探索宇宙空间的奥秘，要求解决一系列重大复杂的科学技术问题。其中宇宙飞行中的导航和控制技术是一个重要的、关键性的问题。
我们知道，宇宙飞行是以极高的速度、循着极复杂的轨道运动的，因此要求导航设备的测量、观察、计算和控制过程都能在极短的时间内完成。另外，宇宙飞行的精确度要求非常高。由于航程远，速度大，所以在飞行过程中稍有误差，就可能使整个飞行计划失败。要达到上述两个要求，就必须采用完全自动化的、高精密度的无线电电子学导航、控制技术。
任何一种完善的导航设备，都必需具备：误差测量装置，计算、比较装置和控制机构。由此可见，宇宙导航与无线电电子学的密切联系，不仅表现在需要通过无线电波来传递测量数据和控制信号。更重要的是：需要应用无线电设备来测量速度、方位和引导飞行；应用现代化电子仪器进行自动控制；应用电子计算机运算庞杂的数据和比较各种方案；应用电子计时装置精确地测量时间。
由于宇宙飞行的性质和任务不同，对导航设备的要求也是不同的。下面分别叙述一下运载火箭的制导（控制和导航）、宇宙飞行器的自由飞行和行星际飞行的制导。
运载火箭的制导
各种宇宙飞行器的发射一般都是由多级运载火箭来完成的。从运载火箭起飞，到宇宙飞行器进入预定轨道的过程中，很多因素，例如地球的旋转、重力随上升高度的变化、大气浓度变化引起的阻力变化、火箭推力的不对称性、风向和风力的变化等等，都会影响运载火箭的飞行方向。轨道和速度。因此，利用专门的导航和控制系统修正飞行轨道，以保证宇宙飞行器脱离末级火箭后准确地进入预定轨道，具有特别重要的意义。
怎样实现运载火箭的制导呢？现代技术提供了各种各样的方法和设备。这里仅介绍一下自主制导系统、指挥制导系统和波束制导系统。
自主制导系统：运载火箭的整个飞行过程，不受地面控制台干预。在发射前，把一套根据不同因素算出的火箭轨道要素，变成各种组合形式的电码，输入和“记忆”在自动驾驶仪的“电脑”中。在飞行时，用惯性导航仪（或天文导航仪）和其他灵敏元件，测量运载火箭的飞行速度、方位及有关参数。如果由测量和计算所得的结果与储存在“电脑”中的轨道要素不合，制导系统即发出指令，通知执行机构进行控制和调节。这种制导系统的工作，不受地面干预，独立地控制方向舵、发动机和火箭脱离机构。当外界条件发生过大变化，飞行轨道偏离预定轨道很远时，即使地面控制系统发现，也无能为力。
指挥制导系统：运载火箭的整个飞行，都是根据地面控制台的制导信息沿预定轨道动作。地面测量系统用雷达、无线电测位装置不断地跟踪火箭，直接测量飞行距离和方位，并在这个基础上计算出速度（速度也可以利用多普勒效应的雷达测量）。测得的数据经过专门的通信线路，传递给电子计算机。在电子计算机中，汇集来自不同观测站的测量数据进行计算，并与预定轨道方案进行比较，得出飞行轨道的偏差，然后发出控制指令，通过无线电波把指令信号传递给火箭上的接收机。指令信号经放大后，分别传给火箭上的调整速度、方位的伺服机构和操纵系统，以迅速修正轨道的偏差（如图1）。
波束制导系统：用地面控制雷达的波束，以每秒数十次的速度绕天线几何轴心线作圆锥扫描（如图2a)，并使轴线与火箭预定轨道重合。当火箭离开地面后，立即进入雷达扫描空间，比较火箭对上、下、左、右各方向波束反射的信号强度，可以测得火箭在垂直轨道面和水平轨道面上偏离的程度和方问。如果火箭从预定轨道偏到某个方问，则波束在那个方向上的回波信号就加强，而相反方向上的回波信号就减小。在雷达荧光屏上可清晰地看到回波信号差（如图2b、c)，以确定轨道偏离的方向和大小。只有当火箭正好沿预定轨道飞行时，雷达荧光屏上才显示出等强度的回波信号（如图2d）。根据信号差值，向火箭发出消除误差的控制指令，可使它沿预定轨道飞行。
