什么是航天控制?

[拼音]：hangtian kongzhi

[外文]：control in space

航天工程的重要技术基础和自动化技术的重要应用领域。航天控制的主要任务是对运载火箭和航天器（包括人造卫星、航天飞机等）的轨道、姿态和各种工作状态进行控制。航天控制的特点在于控制对象的动力学模型复杂，工作环境远离地面，能源有限，处理的信息量大以及对自动化程度、控制精度和可靠性的要求高。对航天控制的技术要求主要表现在两个方面：

（1）发展各种高性能（精度高、重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、寿命长）的测量元件、执行元件和计算装置；

（2）发展各种控制方法以及应用最优估计理论和最优控制系统。20世纪50年代末以来，由于航天事业在科学技术、社会经济和军事方面的重大意义，各大国竞相采用最先进的技术发展航天工程，从而也推动了自动化技术的发展。60年代，工业生产和航天工程都提出了经典控制理论不能解决的复杂控制问题。计算机技术的发展为现代控制理论的建立创造了条件。由于在航天控制中能采用较精确的数学模型，所以现代控制理论的许多新概念、新方法首先在航天控制中得到验证，并获得卓有成效的应用。70年代以来，先进的航天控制技术开始向工业和其他部门移植。

把航天器送入预定的轨道需要用多级火箭运载，其制导和控制系统必须根据预先设计的发射d道来控制火箭发动机的多次启动和关机，并相应地稳定和调整火箭的姿态，还需要控制级间分离。现代火箭制导采用最优化理论和小型数字计算机的迭代制导方法，根据火箭受扰动后的运动状态参数来选择最优或次优的d道，因此具有较大的灵活性，并可获得较大的运载能力。迭代制导已经用于美国“土星”号运载火箭和“阿波罗”飞船的登月飞行。另一种更完善的综合制导方法是在控制系统中配备姿态控制子系统（硬件称自动驾驶仪）。这种方法在点火期间使火箭推力保持在需要方向上，能满足航天飞机多次点火和轨道转换的要求。对于大型运载火箭的控制，挠性是必须加以考虑的因素。在大型火箭的发射和飞行过程中，挠性使箭体产生弯曲载荷和d性振动，并使重心、转动惯量等参数发生大幅度变化，同时液体晃动和级间分离也会产生严重的干扰。设计这种控制系统，常采用冻结参数法和分段线性化法，并用有限维逼近求近似集中参数系统的最优控制，然后进行非线性时变动力学系统的计算机仿真。弯曲振型的稳定是运载火箭姿态控制系统设计中的重要课题，困难在于不能精确了解弯曲模态的特性。当弯曲模态与刚性模态频率分隔很远时，可适当选择增益和测量元件的位置，利用滤波方法得到满意的设计。采用数字计算机能实现大型挠性火箭姿态的随机最优控制和适应控制。

为了进行轨道控制，需要实时地确定航天器的运行轨道。卡尔曼滤波器是递推运算的，特别适于实时轨道确定。在“阿波罗”登月舱和指挥舱的绕月轨道交会过程中，采用了卡尔曼滤波器处理混有噪声的雷达和空间六分仪测量数据。在同步卫星的轨道确定和控制中，为使卫星相对于地面的位置保持不变，需要用喷气发动机提供推力冲量，以便补偿同步轨道上的各种摄动和干扰。这时的轨道控制称为轨道保持。它的最优策略是选择喷气的时刻和持续时间，使卫星停留在给定范围内的时间最长，或在一定停留时间内燃料消耗最少。航天飞机的飞行环境（从大气层到外层空间）和速度变化范围很大。它的制导和姿态控制系统采用五台数字计算机完成最优控制和适应控制，并具有对意外故障的应急处理能力。

姿态确定就是根据姿态测量元件提供的测量信息（含有噪声）求出姿态角和角速度，其精度与测量元件的精度、安装方式和信息处理的方法有关。航天器姿态的变化一般是非线性的，宜于采用推广的卡尔曼滤波器来估计。对航天器绕质心的旋转运动进行控制的技术称为姿态控制。主动姿态控制以气体喷管或飞轮为主要执行元件，前者常采用开关式控制，后者可实行线性调节。通常利用模拟电路对相应的执行元件提供所需的控制信号，但是自从“阿波罗”飞船采用以计算机为核心的数字自动驾驶仪之后，在许多航天器上都采用了数字控制系统。在航天器上配备计算机大大改善了姿态控制系统的性能，它的作用是：

（1）提高姿态确定的精度；

（2）算出增益改变量和实现数字滤波，用以补偿d性振动、燃料消耗和液体晃动的影响；

（3）实现按时间－燃料最优控制的喷气姿态机动；

（4）实现按燃料-误差最优控制的喷气姿态稳定；

（5）实现按能量-误差最优控制的飞轮姿态控制；

（6）实现能适应大范围变化的自适应姿态控制和改变系统结构；

（7）自动故障鉴别。大型挠性航天器的控制问题是自动控制理论中受到重视的研究课题。许多航天器已采用了多用途模块化姿态控制系统，这有利于缩短调研周期、降低成本和采用冗余技术。

以地面站为基础进行的对运载火箭和航天器的测轨、跟踪、遥测、遥控等技术(见航天遥测)。

参考书目

格林雪特著,长工译:《飞行控制系统的分析与设计》，国防工业出版社，北京，1978。(Arthur L.Greensite, Analysis and Design of Space V ehicle Flight Control Systems ,SpartanBooks,1970.)卡普兰著,凌福根译:《空间飞行器动力学和控制》，科学出版社,北京,1981。(M.H. Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics and Control，John Wiley & Sons, New York,1976.)