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制导与导航

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制导与导航系统是阿波罗制导计算机（AGC）的核心子系统之一。它负责确定航天器的位置和速度，维持正确的姿态控制，计算轨道轨迹，以及执行机动。本文档介绍了在AGC软件的Comanche 055版本中实现的指令舱（CM）制导与导航系统的关键组件和操作。

系统架构

制导与导航系统集成了硬件传感器、计算算法和控制逻辑，以维持航天器的轨迹和方向。该系统设计为能够自主运行，也能在宇航员的控制下运行。

来源: Comanche055/CONIC_SUBROUTINES.agc32-161 Comanche055/IMU_CALIBRATION_AND_ALIGNMENT.agc42-100 Comanche055/JET_SELECTION_LOGIC.agc31-60 Comanche055/TVCROLLDAP.agc31-62

惯性测量单元（IMU）

惯性测量单元（IMU）是制导与导航系统的主要传感器。它包含陀螺仪和加速度计，用于提供航天器姿态和加速度的测量值。

IMU对准与校准

IMU需要精确的对准和校准才能维持精度。软件包含了以下例程：

  1. IMU归零：设置参考值为零
  2. 粗对准：IMU的粗略方向调整
  3. 精对准：精确的方向调整
  4. 陀螺校准：利用地球自转进行对准
  5. 漂移补偿：校正硬件漂移

IMU校准过程包括几个关键功能：

  • IMUZERO：零点IMU计数器
  • IMUCOARS：执行粗对准
  • IMUFINE：执行精对准
  • IMUSTALL：等待IMU操作完成
  • PIPUSE：设置PIPA（脉冲积分摆式加速度计）操作

来源: Comanche055/IMU_CALIBRATION_AND_ALIGNMENT.agc42-150 Comanche055/IMU_CALIBRATION_AND_ALIGNMENT.agc423-470 Comanche055/IMU_MODE_SWITCHING_ROUTINES.agc31-60

轨道力学与轨迹计算

AGC执行各种与轨道相关的计算，以确定航天器的当前位置，预测未来状态，并规划机动。

圆锥曲线子程序

圆锥曲线子程序模块是一组使用圆锥曲线数学计算轨道参数和轨迹的例程。这些包括：

  1. KEPLER：根据给定的时间，沿着圆锥曲线轨迹更新状态向量
  2. LAMBERT：计算两个位置之间转移的初始速度
  3. TIMETHET：计算给定真近点角差的转移时间
  4. TIMERAD：计算到达指定半径的转移时间
  5. APSIDES：计算近地点和远地点半径以及离心率

圆锥曲线例程处理轨道力学所需的各种坐标转换和数学运算，包括：

  • 状态向量传播
  • 转移轨道计算
  • 飞行时间计算
  • 轨道参数确定

来源: Comanche055/CONIC_SUBROUTINES.agc32-161 Comanche055/CONIC_SUBROUTINES.agc280-353 Comanche055/CONIC_SUBROUTINES.agc472-498

轨道积分

对于更复杂的轨迹场景，AGC通过轨道积分模块采用数值积分技术。这使得在存在多个引力体或其他扰动的情况下，能够精确预测航天器的运动。

主要组成部分包括：

  • 状态向量积分
  • 引力模型计算
  • 坐标校正
  • 时间步控制

来源: Comanche055/ORBITAL_INTEGRATION.agc33-50

姿态控制系统

姿态控制系统负责维持和改变航天器的姿态。它包括数字自动驾驶仪（DAP）和喷气选择逻辑。

数字自动驾驶仪

数字自动驾驶仪处理姿态控制指令并生成适当的推进器点火指令。它有以下不同模式：

  • RCS（反作用控制系统）控制
  • 发动机点火期间的TVC（推力矢量控制）
  • 手动姿态控制
  • 自动机动

喷气选择逻辑

喷气选择逻辑确定要点火的特定RCS推进器，以实现期望的姿态变化，同时最大限度地减少燃料消耗并避免不期望的平移。

喷气选择逻辑处理：

  1. 平移指令（X、Y、Z轴）
  2. 旋转指令（俯仰、偏航、滚转）
  3. 四联体故障检测和补偿
  4. 最小脉冲控制
  5. 喷气时序计算
  6. 推进器指令字组装

来源: Comanche055/JET_SELECTION_LOGIC.agc31-107 Comanche055/JET_SELECTION_LOGIC.agc165-186 Comanche055/JET_SELECTION_LOGIC.agc207-251 Comanche055/TVCROLLDAP.agc31-62

推力矢量控制期间的滚转控制

制导系统的一个特殊组成部分是TVC滚转数字自动驾驶仪，它在主发动机的推力矢量控制负责俯仰和偏航的动力飞行期间维持滚转控制。

TVC滚转DAP

  • 将外万向节角度（OGA）维持在5度死区内
  • 将OGA速率保持在0.1度/秒的极限循环速率以下
  • 使用相平面切换逻辑
  • 交替喷气对点火
  • 强制执行最小（15毫秒）和最大（2.56秒）喷气持续时间

来源: Comanche055/TVCROLLDAP.agc31-62

任务程序中的制导与导航应用

几个任务程序严重依赖制导与导航系统：

程序描述主要G&N功能
P20-P25交会导航跟踪目标航天器，计算相对状态
P30-P37轨道机动计算轨道转移的delta-V
P40-P47推力发动机控制、TVC、监控燃烧进度
P51-P53IMU对准将IMU对准参考坐标系
P61-P67再入制导计算再入轨迹和滚转指令
P76目标航天器状态更新更新目标航天器状态向量

来源: Comanche055/README.md60-87

与其他子系统的接口

制导与导航系统与AGC的几个其他子系统进行接口：

  1. 显示与键盘（DSKY）：用于宇航员输入和输出
  2. 执行系统：用于程序执行和调度
  3. 遥测：用于下行导航数据
  4. 服务例程：用于实用功能
  5. 状态向量维护：用于跟踪航天器和目标航天器的位置和速度

来源: Comanche055/DISPLAY_INTERFACE_ROUTINES.agc35-50 Comanche055/RT8_OP_CODES.agc31-67

制导与导航的操作码

AGC使用特殊的制导与导航功能操作码。这些包括：

  • 读取/加载时间值
  • 在坐标系之间进行转换
  • 从IMU读取加速度数据
  • 处理CDU（耦合数据单元）值
  • 命令推进器点火

来源: Comanche055/RT8_OP_CODES.agc39-67 Comanche055/RT8_OP_CODES.agc194-196 Luminary099/RTB_OP_CODES.agc38-66

地面跟踪确定

地面跟踪确定程序（P21）允许宇航员在无需地面通信的情况下确定航天器的地面轨迹。这提供了关键的位置感知，尤其是在通信中断期间或独立操作时。

主要功能包括

  • 计算当前位置向量
  • 转换为纬度/经度坐标
  • 预测未来地面轨迹点
  • 通过DSKY将结果显示给宇航员

来源：Comanche055/GROUND_TRACKING_DETERMINATION_PROGRAM.agc31-55

总结

阿波罗指令舱的导航和制导系统代表了当时最先进的自主导航系统之一。它结合了硬件传感器（主要是惯性测量单元 IMU）和计算算法，以保持对航天器位置和速度的了解、控制其姿态以及执行机动。

该系统设计有多个功能层

  1. 基本 IMU 操作和姿态控制
  2. 轨道力学计算
  3. 任务特定的制导程序
  4. 手动控制能力

这种集成方法使得阿波罗航天器能够在 20 世纪 60 年代有限的计算能力下，以惊人的精度完成往返月球的复杂旅程。