第 7 章 姿态控制与轨道控制
空间飞行器总体设计
第一章—绪论1.各国独立发射首颗卫星时间。
表格 1 各国独立发射首颗卫星时间表2.航天器的分类？答：航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器两大类。
其中，无人航天人按是否环绕地球运行又分为人造地球卫星和空间探测器两大类；载人航天器可以分为载人飞船、空间站和航天飞机。
3.什么是航天器设计？答：航天器设计就是要解决每一个环节的具体设计，其中主要的几个关键内容为：航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计。
4.画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。
答：图 1 航天器系统设计的层次关系图(1).有效载荷分系统：航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分；(2).航天器结构平台：整个航天器的结构体(3).服务和支持系统：有效载荷正常工作的必要条件。
①结构分系统：提供其他系统的安装空间；满足各设备安装方位，精度要求；确保设备安全；满足刚度，强度，热防护要求，确保完整性；提供其他特定功能②电源分系统：向航天器各系统供电③测控与通信系统：对航天器进行跟踪，测轨，定位，遥控，通信；④热控系统：对内外能量管理和控制，实现航天器上废热朝外部空间的排散，满足在飞行各阶段，星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件；⑤姿态与轨道控制系统：姿态控制--姿态稳定，姿态机动；轨道控制--用于保持或改变航天器的运行轨道，包括轨道确定（导航）和轨道控制（制导）两方面，使航天器遵循正确的航线飞行。
、⑥推进系统：向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火；低轨道转移时，低轨到高轨的提升与离轨再入控制；星际航行向第二宇宙速度的加速过程；在轨运行⑦数据管理系统：将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障：维持密闭舱内大气环境，保证航天员生命安全5.航天器的特点及其设计的特点？答：航天器的特点有5个，(1).系统整体性；(2).系统层次性；(3).航天器经受的环境条件：运载器环境、外层空间环境、返回环境；(4).航天器的高度自动化性质；(5).航天器长寿面高可靠性。
先进陆地观测卫星的精确姿态和轨道控制系统
先进陆地观测卫星(ALOS)精度姿态和轨道控制系统日本，Tsukuba，日本的国家空间开发机构。
Takeshi Yoshizawa, Hiroki Hoshino，和Ken Maeda NEC东芝太空系统，日本横滨。
摘要先进的陆地观测卫星(ALOS)是NASDA的高分辨率地球观测的旗舰。
ALOS任务的特点是同时取得了250万的分辨率和全球的数据收集，它需要一套指向的要求，为观测到的图像提供精确的几何精度。
在指向管理框架,旨在满足指向要求,态度和轨道控制系统(家)对自己严格的要求:态度稳定(3.9×10−4度p p),态度决定射门角度(上:3.0×10−4度),和定位精度(离线:1米)。
为AOCS开发和实现了多种解决方案。
这一挑战包括精密恒星跟踪器、高精度GPS 接收机、高性能机载计算机、基于星型传感器的姿态确定和控制、柔性结构的相位稳定和精密的协同控制。
本文介绍了AOCS原型机的设计和测试结果，重点介绍了新方法的发展，使其具有了一定的精度。
1.介绍在土地观察方面，继续努力争取更高的决议。
随着空间分辨率的提高，观测图像几何精度的重要性越来越明显。
这一趋势已经给今天的地球观测卫星的姿态和轨道控制系统的设计带来了影响。
国家空间发展的先进陆地观测卫星(ALOS)。
图1:先进的陆地观测卫星。
日本航空公司(NASDA)在2004年开始研发，是高分辨率地球观测的旗舰(图1)。
主要致力于制图，ALOS的独特特点是同时实现了信心目标:全球数据收集，分辨率达250万。
这种特性要求精确的地理定位和几何校正，而不需要地面控制点。
为此，我们为ALOS开发了一组指示性需求:指向稳定(-44.010⨯度p-p)，定位精度(板载:-44.010⨯度，脱机:-42.010⨯度)，定位精度(板载:200米，脱机:1m)。
为了满足这些需求，一种扩展了姿态控制、卫星系统和地面系统的集成框架被取消了。
由于姿态和轨道控制系统(AOCS)是实现这些要求的关键，我们对AOCS进行了严格的精度要求。
航天器姿态控制与导航技术
航天器姿态控制与导航技术在航天领域，航天器姿态控制与导航技术是非常重要的研究领域。
航天器的姿态控制是指通过调整航天器的姿态来改变航天器在空间中的方向和位置，以满足任务需求。
导航技术则是指通过各种传感器和算法来确定航天器在空间中的位置、速度和方向，以实现精确的航天器定位。
航天器姿态控制技术是实现航天任务的关键。
由于航天器需要在特定的时间和位置进行复杂的任务，如轨道纠正、卫星对接等，因此其姿态必须得到精确控制。
姿态控制主要考虑的要素包括三轴稳定性、姿态变化速率、轨道控制等。
三轴稳定性是指航天器在三个轴向上的姿态保持稳定，以保证航天器的姿态不发生偏离。
姿态变化速率是指航天器在进行不同任务时的姿态变化速度，需要根据任务需求进行调整。
轨道控制是指通过调整航天器姿态来实现轨道变化，如升轨、降轨等。
航天器姿态控制的关键技术包括推力矢量控制、惯性导航、陀螺仪等。
推力矢量控制是一种常用的航天器姿态控制技术。
它通过调整航天器发动机的喷口方向来改变推力的方向，以实现航天器的姿态控制。
推力矢量控制技术能够在航天器进行复杂任务时灵活调整航天器的姿态，提高任务执行的精度和效率。
惯性导航是另一种重要的航天器姿态控制技术。
它通过搭载惯性测量装置，如陀螺仪和加速度计，来测量航天器的姿态变化，然后通过控制系统来调整航天器的姿态。
