100第十章 航天器姿态与轨道控制分系统

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1. 航天器控制的基本概念
1.4 轨道控制
轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面: 1)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; 2)轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施加控制力，以改变其运动轨 迹的技术。 轨道控制按应用方式分类: 1)轨道机动：指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个自由飞行段轨道的控制。例如，地球 静止卫星发射过程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就需进行一次轨道机动。 2)轨道保持：指克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保持不变的控制。例如：地球同步轨道卫 星为精确保持其定点位置而定期进行的轨道修正。 3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同的速度达到空间同一位置而实施的控制 过程。 4)再入返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大气层的控制。
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
(1) 太阳敏感器
太阳敏感器是通过对太阳辐射的敏感来测量太阳视线与航天 器某一体轴之间夹角的敏感器。 太阳敏感器具有3种基本类型：模拟式、数字式和太阳指示器 。经常使用的为模拟式和数字式两种。
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
A.模拟式太阳敏感器 模拟式太阳敏感器的输出信号为模拟量，其大小和符号是 太阳光入射角的连续函数。模拟式太阳敏感器通常又叫做余弦 检测器，这是因为硅太阳电池输出电流与太阳光入射角成正弦 规律变化。
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1. 航天器控制的基本概念
主动控制系统的组成
航天器主动控制系统，有两种组成方式: 1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载仪器实现的控制。 例如双自旋卫星的消旋控制和三轴稳定卫星姿态控制，一般都采用自主 控制。 2)地面控制：或称星—地大回路控制，指依赖于地面干预，由星载仪器 和地面设备联合实现的控制。例如，双自旋卫星的姿态机动和目前多数 卫星的轨道控制均采用地面控制方式。
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1. 航天器控制的基本概念
1.6 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，航天器姿态必须符合要求。即当需要对航天器 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。有些应用任务对轨 道没有严格要求，如空间环境探测卫星，则只有姿态控制系统。
航天器设计
第10章 航天器姿态与轨道控制分系统
王新升
Email:xswang@buaa.edu.cn
航天器设计优化与动态模拟教育部重点实验室 北京航空航天大学宇航学院
2011年3月31日
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内容
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航天器控制的基本概念 姿态控制系统的组成与分类 航天器轨道控制系统 航天器姿态运动学和姿态动力学 姿态干扰力矩 喷气三轴姿态稳定系统 反作用飞轮三轴姿态稳定系统
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
(4) 陀螺
陀螺种类很多，在卫星上常用的是 由3个自由度速率积分陀螺构成的陀螺 组件。可提供卫星滚动、俯仰、偏航3 个通道的姿态测量。 工作原理： 当有角速度输入时产生的陀螺力矩 使浮子角偏移，被角度传感器测试，并 变成一定频率的载波信号，经过交流放 大，相敏解调、滤波校正和功放，最后 力矩器施加电流，使其产生一电磁力矩 与陀螺力矩平衡。
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
2.2 执行机构
航天器的执行机构主要有： 推力器 飞轮 磁力矩器
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
2.3 控制器——星载控制计算机
控制器的功能是由模拟逻辑或数字计算机实现控制规律和控制对策，把 星上敏感器和执行机构联接起来，从而完成对航天器的控制任务。 早期采用电子线路、分立元件。目前，采用星载计算机控制。向组件化 和数字化方向发展。
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3. 航天器轨道控制系统
3.2 航天器的轨道机动与轨道保持
航天器在控制系统作用下使其轨道发生有 意的改变称为轨道机动。轨道机动方式一 般有两种： 无线电指令控制系统或称遥控系统； 惯性控制系统。 变轨控制分为轨道改变和轨道转移。 轨道保持是对在轨航天器受到外界干扰的 作用下偏离预定轨道的修正。
模拟式太阳敏感器工作原理图
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
B.数字式太阳敏感器 数字式太阳敏感器的输出信号是与太阳 入射角相关的以编码形式出现的离散函 数。在结构上，它主要由狭缝、码盘、 光敏元件阵列、放大器和缓冲寄存器组 成。码盘上设有符号位和编码位。符号 位用于确定太阳位于敏感器基准面(定义 为狭缝所在平面的法线Oc1与狭缝Oc3。 组成的平面Oc1c3)的那一边，也即确定 太阳入射角的正负。编码位用于确定太 阳光线偏离基准面的数字量，即确定太 阳入射角的大小。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。
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1. 航天器控制的基本概念
星上自主控制框图 星—地大回路控制框图
轨道运动
星载控制器
执行机构
星体姿态和轨道动力学
姿态运动
卫星动力学
⊗
给定
敏 感 器
姿态轨道 控制器
敏感器
执 行 机 构
跟踪
遥测
遥控
跟踪
遥测
遥控
数据处理 测定轨道
控制参数 计算
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
2.1姿态敏感器
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
(3) 星敏感器
通过对恒星辐射的敏感测量卫星中某一个 基准轴与已知恒星的视线之间的夹角，由于恒 星远离地球和卫星，故恒星张角非常小 （0.04″～0.05″），因此星敏感器测量精度高， 比一般太阳敏感器的精度高一个数量级，但是 星敏感器结构复杂，质量大，因为要对恒星进 行识别，在测量数据处理中，还要将测得的恒 星方位和星光强度同星表中的数据进行比较， 这样大量的数据处理需要应用计算机来完成， 因此价格昂贵。星敏感器包括星图仪和星跟踪 器。前者没有运动部件，结构比较简单，但依 赖卫星自旋提供扫描，因此在应用上受到限制。 星跟踪器中的CCD星跟踪器能够同时跟踪多颗 星.