波束制导系统也可以不从地面控制火箭，而把特殊的电子测量设备、电子计算机和控制设备直接装在火箭上。当火箭偏离预定轨道时，火箭对地面雷达天线轴线的相对位置改变，火箭上电子测量设备对各方向波束的感应强度也不同。用电子计算机把获得的信号与基准信号比较，可算出火箭偏离轨道的方向和大小，产生修正误差的指令信号，使火箭上的控制设备动作，以改正火箭的飞行方向。
宇宙飞行器的自由飞行
宇宙飞行器脱离末级运载火箭后，处于失重状态，在太空中沿着一定的轨道自由飞行。对于近地球空间飞行的宇宙飞行器（如人造地球卫星、卫星式飞船、行星际站），导航的任务就在于确定它们相对于地球地理座标的位置和飞行状况。最简单的方法是用光学设备，但光学设备的可见范围小，难于追踪卫星。另外，在天气恶劣的情况下，光学设备无法施展它的本领。
通常是把无线电测向设备和光学设备结合使用。无线电测向是在卫星上装置两台无线电信号发射机，按固定的时间间隔发送单一信号。地面无线电测向站根据收听的信号，确定卫星相对于测向站的角坐标，或测量卫星到不同地面无线电站的距离差。然后计算出卫星移动的座标和轨道要素，预测飞行轨道。
最有效而又可靠的是雷达连续跟踪系统。雷达可以确定卫星位置的三个座标，判断卫星在空间相对地球的位置，还可以运用多普勒原理直接测量卫星速度的变化。
宇宙飞行器自由飞行时，会绕自己的惯性中心任意转动。必须使飞行器在空间具有正确的取向，或者说，使飞行器定向。卫星式飞船定向的目的在于，消除飞船脱离火箭后产生的转动，保证稳定的自由飞行，保证与地面（或与其他飞船）的定向无线电通信，保证整个飞行期间太阳电池自动朝向太阳，保证飞船安全准确地着陆。行星际站的定向系统，除上述任务外，还要保证从站上精确地发射宇宙火箭，对一定的探测目标进行定向的观察摄影等。
这些任务借助于天文定向系统、惯性导航系统和光学定向器等来实现。
天文定向系统是测定太阳或预选的一个（或几个）星球所在位置，根据飞船相对太阳或星球的方位，计算出轨道和方位的误差。例如，使飞船的一条轴线对准太阳，太阳光线作用在光电变换器的光敏元件上。如果飞船取向有偏差，光电流即发生变化，转变成电信号，经过放大，得出飞船取向的偏差，然后控制飞船的火箭调位喷嘴改变喷气方向，以改变飞船的取向（如图3）。在飞行中，定向系统、调节东统的工作，都是由电子程序装置控制。
惯性导航系统是用几个装在陀螺仪稳定平台上的加速度计和积分仪，以测定飞船在空间运动产生的加速度、速度和方位，产生调整的信号，经过放大后传送给伺服机构使调节系统动作，以保持飞船的稳定飞行。为保持测量的精确度，必需在地球上经常用无线电遥测、遥控系统，检查陀螺仪的工作误差，并予修正。
此外，在载人的宇宙飞船上，航行员还可以利用光学定向器和手控设备，确定飞船相对于地球的位置，操纵飞船的飞行。
行星际飞行的制导
前面谈到近地球空间宇宙飞行的导航和定向。怎样实现行星际飞行的导航呢？也就是说，如何确定宇宙火箭和行星际飞船在太阳系中的座标，以保证飞船安抵其他行星呢？对行星际飞行的精度要求，远远超过近地球空间的飞行。例如，向火星发射宇宙火箭时，若有一分的发射角度差，那么当火箭到达火星区时，就会有16000公里的偏离。由此可见，高精度的自动化导航仪器对行星际航行显得格外重要。