惯性导航技术能够实现高精度的姿态控制，是一种常见的姿态控制策略。
导航技术在航天领域同样非常重要。
航天器的导航主要目标是确定航天器在空间中的位置、速度和方向。
为了实现精确的航天器定位，导航系统需具备高精度、高可靠性和高实时性。
航天器导航技术主要包括星载定位、地面测控、惯性导航等。
星载定位是通过接收地面导航卫星发射的信号，从而确定航天器在空间中的位置和速度。
地面测控是通过地面上的测控设备，如雷达和测角站，对航天器进行跟踪和测量，进而确定其位置和速度。
惯性导航则是通过搭载惯性测量装置来测量航天器的加速度和姿态变化，从而推算出航天器的位置和速度。
航天器制导与控制课后题答案(西电)
航天器制导与控制课后题答案(西电)1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。
有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。
保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正常工作。
1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么?概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：对航天器绕质心施加力矩, 以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。
内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。
轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。
姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。
姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。
姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。
姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。
关系：轨道控制与姿态控制密切相关。
为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。
也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。
在某些具体情况或某些飞行过程中,可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。
某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。
1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。
姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。
自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。
自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。
三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。
航天器姿态确定与姿态控制
光敏元件阵列是由一排相互平行且独立的
光电池条组成，其数量决定了太阳敏感器输出
编码的位数，从而在一定程度上影响到敏感器
的分辨率。
图4.3 两轴模拟式太阳敏感器
航天器姿态确定
红外地平仪
红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当 地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，简称地平仪。
目前红外地平仪主要有3种形式：地平穿越式、边界跟踪式和辐射 热平衡式。
磁矩与地球磁场相互作用就可产生控制力矩，实现姿态控制。
航天器姿态控制
利用环境场产生控制力矩，最常用的除了磁力矩以外，还有重力 梯度力矩等。
磁力矩与轨道高度的3次方成反比，轨道高度越低，磁力矩越大。 所以磁力矩作为控制力矩比较适用于低轨道航天器。
重力梯度力矩适用于中高度轨道航天器。 太阳辐射力矩适用于同步轨道卫星等高轨道航天器。 气动力矩也适用于低轨道。 但是最后两种力矩较少用来作为控制力矩。利用环境力矩产生控 制力矩的装置可称为环境型执行机构。
单脉冲比相干涉仪是由光的干涉原理引伸而来，至少要采用两个接收 天线，其间矩为d，称为基线长度。当天线与地面距离比基线长度d大得 多时，有如下关系式：
cos 2 d
式中， 为两个天线接收电波的相位差，A为波长。由式可见， 是预先 确定的，因此只要测出两个天线接收信号的相位差，便可确定方向角 。
➢ 被动式
被动控制系统是用自然环境力矩源或物理 力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐 射力矩或气动力矩等以及它们之间的组合来控 制航天器的姿态。
其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地平仪的工作视场较 小，只能适用于小范围的姿态测量，但精度较高。
航天器姿态确定
➢ 地平穿越式地平仪
地平穿越式地平仪的视场相对于地球作扫描运动。当视场穿越地平 线时，也就是说扫到地球和空间交界时，地平仪接收到的红外辐射能量 发生跃变，经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转变成电信号， 形成地球波形。然后通过放大和处理电路，把它转变成为前后沿脉冲。 最后通过计算电路，把前后沿脉冲与姿态基准信号进行比较，得出姿态 角信息，也就是滚动角或俯仰角。
