1. 课程导入与GNC系统概览

航天器GNC系统，即制导、导航与控制（Guidance, Navigation and Control）系统，是航天器实现自主飞行、姿态稳定、轨道机动与任务执行的核心中枢。它决定了航天器“我在哪里、我要去哪里、我如何到达”三个根本问题。对于任何一类航天器——从近地轨道卫星、载人飞船到深空探测器——GNC系统都承担着感知、决策与执行闭环的关键职责。本课程聚焦于GNC系统的故障检测与重构，因此在正式进入算法与工程实现之前，必须首先建立对GNC系统组成、功能、典型任务剖面以及故障检测与重构定位的整体认知。

一、GNC系统的组成与功能

从功能维度看，GNC系统可划分为三个相互耦合的子系统：导航系统负责确定航天器的位置、速度、姿态及其时间导数；制导系统根据任务目标与当前状态生成期望轨迹或期望姿态指令；控制系统则通过执行机构跟踪制导指令，抑制内外扰动，使航天器实际状态逼近期望状态。三者构成“感知—规划—执行”的闭环链路。

从硬件维度看，GNC系统通常包括敏感器、星载计算机与执行机构三大类。敏感器如星敏感器、太阳敏感器、陀螺仪、加速度计、磁强计、GNSS接收机等，负责提供姿态与轨道测量信息；星载计算机运行导航滤波、制导律、控制律与故障管理软件；执行机构包括动量轮、控制力矩陀螺、磁力矩器、推力器、伺服机构等，负责产生控制力矩与力。此外，GNC系统还依赖供电、数据总线、时统与热控等保障条件。

二、典型任务剖面与GNC工作模式

以一次典型的近地轨道遥感卫星任务为例，其任务剖面可划分为发射入轨段、初始姿态捕获段、对日定向/对地定向段、轨道机动段、载荷工作段、安全模式段与离轨段。不同阶段对GNC的需求差异显著：发射段以速率阻尼和姿态稳定为主；初始捕获段需要快速确定姿态并建立对日定向；载荷工作段要求高精度对地指向与姿态稳定度；轨道机动段则涉及轨道递推、速度增量计算与推力器控制。

在这些阶段中，GNC系统通常设置多种工作模式，例如安全模式、对日定向模式、对地定向模式、轨道控制模式与载荷工作模式。模式之间的切换由星载自主逻辑或地面指令触发。模式切换本身也是故障检测与重构需要重点关注的环节，因为切换过程中的状态跳变容易掩盖或放大异常。

三、故障检测与重构在GNC中的定位

GNC系统一旦发生故障，轻则导致姿态精度下降、任务降级，重则造成航天器失稳、能源中断甚至任务失败。因此，故障检测与重构（Fault Detection and Reconstruction, FDR）并非GNC的附加功能，而是与导航、制导、控制并列的保障性核心能力。其基本任务包括：及时检测故障、准确隔离故障源、评估故障影响，并在可能的情况下重构控制律、导航策略或执行机构配置，使航天器继续安全运行或进入安全模式。

从信息流角度看，FDR模块持续接收敏感器测量、执行机构指令与星载计算机状态信息，通过解析冗余或硬件冗余进行一致性校验，输出故障标志与置信度。一旦确认故障，重构模块根据预设策略切换备份敏感器、重新分配执行机构、调整控制增益或切换工作模式。整个过程必须在星载计算资源、时间约束与可靠性要求下完成。

四、故障检测与重构面临的主要挑战

GNC系统的FDR设计面临多重挑战。首先是故障模式复杂多样：敏感器可能发生漂移、卡死、噪声增大或完全失效；执行机构可能出现摩擦力矩异常、饱和、卡死或输出偏差；星载计算机可能发生单粒子翻转、内存错误或任务超时。不同故障对系统的影响路径不同，检测与重构策略也需差异化设计。

其次是资源与实时性约束：星载计算机的计算能力、存储空间与功耗均有限，FDR算法必须在有限资源下满足实时性要求。同时，空间环境中的辐射、温度交变与振动会加速器件退化，使故障呈现渐变与突发并存的特征。

第三是可观测性与可重构性限制：并非所有状态变量都能直接测量，部分故障只能通过解析冗余间接推断；并非所有故障都能通过重构完全恢复，某些情况下只能降级运行或进入安全模式。因此，FDR设计需要在检测灵敏度、虚警率与重构代价之间取得平衡。

五、本课程的学习路径

本课程将围绕GNC故障检测与重构展开，从系统组成与任务剖面出发，逐步深入到故障建模、检测算法、隔离逻辑、重构策略与工程验证。学习过程中，建议始终将算法与具体航天器对象、敏感器/执行机构特性、任务阶段需求相结合，避免脱离工程背景的纯理论推导。后续章节将分别讨论基于模型的方法、数据驱动方法、解析冗余设计、鲁棒重构控制以及典型故障案例，最终形成从理论到工程实现的完整知识链条。

通过本章的学习，读者应当能够：描述GNC系统的基本组成与功能闭环；说明典型任务剖面中各阶段对GNC的需求差异；解释FDR在GNC系统中的定位与核心任务；列举FDR设计面临的主要挑战。这些认知将为后续深入掌握故障检测与重构的具体方法奠定基础。