1. 课程导入与GNC传感器全景

航天器要在轨完成姿态确定、姿态控制、轨道机动与自主导航，离不开一套闭环的“感知—决策—执行”体系，这就是GNC（Guidance, Navigation and Control，制导、导航与控制）系统。GNC的输入来自各类传感器，输出作用于执行机构，中间由星载计算机完成滤波、估计与控制律运算。理解传感器在GNC中的位置与角色，是后续误差建模、标定补偿与组合导航学习的起点。

一、GNC系统的组成与信息闭环

从功能上，GNC可分为三个层次：导航负责确定航天器当前的位置、速度与姿态；制导根据任务目标与当前状态生成期望轨迹或期望姿态；控制则计算控制力矩/推力指令并驱动执行机构。传感器主要服务于导航层，同时为制导与控制提供反馈量。

典型信息闭环可概括为：敏感器测量→信号调理与A/D转换→误差补偿与坐标变换→状态估计（如卡尔曼滤波）→制导律与控制律→执行机构（动量轮、磁力矩器、推力器）→航天器动力学响应→再次被敏感器感知。传感器模型与误差建模之所以关键，是因为估计精度直接受测量噪声、零偏、标度因数误差、安装误差与动态延迟的影响。

按测量对象，GNC传感器可分为几大类：

• 姿态敏感器：星敏感器、太阳敏感器、地平仪（红外地平仪）、磁强计，用于确定航天器相对惯性系或轨道系的姿态。
• 惯性敏感器：陀螺仪（MEMS、光纤、激光）测量角速度，加速度计测量非引力加速度，是短时高带宽姿态与轨道递推的核心。
• 导航敏感器：GNSS接收机提供位置速度，星间链路与地面测控提供外测数据，深空探测器还使用光学导航相机、脉冲星探测器等。
• 辅助敏感器：温度、电流、轮速传感器等，用于执行机构状态监测与故障诊断。

这些传感器在精度、带宽、更新率、功耗与成本上差异显著，因此实际系统通常采用多源组合：陀螺提供高频角速度，星敏感器提供低频高精度姿态基准，二者通过滤波融合，兼顾动态响应与长期精度。

二、传感器在姿轨控中的角色

姿态控制回路中，传感器提供的是“当前姿态从哪来”的答案。以对地观测卫星为例，其典型工作模式包括：对日定向充电、对地成像、数传对地、轨道机动。不同模式对姿态精度要求不同——成像时可能要求指向精度优于0.05°，姿态稳定度优于0.001°/s；而安全模式只需太阳敏感器与磁强计提供粗姿态，保证能源与通信即可。

轨道控制回路中，GNSS接收机与加速度计提供轨道状态与推力加速度信息。例如在轨控发动机点火期间，加速度计测量非引力加速度，结合GNSS位置速度，可估计推力大小与方向偏差，用于评估机动效果。若加速度计存在零偏，长时间积分会导致速度估计漂移，因此需要与GNSS组合滤波进行在线估计与补偿。

传感器误差对控制的影响并非线性叠加。陀螺零偏会直接导致姿态角速度估计出现常值偏差，进而使控制律产生稳态力矩误差；星敏感器低频噪声经滤波后影响姿态基准的长期漂移；安装矩阵误差则会造成姿态解算的系统性偏差。这些正是本课程后续要逐一建模、标定与补偿的对象。

三、典型航天器传感器配置案例

以一颗500 km太阳同步轨道遥感卫星为例，其GNC传感器配置可参考如下方案（示例参数，用于教学说明，非实测数据）：

该配置体现了“高低搭配、冗余备份”的原则：星敏感器精度高但更新率低、易受杂光影响；陀螺带宽高但存在漂移；太阳敏感器与磁强计精度低但可靠性高、功耗小。组合使用时，通过卡尔曼滤波将陀螺的高频信息与星敏的低频基准融合，可在动态条件下获得连续、高精度的姿态估计。

四、课程目标与学习路径

本课程的目标是让学习者能够：理解GNC传感器的工作原理与输出特性；建立陀螺、星敏、太阳敏感器、磁强计、GNSS、加速度计等典型传感器的误差模型；掌握零偏、标度因数、安装误差、随机噪声的标定与补偿方法；能够设计组合导航滤波方案并评估误差传播对定姿定轨精度的影响。

学习路径建议按“传感器原理→误差机理→数学建模→标定实验→组合滤波→性能评估”推进。每一类传感器都遵循相同的分析框架：先明确测量方程，再识别误差源，然后建立参数化模型，最后给出可执行的标定与验证方法。掌握这一框架后，面对新型传感器也能快速建立其误差模型并纳入GNC系统设计。

从工程实践角度看，传感器模型的价值最终体现在两个地方：一是滤波器中的过程噪声与量测噪声矩阵设置是否合理，二是标定补偿后残差是否满足任务指标。因此本课程在每个模块都会给出可复现的建模步骤、示例参数与结果判读方法，帮助学习者把“公式”变成“能用的模型”。