航天器GNC標準體系建設
——原理方法與實踐

王佐偉 呂楠 張瀾 陳奧 張世俊 何剛

（北京控制工程研究所， 北京， 100190）

航天器制導導航與控制 （GNC， Guidance Navigation and Control） 系統的功能是完成航天器姿態和軌道參數的確定， 引導航天器按照預定軌道或瞄準預定目標進行運動， 并根據任務需求對航天器的姿態及軌道運動進行控制。 從任務劃分來看， 航天器GNC 系統的功能主要包括： 姿態確定、 軌道確定、 軌道制導、 姿態控制、 軌道控制等， 對于在軌服務航天器等還涉及相對位姿測量與控制、 運動感知與末端操作控制等[1-3]。GNC 技術復雜、 涉及面廣， 在航天器技術領域中具有重要地位[4]。

伴隨著我國航天器GNC 技術的發展， GNC 相關的標準也在不斷豐富。 這些標準對我國航天器GNC 系統的研制與應用發揮了重要作用。 同時，隨著相關技術的快速發展以及任務需求的不斷提升， 現有GNC 標準體系的一些問題也逐漸暴露出來。 GNC 領域技術標準數量大、 種類多、 關聯程度高， GNC 標準體系建設、 實施和維護的難度都比較大。 如何在新形勢下， 打造一個覆蓋全面、整體優化、 適用性強、 指引性突出的GNC 標準體系， 已成為業界關注的一個突出問題。

本文在回顧我國航天器GNC 標準化工作成就的基礎上， 對航天器GNC 標準體系的意義和作用進行分析， 提出我國航天器GNC 標準體系的建設思路， 重點針對GNC 標準體系框架設計相關問題進行探討， 給出框架層次劃分、 維度構建、 分類優化等指導原則和具體方法。 最后介紹了航天科技集團公司GNC 標準專業組一年多來的實踐成果。

1 我國航天器GNC 技術及其標準化工作發展回顧

總體而言， 標準化與科技進步之間是相互促進、 協同發展的關系[5]。 航天器研制是高技術和高風險相伴的系統化工程活動， 集中體現了技術開發與標準化工作的相輔相成[6-7]。 一方面，航天器GNC 系統開發過程中形成的設計、 試驗、流程管理等經驗和方法， 經過總結、 歸納、 提煉和固化， 為相關標準的制定積累了豐富的素材；另一方面， 各級各類標準， 為航天器GNC 系統型號研制和技術開發提供了系統性指導， 發揮了規范和保障作用。 限于篇幅， 這里所說的航天器系指空間飛行器， 不含導彈和運載器。

a） 探索階段

20 世紀70 年代， 這是我國航天器 GNC 技術初創時期， 工程上偏重于摸索和嘗試。 1970 年4月， 我國第一顆人造衛星 “東方紅一號” 成功入軌， 實現了我國航天器零的突破。 該衛星上的紅外地平儀開啟了我國空間GNC 產品研制的先河。1975 年 11 月， 我國第一顆返回式衛星成功入軌。 該衛星具有完整的控制系統， 實現了主動式三軸穩定控制和返回調姿控制， 標志著我國航天器GNC 技術的創立。

隨著航天器GNC 技術的創立和發展， 部分技術具備了形成標準的基本條件。 但這一階段GNC 領域尚未制定真正意義上的技術標準， 對標準化的需求也不明顯。

b） 起步階段

20 世紀80 年代， 我國航天器GNC 技術全面起步， 向系統化、 專業化方向邁進。 1984 年 4月， 東方紅—2 通信衛星發射成功； 1988 年 3月， 性能增強的東方紅—2A 通信衛星發射成功。東方紅—2/2A 采用雙自旋穩定姿態控制方式，軌道控制技術也取得了重要突破。 這一時期， 我國還發射了多顆返回式衛星， GNC 技術水平不斷提升， 躋身世界先進行列。 隨著首臺太陽敏感器、 首臺星載計算機、 首臺陀螺儀的在軌應用，航天器GNC 單機產品體系逐步建立。

