制导/导航与控制(GNC)新技术的发展及应用情况

飞机那点事儿

来源：高端装备发展研究中心

　　制导/导航与控制技术(Guidance Navigation and  Control，GNC)是对运动体控制系统的研究，一般主要用于汽车、船舶、飞机以及航天器。

　　制导，是指运动体发现(或外部输入)目标的位置、速度等信息，并根据自己的位置、速度以及内部性能和外部环境的约束条件，获得抵达目标所需的位置或速度指令。

　　导航，指运动体获得自己当前(在某个参照系下)的位置、速度等信息，必要时还需要获得当前(相对于某个参照系)的姿态、姿态角速度等信息。

　　控制，指运动体通过执行机构改变姿态、速度等参数，进而实现稳定飞行或完成指令。

　　制导/导航与控制技术

　　制导/导航与控制技术一般分为自主、寻的、遥控以及组合这四种。随着技术的不断发展，目前又出现了一些新兴的技术。

　　(1)仿生偏振光导航

　　仿生偏振光导航是近年来发展起来的一种新原理导航方式。仿生导航技术是通过模仿自然界生物体某些感知能力，并将感知的信息转化与处理得到导航参数的一种技术。仿生导航具备不依赖GNSS、高性能、高自主、抗干扰等优势，能够解决中小型无人机受到未知环境电波干扰的难题，受到国内外各大研究机构的重视，成为当前国际导航领域的研究热点。

仿生偏振导航传感器

　　(2)气动模型辅助导航

　　气动模型辅助导航也是一种新型的导航方法，将描述飞行器飞行状态的气动模型信息与现有导航系统信息相融合，可以提高导航精度和可靠性，具有自主性强、成本低、适用范围广等优点。气动模型辅助导航近年来逐渐受到国内外学者的关注，有望成为飞行器的新型自主导航方法。

飞行器气动模型辅助导航系统结构图

　　(3)MEMS惯导系统

　　近些年，随着微机械电子(Micro Electro Mechanical  Systems，MEMS)惯性器件的迅速发展，MEMS惯导系统已成为研究热点。虽然MEMS惯导系统具有低成本、微尺寸、低功耗等优点，然而现有的工业技术很难实现体积、成本、精度同时达到令人满意的水平。MEMS惯性器件测量噪声大，漂移严重的特性使MEMS惯导系统误差累积很快，无法长时间保持导航精度。针对该问题，可使用飞行器动力学(Aircraft  Dynamics，AD)信息辅助MEMS惯导解算方法。

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　　制导/导航与控制技术的应用

　　制导/导航与控制技术，主要用于航空器、航天器、导弹武器等领域。并且在水下机器人、水面无人艇、汽车等领域也有应用，但相对较少。下面对制导/导航与控制技术的一些主要应用做简单介绍。

　　(1)民机

　　在民机中，飞行控制系统是对飞机姿态的控制，由把驾驶员的操作指令传递到飞机相应操纵面上所涉及的所有部件组成，包括驾驶员指令传感器、飞控计算机、伺服作动器、飞机运动传感器及控显装置等。目前，民机的飞控系统已经发展到第四代——全时、全权限电传飞控系统。目前新近研发的飞机均采用了电传飞控系统，其中A380电传飞控系统采用了2H/2E的功率源，2路液压源2路270V直流电源，系统采用了3x2主配以3x2辅的结构，系统功能进一步的综合，把自动飞行功能集成到主电传系统中，取消了机械备份(采用电备份);波音的B787把高升力控制、水平安定面控制、自动飞行、自动着陆(CATⅢb)集成到主电传飞行控制系统中，使得飞控系统的综合程度更高。

　　美国的霍尼韦尔公司(Honeywell International)和罗克韦尔•柯林斯(Rockwell  Collins)公司在民机的GNC系统中，处于前列。在B787梦幻客机中，就使用了霍尼韦尔公司的飞控系统;并且在A380中，还使用了霍尼韦尔公司的飞行控制管理系统(Flight  Management System，FMS)。

　　(2)无人机

　　在无人机的组成中，自动驾驶仪处于核心位置，对飞行导航、控制及任务管理有着决定性影响，是无人机实现自主飞行并完成任务的关键。由于在民用等诸多方面无人机的用途越来越广泛，小型化无人机自动驾驶仪将是今后一个研究的热点。此外，美国弗吉尼亚联邦大学研究人员还为美国陆军研究实验室提出了一种基于双处理器的无人机自动驾驶仪。该自动驾驶仪中，飞控系统的处理器，用于飞行控制执行软件;另一个简单任务处理器，用于任务执行应用软件。

无人机双处理器自动驾驶仪系统

　　加拿大MicroPilot公司在无人机自动驾驶仪方面，处于行业前列，该公司的MP2X28自动驾驶仪集成了无人机自动驾驶仪的全部功能，性能非常优越。此外，MicroPilot公司还拥有世界上最小的无人直升机自动驾驶仪MP2128HELI。

　　(3)卫星

　　星载GNC系统是卫星系统的重要组成部分，是进行任何航天任务必不可少的先决条件。星载GNC技术可以分为两个方面：一是GNC飞行算法与软件;二是GNC飞行设备，包括星载设备和地面测试设备。

