问天试验舱GNC导航制导控制分析

火星环绕器GNC系统设计与实现
聂钦博;王卫华;谭晓宇;曹赫扬;朱庆华
【期刊名称】《上海航天(中英文)》
【年(卷),期】2022(39)S01
【摘要】天问一号火星探测器成功实现了我国首次行星环绕探测,环绕器制导、导航与控制(GNC)系统负责行星际飞行和环绕飞行全过程的姿态与轨道控制、帆板和天线的指向控制等,确保探测器被火星捕获(MOI)进入环绕轨道,并保障器地通信链路、器间通信链路和器上能源安全。

本文介绍了天问一号火星环绕器GNC系统的飞行阶段、系统设计、技术特点,以及关键阶段的设计和在轨飞行结果。

【总页数】6页(P104-109)
【作者】聂钦博;王卫华;谭晓宇;曹赫扬;朱庆华
【作者单位】上海航天控制技术研究所;上海市空间智能控制技术重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】V476.4
【相关文献】
1.基于FTA的火星环绕器GNC分系统故障容限设计
2.火星环绕器结构分系统设计与实现
3.火星环绕器GNC计算机的冗余管理软件系统设计
4.火星环绕器多模式变码率信息系统设计与实现
5.火星环绕器器间中继通信系统设计与在轨验证
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卫星发射过程中的导航和制导系统如何工作当我们仰望星空，看到那些璀璨的卫星在宇宙中运行时，可能很少有人会去思考它们是如何成功发射并准确进入预定轨道的。