航天器姿态与轨道控制原理
航天器姿态与轨道控制原理
从系统建模的角度来看，航天器的姿态与轨道控制原理包括两部分：旋转系统和平衡系统。
旋转系统包括控制方法、动力方法、传感方法和反馈控制方法等，来实现航天器姿态控制。
平衡系统则运用轨道力学、轨道建模、轨道规划以及发动机控制等方法，以轨道航行、轨道改良等为目标，保证航天器完成任务。
通常情况下，旋转系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来控制和调节航天器构型和姿态。
旋转系统的主要控制方式有：有限旋转系统控制、控制反馈系统控制、面向目标的制导控制和旋转目标控制等，结合传感器系统通过利用陀螺仪、角速度矢量积分等方法，对航天器角度、转矩控制进行调节，使最终姿态稳定。
平衡系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来推进航天器的空间轨道控制，通过改变发动机输出力及轨道建模下的参数，如卫星质量、平衡系数等，来调节航天器轨道，如通过线加速、混乱改正、超密对抗等方式，来实现轨道的航行控制。
总之，航天器姿态与轨道控制原理是结合发动机控制技术与建模技术，将航天器位置、朝向以及运动控制起来，以实现宇宙任务的一系列原理。
卫星姿态及轨道控制方法
卫星姿态及轨道控制方法主要包括以下几种：
姿控发动机：姿控发动机用于改变卫星的姿态，其燃料喷射方向不同可以产生不同方向的推力，从而改变卫星的姿态。
姿控发动机通常采用离子推进器或化学推进器。
引力牵引：利用地球引力场，通过改变卫星的轨道高度和速度，使其受到引力牵引，从而实现姿态控制。
热控制：热控制是指通过控制卫星内部的温度，调整卫星的热平衡，从而减少热对姿态控制的影响。
智能控制系统：智能控制系统是指利用人工智能等技术，对卫星进行实时监测和预测，从而快速响应和处理各种情况，保证卫星的稳定运行。
地面仿真和控制：地面仿真和控制是指利用地面站对卫星进行仿真和控制，从而测试和验证卫星的各种性能，提高卫星的可靠性和稳定性。
总之，卫星姿态及轨道控制方法多种多样，根据实际情况选择合适的方法可以保证卫星的稳定运行。
航天飞行动力学
航天飞行动力学航天飞行动力学指的是研究航天器在空间中的运动及其场合的科学。
其研究范围包括确定航天器的运动和轨迹、飞行控制和姿态稳定、空气动力学和热力学，以及所有这些因素对航天器设计和性能的影响。
在航天器的设计中，动力学起到了非常重要的作用，首先是确定航天器的设计参数，如重量、大小和动力学参数，以确保它能够达到预定的轨道和速度。
其次，它还需要考虑飞行过程中的各种情况，例如引力、空气动力学、剩余推力和其他可能会影响航天器轨迹的因素。
动力学的基本原理是质量守恒定律和牛顿第二定律：当力对一个物体施加时，物体的运动将随时间发生变化。
在航天器中，这些原理的应用导致了一系列的方程式和算法，它们能够帮助工程师和科学家去预计航天器的运动和性能。
航天器的飞行控制问题是动力学的应用之一。
通过它，航天器可以控制其运动，使其达到预定的目标，例如移动到一个新的轨道或进行宇宙探测。
飞行控制通常涉及到三个方面：轨道控制、姿态控制和姿态稳定。
轨道控制涉及到调节航天器的速度和方向，以使其达到预定的轨道。
姿态控制则涉及到调节航天器的方向和旋转，以使其对于任何特定任务都更加适用。
姿态稳定是航天器在飞行过程中，保持稳定的方向和旋转，以避免突发的旋转和失控的情况。
空气动力学和热力学是另外两个重要的航天飞行动力学分支。
空气动力学通常是与大气层内的飞行相关的。
这些研究通常涉及到空气的流动、压力、摩擦和其他相关因素，以评估在不同高度和速度的条件下，航天器可能会受到的哪些作用力。
除此之外，热力学也与航天器的设计和运动有着密切的关系。
由于在运动过程中航天器可能会面临非常高的温度，热力学原理可以用于评估哪些材料能承受这些极端的温度。
总之，航天飞行动力学是研究航天器在空间中运动和行为的科学。
它为工程师和科学家提供了一种理解和模拟航天器行为的方法，并为航天器的设计、控制和安全性能提供了基础。
登月飞行器软着陆的制导与控制
展望未来，随着中国航天技术的持续发展，嫦娥号登月飞行器有望实现更加精 确、高效的软着陆。未来的研究将集中在提高制导算法的精度、优化姿态控制 策略以及发展更加可靠的故障诊断和恢复系统等方面。此外，国际合作也将在 登月飞行器的软着陆研究中发挥重要作用，为人类探索宇宙提供更多可能性。
结论：
登月飞行器软着陆的制导与控制技术是实现月球探测、科学研究以及开发利用 月球资源的关键所在。从阿波罗计划到嫦娥工程，人类在登月飞行器软着陆技 术方面取得了显著进步。然而，面对未来更复杂的探测需求和挑战，仍需不断 深入研究和发展新的技术手段。
中国“嫦娥”号登月飞行器的软 着陆控制与展望
中国嫦娥工程是中国探月计划的重要组成部分，已成功实施多次探测任务，并 在2019年实现了首次月球背面软着陆。嫦娥工程所取得的成进行月球探测的能力。在软着陆控制方面，嫦 娥工程采用了多种先进的技术手段，如激光测距、惯性测量等，以确保飞行器 能够在复杂的地形条件下实现安全、精确的着陆。
谢谢观看
为了确保登月飞行器的安全、精确着陆，科研人员需要不断提高制导算法的精 度、优化姿态控制策略、发展可靠的故障诊断和恢复系统等。国际航天合作也 将成为推动登月飞行器软着陆技术发展的重要力量。通过共享经验、联合研发， 共同推进人类登月事业的发展。
参考内容
随着人类对太空的探索不断深入，登月飞行器软着陆轨道的设计成为了月球探 索的关键问题之一。为了提高登月飞行器的着陆精度和安全性，遗传算法优化 被广泛应用于解决该问题。
针对现有研究的不足之处，本次演示将采用理论分析与实验验证相结合的方法 来进行研究。首先，将通过理论分析建立探测器软着陆系统的动力学模型，并 利用该模型进行控制策略的设计。然后，将通过实验验证的方法，对所设计的 控制策略进行实际测试。实验中，将通过模拟深空环境中的各种工况，对控制 策略进行严格的测试。
