1. 课程导入与任务场景

航天器在轨运行中，姿态与轨道并不是两件互不相干的事。姿态决定星体、太阳翼、天线、推力器指向哪里，轨道决定航天器在惯性空间中的位置与速度。当任务要求航天器既到达某个位置，又保持某种指向时，姿态控制和轨道控制就必须协同工作。把这两类控制放在统一的任务目标下进行建模、规划、分配与执行，就是姿轨联合控制。

可以先建立一个直观认识：传统做法常把轨道控制与姿态控制分成两个回路，轨道回路负责“走到哪”，姿态回路负责“朝哪看”。但在交会对接、编队飞行、在轨服务等任务中，推力器既产生轨道机动所需的加速度，也会产生干扰力矩；太阳翼、天线等大型挠性附件又会让姿态动力学与轨道动力学发生耦合。若仍按两个独立回路设计，容易出现“轨道到位了、姿态却偏了”或“姿态稳了、相对位置漂了”的问题。姿轨联合控制的核心，就是在同一套动力学模型和任务约束下，统一考虑相对位置、相对速度、姿态角、角速度以及执行机构能力，生成协调的控制指令。

典型任务场景

交会对接是最典型的姿轨联合控制任务。追踪航天器需要在若干小时内从数公里外接近到对接机构接触，通常经历远距离导引、近距离导引、最终逼近和接触四个阶段。以近圆轨道为例，若目标在追踪器前方约 5 km，追踪器需要先消除沿迹方向偏差，再建立稳定的相对接近走廊。最终逼近段中，相对位置精度往往要求达到厘米级，相对姿态精度达到零点几度甚至更高，同时对接轴方向要与目标对接机构保持一致。此时轨道机动产生的推力方向必须与姿态指向配合，姿态偏差会直接改变相对速度方向。

编队飞行要求多颗航天器保持特定基线或构型，例如分布式雷达需要几十米到几公里的基线，光学干涉需要毫米到厘米级的相对位置保持。编队控制不仅要维持相对轨道，还要让各星的天线、载荷指向同一目标。若某颗星为保持构型进行推力机动，其姿态也会受到力矩扰动，因此需要联合分配控制量。

在轨服务包括燃料加注、模块更换、故障维修和碎片清除等。服务航天器需要绕飞目标、逼近特定服务接口、保持相对静止并完成机械臂操作。操作过程中，机械臂运动会对本体产生反作用力矩，改变姿态；同时服务航天器还要维持与目标的相对位置，避免碰撞。这类任务对姿轨联合控制的鲁棒性和安全性要求极高。

系统组成与耦合关系

从工程实现看，姿轨联合控制系统可以分成四层。最上层是任务层，给出任务目标、时间窗口、安全走廊和精度指标。第二层是规划与制导层，把任务目标转化为相对轨道轨迹和姿态路径，并完成控制量分配。第三层是控制与执行层，包括联合控制器、推力器、动量轮、控制力矩陀螺等执行机构。第四层是测量与反馈层，由星敏感器、陀螺、GNSS、微波雷达、视觉相机等提供相对位置、相对速度和姿态信息。

其中最关键的是耦合路径。以推力器为例，若推力方向与质心不重合，或推力器安装存在偏差，轨道机动就会产生干扰力矩。反过来，姿态机动时若太阳翼转动或机械臂运动，质心位置和转动惯量会变化，轨道动力学参数也随之改变。因此，联合控制器不能只把姿态误差和轨道误差简单相加，而要在动力学模型中显式描述这种耦合。

课程学习地图

本课程围绕“建模—规划—控制—执行—验证”的主线展开。前几章先建立坐标系、相对运动方程和姿态运动学基础，明确轨道根数、相对位置速度、四元数、欧拉角等描述方式。随后进入相对轨道动力学与姿态动力学，讨论 CW 方程、轨道摄动、挠性附件和质心变化对联合控制的影响。中段重点讲解联合控制方法，包括线性二次型、模型预测控制、滑模控制以及控制分配。后段进入执行机构、敏感器、任务规划与仿真验证，最后通过交会对接、编队飞行和在轨服务三个综合案例，把前面知识串起来。

下面给出一个简化的交会对接最终逼近段示例，用于说明联合控制中的参数关系。设目标航天器在近圆轨道运行，追踪器在目标后方 200 m、下方 30 m 处，要求 600 s 内到达目标前方 5 m、下方 0.5 m 的对接走廊入口，同时对接轴指向与目标对接机构轴线夹角小于 2°。示例中取相对位置误差权重为 1，相对速度误差权重为 10，姿态角误差权重为 5，角速度误差权重为 2，控制量权重为 0.1。这些数值仅用于说明权重设计思路，不是实际任务参数。

示例：最终逼近段联合控制权重设置（仅作教学示例）
相对位置误差权重 Qp = 1
相对速度误差权重 Qv = 10
姿态角误差权重 Qa = 5
角速度误差权重 Qw = 2
控制量权重 R = 0.1

期望终端状态：
相对位置 [5, 0, -0.5] m（目标前方5m、下方0.5m）
相对速度 [0.02, 0, 0] m/s
姿态角误差 < 2°
角速度 < 0.1 °/s

在这个示例中，若只调轨道回路，追踪器可能到达位置但对接轴偏离；若只调姿态回路，指向正确但相对位置漂移。联合控制的做法是把相对位置、相对速度、姿态角和角速度组成一个状态向量，统一设计反馈增益，再通过控制分配把期望力和力矩映射到各推力器。实际调试时，可以先检查相对位置和相对速度是否收敛，再检查姿态角和角速度是否满足终端约束，最后检查推力器脉宽是否饱和。若推力器饱和，需要回到规划层调整轨迹或延长机动时间，而不是单纯增大控制增益。