這一時期， 我國航天器GNC 領域的標準化工作起步， 零星制定了若干技術標準， 如航天行業標準 《計算機自動測量和控制機箱中的多重控制器》 《衛星姿態控制系統試驗規程》 《衛星控制系統研制程序》 《衛星控制系統方案設計規范》國家軍用標準 《速率積分陀螺儀通用規范》 等。這些標準雖然數量不多， 但對于固化經驗、 規范型號研制還是發揮了很好的作用。

c） 全面發展階段

20 世紀90 年代， 我國航天器GNC 技術對標國際， 低軌衛星姿軌控技術、 高軌衛星姿軌控技術、 載人航天器GNC 技術三大領域全面發展。其中， 低軌姿軌控技術的標志性成果是1999 年10 月發射的資源一號01 衛星， 高軌衛星姿軌控技術的標志性成果是1997 年5 月發射的東方紅三號02 衛星。 這2 顆衛星采用了基于長期角動量管理的三軸穩定姿態控制、 面向長壽命連續工作的故障診斷與隔離、 模塊級交叉重組等新技術， 引領我國航天器GNC 技術邁上了新臺階。1999 年11 月發射的神舟一號飛船， 突破了半彈道升力式返回GNC 技術， 首臺動量輪、 首臺太陽帆板驅動機構等產品獲得在軌應用， 標志著航天器GNC 單機產品體系基本完善。

這一時期， GNC 領域技術標準作為型號知識系統性固化傳承的重要手段逐漸引起科研人員的重視， 涉及范圍不斷擴大。 例如， 仿真技術作為GNC 領域的重要支撐技術獲得了廣泛重視， 制定了國家軍用標準 《衛星控制系統仿真試驗方法》 和航天行業標準 《控制系統仿真術語》 等多項標準。 此外， GNC 標準的分類也更加細化。例如， 基于控制方式劃分的雙自旋穩定控制和三軸穩定控制得到顯著區分， 形成了航天行業標準《三軸穩定衛星控制系統測試方法》 和企業標準《雙自旋穩定衛星控制系統設計規范》、 國家軍用標準 《雙自旋衛星天線消旋分系統通用規范》 等不同類別的細化標準。

d） 正規化發展階段

21 世紀初到2015 年左右， 我國航天器GNC技術取得長足進步， 系統及單機產品的技術指標及質量穩定性穩步提升， 部分技術和細分領域取得重大突破。 2011 年11 月， 神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器實現在軌交會對接， 航天器GNC 技術由衛星指向、 軌道調整控制， 向返回再入GNC 控制、 飛行器間相對控制方向發展。2013 年 12 月， 嫦娥三號月球探測器成功發射，標志著GNC 技術由近地空間控制， 向地外天體著陸、 巡視控制方向發展。 交會對接敏感器、 單框架控制力矩陀螺、 導航避障相機等新一代GNC 單機獲得在軌應用， 大幅拓寬了GNC 單機的領域寬度。

這一時期， GNC 領域標準體系基本形成， 標準化建設成效顯著。 在GNC 標準體系建設中，以目標和問題為雙重導向， 內容涵蓋了GNC 相關的項目管理、 產品保證、 關鍵技術、 通用產品和基礎條件等。 航天科技五院、 八院等院級GNC 標準體系基本建成。 就型號領域而言， 全面囊括了返回式衛星、 導航衛星、 載人航天、 深空探測乃至空間機器人等新興領域。 但是， GNC標準滯后于GNC 技術發展的現象仍然比較突出。例如， 這一時期開發的交會對接敏感器、 導航避障相機等尚未形成技術標準。

e） 體系化發展階段

2015 年以來， 我國航天器GNC 技術繼續穩步發展， 整體上接近國際先進水平， 諸多技術領域取得重大突破。 GNC 技術進入體系化、 智能化、 精益化發展新階段。 2020 年 11 月， 嫦娥五號月球探測器成功發射。 GNC 技術在嫦娥五號任務中發揮了極其重要的作用， 跳躍式再入制導控制等多項關鍵技術的突破使我國航天器GNC技術邁上新臺階。 在衛星控制技術方面， 在高精高穩控制、 自主控制等方面取得了新的突破。

面向 “高質量保證成功， 高效率完成任務，高效益推動航天強國和國防建設” 的轉型發展要求， GNC 領域的標準化工作與型號技術發展相互融合。 2021 年， 航天科技集團啟動了新型企業標準體系建設工作， 我國航天器GNC 標準化工作進入新的發展階段。