aocs 方法
AOCS 方法AOCS（Attitude and Orbit Control System，姿态和轨道控制系统）是一种用于控制和稳定航天器在空间中的姿态和轨道的系统。
它是航天器的核心系统之一，对于航天任务的成功非常关键。
姿态控制姿态控制是指控制航天器在空间中的方向和角度。
航天器的姿态决定了它的运动状态和航向，对于完成各种任务非常重要。
姿态控制可以通过推进器、陀螺仪、反应轮和磁强计等设备来实现。
1.推进器：推进器是最常用的姿态控制设备之一。
通过喷射高速喷射物体，可以改变航天器的姿态和轨道。
推进器可以分为化学推进器和电推进器两种类型，具有不同的优势和适用范围。
2.陀螺仪：陀螺仪基于陀螺效应，利用旋转物体的角动量守恒原理来测量方向和角速度。
它可以感知航天器的旋转状态，并通过调整推进器或其他姿态控制设备来实现姿态控制。
3.反应轮：反应轮是一种基于动量守恒原理的姿态控制设备。
它利用旋转惯量的变化来改变航天器的姿态。
通过调整反应轮的转速和转向，可以实现姿态控制和稳定。
4.磁强计：磁强计用于探测地球的磁场，并通过分析磁场变化来确定航天器的方向。
磁强计是一种 passively，即无信号发送器的被动传感器。
它是一种常用的姿态控制设备，特别适用于地球轨道和近地飞行器的姿态控制。
轨道控制轨道控制是指控制航天器绕行轨道的运动状态和参数。
轨道控制可以实现航天器的轨道调整、姿态控制和漂移修正等功能。
1.轨道调整：轨道调整是通过改变航天器的速度和航向来调整轨道形态。
常用的轨道调整方法包括调整喷气速度、改变航天器的横向速度和倾角等。
2.姿态控制：姿态控制在轨道控制中起着重要的作用。
通过调整航天器的姿态，可以改变它在轨道上的位置和方向。
姿态控制通常与推进器、陀螺仪等姿态控制设备结合使用，共同实现精确的轨道控制。
3.漂移修正：漂移修正是指修正航天器由于各种因素引起的轨道漂移。
漂移修正可以通过推进器、反应轮等设备来实现。
漂移修正的频率和方法取决于航天器的任务需求和轨道设计。
太空探索中的导航与控制技术
太空探索中的导航与控制技术在人类探索太空的过程中，导航和控制技术的重要性不言而喻。
对于航天器，如何精准地控制其运行轨迹，如何确保其在未知的环境中不失控，如何在复杂的空间环境下实现精准的定位和导航，都是非常关键的问题。
本文将从导航和控制两个领域出发，阐述太空探索中的导航与控制技术。
一、导航技术在航天器的设计和发射过程中，导航技术是必不可少的。
目前，主要的导航技术包括全球卫星导航系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）和星务联合导航系统（SPINS）等。
GNSS是目前最为常用的导航技术之一。
全球卫星导航系统是一种能够提供全球覆盖、高精度、实时、连续的三维定位、速度和时间服务的卫星导航系统。
目前全球主要的GNSS系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗系统等。
GNSS系统的定位精度和可用性与选用的星座数、接收机类型和天线高度等有关，其定位精度可以达到厘米级别。
惯性导航系统是一种基于惯性力学原理设计的导航系统。
通常包括三个互相垂直的加速度计和三个互相垂直的陀螺仪。
加速度计可以测量航天器的加速度，而陀螺仪可以测量航天器的旋转角速度。
两种传感器结合起来可以计算得到航天器的位置和速度信息。
惯性导航系统具有高精度、高灵敏度和短时无需外界支持等特点，但其误差随时间的累积而增加，需要结合GNSS等其他导航系统来不断地校正。
星务联合导航系统是将多个卫星导航系统与其他传感器（如IMU、飞行器惯性导航系统等）结合在一起，使其定位精度和可靠性更高的一种导航系统。
SPINS系统可以通过多种卫星导航系统的卫星修正识别来增强全球覆盖。
同时，在惯性导航技术存在的误差积累问题上，SPINS还可以进行飞行数据传输，以有限的时间校正导航误差。
除了上述的导航技术之外，还有一些特殊的导航技术，比如在火星探测中所使用的“视觉导航”技术，即将探测器拍摄到的地貌图像进行比较，以计算位置和方向。
二、控制技术在航天器的设计和运行过程中，控制技术同样非常重要。
航空航天工程师在航天器轨道设计与控制中的技术要点
航空航天工程师在航天器轨道设计与控制中的技术要点航空航天工程师在航天器轨道设计与控制中扮演着举足轻重的角色。
他们负责确保航天器能够准确地进入预定轨道，稳定地运行，并顺利地返回地球。
在这一过程中，航空航天工程师需要掌握许多关键的技术要点。
本文将讨论航天器轨道设计与控制中的一些重要技术要点。
一、轨道类型和选择航天器的轨道可以分为低轨道、中轨道和高轨道等不同类型。
选择轨道类型的主要考虑因素包括任务需求、燃料消耗、通信要求等。
在设计航天器轨道时，工程师需要综合考虑这些因素，以确保最佳轨道选择。
二、轨道参数的计算在轨道设计中，工程师需要计算一系列轨道参数，包括升空点、入轨速度、倾角、高度等。
这些参数的计算需要依靠数学和物理计算方法，以确定最佳的轨道方案。
三、姿态控制姿态控制是航天器轨道设计和控制中的重要环节。
通过控制航天器的姿态，工程师可以调整轨道、定向和稳定航天器等。
姿态控制技术包括推进系统调整、阻尼器的使用、陀螺仪的控制等。
四、轨道修正与校正在航天器飞行过程中，由于各种因素的干扰，轨道可能需要进行周期性的修正与校正。
航空航天工程师需要监测轨道数据，判断是否需要进行修正，并采取相应的措施，以保持航天器在预定轨道上的精确运行。
五、通信与数据处理在航天器轨道设计与控制中，通信和数据处理起着至关重要的作用。
航空航天工程师需要确保航天器与地面控制中心之间的通信畅通，并能够及时获取与处理航天器传回的数据。
这些数据对轨道设计和控制的改进和调整至关重要。
六、障碍物避让在航天器轨道设计与控制过程中，障碍物的避让是一个需要考虑的重要因素。
工程师需要预测和评估轨道上的障碍物，制定相应的避让策略，以确保航天器能够安全地飞行。
