段、降低接收系统噪声温度、采用先进的信道编译码技术和信源压缩技术等措施来克服巨大距离损失，运用连接端站干涉仪技术来实时提供测角数据用于实时导航，立足于全球布设陆基深空网来克服地球自旋影响，以提供全天时连续观测。

国外从20世纪60年代开始研制月面巡视探测器和火星表面巡视探测器，其中美国和前苏联在巡视探测器的研究方面处于世界领先地位[7-8]。

美国的火星探测器，包括
Sojouner和MER[7]，在很长的时延和很窄的通信带宽等条件下，采取具有一定程度半
自主能力的方式配合遥操作进行控制。

各国在探测计划论证期间和巡视探测器工程研制任务的前期，开展了大量的预先研究工作，研制了各种类型的地面样机，取得了巡视探测器设计的宝贵经验，为飞行试验提供了技术储备，其中 Rocky 7、FIDO是最为典型
的地面样机，均采用了“遥操作+半自主”的运动控制方式。

[2]
1.3 差距
我国在深空探测GNC方面技术能力亟待提升。

深空探测所涉及的飞行任务设计、借力飞行、自主导航、高效能源、月球资源开发利用能力、火星着陆巡视及采样返回、以及小行星附着采样和防御等研究尚处于起步阶段，距离工程实施还有一定的差距。

运载以及深空测控通信能力尚不能支持更大规模、更远距离探测。

2深空探测所涉及关键的GNC技术
2.1轨迹设计
2.1.1小型天体的近距离轨迹设计
对于深空探测器在深空探测中飞行控制来说，能源或许直接影响深空探测器的工作，而对于当前更高能燃料研究技术尚未成熟，太阳能利用技术还需改进的形势下，合理利用重力相互作用可以极大减少推进剂的消耗，这也对深空探测器轨道设计提出了更高的要求。

因此突破深空探测必须解决的关键技术，如多天体力学轨道设计，深空自主导航与控制、深空热控、远距离大时延测控通信等技术。

进行新技术试验验证，如高集成小型化电子设备、高效推进系统的技术试验研制等。

通过一系列关键技术的突破和新技术的试验，发展先进的深空探测技术平台。

为拓展深空探测领域和提升我国航天技术水平奠定基础。

2.1.2低能量轨迹设计和优化
该类探测任务要求具备对小型天体接近、离开和绕飞的能力。

尽管例如深度撞击等已经取得了一定成果，但仍需要技术创新支持未来的任务，例如：
（1）高精度动态条件下自动化的任务设计和优化设计；
（2）动态环境下的特征提取、任务场景和轨迹设计、控制和位置保持等；
（3）小型天体的交会任务，包括围绕小型天体的自主运行；
（4）三体重力效应，以及诸如太阳辐射压力等小量影响下的任务设计。

2.1.3多飞行器的轨迹优化
解决二体或多体重力场效应，传统“尝试-纠错”的反复迭代数值分析方法已经进化到多体问题的动力学系统理论研究和应用。

接下来研究方向主要集中在：
（1）多体动力学的快速轨迹设计和优化能力，这也有利于未来的自主运行；
（2）转移和捕获轨道设计，尤其在低推进条件下。

2.1.4 低推进轨迹设计和优化
当前航天器广泛采用只产生很少量的推力的电推进和太阳帆，对于这方面的研究已经开展了很多，技术水平逐渐完善，而我们接下来仍需解决的一些技术难题，通过GNC 控制来进一步优化探测器轨迹，节省推进剂的使用来提高续航能力。

（1）对意外推力损失情况下的适应性；
（2）多体环境下的轨迹设计；
（3）更广、更快的优化搜索能力；
（4）新型推进系统的轨迹优化设计。

2.2 自主导航
指深空探测器不依赖地面支持，利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度以及在轨完成飞行任务所要求的导航功能或相关的轨道确定和导航参数解算。

