航天器鲁棒安全飞行控制

第1章绪论 在世界上**颗航天器(spacecraft)“斯普特尼克一号”发射成功后，航天器在近几十年得到了巨大的发展。航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到宇宙空间，在国家安全、通信、技术进步、环境监测、气象预报、减灾救灾等方面均发挥了重要的作用，对社会经济与生活产生了重大影响。 飞行控制系统是航天器的重要组成部分之一，是航天器安全飞行、完成航天任务的保证。随着航天需求及科技的不断发展，航天器系统结构越来越复杂、功能越来越强大(以下称这样的航天器为复杂航天器)，且由于空间环境复杂未知，人工干预能力有限，其发展与应用受到了一定的限制。本章重点列举世界各国的典型航天器研究计划，全面总结国内外航天器控制相关的研究进展，并对影响航天器安全飞行的难点问题进行分析提炼。针对这些难点问题，后续各章分别提出相应的解决思路和措施，并在虚拟实时仿真平台进行关键技术验证，实现复杂航天器安全稳定运行。 本章主要内容安排如下：1.1节介绍航天器的基本概念；1.2节总结航天器的研究进展；1.3节分析航天器的控制难点问题；1.4节介绍本书的特点和内容安排；1.5节对本章进行总结。 1.1航天器基本概念 航天器是在稠密大气层外环绕地球，或在行星际空间、恒星际空间，按照天体力学规律运行的飞行器。航天器主要分为人造地球卫星、载人航天器与深空探测器三大类，如图1.1所示，下面分别进行介绍。 1.人造地球卫星 人造地球卫星是指环绕地球飞行并在空间轨道运行一圈以上的无人航天器，简称人造卫星。人造卫星是发射数量*多、用途*广、发展*快的航天器，主要用于科学探测与研究、天气预报、土地资源调查、土地利用、区域规划、通信、跟踪、导航等各个领域。人造地球卫星主要包括侦察卫星、气象卫星、通信卫星和导航卫星等，如图1.2所示。 1)侦察卫星 侦察卫星，又称“间谍卫星”，是用于获取军事情报的军用卫星。侦察卫星利用所载的光电遥感器、雷达或无线电接收机等侦察设备，从轨道上对目标实施侦察、监视或跟踪，以获取地面、海洋或空中目标辐射、反射或发射的电磁波信号，用胶片、磁带等记录器将收集的信息存储于返回舱内，在地面回收或通过无线电传输方式发送到地面接收站，经过光学、电子设备和计算机加工处理，从中提取有价值的军事情报。 2)气象卫星 气象卫星是世界上应用*广的卫星之一，是指从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。卫星所载各种气象遥感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射，以及卫星导航系统反射的电磁波，并将其转换成电信号传送给地面接收站。地面接收站将卫星传来的电信号复原，绘制成各种云层、风速/风向、地表和海面图片，再经进一步处理和计算，得出各种气象资料。气象卫星观测范围广，观测次数多，观测时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制，它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。 3)通信卫星 通信卫星是世界上应用*早、*广的卫星之一，是指作为无线电通信中继站的人造地球卫星。通信卫星通过转发无线电信号，实现地面接收站与航天器之间的无线电通信。通信卫星可以传输电话、电报、传真、数据和电视等信息，按轨道的不同分为地球静止轨道通信卫星、大椭圆轨道通信卫星、中轨道通信卫星和低轨道通信卫星。 4)导航卫星 导航卫星是指从卫星上连续发射无线电信号，为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。导航卫星装有专用的无线电导航设备，用户接收导航卫星发来的无线电导航信号，通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数，并根据卫星发送的时间、轨道参数，求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维)和速度矢量分量。 2.载人航天器 载人航天器是在绕地球轨道或外层空间按受控飞行路线运行的载人飞行器，主要包括载人飞船、空间站与航天飞机，如图1.3所示，下面分别进行介绍。 1)载人飞船 载人飞船，又称宇宙飞船，是指能保障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器。载人飞船可以独立进行航天活动，也可用作往返于地面和空间站之间的“渡船”，还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小，受到所载消耗性物质数量的限制，不具备再补给的能力，而且不能重复使用。 2)空间站 空间站又称太空站、航天站，是一种在近地轨道长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单模块空间站和多模块空间站两种。