七、能量管理和控制在航天器轨道设计与控制中，能量管理和控制是一个关键问题。
航空航天工程师需要确保航天器在整个飞行过程中能够高效地利用能源，同时控制能源的消耗，以实现航天器的长期稳定运行。
八、轨道补偿和修正由于环境因素和航天器运行的不完美性，轨道可能会出现偏差。
火箭姿态控制原理
火箭姿态控制原理
火箭姿态控制原理是指通过对火箭进行姿态调整，使其达到预定的运行轨道。
姿态控制是火箭发射过程中不可或缺的重要部分，它直接影响火箭的稳定性、动力性和精度。
姿态控制主要包括两个方面：方向角控制和倾斜角控制。
方向角控制主要是通过对火箭的引导系统进行控制，来实现火箭的方向调整。
这种方法主要应用于火箭发射过程中的前期，目的是让火箭能够摆脱地球引力的束缚，进入预定轨道。
倾斜角控制主要是通过控制火箭的喷口方向来实现。
当火箭需要改变运动方向时，可以通过改变喷口方向来实现。
这种方法主要应用于火箭飞行过程中的中后期，目的是让火箭能够更加精确地到达目标地点。
总之，火箭姿态控制是实现火箭飞行精度和稳定性的重要手段，它对于火箭发射任务的成功具有至关重要的作用。
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航空航天科技的航天器控制与导航技术
航空航天科技的航天器控制与导航技术航空航天科技的航天器控制与导航技术在现代空中航行和太空探索中起着关键作用。
它涉及到对航天器的操控和导航，确保其准确、平稳地到达目的地，同时使得人类能够更深入地探索宇宙的奥秘。
本文将介绍一些航空航天科技中的航天器控制与导航技术，并探讨其在航天领域的应用。
一、航天器控制技术航天器控制技术包括姿态控制和轨道控制两个方面。
姿态控制是指航天器在太空中保持特定的姿态，使其能够正确地执行任务。
姿态控制通常使用推进器和陀螺仪等设备来实现，它们可以实时调整航天器的姿态，确保其保持稳定。
同时，航天器还需要对外部环境的变化做出相应的响应，比如遇到陨石碎片时需要及时做出闪避动作。
轨道控制是指航天器对其轨道进行调整和修正，以保持所需的轨道形状和参数。
在航天器发射后，轨道控制技术可以帮助航天器调整其速度和方向，以便进入预定的轨道。
在轨道运行过程中，航天器还需要进行轨道保持和轨道修正，以抵消外部扰动和保持轨道稳定。
二、航天器导航技术航天器导航技术是指航天器在太空中准确地确定自身位置和方向的方法和技术。
由于太空中缺乏地面导航设施，航天器导航技术需要依赖于自身的传感器和算法来实现。
常用的导航方法包括星敏感器、惯性导航系统和地标导航等。
星敏感器是一种能够感知和测量恒星位置的设备，航天器通过测量恒星的位置和亮度来确定自身的方向和姿态。
惯性导航系统则通过测量航天器的加速度和角速度来推测其位置和速度变化，从而实现导航。
地标导航则是通过观测地球上的特定地标，如山脉和河流，通过与地面地图的比对来确定航天器的位置。
航天器导航技术在航天任务中具有非常重要的意义。
它可以帮助航天器准确地到达目标轨道或行星表面，并确保其执行任务期间的安全和稳定。
例如，航天器在探测火星时，需要依靠导航技术来准确地进入火星轨道，并定点降落。
导航技术的准确性和稳定性对于航天任务的成功至关重要。
三、航天器控制与导航技术的应用航天器控制与导航技术在航天领域得到了广泛应用。
卫星姿态 讲义
卫星姿态讲义
卫星姿态是指卫星在空间中的方向和位置。
为了保证卫星正常运行和完成任务，需要对卫星姿态进行控制和调整。
以下是一些关于卫星姿态的基本概念和控制方法的讲义：
1. 三轴姿态：卫星通常使用三轴坐标系来描述其姿态，包括滚动、俯仰和偏航三个方向。
2. 姿态确定：通过使用陀螺仪、加速度计、星敏感器等传感器，可以测量卫星的姿态信息。
3. 姿态控制：常见的姿态控制方法包括喷气控制、飞轮控制和磁力矩器控制等。
4. 轨道控制：卫星的轨道控制与姿态控制密切相关，通过调整轨道参数可以影响卫星的姿态。
5. 太阳、地球和月球的影响：这些天体的引力和辐射会对卫星姿态产生影响，需要进行相应的补偿和控制。
6. 姿态稳定：保持卫星姿态稳定对于通信、遥感和科学任务非常重要。
7. 故障处理：在卫星运行过程中，可能会出现传感器故障或控制系统故障，需要有相应的备份和故障处理机制。
卫星姿态控制是卫星工程中的重要领域，涉及到多个学科的知识，包括控制理论、力学、电子工程等。
深入了解卫星姿态控制对于设计和操作卫星系统至关重要。
卫星通信的原理
卫星通信的原理卫星通信是指利用人造卫星作为中继器来传输信息的通信方式。
它的原理是通过地面站将信息发送到卫星上，再由卫星将信息传输到另一个地面站，完成信息的传递。
卫星通信的原理主要包括以下几个方面：一、发射与接收卫星通信首先需要发射一颗通信卫星到太空中，这颗卫星上配备了接收和发射的设备。
地面站通过无线电波将信息发送到卫星上的接收设备，再由卫星上的发射设备将信息发送出去。
另一地面站接收到信号后进行解码，完成信息的接收。
二、转发与中继卫星通信的核心原理是利用卫星充当中继器，将信息从一个地面站传输到另一个地面站。
当地面站A要向地面站B发送信息时，地面站A将信息发送到卫星上，卫星接收到信号后经过处理再将信号发射出去，地面站B接收到信号后进行解码，完成信息的接收。
这样，卫星起到了信号传输的中继作用。
三、频率分配与调制卫星通信需要将信息转换成适合传输的信号，这就需要进行频率分配和调制。
频率分配是指将一定的频段划分给卫星通信使用，避免不同卫星之间的干扰。
调制是指将信息信号转换成载波信号，以便在传输过程中更好地保持信号的完整性和稳定性。
四、轨道选择与姿态控制卫星通信的原理还涉及到轨道选择和姿态控制。
轨道选择是指选择适合通信需求的卫星轨道，常见的有地球同步轨道和低轨道等。
姿态控制是指通过控制卫星的姿态来保证通信的正常进行，包括姿态稳定和对地朝向的控制。
五、天线系统与覆盖范围卫星通信还需要配备天线系统来进行信号的发射和接收。
天线系统有不同的类型和设计，可以根据通信需求进行选择。