2 航天器GNC 標準體系的現狀和問題

2.1 現狀

在GNC 系統的全生命周期中， 各級各類標準發揮著技術指導、 經驗傳承、 流程固化以及基礎保障等多方面的重要作用。 而這些作用的發揮離不開標準的體系化。

a） 質量管理類標準

北京控制工程研究所基于上級質量管理和靜電防護管理等標準體系文件， 進行針對性的本地化， 建立了符合GNC 系統研制特點的科研生產管理體系。 其主要特點是： 強調過程受控、 持續改進、 全生命周期管理。 近年來， 該研究所產品質量穩步提升， 重大、 低層次質量問題顯著下降。

b） 系統設計類標準

通過廣泛的貫標活動， 北京控制工程研究所各級設計師的設計標準化意識不斷提升， GNC 方案設計、 軟件設計、 硬件設計等逐漸走向專業化、規范化， 并形成了一些對系統設計極具實用價值的所級標準/“準標準”。 例如， 《AOCS 在軌穩定運行能力構建與評價指南》 的制定與實施， 對于提升航天器在軌穩定運行能力發揮了重要作用。

c） 產品實現類標準

GNC 領域產品種類繁多、 功能各異。 北京控制工程研究所充分發揮各級各類產品標準的指導牽引作用， 針對成熟單機產品， 大力提升其模塊化、 型譜化、 通用化水平； 針對新研單機產品，則對標國內外先進指標， 在標準化開發的同時牽引產品標準的形成。

2.2 現有標準體系的不足

本文探討的航天器GNC 標準體系， 從級別上看涉及國標、 國軍標、 航天行業標準、 集團級企業標準、 研究院標準、 研究所標準等。 理論上，航天器GNC 標準體系是一個完整的、 自洽的、 有一定獨立性的標準體系或子體系 （就更大的標準體系而言）。 實踐上， 國標、 行業標、 企業標等不同層級的標準又是同時存在、 互相關聯的。

以航天科技集團公司目前的GNC 標準體系而言， 主要存在如下問題： ①層次劃分及領域分類不盡合理； ②標準的重復性和缺失性并存； ③標準更新周期長， 滯后于技術發展； ④對新領域、 新技術的支撐牽引作用不顯著。

面對航天強國建設使命， 面對國內外商業航天的競爭態勢， 面對 “高質量保證成功， 高效率完成任務， 高效益推動航天強國和國防建設” 的新要求， 有必要進一步加大GNC 標準體系的建設力度， 充分發揮標準體系對于航天型號研制和新技術開發的積極促進作用。

3 航天器GNC 標準體系設計

3.1 航天器GNC 標準體系建設目標及原則

航天器GNC 標準體系建設的主要目標可概括為： 對標國際先進， 以型號工程及專業技術發展需求為牽引， 開展標準體系重構， 建立一套精干、 有效、 指導性強的 GNC 專業標準體系， 用以提升GNC 系統和產品成熟度， 提高產品質量和研制效率， 促進我國GNC 技術持續健康發展。

航天器GNC 標準體系建設的基本原則包括：①目標明確， 全面成套， 層次適當， 劃分清楚。 ②以系統工程思想為指引， 整體統籌優化。 ③兼顧實用性和先進性。 ④縱向橫向全覆蓋： 縱向方面， 應涵蓋設計開發、 生產制造、 試驗驗收、 交付使用和退役全壽命周期； 橫向方面， 應涵蓋傳統GNC 領域和新興GNC 領域 （如空間安全與在軌操控GNC 等）。

3.2 航天器GNC 標準體系結構層次設計

標準體系本身是典型的復雜系統， 有必要按照系統工程思想和原理構建航天器GNC 標準體系。 當系統所處的特定環境確定后， 系統結構將支配和決定系統的行為和規律[8]。 因此， 標準體系結構層次的確定非常重要。 尤其需要注意的是， 由于系統的開放性， 實際系統的整體結構處于一個不斷的演變過程中[9]， 因此標準體系的結構層次應兼具較強的穩定性和較好的適應性。

根據上述思想， 合理的標準體系架構遵循“分層遞階” 原理， 呈金字塔構型， 如圖 1 所示。整個結構層次從上至下呈現 “范圍遞減， 精確性遞增” 的趨勢， 總體上分為 3 個大層： 頂層、 中間層、 應用層 （底層）。 層級數量的確定與每一層級的維度劃分密切相關， 也與上一層的屬性和維度劃分直接相關。 其中， 頂層的維度劃分比較關鍵， 它決定了整個標準體系的邏輯劃分； 中間層的層級根據邏輯關系還可以分層， 且不同分支的層級數量可以不同； 應用層處于最底層， 由各個具體的標準組成， 直接面向使用。

