衛星姿態

2024年3月7日發(作者：金牌流浪狗)

衛星姿態

衛星姿態是指衛星星體在軌道上運行所處的空間指向狀態。直角坐標系的原點置于星體上，指向地面的Z軸反映偏航方向，Y軸反映俯仰方向，X軸反映滾動方向，通常采用三軸穩定、自旋穩定、重力梯度穩定等方式保持姿態的穩定。根據對衛星的不同工作要求，衛星姿態的控制方法也是不同的。按是否采用專門的控制力矩裝置和姿態測量裝置，可把衛星的姿態控制分為被動姿態控制和主動姿態控制兩類。被動姿態控制是利用衛星本身的動力特性和環境力矩來實現姿態穩定的方法，有自旋穩定、重力梯度穩定等；主動姿態控制主要是三軸穩定姿態控制方式。

定義：衛星星體所處的空間位置狀態

穩定方式：自旋/重力梯度/三軸穩定

分類：被動姿態控制，主動姿態控制

定義

衛星姿態是指衛星星體在軌道上運行所處的空間指向狀態。將直角坐標系的原點置于星體上，指向地面的Z軸反映偏航方向，Y軸反映俯仰方向，X軸反映滾動方向。星體在高空中沿局部地球鉛垂方向和軌道矢量方向運行，不時地產生對三軸的偏移。姿態控制是通過姿態控制分系統（ACS）來實現，使用地平掃描儀可感應俯仰和滾動軸的姿態誤差，使用速度陀螺儀和羅盤可感應偏航軸的姿態誤差。

姿態控制方式

姿態的穩定通常采用以下幾種方式：①三軸穩定。依靠姿態控制分系統使衛星偏航軸方向始終保持與當地鉛垂線方向一致，以保對地觀測傳感始終對準地面；②自旋穩定。衛星自轉軸對空間某點取向固定，使其姿態保持穩定；③重力梯度穩定。在地球重力場作用下，轉動物體的轉軸逐漸達到平衡狀態，與重力梯度方向一致，即同當地垂直線方向一致，以保持衛星姿態的穩定。

根據對衛星的不同工作要求，衛星姿態的控制方法也是不同的。按是否采用專門的控制力矩裝置和姿態測量裝置，可把衛星的姿態控制分為被動姿態控制和主動姿態控制兩類。

被動姿態控制：

被動姿態控制是利用自然環境力矩或物理力矩源，如自旋、重力梯度、地磁場或氣動力矩等以及他們之間的組合來控制航天器的姿態。這種系統不需要電源，因而也不需要姿態敏感器和控制邏輯線路。主要類型有自旋穩定和環境力矩穩定等。適用于中等指向精度的飛行任務。一般試驗性小衛星采用這種控制方式。

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1、自旋穩定方式

有的衛星要求其一個軸始終指向空間固定方向，通過衛星本體圍繞這個軸轉動來保持穩定，這種姿態穩定方式就叫自旋穩定。它的原理是利用衛星繞自旋軸

旋轉所獲得的陀螺定軸性，使衛星的自旋軸方向在慣性空間定向。這種控制方式簡單，早期的衛星大多采用這種控制方式。使衛星產生旋轉可以用在衛星的表面沿切線方向對稱地裝上小火箭發動機，需要時就點燃小發動機，產生力矩，使衛星起旋或由末級運載火箭起旋。我國的東方紅一號衛星、東方紅二號通信衛星和風云二號氣象衛星都是采用自旋穩定的方式。

2、重力梯度穩定

重力梯度穩定是利用衛星繞地球飛行時，衛星上離地球距離不同的部位受到的引力不等而產生的力矩（重力梯度力矩）來穩定的。例如，在衛星上裝一個伸桿，衛星進入軌道后，讓它向上伸出，伸出去后其頂端就比衛星的其它部分離地球遠，因而所受的引力較小，而它的另一端離地球近，所受的引力較大，這樣所形成的引力之差對衛星的質心形成一個恢復力矩。如果衛星的姿態（伸桿）偏離了當地鉛垂線，這個力矩就可使它恢復到原來姿態。該種控制方式簡單、實用，但控制精度較低。