同时，卫星通信的覆盖范围也是需要考虑的因素，不同轨道和卫星的覆盖范围不同，可以根据需求进行调整。
卫星通信的原理是通过发射与接收、转发与中继、频率分配与调制、轨道选择与姿态控制、天线系统与覆盖范围等多个方面的配合，实现信息的传输和通信。
卫星通信在现代社会中起到了重要的作用，广泛应用于电视广播、互联网通信、军事通信等领域。
随着技术的不断进步，卫星通信的原理也在不断完善和发展，为人们提供更加便捷和高效的通信方式。
航天器轨道动力学 慕课
航天器轨道动力学慕课航天器轨道动力学是指研究和分析航天器在轨道上的运动规律和动力学特性的一门学科。
它涉及到航天器的轨道计算、轨道控制、姿态控制等方面的内容。
在航天器轨道动力学慕课中，我们将深入探讨航天器在轨道上的运动规律和动力学原理。
我们将介绍航天器轨道的基本概念和特征。
航天器的轨道可以分为低轨道、中轨道和高轨道等不同类型。
不同轨道的特点和应用领域也有所不同。
例如，低轨道通常用于地球观测和通信等应用，而高轨道则常用于卫星导航和深空探测等任务。
接下来，我们将探讨航天器在轨道上的运动规律。
航天器在轨道上的运动主要受到引力和其他外力的影响。
通过对引力和其他外力的分析，我们可以推导出航天器的运动方程，并进一步研究航天器的轨道参数和轨道变化规律。
在航天器轨道动力学中，还有一个重要的内容是轨道控制。
轨道控制是指通过调整航天器的推力和姿态，使其在轨道上保持稳定和精确的运动。
轨道控制可以实现航天器的轨道修正、轨道转移和轨道捕获等任务。
通过研究轨道控制的原理和方法，我们可以更好地理解航天器的轨道运动和控制技术。
航天器的姿态控制也是航天器轨道动力学中的重要内容。
姿态控制是指通过调整航天器的姿态角，使其保持期望的朝向和姿态。
姿态控制在航天器的轨道控制、通信和观测等方面具有重要的意义。
通过研究姿态控制的原理和方法，我们可以更好地理解航天器的姿态变化和控制策略。
航天器轨道动力学是一门涉及航天器轨道运动和控制的学科。
通过深入学习航天器的轨道运动规律、轨道控制和姿态控制等内容，我们可以更好地理解和应用航天器技术。
希望这门慕课能够为大家提供有关航天器轨道动力学的全面和深入的知识。
让我们一起探索航天器的神秘世界吧！。
姿态控制与轨道控制系统
姿态控制与轨道控制系统姿态控制概述姿态是指卫星相对于空间某参考系的方位或指向，卫星姿态控制是获取并保持卫星在太空定向（即卫星相对于某个参考坐标系的姿态）的技术，包括姿态稳定和姿态控制两个方面。
前者要求将卫星上安装的有效载荷对空间的特定目标定向、跟踪或扫描，这种克服内外干扰力矩使卫星姿态保持对某参考方位定向；后者是把卫星从一种姿态转变为另一种姿态的再定向过程。
其硬件系统包括敏感器、控制器和执行机构三个部分卫星姿态控制可以分为被动和主动控制两大类，以及介于两者之间的半被动和半主动控制被动控制利用卫星本事动力学特性（如角动量、惯性矩），或卫星与环境相互作用产生的外力矩作为控制力矩源。
主动控制利用星上能源（电能或推进剂工质），依靠直接或间接敏感到的姿态信息，按一定的控制律操纵控制力矩器实现姿态控制。
任务分析本卫星旨在对于钓鱼岛及其附近海域的侦查探测，并将信息汇总传送回地面接收站，三颗卫星先要共同工作，后期又分开观测，对于整体的姿态控制和分开后各个个体的控制都有很高的要求。
考虑到卫星形状与对地观测要求，对其采用对地定向三轴稳定的设计方案，以质心轨道坐标系作为其参考坐标系。
为保证空间方位和姿态确定的精度要求，使用多传感器的设计，并通过飞轮三轴姿态控制辅助以喷气推力姿态稳定的手段加速姿态修正速度。
姿态控制原理姿态控制：指对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。
包括姿态稳定和姿态机动。
姿态稳定：指使姿态保持在指定方向。
姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。
航天器姿态控制类型包括：主动控制：星上有主动控制力矩产生机构。
主动姿态控制首先需要获得航天器当前的姿态。
被动控制：利用环境力矩产生控制力矩。
姿态获得包括两个过程：姿态测量：利用姿态敏感器获取含有姿态信息的物理量。
姿态确定：对姿态测量得到的物理量进行数据处理，获得姿态数据。
姿态控制系统包括姿态敏感器和执行机构。
姿态敏感器：测量星体相对于某一基准方位的姿态信息。
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空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
对卫星施加外力，改变其质心运动轨迹并使之满足要求的 技术称为轨道控制或制导。
1）轨控推力模型
用于轨道控制的外力有反作用推力和空间自然环境力。如 使用喷气发动机进行轨道控制，可根据所需要的速度增量及 有关发动机特性参数计算发动机控制参数。 v 若发动机连续工作，则工作时间为 m0 Is Is t 1 e F 式中， m0 ——卫星控制前的总质量； s/kg。 I s ——发动机比冲，N· F——平均推力。
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§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
2）星地大回路控制
依赖地面测控系统和星上敏感器 共同来测量和确定卫星的轨道或姿 态，并由地面按导引律和姿态控制 律要求的控制方式通过遥控指令控 制卫星姿态和轨道控制执行机构的 工作，这种控制方式称为星地大回 路控制。地面设备包括对卫星进行 跟踪测轨的雷达，接收卫星姿态信 息的下行遥测接收装臵，地面计算 机，遥控上行发射装臵等。
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§7.2 力作用时间比轨道周期短得多时， 此时可将推力作用过程近似为一个脉冲函数，称为脉冲推力模
型。
若发动机脉冲工作，则工作次数为
t N F