　　近年来，OHB系统公司研发了星载GNC自动飞行控制软件，使得设计开发的时间缩短了50%，使得早期验证测试工作得以实现，并且简化了机构之间的相互合作。

　　斯坦福大学的空间联合实验室(The Space Rendezvous  Laboratory，SLAB)，目前正在开展多个卫星的GNC系统的研究工作。包括，TanDEM-X自主形成飞行(TanDEM-X Autonomous  Formation  Flying，TAFF)实验，PRISMA的空间自主形成飞行实验(SAFE)，PRISMA的基于GPS和光学导航的先进交会演示技术(Advanced  Rendezvous demo using GPS and Optical  Navigation，ARGON)，以及FIREBIRD自主视觉导航和目标识别(Autonomous Vision Approach Navigation  and Target Identification，AVANTI)实验。

TanDEM-X自主形成飞行(TAFF)实验的软件设计

　　(4)火箭

　　火箭回收及重复使用是减少火箭发射成本、推进人类太空开发的重要途径，其中垂直起降火箭由于对返回场地的尺寸要求小、单次发射成本低、运载效率较高等优点使得各国对此进行了深入的研究。从SpaceX公司经历的数次失败来看，火箭一子级垂直返回海上平台飞行任务必须有先进的GNC技术作保证。从而使得GNC技术在火箭回收中的重要性越来越重要。

　　用于火箭回收及重复使用的GNC技术，是目前逐渐兴起的一项技术，当前对该技术的研究内容还较少。但随着火箭回收及重复使用技术的发展，可以预期在未来该GNC技术也将迎来研究的热潮。

　　猎鹰9运载火箭的制导/导航和控制技术，是通过其航电设备完成的，具体包括飞行计算机，全球定位系统(GPS)接收机，惯性测量单元，SpaceX设计和制造的Falcon  9控制器(推进，阀门，加压，分离和有效载荷接口)，网络主干，S波段发射器和用于范围安全跟踪的C波段转发器。

　　(5)导弹武器

　　导弹武器精确制导技术是关系导弹武器作战效能与智能化的核心，对于提高导弹武器装备复杂作战环境下对多目标的打击能力起着重要作用。目标场景信息获取能力与感兴趣目标自动识别能力，影响着导弹武器对目标精确打击的适应性。

　　近年来，美国、加拿大、英国等西方国家正在研究导弹精确制导人工智能技术。远程反舰导弹(Long Range Anti-ship  Missile，LRASM)项目是人工智能技术对于导弹武器精确制导的成功应用案例。LRASM在2016年7月21日的成功测试中，使用了洛马公司升级后的战术战斧武器控制系统(Tactical  Tomahawk Weapons Control System，TTWCS  +)用于处理数据，该TTWCS系统与船舶的导航、通信、情境认知和发射系统相结合，从而计算出导弹的目标路线。

　　导弹武器智能精确制导技术，可实现精确制导技术与人工智能技术的有机结合，使导引头具备感知智能、认知智能等不同层次智能系统的特点与能力。在未来，导弹武器智能精确制导技术的重点研究方向包括：

　　在导弹制导领域，穆格(Moog)公司、洛克希德•马丁(Lockheed  Martin)公司以及英国BAE系统公司处于领先地位。穆格公司致力于导弹的转向控制领域，主要生产翅片振动控制器(Fin Control Actuation  Systems，FCAS)、转向和姿态控制推进阀(Divert and Attitude Control Thruster  Valves)以及制导/导航控制器(Guidance and Navigation Controllers)。并在Exoatmospheric Kill  Vehicle (EKV)、Hellfire、Joint-Air-to-Ground Missile (JAGM)、Joint Common Missile  (JCM)、Miniature Air Launched Decoy (MALD)、Ground-based Midcourse Defense  (GMD)、Maverick、Multiple Kill Vehicle (MKV)、Non-Line of Sight 、aunch System  (NLOS-LS)、Trident D5等导弹上均有应用。

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　制导/导航与控制技术未来研发方向及建议

　　制导/导航与控制技术，主要研究航空、航天、航海、陆行各类运动体的位置、方向、轨迹、姿态的测量、控制与决策问题，是国防武器系统和民用运输系统的重要核心技术之一。近年来，国内围绕多种先进飞行器深入开展了各项研究和工程化实践，GNC技术也得到了长足的发展。

　　在未来，我国GNC技术的研究与应用发展，应紧紧围绕以下方向展开：

　　为促进我国GNC技术的进一步健康发展，提出以下建议：

　　GNC技术的研究和发展应该瞄准技术前沿，加强基础技术研究，努力实现GNC系统的智能化/自主化、模块化/综合化、数字化/网络化和灵巧化/微小化。

　　GNC技术的研究和发展应该着眼实际应用，面向未来各种先进飞行器的实际需求，实现GNC新技术快速应用。

　　GNC技术的研究和发展应该适应使用要求，重视综合提高武器装备性能。通过提高GNC系统功能自主化程度，使“驾驶员”转变为“任务员”，同时加强可靠性、安全性、测试性、维修性、保障性设计，提高飞行器使用效率。

　　面向未来，先进GNC技术的研究和发展和应用离不开用户、工业界和学术界的密切联系。应大力开展联合研究，定期交流，同时加大投入，坚持自主创新，重视基础研究，加强关键技术验证研究，认真把握先进GNC技术的发展规律，瞄准发展方向，确定目标，提前动手，根据我国实际情况走自己的发展道路。

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