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航天器怎样保持姿态?
2019-11-27 08:03

我们知道,卫星在失重的环境下飞行,如果不对它进行控制的话,它就会乱翻筋斗。这种情况是绝对不允许的,因为卫星都有自己特定的任务,在飞行时对它的飞行姿态都有一定的要求。比如,通信卫星需要它的天线始终对准地面;对地观测卫星则要求它的观测仪器的窗口始终对准地面,如果乱翻乱滚卫星哪里还能正常工作? 卫星的姿态控制就是控制卫星的飞行姿态,保持姿态轴的稳定,并根据需要改变姿态轴的方向。由于各种干扰,卫星在空间的姿态角和姿态角速度往往会偏离设计值,这是就要进行控制和调整。 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。 一、主动姿态控制 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。 许多卫星在飞行时要对其相互垂直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。 二、被动姿态控制 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。被动姿态控制方式有自旋稳定、重力梯度稳定等。 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。 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。 姿态确定与控制系统是卫星设计的重要组成部分。首先系统地总结了欧拉角和四元数两种姿态描述,建立了完整的卫星姿态运动学和动力学模型。根据MTS卫星的任务和对姿控系统的性能指标要求,提出了MTS卫星姿控系统的初步方案,对敏感器和执行机构进行了配置。 卫星姿控系统的精度水平在很大程度上取决于姿态确定的精度。在建立MTS卫星各种姿态敏感器的测量模型的前提下,基于状态估计法采用推广卡尔曼滤波算法设计了"陀螺+红外地平仪+太阳敏感器"模式的姿态确定系统。并考虑到星上计算机计算能力的限制,对EKF算法作了改进,从而避免了EKF庞大的计算量。 分析和建立了飞轮系统模型和各种干扰力矩模型,基于全局非奇异的误差四元数分别设计了PID控制律和模糊控制律。并根据模糊控制存在稳态误差的特点,引入了积分环节;根据控制过程中不同阶段上的控制特性,设计了参数自调整的模糊控制器。通过仿真对比,验证了模糊控制的有效性。 最后为了充分验证本文提出的姿态确定和控制方法的效果,最后建立了MTS卫星姿控系统大回路模型,编写了相应的程序,进行了数学仿真。通过正常轨道运行模式下的仿真证明了姿态系统设计的可行性和精确性。

在寂静空荡的太空里,航天器该如何保持姿态?

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卫星

1 为什么要保持姿态?

正确的姿态是航天器正常工作的必要条件。例如,卫星对地进行通信或观测,天线或遥感器要指向地面目标;航天器进行轨道控制时,发动机要对准所要求的推力方向;航天器再入大气层时,要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。

2 怎样测量姿态?

测量是保持的前提,一个航天器必须知道自身的现实姿态。

2.1 以天体为基准方位

2.1.1 太阳敏感器

太阳是我们的航天器上可视的最强发光体,可以把它近似看作点光源。通过敏感阳光的入射角度,就可以测量太阳视线与航天器某一体轴之间夹角。太阳敏感器用来确定姿态是最普遍的,几乎每个航天器都采用。

2.1.2 星敏感器

同太阳敏感器类似,也可以一颗恒星为基准,敏感测量航天器的某一个基准轴与该恒星视线之间的夹角,并同星历表中该星的角位置参数进行比较,来确定航天器的姿态。星敏感器的测量精度很高,但是要求恒星亮度要高于+2可见星等的恒星。

2.2 以地球为基准方位

地球是近地航天器所能观察到的除太阳外最明亮的天体,因此地球也就成为航天器最重要的基准物之一。但由于地球对近地航天器而言是一个广大的观察目标,不是一个确定的基准方向,因此实际工程中通常是以航天器所处的当地垂线或当地地平作为基准方向。

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。红外地平仪的工作波段一般选择在14~16μm的二氧化碳红外窄波段上。原因是地球表面上空25~50 km的大气中的二氧化碳,在14~16μm波段内的红外辐射强度随着高度的增加而迅速地减少,所以工作在这一窄波段上的红外地平仪可获得极为清晰的地球轮廊,有利于提高测量精度。同时,红外地平仪对航天器本身反射的太阳光不敏感,无论白天或夜晚均能正常工作,因此在工程中应用十分广泛。

2.3 以惯性空间为基准方位