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上期的“猫”眼看天专栏，我们介绍了在线的导航与任务设计，今天我们来详细说说在线的GNC技术。与地面的导航和任务设计相比，在线GNC技术效果更好，因为只有飞行器自身才最了解当前最新的各种情况；但挑战也更大，因为这对制导、导航和控制都提出了很高的处理要求，一方面飞行器上计算机的处理能力由于受到功耗、体积的限制以及对抗辐射的要求，其计算速度远低于地面计算机系统；另一方面，即使有些问题由地面中心的技术人员来处理也相当棘手，更不用说让飞行器去自主解决了。但是，对探测的需求已经发展到若是没有在线GNC几乎就无法完成任务这一层面，因此开展自主在线的GNC就显得十分迫切。





在线的制导、导航与控制

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，而融合这四部分功能的是GNC自主系统和执行软件。




1自主GNC技术所面临的未来任务


自主GNC技术所面临的未来任务主要包括：

• 
  表面着陆

    - 在有较大重力和大气影响的天体表面着陆；
    - 在有重力影响但没有大气的天体表面着陆；
    - 在重力很小的小型天体表面着陆；

• 
  重力很小的小型天体接近操作；
• 
  取样返回任务；
• 
  上升，自主交会对接任务（AR&D）；
• 
  多目标的行星航行；
• 
  行星轨道器；
• 
  编队飞行、航天器集群、分布式飞行器系统；
• 
  无重力条件下的碰撞-返回式（touch-and-go, TAG）接触。

这些任务对GNC的挑战在于：

• 
  地面辅助的时延长，不能满足任务需求；
• 
  在探测所在地需实时性强的操作；
• 
  面临未知和动态的环境；
• 
  复杂的故障处理；
• 
  更长寿命的任务时间。

2GNC自主系统和执行软件的组成与功能


在抽象层面上，各部分的作用是：

• 
  传感，包括各种传感设备的使用以及危险检测功能；
• 
  计算，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。内容包括：基于图像的导航（例如TRN）、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；
• 
  控制/驱动，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。

在线GNC技术的典型任务

火星着陆      由于存在高动态的环境，较大的重力场，以及大气干扰，火星着陆的控制必须完全自主，以实现快速、闭环的姿态控制和轨迹规划及制导。在伞降段结束后的动力下降段，通过基于地标的导航、相对目标导航（TRN），将能确定距离目标点的距离，并实时规划大范围的调整轨迹，实施精确着落。现有的着陆技术由于大气的干扰导致降落点散布大（例如，火星上4-8km），这就需要较大的安全着陆区，且要满足着陆车漫行到探测点的需求。如果预先确定的着落区无法保证地形安全性的要求，需通过危险检测与避障（HDA）实施自主安全着陆。总之，火星着陆需要再入前的导航（以确定再入起点）、在线的基于地标的导航、TRN、燃料最优的大范围轨迹调整制导（路径规划）、HDA等紧密合作。
有重力影响但没有大气的天体表面着陆     例如月面着陆，因为没有大气的影响，可以从很高的轨道探测月面的情况，也不存在黑障。采用的技术包括基于地标的自主导航、TRN、HDA。与火星探测需求相同的是，探测器应能直接降落在被危险地形包围的探测点。
重力很小的小型天体表面着陆    在重力很小的情况下，可能要多次着落，因此存在再次上升的过程。一般不考虑大气影响，因此地标是容易辨识的，但仍需要复杂和实时的轨迹和姿态优化控制。在与表面接触时不能造成任何损坏，因为还需完成再次上升的过程，因此这类任务包含了再入（E）、下降（D）、着陆（L）和上升（A）全过程。它的难点还在于对小型天体缺乏足够的信息，有关地标和详细的重力模型很可能只有在接近该天体才逐步获取，有可能需要地面辅助。
在土卫六和金星上着陆    这两个星球尽管有很大差异，但是二者大气密度与重力场势能的比例较为类似，当降为亚音速后，再入轨迹相当慢，可以采用降落伞提供将近10多分钟的下降，这给制导带来了充足的时间。导航可以采用TRN、辐射计、来自地球的单向无线电数据和自身高精度的时钟（例如以前介绍的DSAC），或者利用在轨飞行器作为中继。
重力很小的小型天体接近    操作其特点是低重力和缺乏大气，因此：