在这背后，卫星发射过程中的导航和制导系统起着至关重要的作用。

要理解卫星发射中的导航和制导系统，首先得明白它们的基本任务。

简单来说，就是要确保卫星能够按照预定的路线和时间，从地面发射台出发，穿越大气层，最终准确无误地进入预定的轨道。

这就像是我们出门旅行，需要有清晰的路线规划和准确的导航，才能顺利到达目的地。

在卫星发射的初始阶段，导航和制导系统就开始发挥作用。

此时，地面的测量设备会对卫星和运载火箭进行精确的定位和监测。

这些测量设备包括各种雷达、光学望远镜等，它们能够实时获取卫星和火箭的位置、速度、姿态等关键信息。

这些信息会被迅速传输到控制中心，为后续的制导计算提供基础数据。

接下来，制导系统开始进行复杂的计算和决策。

制导系统就像是卫星发射的“大脑”，它根据测量设备提供的信息，结合事先设定的目标轨道参数，计算出火箭需要调整的姿态和推力方向。

为了实现这一目标，制导系统通常会采用多种算法和模型，以应对各种可能的情况。

在飞行过程中，火箭会不断受到各种干扰因素的影响，比如大气阻力、风力、发动机推力的微小变化等等。

导航和制导系统需要实时感知这些变化，并迅速做出调整。

这就好比开车时遇到路况变化，司机需要及时调整方向盘和油门一样。

为了实现精确的导航和制导，卫星发射系统通常会采用多种技术手段。

其中，惯性导航系统是一种非常重要的技术。

惯性导航系统基于牛顿运动定律，通过测量物体的加速度和角速度来计算其位置和姿态的变化。

在卫星发射中，惯性导航系统能够在没有外部参考的情况下，提供相对准确的导航信息。

不过，由于惯性导航系统存在累积误差，所以通常还需要结合其他导航手段来进行校正。

除了惯性导航系统，卫星导航系统也在卫星发射中发挥着重要作用。

我们熟悉的 GPS、北斗等卫星导航系统，可以为卫星和火箭提供高精度的位置和速度信息。

问天实验舱绪论问天实验舱是一个具有重要科学研究价值的太空实验设施。

它被设计为在太空环境中进行各种实验和技术验证，以推动空间科学和探索的发展。

本文将详细介绍问天实验舱的背景、设计和主要实验目标，以及未来可能的应用。

一、背景随着人类对宇宙的探索和科学研究需求的不断增长，太空实验成为了一个重要的研究领域。

问天实验舱作为中国首个独立研制的太空实验设施，标志着中国国家航天局加强空间科学研究的决心和实力。

二、设计问天实验舱采用了先进的航天技术，结构稳定，能够在太空中长时间运行。

它的主要部分包括实验舱和载人区域。

实验舱拥有多个实验模块，可以进行各种科学实验和技术验证。

载人区域则为宇航员提供了必要的生活空间和工作条件。

实验舱的外形设计紧凑，重量轻，方便搭载到火箭运载工具上。

它还配备了先进的通信和导航系统，能够与地面指挥中心进行实时通信和监控。

三、主要实验目标1. 空间物理实验：通过在太空环境中进行物理实验，探索宇宙中的奥秘，研究天体物理学和宇宙起源等问题。

2. 生命科学实验：利用太空环境的特殊性质，研究微重力对生物体的影响，探索生命的起源和进化机制。

3. 材料科学实验：在太空中进行材料科学实验，可以获得更纯净的材料和更精确的实验数据，为新材料的开发和应用提供基础研究支持。

4. 微重力技术验证：太空中的微重力环境为一些新兴技术的验证提供了绝佳机会，如微重力制备、微重力加工等。

5. 航天工程测试：在问天实验舱中进行各种航天工程测试，包括推进系统、生命保障系统、环境控制系统等的验证和改进。

四、未来应用问天实验舱的研究成果将为中国的太空科学和技术发展提供重要支持和基础。

未来，问天实验舱有望开展更多深入的科学实验，探索宇宙中更多的奥秘。

此外，问天实验舱还可以为国际合作提供机会，促进太空科学的全球合作。

与其他国家的太空实验设施相互配合，共同开展有针对性的研究项目，将加速人类对宇宙的认知和探索进程。

结论问天实验舱作为中国首个独立研制的太空实验设施，具有重要的科学研究价值。

《在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术》2023-10-26CATALOGUE 目录•引言•制导技术•导航技术•控制技术•在轨服务航天器GNC关键技术应用与发展趋势•结论与展望01引言在轨服务航天器的发展现状与趋势随着空间探索和利用的不断深入，在轨服务航天器的重要性日益凸显，成为当前航天领域的研究热点。

研究背景与意义在轨服务航天器的应用场景与需求从卫星维修、空间实验到轨道部署等众多领域，在轨服务航天器都发挥着关键作用，对其制导、导航与控制技术的要求也越来越高。

研究意义通过对在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术的研究，为提高其服务质量和效率提供理论支持和技术保障，具有重要的科学价值和实际应用价值。

国内外研究现状及发展趋势国外研究现状及发展趋势01在轨服务航天器的发展受到许多国家的重视，美国、欧洲等国家和地区在此领域取得了一定的进展，如美国的OSAM-1和欧洲的SpaceServant等。

国内研究现状及发展趋势02国内在轨服务航天器的发展尚处于起步阶段，但已取得了一定的成果，如“天和号”空间站核心舱的自主维修和“天和一号”空间站的智能自主飞行。

国内外研究现状总结03在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术是当前研究的热点和难点，国内外都在积极探索和创新，但国内在此领域的发展相对较晚，需要加强研究力度。

本论文主要研究在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术，包括：自主导航、智能控制、精确制导等方面的研究。

研究内容采用理论建模、数值仿真和实验验证相结合的方法，对在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术进行深入研究和探讨。