行星际飞行可分为三个阶段：发射阶段、自由飞行阶段、近行星区飞行阶段（即着陆前飞行阶段）。因此导航和控制可分为；发射制导、中途制导、终点制导和着陆控制。
发射制导：保证运载火箭按正确轨道飞行，使行星际飞船准确地进入星际航道。这类制导基本上同于前述的运载火箭制导。
中途制导：保证自由飞行的行星际飞船始终循着预定轨道飞行，与近地球空间飞行器的自由飞行有相似之处。中途自由飞行的时间长，有足够的时间测量、计算、调节飞船的速度和方向，修正轨道误差。一般可采用天文导航系统、地面无线电制导系统来控制飞行，也可用自动导航仪和自动驾驶装置校正航线。
终点制导和着陆控制：这是整个飞行的关键，若没有准确及时地制导，将会使前功尽弃。飞船从进入行星区域到在行星上着陆，时间比较短，没有充裕的时间测量、计算和修正轨道误差，如果制导不准确及时，飞船将不能直达行星，而成为太阳系行星，使飞行失败。
终点飞行的导航和着陆前的定向，不可能采用地面无线电设备。因为地球与行星的距离已很远，无线电信号往返一次所需要的时间，已经是可观的了（例如，往返金星一次就需要好几分钟）。当然不可能用地面信号及时地修正距离以亿公里计的飞船所产生的偏差。何况目前科学技术能提供的无线电收、发设备和天线都还不能达到如此高的水平。另外，人类对太阳系各行星的了解还非常有限，行星的很多参数也只知道一些近似值，行星周围空间的状况知道的也不多。如果在这种情况下，从地面对飞船的轨道进行修正也是很难完全准确的。
因此，只能靠有飞行员的飞船或靠在飞船上安装雷达设备、天文导航设备和其他自动化直接测量设备，来实现飞行控制。用雷达来测量飞船对行星中心的距离（也可以用光学方法观察行星大小的变化测定飞船对行星中心的距离）；运用无线电波、光波的多普勒效应来测量飞船相对行星运动的速度；天文导航设备能够观测飞船相对选定星球和行星的位置，确定飞船绕行星飞行的角度，判断飞船的方位。另外，雷达还可以选定着陆地点。综合上述数据，由电子计算机进行计算，使飞船自动地控制在轨道上，在行星上的预定地区安全着陆。
随着宇宙飞行距离增大，飞行速度加快，飞行轨道的复杂化，要求宇宙导航技术更加完善、可靠。要求有高分辨率的仪器，装置在飞船上的小型而精密的导航仪和控制机构，快速而又准确的电子计算机，新型的雷达和大型天线，而这些技术无一不与无线电电子学的发展息息相关。
随着近代无线电天文学的发展，科学家不断发现，在宇宙空间，有几千个星球除了辐射热和光外，还是庞大的无线电波源。这样，使人们有可能用射电天文望远镜追踪星球，为宇宙导航开辟了新的途径。
有些科学家设想，发射人造射电星，由星上发出某种固定频率的电波，宇宙飞船就可以根据所接收的频率与固定频率的差频，根据射电星的空间座标，获得飞船轨道和方位等有关资料。
特别应该指出，由于近代量子电子学的发展，有可能用量子振荡器、放大器获得高稳定度的频率和提高接收机的灵敏度；用量子振荡器可以制成极精确的原子钟和运算速度达每秒几十亿万次的电子计算机，这对于保证可靠的导航有极重大的意义。由于光振荡器、光放大器能产生方向性极强、波束极窄的光束，并能进一步放大和调制光信号，不难想象，未来光雷达的问世，将为宇宙飞行提供崭新的导航设备，为星际飞行开辟美好的前景。(谭维毅)