航天器姿态控制
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1. 航天器姿态控制概念
姿态控制是使航天器在所需精度内保持合适的姿态或者产生 特定的姿态变化
航天器上一般都有专门的姿态控制系统，英文简称ACS
哈勃望远镜
航天飞机与空间站对接
-1-
2. 航天器姿态控制系统框图
干扰力矩 航天器
力矩器
姿态敏 感器
星载计 算机
姿态控制系统根据姿态误差形成控制指令，产生控制力矩来 实现姿态控制，是一个闭环控制系统
6′
1′
1′
30′
6′
-5-
3. 姿态敏感器（续） 惯性敏感器（陀螺仪）
测量角速度：由于航天应用对精度的需求，一般采用环形激光陀螺仪和 光纤陀螺仪
-6-
4. 力矩器 推力器
磁力矩
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
优点：力矩大；对高度不敏感 缺点：需燃料；开关操作
优点：无需燃料 缺点：力矩强度随着轨道高度的增加而减小；不能产生磁场方向力矩分量
卫星残余磁场地球磁场相互作用的结果
其它扰动力矩
-9-
6. 姿态控制系统设计
成本 设计寿命 完整的ACS系统可靠性 无单点故障 与其他卫星子系统的兼容性 质量、功耗和热预算等边界条件 轨道参数 用户需求
-10-
Page-11
-7-
4. 力矩器（续）
反作用轮
利用惯性飞轮加减速反作用 力控制系统姿态
动量轮
利用陀螺定轴性原理稳定航天性
-8-
5. 干扰力矩（续）
重力梯度力矩
引力在非对称刚体上产生的力矩
太阳辐射力矩
太阳辐射的光子光压产生的绕卫星质心的力矩
空气动力力矩
对于地轨卫星，不能忽略的大气阻力对航天器的力矩
电磁扰动力矩
地球敏感器
-4-
3. 姿态敏感器（续）
无线电频率信标
探测已知无线电频率源的方向，获得航天器姿态
磁强计
通过测量地磁场的方向和强度，获得航天器姿态
全球卫星定位系统
利用一个航天器上两个天线相位差获取航天器姿态信息
敏感器 星敏感 地球敏 太阳敏 无线电 磁强计 卫星定
类型 器
感器 感器 信标
位
精度 1″
-2-
2. 航天器姿态控制系统框图
姿态定义： 航天器相对于空间参考坐标的方 位或指向。可用绕航天器本体坐 标轴x，y，z的转角来描述，依次 为滚动角、俯仰角和偏航角。
-3-
3. 姿态敏感器 太阳敏感器
星敏感器
以恒星作为姿态测量的参考源，可输出恒 星在星敏感器坐标下的矢量方向，为航天 器的姿态控制和天文导航提供高精度测量 数据
姿态控制是使航天器在所需精度内保持合适的姿态或者产生 特定的姿态变化
航天器上一般都有专门的姿态控制系统，英文简称ACS
哈勃望远镜
航天飞机与空间站对接
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2. 航天器姿态控制系统框图
干扰力矩 航天器
力矩器
姿态敏 感器
星载计 算机
姿态控制系统根据姿态误差形成控制指令，产生控制力矩来 实现姿态控制，是一个闭环控制系统
6′
1′
1′
30′
6′
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3. 姿态敏感器（续） 惯性敏感器（陀螺仪）
测量角速度：由于航天应用对精度的需求，一般采用环形激光陀螺仪和 光纤陀螺仪
-6-
4. 力矩器 推力器
磁力矩
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
优点：力矩大；对高度不敏感 缺点：需燃料；开关操作
优点：无需燃料 缺点：力矩强度随着轨道高度的增加而减小；不能产生磁场方向力矩分量
卫星残余磁场地球磁场相互作用的结果
其它扰动力矩
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6. 姿态控制系统设计
成本 设计寿命 完整的ACS系统可靠性 无单点故障 与其他卫星子系统的兼容性 质量、功耗和热预算等边界条件 轨道参数 用户需求
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4. 力矩器（续）
反作用轮
利用惯性飞轮加减速反作用 力控制系统姿态
动量轮
利用陀螺定轴性原理稳定航天性
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5. 干扰力矩（续）
重力梯度力矩
引力在非对称刚体上产生的力矩
太阳辐射力矩
太阳辐射的光子光压产生的绕卫星质心的力矩
空气动力力矩
对于地轨卫星，不能忽略的大气阻力对航天器的力矩
电磁扰动力矩
地球敏感器
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3. 姿态敏感器（续）
无线电频率信标
探测已知无线电频率源的方向，获得航天器姿态
磁强计
通过测量地磁场的方向和强度，获得航天器姿态
全球卫星定位系统
利用一个航天器上两个天线相位差获取航天器姿态信息
敏感器 星敏感 地球敏 太阳敏 无线电 磁强计 卫星定
类型 器
感器 感器 信标
位
精度 1″
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2. 航天器姿态控制系统框图
姿态定义： 航天器相对于空间参考坐标的方 位或指向。可用绕航天器本体坐 标轴x，y，z的转角来描述，依次 为滚动角、俯仰角和偏航角。
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3. 姿态敏感器 太阳敏感器
星敏感器
以恒星作为姿态测量的参考源，可输出恒 星在星敏感器坐标下的矢量方向，为航天 器的姿态控制和天文导航提供高精度测量 数据