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卫星姿态

卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。直角坐标系的原点置于星体上,指向地面的Z轴反映偏航方向,Y轴反映俯仰方向,X轴反映滚动方向,通常采用三轴稳定、自旋稳定、重力梯度稳定等方式保持姿态的稳定。根据对卫星的不同工作要求,卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置,可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。被动姿态控制是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法, [1] 有自旋稳定、重力梯度稳定等;主动姿态控制主要是三轴稳定姿态控制方式。

卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。将直角坐标系的原点置于星体上,指向地面的Z轴反映偏航方向,Y轴反映俯仰方向,X轴反映滚动方向。星体在高空中沿局部地球铅垂方向和轨道矢量方向运行,不时地产生对三轴的偏移。姿态控制是通过姿态控制分系统(ACS)来实现,使用地平扫描仪可感应俯仰和滚动轴的姿态误差,使用速度陀螺仪和罗盘可感应偏航轴的姿态误差。

姿态的稳定通常采用以下几种方式:①三轴稳定。依靠姿态控制分系统使卫星偏航轴方向始终保持与当地铅垂线方向一致,以保对地观测传感始终对准地面;②自旋稳定。卫星自转轴对空间某点取向固定,使其姿态保持稳定;③重力梯度稳定。在地球重力场作用下,转动物体的转轴逐渐达到平衡状态,与重力梯度方向一致,即同当地垂直线方向一致,以保持卫星姿态的稳定。

根据对卫星的不同工作要求,卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置,可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。

被动姿态控制是利用自然环境力矩或物理力矩源,如自旋、重力梯度、地磁场或气动力矩等以及他们之间的组合来控制航天器的姿态。这种系统不需要电源,因而也不需要姿态敏感器和控制逻辑线路。主要类型有自旋稳定和环境力矩稳定等。适用于中等指向精度的飞行任务。一般试验性小卫星采用这种控制方式。 [2]

1、自旋稳定方式

有的卫星要求其一个轴始终指向空间固定方向,通过卫星本体围绕这个轴转动来保持稳定,这种姿态稳定方式就叫自旋稳定。它的原理是利用卫星绕自旋轴旋转所获得的陀螺定轴性,使卫星的自旋轴方向在惯性空间定向。这种控制方式简单,早期的卫星大多采用这种控制方式。使卫星产生旋转可以用在卫星的表面沿切线方向对称地装上小火箭发动机,需要时就点燃小发动机,产生力矩,使卫星起旋或由末级运载火箭起旋。我国的东方红一号卫星、东方红二号通信卫星和风云二号气象卫星都是采用自旋稳定的方式。 [1]

2、重力梯度稳定

重力梯度稳定是利用卫星绕地球飞行时,卫星上离地球距离不同的部位受到的引力不等而产生的力矩(重力梯度力矩)来稳定的。例如,在卫星上装一个伸杆,卫星进入轨道后,让它向上伸出,伸出去后其顶端就比卫星的其它部分离地球远,因而所受的引力较小,而它的另一端离地球近,所受的引力较大,这样所形成的引力之差对卫星的质心形成一个恢复力矩。如果卫星的姿态(伸杆)偏离了当地铅垂线,这个力矩就可使它恢复到原来姿态。该种控制方式简单、实用,但控制精度较低。 [1]

一般试验性小卫星采用这种控制方式,如英国Uosat-1小卫星就采用的是重力梯度稳定。 [2]

主动姿态控制,就是根据姿态误差(测量值与标称值之差)形成控制指令,产生控制力矩来实现姿态控制的方式。控制力矩来自于航天器上的能源,它属于闭环控制系统。主要分类有以飞轮执行机构为主的三轴姿态控制系统、喷气三轴姿态控制、地磁力矩控制系统。这类系统基本对每个控制自由度都配备姿态敏感器和执行机构,并使用有效的逻辑控制线路,保持卫星本体坐标系相对某一参考基准的方位。控制精度高,主要用于有效载荷精确指向,如通信、对地观察等。目前绝大多数的应用卫星或科学探测卫星都采用这种姿态控制系统,如著名的Hubble太空望远镜、Clementine月球探测器等。 [2]