研究方法研究内容和方法02制导技术制导原理及分类自主式制导利用航天器自身传感器接收目标信息，经过处理后进行导航和制导。

遥控式制导通过地面站或其他航天器传递指令，控制航天器的飞行轨迹。

复合式制导结合自主式和遥控式制导的优点，以提高制导精度和可靠性。

利用陀螺仪和加速度计等惯性传感器测量航天器的姿态和位置变化。

导航制导与控制导航制导与控制，是指通过一系列技术和方法来实现飞行器、船舶、导弹等交通工具在空中、水中和空间中的定位、路径规划、姿态调整和运动控制等功能。

在现代交通工具的运行中，导航制导与控制是确保航行安全和准确性的重要环节之一。

本篇将分为两部分，首先介绍导航制导的基本概念和技术，然后探讨控制系统的原理和方法。

一、导航制导1.导航概述导航是指确定和控制航行器在空间中的位置和姿态的过程。

在导航过程中，需要获取航行器的姿态信息、速度信息和位置信息，常用的导航方式包括惯性导航、无线电导航、卫星导航等。

本节将分别介绍这些导航方式的原理和应用。

2.惯性导航惯性导航是通过惯性传感器获取航行器的加速度和角速度，然后通过积分计算航行器的位置和速度。

惯性导航系统通常包括加速度计和陀螺仪，它们能够测量航行器在空间中的加速度和角速度。

惯性导航系统具有快速响应、高精度和不受外部环境干扰的优点，但是由于积分误差累积的问题，长时间的导航精度会降低。

3.无线电导航无线电导航是通过接收地面无线电导航信号，利用测向和测距技术来实现导航的一种方式。

常见的无线电导航系统包括VOR （全向信标）和NDB（非定向信标）。

VOR系统利用地面上的导航设备向四周发射电信号，同时飞行器上的接收机通过测量信号的方位角来确定自己的位置。

NDB系统则通过测量信号的强度和方位角来定位。

4.卫星导航卫星导航是利用一组遍布全球的卫星系统，通过接收卫星发射的信号来确定航行器的位置。

全球定位系统（GPS）是最常见的卫星导航系统之一。

GPS系统由多颗卫星组成，通过接收卫星发射的信号，然后通过测量信号的传播时间和卫星的位置信息来计算航行器的位置。

卫星导航具有精度高、全球覆盖范围广的特点。

二、控制系统1.控制系统概述控制系统是指通过传感器获取系统状态，然后根据设定目标来改变系统状态的过程。

在导航制导中，控制系统起到调整姿态、保持稳定和执行航向等任务的作用。

常见的控制方法包括PID控制、模型预测控制和自适应控制等。

嫦娥一号探月中的控制技术嫦娥一号卫星是我国第一个月球探测卫星,其研制和发射是我国深空探测活动的开端。

嫦娥一号卫星共有11个分系统组成:即总体,测试两个综合分系统;平台部分的结构,热控,制导、导航与控制、能源、推进、数据管理(OBDH)、测控数传、定向天线八个分系统及有效载荷分系统。

本文主要对嫦娥一号GNC（制导、导航与控制）系统进行粗略分析。

嫦娥一号卫星GNC系统完成了许多复杂任务。

在调相轨道,GNC系统执行一系列姿态机动和轨道控制,使卫星在适当时间转入地月转移轨道。

在地月转移轨道,GNC系统保证卫星对太阳定向,并执行几次轨道中途修正,使卫星捕获预定环月轨道起始点。

在月球轨道捕获阶段, GNC系统执行几次轨控发动机点火,使卫星捕获月球轨道并进入标称环月轨道。

在环月轨道, GNC系统使卫星本体对月球定向、太阳帆板对太阳定向、定向天线对地球定向。

嫦娥一号卫星GNC系统的敏感器包括太阳敏感器、星敏感器、紫外月球敏感器、速率积分陀螺和加速度计;执行机构包括飞轮装置、推力器、帆板驱动装置、天线驱动装置和轨控发动机;控制器包括控制计算机、应急计算机、配电器和二次电源。

GNC系统的软件包括控制计算机系统软件、应用软件,应急软件和部件LTU软件。

LTU通过内部总线与控制计算机相连,构成计算机控制网络。

控制系统的这种分布式体系结构保证GNC分系统高效、可靠、实时地实现嫦娥一号卫星的控制功能和性能。

1、巡航期间的姿态控制在卫星环月运行之前,除了轨控阶段,卫星运行于巡航姿态。

姿态确定是利用太阳敏感器的输出给出太阳矢量方向在卫星本体系的表示,然后根据太阳敏感器的安装矩阵计算卫星偏航角和俯仰角。

巡航姿态角速度的确定是利用速率积分陀螺的输出,然后根据陀螺的安装矩阵计算卫星三轴姿态角速度。

巡航姿态的控制分为太阳捕获和太阳定向两个阶段:在太阳捕获阶段,太阳敏感器输出,利用相平面控制算法,通过推力器点火驱使卫星旋转使太阳矢量进入数字太阳敏感器视场;在太阳定向阶段,通过数字太阳输出和陀螺输出外推,根据系统动力学,利用相平面控制算法和PID控制算法,通过推力器点火和飞轮转动保证卫星Xs轴指向太阳。

月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究共3篇月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究1月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究随着人类探索宇宙的步伐不断加快，月球作为我们最近的天体之一，成为了人类深入了解太阳系和宇宙的一个窗口。

