航天器之所以有控制系统并不是它的控制欲强，而是因为它想折腾。其实，航天本来就是个大折腾的事情，控制系统的目的就是为了使得折腾的过程更靠近而不是偏离目标。好像一个人想要成功，想要获得自由，就需要自律。控制系统可以说是航天器的“自律”系统了。

　　不断地奔跑才能留在原地

　　航天器控制系统干的事情可以用四个关键词来概括。

　　关键词一：改变。一些任务的轨道是一直变化的，例如，如果要进入地球同步轨道，就需要通过转移轨道，经过轨道机动来进入预定轨道位置。这样，卫星面临着一段时间内不断改变轨道的过程，要想进入预定的轨道，就需要控制每一步都走对，最终保证到达正确的位置。

　　关键词二：保持。卫星进入预定同步轨道轨位后，需要保持这个位置。但问题是同步轨道卫星受到摄动会产生漂移，因而要不断地调整使之保持在一个限定的位置范围内。这就需要通过控制系统实现不同的时间点上进行轨道维持的机动。如同最近一句流行语说的一样：要不断地奔跑才能留在原地。

　　关键词三：稳定。拍照的时候我们的手抖了，照片就会模糊，所以现在的相机都有了防抖功能。对于一些卫星，尤其是高分辨率的成像卫星，他们也需要对地面拍摄高质量的成像。如果卫星发生了非常小的抖动，都会影响到最终的成像质量，所以卫星需要维持一个稳定的状态，来满足诸如成像这样的姿态要求。

　　关键词四：灵活。也可以叫敏捷。随着姿态控制技术的发展，卫星可以完成的姿态越来越多，速度越来越来越快，越来越灵活了。对于成像卫星来说，要实现很自由地想看哪里就指向哪里，自然也需要控制系统了。

　　简而言之，控制系统就是要让卫星处于一个自己预期的状态，或者经历一个预期的过程。以我们生活来说，就是一方面要驱动自己努力，一方面要维持努力的状态，最后达至成功之目标。

　　从在哪儿、想去哪儿到去哪儿

　　首先是控制卫星的轨道。轨道对于卫星任务的实现有着极高的重要性，但是在地球轨道上，航天器总是要受到这样那样的摄动影响，或者针对一些特殊的任务还要主动地去改变轨道，这就需要轨道控制。

　　轨道的控制系统分为非自主和自主的控制系统。非自主控制的策略是地面工程师算好的，由天上设备和地面设备共同完成轨道控制。地面通过遥测系统对卫星的轨道进行测量，同时接收卫星上设备的状态，完成控制点和轨道机动量的指令编排，然后发送给航天器可执行的指令，航天器根据这些标有操作时刻的指令在控制点完成控制动作。

　　自主控制就是航天器根据预先设计好的控制目标，在具体环境中根据自带导航等设备仪器测量的轨道信息，进行不需要人员参与的轨道控制。一些控制更加频繁、精度较高的控制，例如航天器的轨道维持，以及多个航天器之间相对构型的保持等更加复杂的轨道控制任务，都需要航天器自主进行轨道的控制。尤其是一些和地面通信有困难的场景下，自主控制可以保证目标正常进行。

　　姿态优美全靠敏感器

　　卫星姿态的控制也同样重要。卫星上有着各种各样的敏感器，用来进行不同情况下的姿态测量，敏感器好比是飞行器的眼睛和耳朵。

　　在航天器上，敏感器又依靠一些外界的参照物来进行状态的确定。例如，如果要知道我在看哪里，是在看着张三还是李四呢？就要通过这一张张脸在我面前的位置来判断。同理，卫星上使用的磁强计就是通过测量磁场的强度来测定卫星的姿态；红外地平仪就是通过看地球出现在自己面前的位置来判断自己的姿态；太阳敏感器进行姿态确定的参照物就是太阳；星敏感器就是用星星来做参照物了，通过拍摄星空的照片，然后与自带的星图比对来得出自己所指的方向。

　　星敏感器算是现在使用的卫星敏感器里最为顶尖的设备了，可以获得非常高的姿态测量精度，达到1度的几千份之一的准确度，从而实现太空中的针尖对麦芒。但是也有局限性，一方面太敏感于太阳，就要主动地规避太阳；另一方面由于测量的要求高还要进行计算，就得防止卫星动得太快而没法使用。

　　这时候就需要使用陀螺。陀螺是用来测量运动的，例如光学陀螺会发射出方向相反但是路径长度相同的两束光，如果星体没有旋转，那么这两束光到达终点的时间是相同的，这个时候的角速度就是0；如果卫星旋转起来，就改变了两束光的传播，这里差就可以解算出角速度。

　　光有目标不够，还要有算法

　　前面说了，控制首先要知道状态，然后再通过执行装置来实现，那么控制的过程则要通过算法来实现。

　　控制系统首先有一个控制的目标。例如晟宇今年的控制目标是挣100万元，控制的方法是努力学习，最后年底挣了100块，说明这个控制系统的精度很低，有可能是敏感器不行，算法也不行，执行也不够力。

　　控制系统一般有开环的系统和闭环的系统。怎么来理解呢，例如晟宇的目标是2018年挣100万，然后我的控制算法是每天更新公众号，对于开环系统来说，在这个控制周期里我要做的事情就是保证每天更新公众号。结果很有可能是，到年底晟宇真的只是挣到了100块。所以说开环控制存在着一个精度差的问题。

　　如果是一个闭环的控制。今天我写了一篇文章，发现阅读量很低，然后我第二天起了一个很火爆的标题，阅读量增长了一点，然后我又试着在文章中加一些段子，结果转发量上升了。接下来，我每次写文章前都根据之前的结果做一些调整，结果年底发现挣了何止100万。这种基于反馈的控制就是被“大神”维纳发现的。

　　任务之复杂，模式很多样

　　综上所述，一个完整的控制系统包括三个部分：用来测量状态的敏感器、用来预定控制策略的控制器、用来执行控制策略的执行机构。

　　电影《太空救援》里，就是太阳敏感器坏了，所以帆板不会转动，导致能源不足，不能加热、制氧等，最后把损坏的遮光罩砸了就挽救了两名宇航员。随着星上计算能力的提高和控制算法的演进，如今卫星上面可以实现越来越复杂的控制策略。

　　在航天器的生命过程中，不同阶段所需要的轨道和姿态的状态都是不同的。所以可以想象，航天器一般也有很多的工作模式，在这些工作模式之间进行切换，卫星就可以完成不同类型的任务，而每个工作模式需要使用到不同的设备组合。很多时候控制轨道和控制姿态的设备要混合在一起进行使用，提出更高的控制要求。