许多卫星在飞行时要对其相互垂直的的三个轴都进行控制,不允许任何一个轴产生超出规定值的转动和摆动,这种稳定方式称为卫星的三轴姿态稳定。目前,卫星基本上都采用三轴姿态稳定方式来控制,因为它适用于在各种轨道上运行的、具有各种指向要求的卫星,也可用于卫星的返回、交会、对接及变轨等过程。

实现卫星三轴姿态控制的系统一般由姿态敏感器、姿态控制器和姿态执行机构三部分组成。姿态敏感器的作用是敏感和测量卫星的姿态变化;姿态控制器的作用是把姿态敏感器送来的卫星姿态角变化值的信号,经过一系列的比较、处理,产生控制信号输送到姿态执行机构;姿态执行机构的作用是根据姿态控制器送来的控制信号产生力矩,使卫星姿态恢复到正确的位置。 [1]

据中国国防科技信息网报道,2012年12月1日,法国侦察卫星“昴宿星”(Pleiades 1B)搭乘“联盟”号火箭发射。该星将与已在轨的两颗卫星一起,每天向法国部队和全球商业用户提供1000幅高分辨率图像。 [3] 该卫星安装了三轴姿态稳定系统。

姿态控制系统包括姿态确定子系统和姿态控制子系统两部分。

姿态确定是姿态控制的前提,它的任务是利用星上的姿态敏感器测量所得到的信息,经过适当的处理,求得固连于卫星本体的坐标系相对于空间某参考坐标系中的姿态。姿态确定的输入信息是姿态敏感器的测量数据,输出是卫星的三轴姿态参数。若姿态参数是相对于某个惯性空间中定向的参考坐标系给出的,则称为惯性姿态;若参考坐标系取为当地轨道坐标系,则称为对地姿态。大部分卫星(如对地观测卫星、通信广播卫星)的有效载荷都要求对地定向,因此感兴趣的是它的对地姿态,也有些卫星(如天文卫星)的有效载荷要求对日或某颗恒星定向,这时采用惯性姿态比较方便。

姿态确定系统主要由姿态敏感器和相应的信息处理算法即姿态确定算法组成,姿态确定精度取决于姿态敏感器硬件精度和姿态确定算法的精度。 [2]

姿态敏感器 根据不同的基准方位,姿态敏感器主要包括以下几类:(1)利用地球物理特性的敏感器,如红外地平仪、磁强计、地球反照敏感器、陆标跟踪器等;(2)利用天体位置的敏感器,如太阳敏感器、星敏感器;(3)利用惯性信标的敏感器,如陀螺仪、角加速度计;(4)利用无线电信标的射频敏感器。

太阳敏感器、星敏感器、红外地平仪、磁强计等都是通过测量外部参考坐标(如恒星、太阳、地球)相对星体坐标系的方位,来确定星体相对某参考坐标系的姿态角。受敏感器带宽限制,仅利用这些角度敏感器无法精确获得卫星姿态的动态变化信息。一般需引入高精度速率(积分)陀螺,连续测量星体姿态角速度,作为星体姿态基准。但陀螺定姿精度受到陀螺漂移影响,需要其他敏感器提供校正信息。因此,卫星姿态确定系统往往采用以陀螺为基准,几种角度敏感器组合对陀螺漂移进行校正的方式,至于采用哪些敏感器则取决于姿态确定精度的要求。 [2]

此处的姿态控制系统是相对于姿态确定系统而言,主要包括执行机构和控制规律设计问题。其任务可分为姿态稳定和姿态机动两方面。姿态稳定是使卫星姿态保持在给定方位上,如对地定向、对日定向;姿态机动则是使卫星从一种姿态过渡到另一种姿态的再定向过程。与姿态确定系统类似,姿态控制系统精度也取决于执行机构的硬件精度和控制规律所能达到的控制精度。 [2]


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