动力、结构、控制，是运载火箭最重要的三个系统。其中动力、结构看得着，摸得着，一说就能明白，入门较易；而控制系统更多涉及公式、参数、软件，看不见摸不着，不直观，而且教科书上一上来就是公式，较难理解，入门不易。

什么是GNC

怎么控制火箭飞行？三个字母：GNC，分别为guidance（制导）、navigation（导航）、control（控制），有时候我们还说trajectory（弹道，或轨道、轨迹）。

与开车类比，车跑在高速上，事先规划好走的路线是弹道；导航是随时知道车开到什么地方了；制导的作用是确保按既定路线行驶，在错过路口时把车纠回来或实时规划出新的路线。制导是怎么实现的呢？靠打方向盘。驾驶员看着路、听着导航信息、打着方向盘，把车开到目的地的整个过程，就是开车去目的地的控制。

为什么需要GNC

各种偏差下，真实弹道都是标准弹道下的扰动，导弹、卫星怎么才能打得准呢？拿导弹举例比较简单，对于射程10000km的导弹，在关机点大约有：

即x方向速度误差1m/s，不到x方向速度的1‰，最终落点偏差就有5~6km。在结构和发动机设计中，一般1%都是一个绝对可以接受的误差，而在飞行控制中，1‰甚至0.1‰都是不可接受的。为实现高精度，就必须靠闭环控制，也就是GNC。

如阿瑟.L.格林雪特在《飞行控制系统的分析与设计》中所述，目前所用的航天器稳定性及控制分析的方法，是由Lanchester和Bryan在20世纪初在飞行和滑翔机所用方法的推广，虽然存在数学方程的解能帮助设计制导系统，但这些方程非常难解。用在火箭上更为复杂，它必须适应推进剂燃烧时火箭重量和质心的变化，以及在大气层不同高度时空气动力学特性的变化。1937年在A-3火箭上试验表明，此时的制导系统连微风都不能应付，后来的工作表明问题比任何人所想到的要难得多，冯.布劳恩为此建立了他自己的制导实验室，甚至研制了一枚完全新型的A-5火箭，主要测试试验系统。专门用于研究制导的火箭，也就只有在运载火箭早期才会有吧！

第一代火箭控制专家：在V-2飞行时，施图林格（Ernst Stuhlinger）应该已经到了佩内明德开展制导和控制系统设计工作。还记得玛丽·尤肯达修女的信吗？她问道：目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭，美国为什么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。那封广为流传的著名的回信《为什么要探索宇宙》就是这位施图林格写的，时任马歇尔太空飞行中心的科学副总监。

苏联最早从事控制系统（创始人？）的尼古拉·阿列克谢耶维奇·皮留金（Nikolay Alekseyevich Pilyugin）。网上没有搜索到他的资料，只搜索到皮留金科研生产联合体[Academician Pilyugin Center（NPO AP）]，成立于1946年，主要研制火箭、导弹与飞船的惯性控制系统，包括捷联惯导系统（SINS）、机械平台式惯性导航系统（GINS）、捷联式惯性测量单元（SIMU）等，涉足自主控制系统、机器人系统与智能化机械技术，从事国家太空项目，如GLONASS导航卫星。同时还生产民用产品，如汽车诊断系统。

梁思礼，梁启超之子。火箭系统控制专家，中国导弹控制系统研制创始人之一。梁思礼曾领导和参加多种导弹、运载火箭控制系统的研制、试验。他对航天可靠性工程提出精辟论述，成为航天可靠性工程学的开创者和学科带头人之一、航天CAD的倡导者和奠基人。著名的“导弹的质量和可靠性首先是设计出来的，不是统计计算出来的；是生产出来的，不是检验出来的；是管理出来的，不是试验出来的”，就是梁思礼提出来的。

看来与搞发动机不同，一个格鲁什科，一个洛克达因公司，就有料让大家说半天。而搞控制的，不跨跨界，大多数人都不知道。

如何实现GNC之N

怎么导航呢？开车时靠GPS刷出位置，或根据路标认出位置。但这并不是火箭导航的方法，因为在火箭飞行中，GPS刷新率太慢了，还存在搜不到卫星、GPS被关掉的可能性，不够用。火箭导航首选惯性器件，GPS只是辅助方法。

在连姆-尼森主演的《飓风营救2》中，连姆-尼森被装在袋子中随车拉走（电影33min左右），这时候他边读秒边记住转向，希望依靠这些信息找到被关起来的位置。这是典型的惯性导航，即它是不依赖外部参考，仅仅依靠自身的加速度、角速度等，通过积分得到当前所在位置的导航方法。

