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第八章航天器自主导航与案例分析

本章首先对航天器自主导航的概念和方法、航天器自主导航技术与系统的发展进行了简

要介绍；然后，结合国外几个典型的先进航天器技术在轨飞行演示验证计划（项目），对其

自主导航、指导与控制系统方案进行了分析。

8.1航天器自主导航的方法

航天器导航技术是航天器制导、导航与控制（GNC）技术的重要组成部分。航天器GNC

技术是使航天器到达或保持在预定轨道，或到达预定状态所需的航天器运动状态参数的测量

与确定技术、轨道控制技术和姿态控制技术的集成，是航天器工程的一项核心技术。测量与

确定技术是采用测量装置进行测量并对测量信息进行处理，得到航天器运动状态参数的技术，

包括导航技术和姿态确定技术等。

航天器导航是指采用某种测量方式，对导航敏感器的测量数据进行实时处理和计算，确

定航天器在当前时刻相对于给定参考系的导航参数或轨道参数。航天器导航也称为轨道确定。

按照轨道控制或制导的要求不同，导航系统给出不同形式的导航参数。轨道确定利用地面站

的测量数据，或导航卫星数据，或其他星载导航敏感器的测量数据，确定航天器的6个轨道

要素，或它在地心惯性坐标系中的3个位置分量和3个速度分量。航天器交会对接、编队飞

行等的控制需要相对导航，即利用（相对）导航敏感器的测量信息，确定航天器之间的相对

运动参数，它们可以是在航天器轨道坐标系中的位置分量和速度分量，也可以是在视线坐标

系中的距离、方位角和俯仰角及它们的变化率，有时还包括相对姿态和它们的变化率。

按获取测量信息的方式，航天器的导航有惯性导航、无线电导航、光学导航（包括大多

数天文导航）、地磁导航和组合导航等多种。目前，国内外航天器的导航大多是依靠地面设

备完成的。通过光学测量系统和无线电测量系统对航天器进行跟踪测量，地面计算机确定航

天器的轨道和位置，经上行遥控发射设备将运动参数注入航天器并发出控制指令。随着航天

任务的发展，对航天器运行提出了自主性和自动化要求。而航天器要实现自主、自动，首先

要求实现自主导航。

航天器自主导航是指航天器不依赖地面支持，利用星上自备的测量设备实时地确定自己

的位置和速度，以及在轨完成飞行任务所要求的导航功能或相关的轨道确定和导航参数解算。

自主导航的严格定义是：完全依靠星载设备、与外界不发生任何光/电联系，自主实时地完

成导航任务。目前，符合这一严格定义的只有惯性导航和星载被动式图像导航。在工程实际

中一般认为，只要不依赖地面（设备）支持，利用星上测量设备就能实时地确定航天器自身

的位置、速度、轨道和姿态，也称为航天器自主导航。例如，将GNSS卫星导航系统用于航

天器的导航，虽然GNSS系统需要地面测控系统的支持，但通常仍把这种导航系统列入自主

导航系统的范畴加以广泛研究，并已发展了许多基于卫星导航的航天器自主导航方法，并获

得了广泛应用。

航体技术与应用的发展，空间交会、拦截、抓捕、对接、编队飞行、深空探测等航天任

务，对航天器导航、制导、轨道控制和姿态控制的精度、快速性、机动性、抗干扰能力和生

存能力提出了很高的要求，促进了航天器GNC技术和导航技术的发展。高精度自主导航、

智能自适应控制、自主故障诊断和系统重构，以及长寿命、小型化是航天器GNC技术的发

展方向。

航天器自主导航技术是卫星自主性的一个重要方面，是航天器实现自主运行的基础，对

航天器执行飞行任务具有重要意义，是当今航天科技与应用优先发展的关键技术之一，也是

航天器飞行控制技术发展的趋势。一方面，随着进入太空的航天器种类和数目的急剧增加，

地面站对航天器进行跟踪、测控和数据处理的负担越来越重，航天器自主导航在减轻地面测

控负担、降低卫星运行费用、提高卫星的生存能力和扩展航天器的应用潜力等方面具有重要

意义。另一方面，载人航天器和深空探测飞行器的飞行控制，航天器在轨操作（在轨操作是

包括空间交会对接、在轨装配与组装、在轨释放有效负荷、空间目标抓捕、空间撞击、空间

规避、近距离观察与检查、接管控制、轨道转移/提升、在轨维修/更换模块/燃料加注与能

量补充、轨道与姿态重置、离轨/再入/报废与销毁机动等空间作业活动的总称）技术的试验

和未来的应用、航天器编队飞行技术的应用，更是对航天器自主导航提出了迫切的需求。随

着航天器测量技术、GNC技术的进展以及星上数据处理与计算功能越来愈强大，航天器的

自主导航已从需要变为现实。

根据航天器自主导航的一般定义，航天器自主导航方法可分为三类：完全依靠星载设备，

自主地完成导航任务，与外界不发生任何光、电联系的导航方法，如惯性导航和图像