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3. 航天器轨道控制系统
3.3 航天器的交会与对接控制
交会是指两个或两个以上的航天器 在轨道上按预定位置和时间相会。交会 分3个主要阶段： 会合阶段 接近阶段 停靠和对接阶段。 对接是指两个航天器在轨道上相会 后连成一个整体。空间交会对接有四种 控制方式： 手动操作 遥控操作 自动控制 自主控制
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1. 航天器控制的基本概念
1.7 航天器控制类型
航天器控制按控制力和力矩的来源分为两大类: 1)被动控制：其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供，不 需要消耗星上能源。例如利用气动力或力矩、太阳辐射压力、重力梯度 力矩、磁力矩等实现轨道或姿态的被动控制，而不消耗工质或电能。 2)主动控制：包括测量航天器的姿态和轨道，处理测量数据，按照一定 的控制规律产生控制指令，并执行指令产生对航天器的控制力和控制力 矩。主动控制需要消耗电能或工质等星上能源，由星载或地面设备组成 闭环系统来实现。
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1. 航天器控制的基本概念
1.1.航天器运动的描述
刚体航天器的运动可由它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。 1) 位置和速度描述航天器的质心运动，属于航天器的轨道问题。 2) 姿态就是航天器在空间的方位。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 位置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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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
2.4 姿态稳定控制的方式
按控制力矩来源分为：被动式和主动式两种基本类型。 1)被动式：自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐射力矩 或气动力矩及它们的组合。 2)主动式：以飞轮执行机构为主的三轴稳定控制系统； 喷气三轴姿态控制；地磁力矩器控制系统。 重力梯度稳定系统 其他被动姿态稳定系统：磁稳定系 统、太阳辐射压力稳定系统、气动 力稳定系统、组合被动稳定系统。 半被动稳定系统：重力梯度加惯性 轮、重力梯度加控制力矩陀螺、重 力梯度加增强式磁阻尼 喷气推力姿态控制系统 飞轮姿态稳定控制系统 控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统
数字式太阳敏感器工作原理图
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2. 航天器姿态控制系统的组成与分类
(2) 红外地平仪
1．自旋扫描式地平仪 扫描机构是自旋卫星，通过卫星自旋，红 外地平仪的探头测出穿过地球的弦宽，依 据测出的弦宽长短，再结合卫星轨道高度， 便可以计算出天底角（自旋轴矢量与卫星 地心连线之间的夹角），多为自旋卫星采 用。 2．摆动式边界跟踪地平仪 用在同步轨道三轴稳定卫星的敏感器。该 敏感器通过其摆动扫描镜和红外光学系统 实现对地平的穿越扫描，经电子线路处理 后输出卫星的俯仰和滚动姿态偏差，是一 种二轴姿态敏感部件。
姿态敏感器用来测量航天器本体坐标系相对于某个基准坐标系的相 对角位置和角速度，以确定航天器的姿态。要完全确定一个航天器 的姿态，需要3个轴的角度信息。由于从一个方位基准最多只能得到 两个轴的角度信息，为此要确定航天器的三轴姿态至少要有两个方 位基准。 按不同的方位基准分类: 1)以地球为基准方位：红外地平仪，地球反照敏感器； 2)以天体为基准方位：太阳敏感器，星敏感器； 3)以惯性空间为基准方位：陀螺，加速度计； 4)以地面站为基准方位：射频敏感器； 5)其他：磁强计（以地磁场为基准方位）， 陆标敏感器（以地貌为基准方位）。
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1. 航天器控制的基本概念
1.5 姿态控制
姿态控制包括姿态确定和姿态控制: 1.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，例如地球。姿态确定一般采用 姿态敏感器和相应的数据处理方法，姿态确定的精度取决于数据处理方法 和航天器敏感器所能达到的精度。 2.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）上的定 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; 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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3. 航天器轨道控制系统
3.1 航天器的轨道确定
航天器轨道确定基本分两大类：自主和非自主。 非自主测轨由地面站设备，例如雷达，对航天器进行跟 踪测轨，并且在地面上进行数据处理，最后获得轨道位 置信息。 自主测轨由星上测轨仪器来确定航天器的位置和速度等 运动参数，而该仪器设备的工作不依赖于地球或其他天 体的导航和通信设备。 自主导航方式: 全球定位系统(GPS) 惯性导航
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1. 航天器控制的基本概念
1.2.航天器的控制
航天器在轨道上运动将受到各种力矩的作用。从刚体力学的角度来 说，力使航天器的轨道产生摄动，力矩使航天器姿态产生扰动。 航天器的控制可以分为两大类：轨道控制和姿态控制。 1.对航天器的质心施加外力，以有目的地改变其运动轨迹的技术， 称为轨道控制。 2.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 技术，称为姿态控制。
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1. 航天器控制的基本概念
姿态稳定方式的类型
姿态稳定方式按姿态运动的形式: 被动姿态稳定：利用环境力矩使航天器保持姿态稳定； 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。 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。
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1. 航天器控制的基本概念
1.3 航天器控制系统的组成
航天器控制系统由敏感器、控制器和执行机构三部分组成： 1) 敏感器用以测量某些绝对的或相对的物理量； 2) 控制器担负起信号处理的任务； 3) 执行机构起控制作用，驱动动力装置产生控制信号所要求的运动; 执行机构根据控制力和控制力矩的不同，可以把它分为姿态控制执行机构和轨 道控制执行机构。有些执行机构既可以作为姿态控制执行机构，也可以作为轨 道控制执行机构，例如喷气推力器的安装方式决定推力器是姿态控制执行机构 还是轨道控制执行机构。 这三部分统称为控制硬件，而用于完成测量和控制任务所需的算法称为软件。