[9]对于深空探测深空探测器自主导航技术而言，GNC系统占据重要部分。

现简要介绍自主导航GNC系统关键技术。

[10]
2.2.1 光学导航敏感器技术
从一些国外深空探测任务和计划所采用的自主导航与控制技术可以看出，光学导航是目前深空探测的主流自主导航技术。

而光学导航敏感器是深空光学自主导航系统的关键部件。

深空光学自主导航系统要求导航光学敏感器的测量精度，灵敏度，动态范围等多方面提出了高要求。

因此，突破深空导航光学敏感器的这些关键技术是研制深空光学导航敏感器的关键。

2.2.2 深空导航信息的获取与处理技术
获取导航测量信息是实现自主导航的关键，导航信息的自主获取与处理是实现自主导航与控制的前提。

为了提高自主导航系统的性能，必须获取高质量的导航信息。

光学
图像导航是深空探测深空探测器自主导航的发展趋势，图像处理算法是其核心，是获取高精度的导航天体信息和提高导航精度的关键环节。

2.2.3 导航滤波技术
深空探测不同于一般的发射地球卫星，深空中存在各种杂波对于信号传递的干扰，对于滤波模型有干扰现象，可能会使自主导航滤波算法出现发散现象。

因此，需要研究考虑这些不确定性因素的自适应自主导航滤波算法，对算法的稳定性及计算量提出更高要求。

2.2.4自主姿态和轨道控制技术
由于深空探测航天器所处的特殊环境以及自主性的要求，使得深空探测航天器的姿态与轨道控制问题比地球卫星更加复杂和困难。

如何使深空探测器自主进行各种姿态定向和轨道控制等一系列复杂的操作，这需要进一步的技术支持。

2.3 SGNC技术
SGNC（Surface Guidance, Navigation and Control）即表面制导、导航与控制技术。

它是GNC技术的一个分支，指通过传感、定位、运动规划、导航控制等技术，利用轮式车、空中平台、小型跳跃装置等设备，实现所需的机动，并完成特定目标任务。

正如对SGNC的定义而言，SGNC并非仅指在行星“地面”运动，也包含了不同的空间机动模式，所需解决的关键技术包括：精确定位、姿态控制、自主飞行控制、高效运行、不确定条件下的规划、长期的有风辅助的导航、危险检测和规避、建模与仿真、通讯天线的定位与稳定控制、空间飞行器的部署等。

3从四大功能部分看深空GNC
NASA将深空GNC的组成分为4个功能部分：传感、计算、控制驱动以及地面测试。

四部分功能很好概括了GNC技术在深空探测上所需要的关键点。

3.1传感
在一般航天器工作过程中，传感设备的使用关乎全局，对于深空探测器更是如此。

它肩负着传递信息的任务，具有包括各种传感设备的使用以及危险检测功能；在深空探测领域主要区别于其他探测的额外技术主要有：
（1）相对目标传感，包括测高仪和测速仪、地形传感设备、危险检测传感器等；
（2）惯性-天体传感，包括“纳g”级的加速度计，精确定时等。

3.2计算
任何航天器的正常运行离不开计算机各种算法的计算。

对于深空探测，计算主要基于各种数据源，估计当前的姿态轨迹，并计算未来的轨迹和姿态。

其内容包括：基于图像的导航、姿态估计、轨道确定、危险检测与分析、姿态和路径控制、过程纠正等。

另外，以惯性技术为主的在线GNC技术，非线性优化和路径规划技术、自主制导导航与控制系统、相对目标估计，包括相对目标定位和姿态预计、行星上的精确定位系统等计算技术也是深空探测的关键。

3.3 控制驱动
控制驱动主要指根据计算结果控制姿态和轨迹，包括驱动发动机，控制各种气动舵翼等任务。

这一方面即是GNC技术主要操作任务，通过分析信息，通过计算算法计算应操作的指令来完成自主探测制导的目标。

3.4 地面测试
基于地面测试实验软件进行模拟太空环境来进行测试，来检测深空探测器各方面性能运作。

地面测试设备采集探测器姿态和轨道分系统的控制输出，计算探测器在空间姿态和轨道的状态变化，向探测器控制分系统传感器输出信号，与探测器控制分系统形成闭环。

对于探测器真实工作的安全可行性至关重要。

[11]
4总结
据各方面数据的分析，目前各国深空GNC发展存在两个共同问题：一是需要解决更多的不确定性问题；二是更多依赖于航天器的自主处理能力。

这不仅将成为衡量深空探测技术水平的一个参考因素，也在很大程度上决定了任务的可行性和科学回报的大小。

在未来深空科学探测任务中，对“自主”或“自动化”控制的需求越发强烈，尽管二者的含义是有区别的，但在本文中的主要含义则是指无需地面人工辅助、完全由飞行器自行决定的制导、导航和控制，这主要是由高动态任务的特性决定的，天地之间链路的延时已不满足实时控制的需求，现场瞬息万变，需要飞行器自行及时响应，这将成为未来GNC的技术重点突破所在；并且始终将故障检测、定位与隔离作为研究重点。

而当自主性不断增强，也许航天器的控制会逐步迈入智能化时代。

参考文献：
[1]中国人民共和国国务院新闻办公室. 中国的航天[J]. 中国航天, 2000(12).
[2]李果. 中国航天器未来发展的GNC关键技术[J]. 空间控制技术与应用, 2009, 35(6):1-5.
[3]孙泽洲, 孟林智. 中国深空探测现状及持续发展趋势[J]. 南京航空航天大学学报, 2015, 47（6）：785-791.
[4]黄江川，张洪华，李铁寿，等．嫦娥一号卫星的制导、导航与控制[J]. 空间控制技术与应用，2008，34（6）：29－32．
[5]周文艳，杨维廉.嫦娥二号卫星轨道设计[J]．航天器工程，2010，19（5）：24－27．
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[10]王大轶，黄翔宇. 深空探测自主导航与控制技术综述[J]. 空间控制技术与应用，2009，35(3)：6-12.
[11]美国国家科学研究委员会.2013至2022十年的星际科学愿景和航行[R]. 2012。