• 
  有足够的时间获取信息并对目标提取特征；
• 
  可以缓慢下降到目标；
• 
  存在多次着陆接触或上升；
• 
  关键的事件可以中止或重启。

没有大气，减少了由此带来的不确定性和风的影响，可以采用基于地标的自主导航、TRN。但对于彗星，由于其向外析气，可能会影响上述导航效果。避免碰撞、避免喷射的物质、复杂的重力和动力学模型是任务的关键，同时避免发动机排出的推进剂干扰或污染天体表面，这将成为另一个GNC设计约束。
取样返回任务     此类任务的模式较多，例如

• 
  MSR火星取样返回。
• 
  TAG模式，软着陆和立即上升。
• 
  MSR-like类似于火星取样返回任务，直接返回至地球，需要在线的导航和制导控制，设计高效的燃料最优返回轨迹。
• 
  Dart-like类似于投射方式的取样，将样品喷射回等待的飞行器。
• 
  micro-sample-return利用电推进的小型卫星进行取样并返回地球。

多目标的星际航行一般是低推进任务，配合使用电推进系统，需要很长的航行时间。
行星轨道器    轨道运行和伴飞要考虑辐射问题，而采用合适的控制算法能够维持健康的状态。
编队飞行和航天器集群    保持多个飞行器相对队形和维持一个集群的模式，是两项不同的操作。飞行器相对之间的几何关系精度，从毫米级至米级，前者可以采用飞行器之间的无线连接和红外通讯，后者应用到大量图像处理。对多个目标的同时观测和远程干涉观测是这类典型应用。


关键技术及其应用与优先级

图3给出了在线GNC关键技术，及其与不同任务的相关性：
在这里从软硬件的层面将关键技术分为五大类，第1、2项技术主要涉及到算法和软件，第3、4项技术主要涉及到与传感器相关的硬件设施

• 
  以惯性技术为主的在线GNC技术，包括6自由度的制导与控制、非线性优化和路径规划技术、自主制导导航与控制系统、融合多源数据的集成GNC软件系统、低推进制导、太阳帆制导与控制等。
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  相对目标估计，包括相对目标定位和姿态预计、航空制导（aeroguidance）与控制、危险检测与避障、分布式飞行器集群控制、行星上的精确定位系统等。
• 
  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；
• 
  惯性-天体传感，包括“纳g”级的加速度计，精确定时等；
• 
  其他GNC飞行设备，包括微小飞行器的GNC技术、抗辐射的GNC传感器和电子设备、大气制导控制机构、太阳帆控制机构、先进的在线计算等；
• 
  地面测试设施，包括自由飞行推进测试平台（短时间）、实验室级6自由度仿真器、基于无人机的自由飞行平台（长时间）、高速再入/下降/着陆测试平台等。

将上述技术与未来十年的任务进行了相关性分析，用红、黄、绿表示相关性依次递减。这些任务就不再展开介绍了。


图4列出了两种维度下技术的优先级，其中“raw prioritization”是根据使用的频度来区分的，而“cost-moderated prioritization”是根据开发费用来区分的，还好两者比较接近：
表中共性高优先级的任务包括：6自由度的制导与控制、非线性路径规划、集成化的GNC软件、目标相对定位和姿态估计，敏感极小引力（1X10-9g级别）的加速度计，先进的在线计算能力等。

在未来深空科学探测任务中，对“自主”（autonomous）或“自动化”（automated）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（FDIR）作为研究重点（限于篇幅，本文未对FDIR进行过多介绍）。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。

对火星探测等经由大气下降的地外天体着落，GNC将起着非常关键的作用。由于伞降是减速的有效手段而被这类任务广泛采用，但伞降的不确定性也带来了后续动力下降段初始条件（速度、位置、姿态）的不确定性，需要大范围的在线轨迹重优化工作。虽然人类已有飞行器登陆火星，但由于缺乏自主在线的GNC技术，需要较大范围的安全区域，这类区域往往并不是最有科学价值的探测点，或者很难找到这样的安全区域。因此，对于未来追求更多科学回报的任务，仅仅满足能够在火星上着陆是不够的，需要GNC发挥更大的作用。[/p][/p][/p]