3.3 航天器GNC 標準體系維度劃分

在標準體系的各個層次設計中， 都涉及到維度劃分問題[10-11]。 維度劃分有多種方式， 對于航天器GNC 標準體系， 常見的劃分方式考慮如下。

a） 按管理級別劃分， 例如： 國家標準、 行業標準、 企業標準等。

b） 按專業領域劃分， 例如： 制導標準、 導航標準、 控制標準、 仿真支撐標準等。

c） 按屬性級別劃分， 例如： 基礎標準、 通用標準、 專業標準等。

d） 按流程劃分， 例如： 設計標準、 生產制造標準、 測試驗證標準、 在軌支持標準等。

e） 按標準的狀態劃分， 例如： 規劃中標準、制定中標準、 修訂中標準、 復審中標準、 實施中標準等。

f） 按管理屬性劃分， 例如： 基礎標準、 方法標準、 產品標準、 管理標準等。

本文提出一種基于評價因子加權和的維度分類優化方法。 主要思路如下。

首先， 選定評價因子， 并賦予不同的權重。記評價因子集為 ｛因子 A， 因子 B， 因子 C，…｝， 因子權重分別記為 CA， CB， CC， …。

其次， 對于每一種維度劃分， 按照10 分制分別對各評價因子打分， 分值分別記為SA， SB，SC， …。

最后， 按式 （1） 計算每一種維度劃分的加權總分值， 總分越高， 維度劃分越優。

以航天器GNC 標準體系為例， 頂層評價因子可包括： 便利性、 協調性、 完備性、 先進性、可擴展性5 類， 權重向量可設為：

C= ［0.4， 0.2， 0.15， 0.15， 0.1］

對于基于管理級別的維度劃分， 經專家評估， 分值向量為：

S= ［8， 3， 5， 2， 5］

對于基于專業領域的維度劃分， 經專家評估， 分值向量為：

S= ［10， 6， 5， 5， 5］

按式 （1） 計算得 S0分別為 5.35 和 7.2， 可知基于專業領域的維度劃分更為合理。

需要指出的是， 評價因子的選擇、 權重及分值設置等都沒有絕對的準則， 即使專家打分， 也帶有較多主觀色彩。 因此， 實際的標準體系往往采用混合維度劃分。 對于航天器GNC 標準體系，比較合理的做法是按照GNC 領域自身的特點進行混合劃分。 具體如圖2 所示。

3.4 航天器GNC 標準體系分支遍歷

航天器GNC 標準體系結構層次確定后， 還需要考察各級分支的完備性和協調性。 本文采用基于 “交叉遍歷+組合遍歷” 的方法。 遍歷是指在實現具體的目標時， 按照邏輯完備性要求搜尋所有可能的條件。

下面以航天器GNC 標準體系的中間層分支遍歷闡述主要思路。 如圖3 所示， 假設上層已有設計和試驗2 個分支， 下層按照單機產品類別進行分支劃分。 根據常規的閉環控制系統組成， 可分為感知類單機、 處理類單機、 執行類單機3 類。 按控制系統屬性遍歷， 還有開環系統和前饋系統需要考慮，則可得到諸如一體化跟瞄設備之類的單機， 由于數量少， 可歸為其他類單機。 這4 類單機可與上層的“設計” 類分支建立從屬對應關系。 根據遍歷思想，可以得到與 “試驗” 類對應的類似從屬分支。 這可看作是 “交叉遍歷” 的應用。 此外， 同一層級之間還可以產生新的組合類別。 例如， 感知類單機和處理類單機組合得到感知—處理類單機， 實際上也確實存在這類一體化組合功能單機； 與此類似， 處理類單機和執行類單機也可以組合形成新的類別。 這可看作是 “組合遍歷” 的應用。

3.5 航天器GNC 標準體系結構圖

標準體系結構圖是標準體系的直觀表示， 是標準體系的骨架， 也是編制標準體系明細表的依據和前提。 標準體系結構圖種類很多， 大致可分為平面、 立體、 高維等3 大類。 標準體系平面結構圖從拓撲結構上看， 有層次結構圖 （或稱樹狀結構圖）、 矩陣結構圖 （或稱坐標結構圖、 二維結構圖）、 星形結構圖等[12]。 立體結構圖最常見的是魏爾曼標準體系三維結構圖， 3 個坐標軸分別表示時間維、 邏輯維、 知識維， 實際應用中更多的是按層級、 屬性、 專業 3 個維度劃分。 高維結構圖由若干二維結構圖或三維結構圖加以區分后再放在一起， 也可稱為組合結構圖。 高維結構圖能夠表示更多維度的分類信息， 覆蓋面廣， 更具有科學性和指導價值。 本文提出一種針對航天器GNC標準體系的五維結構圖， 如圖4 所示。

