2. GNC任务模式设计基础

GNC（制导、导航与控制）任务模式设计，是把飞行任务对姿态、轨道、指向、稳定度和安全性的要求，翻译成一组可被星上软件识别、切换、监控和恢复的工作状态。它不是简单罗列若干“模式名称”，而是要回答四个问题：系统在什么条件下进入某个模式、该模式要完成什么控制目标、多个模式同时可用时谁优先、以及模式与飞行阶段如何对应。模式设计得好，飞控软件逻辑清晰、故障可隔离；设计得差，则容易出现模式争抢、切换振荡或安全模式无法及时接管。

一、模式划分原则

模式划分的第一原则是控制目标单一且可判定。一个模式应当对应一个明确、可观测的控制目标，例如“对日定向充电”“对地定向成像”“惯性定向滑行”“轨道机动点火保持”。如果两个目标经常同时存在，就应拆成两个模式，或定义一个复合模式并明确其内部子状态。第二原则是覆盖完整、互不重叠：在任意时刻，系统应处于且仅处于一个主模式，避免出现“既在对日又在对地”的歧义。第三原则是可切换、可监控、可恢复：每个模式都要有进入条件、保持条件、退出条件和异常处理路径。第四原则是与硬件能力匹配：模式所依赖的敏感器、执行机构、推力器和星上计算资源必须真实可用，不能设计出“理论上很好、工程上无法实现”的模式。

工程上常把模式分为三层：安全层（如安全保持、太阳捕获）、任务层（如对地定向、对日定向、轨道机动）、维护层（如标定、诊断、测试）。安全层优先级最高，任务层次之，维护层最低。这样分层后，模式优先级和切换逻辑就有了统一骨架。

二、模式切换条件

模式切换条件通常由三类判据组成：指令判据（地面遥控或星上自主指令）、状态判据（姿态角、角速度、轨道参数、电源电压、温度等是否进入阈值）、时间判据（定时器到期、窗口到达、持续时间满足）。例如，从“对日定向”切换到“对地定向”，典型条件可写为：

进入对地定向：
  地面指令 = 对地定向
  且 轨道位置在测控/成像窗口内
  且 姿态角速度 |ω| < 0.05 °/s
  且 电源母线电压 > 26 V

退出对地定向：
  成像任务完成 或 窗口结束
  或 姿态误差 > 2° 持续 10 s
  或 电源电压 < 24 V

这里的关键是阈值要有物理依据：角速度阈值来自敏感器量程和控制器带宽，电压阈值来自电源系统放电特性，姿态误差阈值来自载荷指向精度要求。切换条件还应设置防抖时间，避免在阈值附近反复跳变。例如姿态误差连续 10 s 超过 2° 才触发退出，而不是瞬时越限就切换。

三、模式优先级

当多个模式同时满足进入条件时，必须由优先级仲裁决定唯一活动模式。优先级设计遵循“安全优先、任务其次、维护最后”的总原则，同时考虑不可逆性和时效性。例如，安全模式一旦触发，应能抢占任何任务模式；轨道机动点火窗口一旦错过不可复现，其优先级应高于普通对地成像；而标定、诊断等维护模式只能在任务空闲且安全层允许时进入。

优先级可以用数值表示，数值越大越优先。下表给出一个示例性的优先级分配，仅用于说明设计方法，不代表任何具体型号的真实参数。

优先级仲裁还要处理同级冲突。同级模式之间可按“先到先服务”“任务紧迫度”“能量最优”等规则排序，但必须保证规则确定、可复现，不能依赖随机或模糊判断。

四、模式与飞行阶段对应关系

飞行阶段是任务时间轴上的粗粒度划分，模式是阶段内可切换的细粒度工作状态。二者不是一一对应，而是“阶段约束模式集合、模式在阶段内切换”的关系。以近地遥感卫星为例：

• 发射入轨段：以安全保持、太阳捕获为主，确保能源和姿态安全。
• 轨道建立段：进入轨道机动模式，完成变轨和轨道修正。
• 在轨任务段：在对日定向、对地定向、惯性定向之间按任务窗口切换。
• 维护与标定段：在任务空闲时进入标定、诊断模式。
• 离轨/退役段：进入离轨机动或安全钝化模式。

设计时应建立一张“阶段—模式允许矩阵”，明确每个阶段允许进入哪些模式、禁止哪些模式。例如在发射入轨段禁止进入对地定向，因为此时姿态和能源尚未稳定；在离轨段禁止进入维护模式，因为推进剂和姿态资源必须集中用于离轨。

五、设计约束与接口

模式设计不是孤立的软件行为，它受到多类约束和接口的制约。主要约束包括：能源约束（太阳翼对日角度、蓄电池放电深度）、热控约束（长时间对日或对地指向带来的温度分布）、推进剂约束（机动次数和点火时长）、测控约束（指令上注和遥测下传窗口）、载荷约束（成像、通信、定标对指向和稳定度的要求）。这些约束应转化为模式进入/退出条件中的具体阈值或禁止条件。

接口方面，模式管理需要与导航模块（获取姿态、轨道、时间）、控制模块（输出控制力矩或推力指令）、电源模块（电压、电流、放电状态）、热控模块（温度）、测控模块（遥控指令、遥测参数）以及任务规划模块（任务窗口、目标列表）交互。接口设计要明确数据方向、更新周期、有效范围和失效处理。例如，导航模块输出的姿态四元数若超时未更新，模式管理应判定导航失效并触发安全模式，而不是继续使用过期数据。

把上述关系落到工程实现上，模式管理通常是一个周期运行的仲裁状态机：每个控制周期读取导航、电源、热控和测控数据，计算各模式的进入/退出条件，按优先级选出唯一活动模式，再向控制模块输出该模式对应的控制律和指令。模式切换时还要处理状态初始化，例如进入对地定向时重置姿态误差积分项、设定目标四元数、启动稳定判据计时器。若切换过程中出现导航失效或执行机构饱和，应立即转入安全模式并记录切换原因，供地面复盘。

最后需要强调，模式设计是任务分析、控制设计、软件实现和地面验证的共同产物。设计阶段应输出模式清单、优先级表、切换条件表、阶段—模式矩阵和接口数据字典；验证阶段则通过数学仿真、半物理试验和在轨遥测复核这些设计是否真正闭环。只有把“模式是什么、何时切换、谁优先、受什么约束、与谁接口”全部说清楚，GNC任务模式才具备可执行、可验证、可维护的工程基础。