1. 课程导入与GNC半实物仿真全景

航天器制导、导航与控制（GNC，Guidance, Navigation and Control）系统是决定飞行任务成败的核心分系统。它要在有限测量信息、有限执行能力和复杂空间环境下，完成“我在哪里、我要去哪、我该怎么飞”三个基本问题的闭环求解。理解GNC半实物仿真，首先要看清GNC系统本身的组成与信息流，再理解“半实物”究竟把哪一部分换成了真实设备，以及这种替换带来了什么价值与约束。

一、航天器GNC系统的组成与信息闭环

从功能链角度看，GNC系统可划分为敏感器、导航解算、制导律、控制律、执行机构五个环节。敏感器负责获取原始测量：星敏感器给出姿态四元数或方向矢量，陀螺给出角速度，太阳敏感器提供粗姿态基准，加速度计测量非引力加速度，GNSS接收机或地面测控提供轨道位置与速度。导航解算环节将多源测量融合，输出估计状态——通常包括惯性系位置、速度矢量以及本体系相对惯性系的姿态四元数与角速度。

制导环节根据任务目标与当前估计状态，计算期望的加速度指令或期望姿态指向；控制环节再把期望姿态与实际姿态的偏差转换为控制力矩指令；执行机构（动量轮、控制力矩陀螺、磁力矩器、推力器）把指令转化为真实力矩作用于航天器动力学。动力学响应又通过敏感器被重新测量，形成闭环。这个闭环中任何一个环节的延迟、噪声、饱和或故障，都可能改变系统稳定性与精度。

需要特别强调的是坐标系约定。本课程统一采用：惯性系用于轨道与姿态参考，本体系固连于航天器结构，姿态用本体系相对惯性系的四元数描述；姿态误差定义为期望本体系与实际本体系之间的旋转。后续所有模型、参数与判据均在此约定下讨论，切换参照系时会明确说明。

二、半实物仿真的定义与分类

纯数字仿真把GNC全部环节用数学模型实现，灵活但无法暴露真实硬件的时序、量化、延迟与电气特性。半实物仿真（Hardware-in-the-Loop, HIL）则把GNC系统中的一部分——通常是星载计算机、敏感器、执行机构或它们的组合——替换为真实硬件，其余部分由实时仿真机以数学模型实现，并通过真实电气接口与物理效应模拟器连接。

按接入硬件的不同，常见分类包括：控制计算机在环，验证星载软件时序与接口；敏感器在环，用星模拟器、太阳模拟器、三轴转台激励真实星敏与陀螺；执行机构在环，用动量轮、喷气台架测量真实力矩输出；全系统在环，上述硬件同时接入，最接近飞行状态。分类的核心判据是“哪些环节是真实物理对象，哪些是实时数学模型”。

三、典型应用场景

半实物仿真在航天器研制中承担三类典型任务。第一类是方案与算法验证：在初样阶段，用真实星载计算机运行控制软件，接入数字敏感器与执行机构模型，验证控制周期、模式切换逻辑与故障保护策略是否满足要求。第二类是敏感器与执行机构性能测试：用三轴转台复现姿态运动，用星模拟器复现星图，检验星敏的动态跟踪能力与安装矩阵标定精度；用喷气台架测量推力器实际冲量与最小脉宽。第三类是系统级故障复现与边界考核：注入陀螺漂移、星敏遮挡、动量轮饱和等故障，观察系统能否在预定时间内进入安全模式。

以某对地观测卫星姿态机动任务为例，教学示例参数可设为：轨道高度 700 km，姿态机动角 30°，最大角速度 1.5 °/s，控制周期 0.125 s，星敏更新率 8 Hz，陀螺更新率 100 Hz。在半实物仿真中，星载计算机按 0.125 s 周期读取陀螺数据并外推姿态，每 0.125 s 接收一次星敏修正。若星敏数据延迟超过 0.25 s，姿态估计误差将明显增大，机动到位后的稳定度可能超出 0.005 °/s 的指标。这类参数关系正是半实物仿真要暴露的问题。

四、课程目标与学习路径

本课程的目标是让学习者能够独立完成一套GNC半实物仿真系统的搭建、运行与结果判读。学习路径按“对象—模型—接口—闭环—考核”递进：先掌握GNC组成与坐标系约定，再建立动力学与敏感器/执行机构模型，然后配置实时接口与物理效应模拟器，接着完成闭环联调与故障注入，最后依据指标判据评估系统性能。