可以想见的是，这种积分式方法，累积误差必然越来越大。电影中尽管他一直在默念，看起来很牛的样子，但在和女儿的电话中，连姆-尼森还是说不知道自己在哪（40min），最后让女儿扔了一颗手雷（43min），通过手机爆炸声和外部声音传播的时间差，对位置进行了定位。

作为一个专业找人并打架的影片，《飓风营救》系列电影中使用了太多的定位方法（带着这个观点看电影会很有趣），上述就是它在上述短短10min的影片中对两种导航方法进行了绝佳诠释：

• 靠惯性自主定位。在运载火箭中对应的是平台、惯组、速率陀螺等；

  
  

• 靠外界信息定位。在运载火箭中对应的是GPS、无线电、图像匹配等。

一张图片中的GNC

晚上客厅的电话响了，睡眼蒙眬，没有开灯，只依稀知道要穿过沙发去接电话，这个过程从GNC的角度怎么描述？

• 心中默念穿过沙发去接电话，这条设计好的线路，就是弹道；

• 到电视柜前转弯，这就是大家在看我国火箭发射时常听到的程序转弯几个字；

  
  

• 先转个弯，再走上一段，再转弯，就可以拿到电话。从0°转到90°，再转到0°，再转120°，这些不同时刻对应的度数就是弹道设计中的重要概念：程序角；

  
  

• 在需要拐弯的地方实施拐弯，确保在各种时刻按需要的度数前行，是制导，在达到电话时停止脚步，称为关机，也是制导；

  
  

• 摸黑走过去看不了时间，在这里步数是测量元件（脚步还是执行部件，这与火箭不同，火箭的执行部件是伺服机构和发动机），相当于火箭飞行中的平台、惯组等惯性器件；

  
  

• 上图中的人如果初始走的方向不对，再按那个程序角，就会撞到墙，或走到别的地方。正如蒙眼睛走路，走路前如果先转几圈，再走，走的方向就会有问题，从而无法走到目的地。惯性器件是积分式的，它不知道初值是什么，除非提前告诉它，这在火箭中称为瞄准。还记得2018年1月26日阿里安那次事故吗？原因说起来很绕口，咱业余人士其实只要说三个字：瞄歪了；

  
  

• 众所周知，用脚步度量没有那么准，总会差那么一步两步。就像人为什么会走不出沙漠？因为人的两个腿不一样长，最后会走出一个超级大圆而不是直线。测量中这就是惯性器件的工具误差。值得注意的是，这里由于脚步既是惯性器件又是执行机构，此处特指的是用脚步测量，而不是执行，不要产生误解。在《飓风营救2》中，连姆-尼森计算转向，原本转120°的分岔路口，他如果当成了90°，走到了另一个路口，也是工具误差；

  
  

• 书上说，带三根棍，让三条棍保持一条直线，人就能走出沙漠了，这相当于更高精度的惯性器件。据称，世上最高精度的惯性器件是和平卫士导弹所用的高级惯性基准球（AIRS），很贵很强大，很强大；

  
  

• 上图中，脚步走不准没关系，走到沙发摸一下修正，就能更容易地找到电话，这就是组合导航。像火箭飞行中用GPS修正惯性器件误差，最后会飞得更准；

  
  

• 在宇宙空间中飞行没有GPS怎么办？用恒星图像识别，或者用脉冲星定位。在室内没有GPS怎么辅助？电视剧《南方有乔木》中时樾点评即刻飞行，说你们居然解决了室内定位的问题，结果整部电视剧时樾都在翻时尚杂志加耍帅，也没说怎么解决的，工科男看完后表示没法忍。

后记

开车时路线有两大类，一是走什么高速，另外是哪条车道。当然可以不变车道走到黑，也可以变道，譬如躲障碍和超车。走哪条高速是一个很长周期的事情，不用时时刻刻调整，而躲障碍或超车等则需要时时刻刻注意力集中并调整，是短周期。

在火箭中进行了类似细分，一是由于参数的不确定性或干扰的随机性引起弹道的偏离，这是一个围绕理想弹道的振荡，是长周期运动；另一个是火箭绕自身轴的偏转，或称为姿态，它同样在干扰下存在振荡，这个振荡周期短，是短周期运动。这些，在GNC的框架中都属于G。

制导和姿控的区别，详见下篇《火箭是怎么飞到目的地的：物理描述》。

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