单模块空间站可由航天运载器一次发射入轨，多模块空间站则由航天运载器分批将各模块送入轨道，在太空中将各模块组装而成。在空间站中要有人能够生活的一切设施，空间站不具备返回地球的能力，宇航员通过航天飞机或载人飞船返回。 3)航天飞机 航天飞机是一种载人往返于近地轨道和地面间的有人驾驶、可重复使用的运载工具。它既能像运载火箭那样垂直起飞，又能像飞机那样在返回大气层后在机场着陆。航天飞机由轨道器、外储箱和固体助推器组成。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，是航天史上的一个重要里程碑。 3.深空探测器 深空探测器又称空间探测器或宇宙探测器，是指对月球和月球以外的天体及空间进行探测的无人航天器，是深空探测的主要工具。深空探测器装载科学探测仪器，由运载火箭送入太空，飞近月球或行星进行近距离观测，着陆进行实地考察，或采集样品进行研究分析。深空探测器按探测的对象划分为月球探测器、行星和行星际探测器与小天体探测器等，典型深空探测器如图1.4所示。 1)月球探测器 月球探测器是对月球和近月空间探测的宇宙飞行器，分为无人探测和载人探测两个阶段。迄今，人类已经向月球发射过几十颗探测器。月球探测器主要有电视摄像机、无线电通信设备、月岩采集器、月球车等。探测方式有飞近月球拍照，将探测器直接撞击月岩，绕月拍摄月球背面照片，在着陆月面之前启动探测器上的逆向火箭，使探测器缓慢软着陆，软着陆后探测器仍然可以继续探测；围绕月球轨道环行，对月球拍摄特写镜头；利用月球车对月面进行考察和在月面做科学实验。 2)行星和行星际探测器 行星和行星际探测器是对太阳系内各行星进行探测的无人航天器。20世纪60年代初期美国和苏联发射了多颗行星和行星际探测器，分别探测了金星、火星、水星、木星和土星以及行星际空间。自苏联1957年10月4日发射世界上**颗人造地球卫星以后，人类即开始对行星及行星际的探测，获得了大量的探测信息，增加了人类对太阳系中各行星和行星际空间的认识，探测*多的是火星和金星，尤其是火星。 3)小天体探测器 小天体探测器主要用于探测太阳系内的小行星与彗星。近年来，小天体探测器备受关注，不仅仅因为某些小行星与彗星存在撞击地球的危险，而且由于它们的演化程度小，较多地保留了早期演化的遗迹，可以为探测太阳系起源演化提供重要线索，还有可能成为人类未来开发利用的资源宝库。 航天器是人类进行太空活动、探索宇宙、执行空间任务的载体。自**颗人造地球卫星成功发射以来，航天技术呈现出雨后春笋般的发展态势，极大而深刻地影响了人们生活的诸多方面。但是，随着航天器技术的迅速发展与形式的多样化，其功能与构造日趋复杂[4，5]，技术需求不断发展，所涉及的研究领域逐渐扩大，航天器在带来巨大优势的同时也将伴随着前所未有的技术挑战，1.2节将分别介绍各国研究进展。 1.2　航天器研究进展 航天器是21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向，在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。自20世纪50年代以来，美国、苏联(俄罗斯)、法国、德国、英国、中国等国家都在进行这方面的研究，使得航天器得到了巨大发展，下面从人造地球卫星、载人航天器与深空探测器三类介绍各国研究进展。 1.2.1国内外典型航天器发展现状 1.人造地球卫星 1)美国 美国是世界上较早开展航天器研究的国家，活动规模和技术水平居世界前列，其发射的侦察卫星、探测卫星、气象卫星、载人飞船等具有较高的技术水平。以下介绍几种美国发射的典型的人造地球卫星。 (1)“探险者1号”卫星。 1958年2月1日，“探险者1号”卫星由“丘诺1号”运载火箭搭载在卡纳维拉尔角发射场LC-26发射台发射，是美国发射成功的**颗人造地球卫星。“探险者1号”主要用于探测地球大气层和电离层，测量地球高空磁场、太阳辐射、太阳风，以及用于研究日地关系、探测和研究宇宙线及激流星体、测定地球形状和地球引力场。“探险者1号”所携带的摄像机使人们有史以来**次完整地看见自己所居住的星球。 (2)全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)卫星。 20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代GPS，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通信等，经过二十余年的研究实验，耗资300亿美元。GPS是一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。 (3)“雪貂-D”近地轨道卫星星座。 1988年9月由“大力神”火箭首次发射新型“雪貂-D”近地轨道卫星星座，它是一种多面体反光卫星，由6颗卫星组成，各轨道面彼此间隔60°。这些卫星除装有电子侦察接收机，还装有一台红外探测器作为辅助遥感器。海湾战争期间，在轨的2颗“大酒瓶”卫星、l颗“漩涡”电子侦察卫星和“雪貂-D”电子侦察