而在月球科学考察中，如何实现月球软着陆成为了一个重要问题。

针对月球自主导航、制导与控制问题的研究，可以为未来月球探测任务提供重要的技术支撑。

月球的自主导航主要是针对月球探测器在起飞、降落以及控制等方面进行研究。

在月球起飞时，需要掌握发动机的运行情况以及控制即将起飞的探测器的角度和速度。

因此，对于发动机性能的准确掌握以及准确定位是关键。

在降落阶段，导航控制系统需要根据探测器与月球地面的实时距离和速度来进行自主导航和控制。

同时，还需要考虑地形高差的变化、喷气推力方向的变化、气动阻力的变化等多种因素，并进行反馈控制来保证安全着陆。

针对月球的自主制导问题，需要从月球表面环境的特点出发进行考虑。

由于月球环境对探测器的影响，比如重力、气压、温度等因素与地球截然不同，因此需要对控制系统有更高的要求。

在控制系统里，要把握好制导精度和控制周期两个指标。

对于制导精度，可通过制导传感器实时获取距离和角度等相关信息，来快速、准确地反馈给控制器，从而改变探测器的飞行轨迹和朝向。

同时，必须使用快速响应的推进器，确保探测器的运动能够及时地跟随制导信号。

在控制周期上，需要尽量减少探测器与月球地面失去联系的时间，确保各个控制环节的协调配合，使得控制系统能够对探测器进行有效的导航和控制。

月球软着陆的控制是整个探测任务中最关键的一个环节。

由于月球表面环境影响较大，如月球表面的粗糙度、地形的高差等，软着陆的难度比较大。

需要在控制系统中通过对摩擦力抵消和推力信号控制等动力学控制策略的运用，实现探测器从空中到柔软着陆的顺畅过渡。

此外，还需要考虑到增量控制、反馈控制以及模型预测控制等多种质量控制策略，以帮助探测器实现更稳定、可靠的控制。

火箭的导航制导原理及应用1. 导言火箭是一种重要的航天器，具有广泛的应用领域，包括航天、军事、科研等。

而导航制导是控制火箭飞行轨迹和方向的关键技术。

本文将介绍火箭的导航制导原理及其在不同领域的应用。

2. 导航制导的基本概念导航制导是指通过一系列的导航系统和制导算法，实现对火箭飞行轨迹和方向的控制。

它包括导航定位、姿态控制和轨迹规划等方面。

2.1 导航定位导航定位是通过使用多种传感器，如加速度计、陀螺仪、气压计等，获取火箭当前的位置和速度信息。

基于这些信息，可以计算出火箭的当前位置，并确定下一步的飞行方向。

2.2 姿态控制姿态控制是通过控制火箭的推进器、无线电控制系统等，实现对火箭的姿态进行调整。

通过控制火箭的姿态，可以使其保持特定的飞行方向和姿态，以达到预期的飞行目标。

2.3 轨迹规划轨迹规划是指通过一系列的算法，确定火箭的飞行轨迹。

根据飞行任务的要求和导航信息，可以制定出最佳的飞行轨迹，以实现任务目标。

3. 导航制导原理及方法导航制导的原理和方法各有不同，下面介绍几种常见的导航制导原理及其应用。

3.1 惯性导航制导惯性导航制导是一种通过测量物体位置和速度的惯性传感器，并结合数学模型和算法来进行导航制导的方法。

它具有高精度和独立性的特点，在航天、导弹、火箭等领域得到广泛应用。

3.2 卫星导航制导卫星导航制导是利用卫星定位系统，如全球定位系统（GPS）、伽利略导航系统等，来进行导航定位和制导的方法。

在航天、民航、军事等领域得到广泛应用，能够提供高精度的位置和速度信息。

3.3 光电导航制导光电导航制导是利用光电设备，如光电传感器、相机、激光雷达等，通过获取地面、地标或者星体的图像信息，来实现导航定位和制导的方法。

它在太空探测、星载导航等领域有着重要的应用。

4. 导航制导的应用导航制导技术在不同领域有着广泛的应用，下面介绍几个典型的应用场景。

4.1 航天领域在航天领域，导航制导技术被广泛应用于火箭的发射、飞行和返回控制等过程。