太空飛行器飛行控制

太空飛行器飛行控制是指針對太空飛行器在飛行過程中的控制技術，太空飛行器飛行控制通常由太空飛行器飛行控制系統來完成。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器飛行控制
• 外文名：Spacecraft flight control
• 定義：針對太空飛行器的飛行控制技術
• 任務：跟蹤測量、遙測監視等
• 套用：載人太空飛行器、飛彈等
• 所屬領域：控制技術、航天航空技術等

相關概念

太空飛行器：太空飛行器是指在地球大氣層以外的宇宙空間，基本按照天體力學的規律運動的各類飛行器，又稱空間飛行器。與自然天體不同的是，太空飛行器可以通過控制改變其運行軌道或回收。太空飛行器為了完成航天任務，還需要有發射場、運載器、航天測控和數據採集系統、用戶台站以及回收設施的配合。太空飛行器分為無人太空飛行器和載人太空飛行器。根據是否環繞地球運行，無人太空飛行器又分為人造地球衛星和空間探測器。

飛行控制：飛行控制的基本目的是改善飛行器的穩定性和操縱陛，從而提高執行任務的能力。隨著科學技術的不斷發展，飛行任務和環境El益複雜，飛行控制的發展面臨前所未有的機遇與挑戰。飛行控制方法的發展與控制科學與工程等信息學科的發展緊密結合，一方面飛行器控制是控制理論的重要研究背景和標誌性套用領域之一；另一方面控制科學與工程學科取得的成果也推動了先進飛行控制理論和方法的不斷拓展。

發展

太空飛行器指工作於大氣層外的飛行器。步入21世紀以來，隨著神舟系列飛船以及月球探測器工程的實施，我國在太空飛行器飛行控制領域取得了豐碩的成果。2008年10月，神舟七號伴飛小衛星在經過6次變軌後成功實現了對飛船軌道艙的繞飛，攻克了伴飛衛星繞飛控制技術。2009年3月1日，我國自主研發的“嫦娥一號”衛星實現了成果撞月，衛星撞月過程中，CCD相機實時傳回了清晰的圖像，為我國月球探測後續工程和深空探測奠定了堅實的基礎。

2011年11月3日，我國首個目標飛行器“天宮一號”與“神舟八號”在太空成功實現首次交會對接，翌年6月18日“神州九號”飛船再次與“天宮一號”成功實現交匯對接，標誌著我國已成功掌握太空飛行器空間交會對接控制技術。2010年10月1日發射升空的“嫦娥二號”探測衛星，在完成2次100km x 15km橢圓軌道降升軌道機動，經兩次加速控制和5次中途修正，於2011年8月25日到達日一地L2環繞軌道進行科學探測，並於2012年6月1日進入4179號小行星Toutites方向的轉移軌道，經1次中途修正和兩次臨近修正，於2012年12月13日16時30分與小行星交會，實現國際上首次對該小行星近距離探測，標誌著我國深空探測任務精確變軌控制技術已日趨成熟。

太空飛行器所涉及的控制理論和技術是當今飛行器控制領域的研究熱點和難點，具有前沿性、基礎性、綜合性，已成為支撐我國航天事業未來發展的核心關鍵領域之一，經過數十年的發展，中國航天已經步人世界航天大國的行列，進入空間、開展空間活動已取得了長足進步。21世紀初期以來，國內研究人員針對載人航天、月球探測、微小衛星等方向進行了深入探索，並對多耦合、非線性、極端外界環境，以及大尺度柔性結構等特徵帶來的太空飛行器飛行控制問題開展研究，在太空飛行器姿態控制、耦合控制、故障診斷與容錯控制、編隊與協同控制以及探測捕獲策略等領域取得了進展。

任務

對太空飛行器的飛行控制任務主要是跟蹤測量、遙測監視、與航天員通話和遙控指令傳送。

(1)跟蹤測量主要包括跟蹤太空飛行器上的測控應答機，測定太空飛行器的軌道；當實施逃逸(載人太空飛行器)後跟蹤測量太空飛行器的飛行軌跡，預報落點；測量與火箭分離後的太空飛行器初始軌道。

(2)遙測監視主要包括：接收、處理、顯示和記錄太空飛行器傳送的遙測數據；監視判斷太空飛行器狀態。

(3)載人飛行時，與航天員進行通話。

(4)指令傳送主要包括：正常情況下按時序傳送有關指令；故障情況下傳送應急處置指令或逃逸指令等。

難點

太空飛行器飛行是一個動態過程，應對動態過程必須預先精確設計，以便準確達到控制目標。然而，太空飛行器的許多模型參數是難以準確估計的，因此，只能採用試探方法逐步準確地掌握控制參數。

除此之外，太空飛行器飛行控制過程是一個隨機過程，往往會發生突變和意外的情況，因此，實施動態監視和及時決策是至關重要的。

太空飛行器的飛行控制是一個複雜的動態過程，突變及意外情況的發生難以完全避免。為了妥善處理意外情況，在控制過程中需要動態監視判斷太空飛行器狀態是否正常，如果發現異常，需及時決策，終止原控制過程，轉入適當的應急過程。正是由於飛行控制過程的動態性和複雜性，給飛控決策帶來了困難和挑戰。因此在實戰狀態下，當遇到突發或意外情況時，進行應急飛控過程的預先模擬、為故障處理方案提供輔助決策技術支持，是提高決策正確性的有效方法和途徑。

系統

太空飛行器的飛行控制系統應該完成兩個基本任務：質心運動的控制和繞質心運動的控制。對於許多種飛行器(飛機、彈道飛彈等)，這些問題聯繫緊密並且需要同時解決，因為藉助於角位置控制才能夠保證給定的推進裝置的推進方向，從而保證給定的飛行速度矢量方向。至於太空飛行器的飛行控制問題，在飛行主動段(發射、轉彎、軌道修正等)上述問題也需要同時並且相互關聯地解決。但是在被動段，當主發動機不工作的時候，角運動的控制就成為主要的自主保證太空飛行器在空間定向的工作模式，而且還需保證科研試驗、氣象儀表、通信天線、太陽能電池和其他儀表的定向。在這種情況下，太空飛行器的角運動控制稱為定向控制。

太空飛行器的飛行控制系統包括姿態穩定與控制系統和飛行軌道控制系統兩方面，統稱為太空飛行器控制和導航系統。姿態穩定與控制系統的功能是使衛星等太空飛行器在軌道過渡和太空飛行時均保持正常的工作姿態，軌道控制系統的功能是使太空飛行器達到並穩定在預定飛行軌道。