的整数部分，式
中δ为有效脉冲宽度，Δt可按连续推力时间确定。 燃料消耗量Δm为
指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿
态过渡到另一个姿态的再定向过程。
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§7.1 概述
2 姿态控制的任务
1）姿态机动
在卫星飞行过程中常常需要从一种姿态转变到另一种姿态， 称为姿态机动或姿态再定向。
2）姿态稳定
克服内外干扰力矩使卫星姿态保持对某参考方位定向的控制 任务称为姿态稳定。
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§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
2）轨道机动及优化
轨道机动控制的设计任务是确定控制策略、计算最优轨道 机动的参数和实施方式。 对于平面内控制，进行一次切向脉冲控制可以控制轨道半 长轴或控制偏心率，两次切向脉冲控制可以同时控制半长轴和 偏心率，三次切向脉冲控制可以同时控制半长轴、偏心率和卫 星在轨道上的角位臵。这样，可以实现几个轨道根数的协调控 制。东方红三号卫星的定点捕获和中巴资源卫星的轨道控制都 实现了协调控制。 对于倾角控制（轨道平面控制），只要在控前轨道平面和 目标轨道平面的交线上施以轨道平面法向的推力脉冲即可。
消耗等条件的限制。要研制和选用适合空间工作的轻型、低功
耗的元部件。
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§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
卫星控制系统在原理上和其他工程控制系统基本上是一样 的，完成三个最基本的过程：敏感测量、信号处理和执行过 程，因此其控制系统组成包括测量部件、控制电路或计算机、 执行机构三大部分。
标卫星。
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§7.1 概述
1 轨道控制的任务
4）返回控制
使卫星脱离原来的轨道，进入大气层的控制。卫星从外层空 间返回地球表面经历下面四个阶段： 离轨：通过轨道控制使卫星离开原运行轨道，转入一条能进入 大气层的过渡轨道； 过渡：进行必要的轨道修正、调整卫星姿态为再入大气层作好 准备； 再入：当卫星下降到离地面 80 ～ 120km 时，进入稠密大气层， 再入段开始； 着陆。
§7.1 概述
航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。
轨道控制
对航天器的质心施以外力，以有目的地改变其运动轨 迹的技术。 姿态控制 对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在 空间的定向的技术。
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§7.1 概述
1 轨道控制的任务
轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。 轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位臵和速度，有时也
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§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
1 轨道确定
卫星的轨道确定可分为两类：非自主确定和自主确定。
1）非自主确定：由地面站设备（如雷达）对卫星进行跟踪测轨，
且在地面测控中心进行数据处理，最后获得轨道位臵信息。
这种轨道确定方法依赖于地面站，需要相当数量的地面站。 一个或多个地面站雷达对卫星跟踪，在若干可跟踪弧段获得卫星
必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控
制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某 些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。 某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天 器的姿态却有要求。
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§7.1 概述
4 卫星控制系统的特点
1）卫星运行在空间的失重环境中，许多卫星又具有复杂 的结构，难于在地面进行动力学试验。因此对卫星的动力学
称为空间导航，简称导航；
轨道控制是根据航天器现有位臵、速度、飞行的最终目标，对 质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。
轨道控制的任务可分为4类。
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§7.1 概述
1）变轨控制和轨道机动 这种控制使航天器从一条自由飞行轨道转移到另一 条自由飞行轨道。变轨前后的两条轨道可以在同一平面 内，也可以在不同平面内。
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§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
3）静止卫星的位置保持控制
