[科普中国]-航天器飞行控制

相关概念

**航天器：**航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。与自然天体不同的是，航天器可以通过控制改变其运行轨道或回收。航天器为了完成航天任务，还需要有发射场、运载器、航天测控和数据采集系统、用户台站以及回收设施的配合。航天器分为无人航天器和载人航天器。根据是否环绕地球运行，无人航天器又分为人造地球卫星和空间探测器。1

飞行控制：飞行控制的基本目的是改善飞行器的稳定性和操纵陛，从而提高执行任务的能力。随着科学技术的不断发展，飞行任务和环境El益复杂，飞行控制的发展面临前所未有的机遇与挑战。飞行控制方法的发展与控制科学与工程等信息学科的发展紧密结合，一方面飞行器控制是控制理论的重要研究背景和标志性应用领域之一；另一方面控制科学与工程学科取得的成果也推动了先进飞行控制理论和方法的不断拓展。2

发展航天器指工作于大气层外的飞行器。步入21世纪以来，随着神舟系列飞船以及月球探测器工程的实施，我国在航天器飞行控制领域取得了丰硕的成果。2008年10月，神舟七号伴飞小卫星在经过6次变轨后成功实现了对飞船轨道舱的绕飞，攻克了伴飞卫星绕飞控制技术。2009年3月1日，我国自主研发的“嫦娥一号”卫星实现了成果撞月，卫星撞月过程中，CCD相机实时传回了清晰的图像，为我国月球探测后续工程和深空探测奠定了坚实的基础。3

2011年11月3日，我国首个目标飞行器“天宫一号”与“神舟八号”在太空成功实现首次交会对接，翌年6月18日“神州九号”飞船再次与“天宫一号”成功实现交汇对接，标志着我国已成功掌握航天器空间交会对接控制技术。2010年10月1日发射升空的“嫦娥二号”探测卫星，在完成2次100km x 15km椭圆轨道降升轨道机动，经两次加速控制和5次中途修正，于2011年8月25日到达日一地L2环绕轨道进行科学探测，并于2012年6月1日进入4179号小行星Toutites方向的转移轨道，经1次中途修正和两次临近修正，于2012年12月13日16时30分与小行星交会，实现国际上首次对该小行星近距离探测，标志着我国深空探测任务精确变轨控制技术已日趋成熟。

航天器所涉及的控制理论和技术是当今飞行器控制领域的研究热点和难点，具有前沿性、基础性、综合性，已成为支撑我国航天事业未来发展的核心关键领域之一，经过数十年的发展，中国航天已经步人世界航天大国的行列，进入空间、开展空间活动已取得了长足进步。21世纪初期以来，国内研究人员针对载人航天、月球探测、微小卫星等方向进行了深入探索，并对多耦合、非线性、极端外界环境，以及大尺度柔性结构等特征带来的航天器飞行控制问题开展研究，在航天器姿态控制、耦合控制、故障诊断与容错控制、编队与协同控制以及探测捕获策略等领域取得了进展。2

任务对航天器的飞行控制任务主要是跟踪测量、遥测监视、与航天员通话和遥控指令发送。

(1)跟踪测量主要包括跟踪航天器上的测控应答机，测定航天器的轨道；当实施逃逸(载人航天器)后跟踪测量航天器的飞行轨迹，预报落点；测量与火箭分离后的航天器初始轨道。

(2)遥测监视主要包括：接收、处理、显示和记录航天器发送的遥测数据；监视判断航天器状态。

(3)载人飞行时，与航天员进行通话。

(4)指令发送主要包括：正常情况下按时序发送有关指令；故障情况下发送应急处置指令或逃逸指令等。4

难点航天器飞行是一个动态过程，应对动态过程必须预先精确设计，以便准确达到控制目标。然而，航天器的许多模型参数是难以准确估计的，因此，只能采用试探方法逐步准确地掌握控制参数。

除此之外，航天器飞行控制过程是一个随机过程，往往会发生突变和意外的情况，因此，实施动态监视和及时决策是至关重要的。5

航天器的飞行控制是一个复杂的动态过程，突变及意外情况的发生难以完全避免。为了妥善处理意外情况，在控制过程中需要动态监视判断航天器状态是否正常，如果发现异常，需及时决策，终止原控制过程，转入适当的应急过程。正是由于飞行控制过程的动态性和复杂性，给飞控决策带来了困难和挑战。因此在实战状态下，当遇到突发或意外情况时，进行应急飞控过程的预先模拟、为故障处理方案提供辅助决策技术支持，是提高决策正确性的有效方法和途径。6

系统航天器的飞行控制系统应该完成两个基本任务：质心运动的控制和绕质心运动的控制。对于许多种飞行器(飞机、弹道导弹等)，这些问题联系紧密并且需要同时解决，因为借助于角位置控制才能够保证给定的推进装置的推进方向，从而保证给定的飞行速度矢量方向。至于航天器的飞行控制问题，在飞行主动段(发射、转弯、轨道修正等)上述问题也需要同时并且相互关联地解决。但是在被动段，当主发动机不工作的时候，角运动的控制就成为主要的自主保证航天器在空间定向的工作模式，而且还需保证科研试验、气象仪表、通信天线、太阳能电池和其他仪表的定向。在这种情况下，航天器的角运动控制称为定向控制。7

航天器的飞行控制系统包括姿态稳定与控制系统和飞行轨道控制系统两方面，统称为航天器控制和导航系统。姿态稳定与控制系统的功能是使卫星等航天器在轨道过渡和太空飞行时均保持正常的工作姿态，轨道控制系统的功能是使航天器达到并稳定在预定飞行轨道。8