這種五維結構圖實際上是4 個三維結構圖的組合， 分別記為 I、 II、 III、 IV， 稱為 4 個象限。5 個坐標軸代表了 5 個維度： 專業維 （記為 A）、過程維 （記為 B）、 業務歸口維 （記為 C）、 層次組成維 （記為 D）、 級別維 （記為 E）。 同一個標準， 在 4 個象限中重復出現。 在 I 象限， 某個標準的檢索坐標為 Aj， Bj， Ek（i， j， k=1， 2， 3，…）， 在 II 象限， 某個標準的檢索坐標為 Bm，Cn， Ep（m， n， p=1， 2， 3， …）， 以此類推。

這種五維結構圖除了用于梳理標準體系架構、指導標準體系明細表編制外， 還可用于標準的分類查詢。 利用可視化的標準管理軟件， 用戶輸入某個標準號或標準名稱， 即可在五維結構圖上顯示該標準的各個維度屬性； 用戶也可以在五維結構圖上基于維度和類別信息檢索某一特定專題的標準信息。

4 航天器GNC 標準體系建設實踐

中國航天科技集團有限公司 （CASC） 于2021年啟動了新版標準體系建設工作， 成立了多個領域專業組； 在組長單位的牽頭協同下， 開展存量標準評估、 標準體系框架搭建、 增量標準需求策劃等工作。

GNC 標準專業組在集團公司CASC 標準體系框架下， 完成了GNC 標準體系分支設計， 開展了GNC 標準子體系明細表編制工作。 取得了一系列卓有成效的工作。

a） GNC 存量標準橫向一致性評估分析

專業組圍繞GNC 領域開展標準應用情況的全面梳理和清查， 對現行標準的適用性、 有效性進行評估， 共計評估標準1656 項。 經過多輪梳理與反饋， 專業組匯總了各院提交的標準評估分析明細表， 并在此基礎上編寫形成 《制導導航與控制標準應用情況分析和橫向一致性評估報告》。

b） GNC 標準體系重構

專業組對舊版GNC 標準體系進行了全面梳理， 基于上級 “符合頂層框架， 局部服從整體，共性集中設置， 先專業再裝備” 的指導原則， 重新編制了航天器GNC 標準體系結構圖， 并在此基礎上完成了航天器GNC 標準體系清單編寫。

c） GNC 領域待制定標準規劃

專業組基于航天器GNC 標準體系框架， 初步擬定了GNC 領域待制定標準規劃。 征集成員單位標準需求并組織需求評審， 推進GNC 專業標準與研究課題的申報和立項。 開展了 《導航衛星控制分系統關鍵部件在軌維護方法及性能評估標準研究》 《載人航天器空間時間關鍵交換以太網標準研究》 等多項標準課題研究。 持續推進《衛星姿態軌道控制系統穩定運行要求》 《星敏感器在軌精度評估方法》 等ISO 標準項目培育。

d） GNC 領域標準評估與審查

在專業組的組織下， 集中各成員單位的智力資源， 組建標準化專家庫， 提升GNC 領域標準評估與審查的力度和質量。 完成集團及以上級別GNC 標準評估、 審查與報批30 多項。

e） 有效發揮標準體系對 GNC 系統開發的效能

開展質量管理標準、 系統設計標準和產品實現標準等本地化工作， 強化這些標準對基層業務工作的針對性和指導性。 將那些尚不成熟、 但對基層科研生產工作具有較強實用價值的技術規范、 手冊等納入 “準標準” 管理。 實踐表明， 基層單位的 “準標準” 對于提升系統設計水平、 改進產品質量、 提高航天器在軌穩定運行能力等同樣具有重要意義。

f） 充分發揮專業團隊在標準體系建設中的作用

標準化團隊在標準制定、 實施、 評價全過程中具有重要作用。 為此組建了GNC 標準化工作組，主要由分管領導、 管理人員和專家工作組組成。 其中， 標準化管理人員負責對GNC 標準體系全過程運轉的要素保障進行全面統籌、 積極協調。 專家工作組主要負責提出本專業領域標準制修訂建議， 參加標準技術審查和標準復審， 履行投票表決義務，及時反饋標準實施的實際情況等工作。 建立了專家工作組年會、 專題會制度以及工作簡報機制。

本文對我國航天器GNC 標準體系建設相關的若干關鍵問題進行了系統化探討。 回顧我國航天器GNC 標準化工作的階段歷程， 探討了 GNC 標準體系設計的相關問題， 給出了框架層次劃分、維度構建、 分類優化等關鍵問題的設計思路和具體方法， 并介紹了航天科技集團公司GNC 標準專業組的實踐成果。 文中給出的標準體系設計的思路和方法也可以推廣應用到其他行業或領域。