在静止卫星定点后，为了克服轨道摄动的影响，长期保持轨 道位臵满足规定的精度，要定期进行轨道修正，即位臵保持。 静止轨道的主要摄动有三部分： 地球非球形田谐项（赤道不圆）摄动引起半长轴每天变化 0.1km量级，此项摄动产生漂移加速度； 太阳光压摄动引起偏心率及近地点方向变化，这会造成卫星 在东西方向的以1d为周期的振荡运动； 日月引力摄动引起倾角和升交点方向的变化，其变化率为 0.85°/a左右，倾角变大后，会造成卫星在南北方向的以1d为 周期的振荡运动。 三种摄动中，以克服日月引力摄动所需要的速度增量最大。
V m m0 1 e I s
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§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
为了获得要求的速度增量，卫星轨道控制往往需要有姿态控制
相配合。 在与卫星固连的变轨发动机点火工作前，首先应将卫星的姿 态调整到使与发动机推力方向一致； 发动机的开机时间长度应保证产生的速度增量等于△ V； 如果发动机推力为恒值，则开、关机时刻的平均值应与等效 脉冲控制时刻Δt相同。 如果发动机点火时间较长，为保证控制精度，需要使用有限 推力模型。用有限推力模型进行轨道控制设计，计算比较复杂。
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§7.1 概述
2 姿态控制的任务
姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。 姿态确定：是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。
这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准。
姿态控制：是航天器在规定或预先确定的方向 (可称为参考方 向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是
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§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
1）星上自主控制
卫星姿态测量、姿态确定、姿态控制计算和控制指令生成 和执行，完全由卫星上的仪器来完成而不依赖地面设备，在 卫星上形成闭路系统，这种控制方式称为自主姿态控制。要 求卫星不但具备足够的姿态敏感器和执行机构，而且具备星 载控制线路或计算机。
3）指向控制
除卫星本体的姿态控制外，为了完成空间任务还需要对卫星 某些分系统进行局部指向控制，如要求对能源分系统的太阳电 池阵进行对日定向控制，对通信分系统的天线进行对地或对其 他卫星定向控制等。
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§7.1 概述
3 姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控 制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态
态和姿态运动来描述。其中位臵和速度描述航天器的质
心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描 述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观 点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位 臵自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动 自由度表示航天器的姿态运动。
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第七章 航天器姿态控制 与轨道控制
§7.1 概述
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
§7.3 卫星姿态测量的基本概念和姿态测量系统
§7.4 卫星的姿态控制技术
§7.5 设计GNC分系统的步骤
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§7.1 概述
一个刚体航天器的运动可以由它的位臵、速度、姿
特性进行理论计算和试验研究，建立足够准确的控制对象数
学模型，作为控制系统设计的前提条件，就十分重要。 2）卫星控制系统构成复杂、功能多样，卫星轨道、姿态、
有效载荷指向精度和稳定度要求高，而卫星是一个多自由度
的系统，系统各种状态之间交叉耦合，都增加了控制系统的 设计难度。因此，卫星控制系统设计必须采用下列理论：多
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§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
姿态测量部件：确定当前轨道和姿态的状态参数（姿态
和轨道确定）。
控制电路或计算机：按照事先设计好的导引律和控制律 计算出控制量，并根据控制量形成指令。 执行机构：使卫星姿态和轨道向着任务要求的目标改变。 包括发动机、飞轮、磁力矩器等。
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§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
3）静止卫星的位置保持控制
东西位臵保持控制包括平均经度位臵控制和偏心率控制，均 使用切向（东西向）推力。平均经度位臵控制是定期修正半长 轴，偏心率控制要维持较小的东西方向日周期振荡，通常在早 晚6时进行。两种控制可以协调联合实施。 南北位臵保持控制使用沿轨道法向朝南（北）方向的推力， 在升（降）交点进行，以维持较小的倾角。当南北位臵精度为 ±0.1°时，南北保持最长两月需要进行一次，每次南北保持 一般只需一次脉冲控制。