一般試驗性小衛星采用這種控制方式，如英國Uosat-1小衛星就采用的是重力梯度穩定。

主動姿態控制：

主動姿態控制，就是根據姿態誤差（測量值與標稱值之差）形成控制指令，產生控制力矩來實現姿態控制的方式。控制力矩來自于航天器上的能源，它屬于閉環控制系統。主要分類有以飛輪執行機構為主的三軸姿態控制系統、噴氣三軸姿態控制、地磁力矩控制系統。這類系統基本對每個控制自由度都配備姿態敏感器和執行機構，并使用有效的邏輯控制線路，保持衛星本體坐標系相對某一參考基準的方位。控制精度高，主要用于有效載荷精確指向，如通信、對地觀察等。目前絕大多數的應用衛星或科學探測衛星都采用這種姿態控制系統，如著名的Hubble太空望遠鏡、Clementine月球探測器等。

許多衛星在飛行時要對其相互垂直的的三個軸都進行控制，不允許任何一個軸產生超出規定值的轉動和擺動，這種穩定方式稱為衛星的三軸姿態穩定。目前，衛星基本上都采用三軸姿態穩定方式來控制，因為它適用于在各種軌道上運行的、具有各種指向要求的衛星，也可用于衛星的返回、交會、對接及變軌等過程。

實現衛星三軸姿態控制的系統一般由姿態敏感器、姿態控制器和姿態執行機構三部分組成。姿態敏感器的作用是敏感和測量衛星的姿態變化；姿態控制器的作用是把姿態敏感器送來的衛星姿態角變化值的信號，經過一系列的比較、處理，產生控制信號輸送到姿態執行機構；姿態執行機構的作用是根據姿態控制器送來的控制信號產生力矩，使衛星姿態恢復到正確的位置。

據中國國防科技信息網報道，2012年12月1日，法國偵察衛星“昴宿星”(Pleiades 1B)搭乘“聯盟”號火箭發射。該星將與已在軌的兩顆衛星一起，每天向法國部隊和全球商業用戶提供1000幅高分辨率圖像。該衛星安裝了三軸姿態穩定系統。

衛星姿態控制系統

姿態控制系統包括姿態確定子系統和姿態控制子系統兩部分。

姿態確定子系統：

姿態確定是姿態控制的前提，它的任務是利用星上的姿態敏感器測量所得到的信息，經過適當的處理，求得固連于衛星本體的坐標系相對于空間某參考坐標系中的姿態。姿態確定的輸入信息是姿態敏感器的測量數據，輸出是衛星的三軸姿態參數。若姿態參數是相對于某個慣性空間中定向的參考坐標系給出的，則稱為慣性姿態；若參考坐標系取為當地軌道坐標系，則稱為對地姿態。大部分衛星（如對地觀測衛星、通信廣播衛星）的有效載荷都要求對地定向，因此感興趣的是它的對地姿態，也有些衛星（如天文衛星）的有效載荷要求對日或某顆恒星定向，這時采用慣性姿態比較方便。

姿態確定系統主要由姿態敏感器和相應的信息處理算法即姿態確定算法組成，姿態確定精度取決于姿態敏感器硬件精度和姿態確定算法的精度。

姿態敏感器:

根據不同的基準方位，姿態敏感器主要包括以下幾類：（1）利用地球物理特性的敏感器，如紅外地平儀、磁強計、地球反照敏感器、陸標跟蹤器等；（2）利用天體位置的敏感器，如太陽敏感器、星敏感器；（3）利用慣性信標的敏感器，如陀螺儀、角加速度計；（4）利用無線電信標的射頻敏感器。

太陽敏感器、星敏感器、紅外地平儀、磁強計等都是通過測量外部參考坐標（如恒星、太陽、地球）相對星體坐標系的方位，來確定星體相對某參考坐標系的姿態角。受敏感器帶寬限制，僅利用這些角度敏感器無法精確獲得衛星姿態的動態變化信息。一般需引入高精度速率（積分）陀螺，連續測量星體姿態角速度，作為星體姿態基準。但陀螺定姿精度受到陀螺漂移影響，需要其他敏感器提供校正信息。因此，衛星姿態確定系統往往采用以陀螺為基準，幾種角度敏感器組合對陀螺漂移進行校正的方式，至于采用哪些敏感器則取決于姿態確定精度的要求。

姿態控制子系統:

此處的姿態控制系統是相對于姿態確定系統而言，主要包括執行機構和控制規律設計問題。其任務可分為姿態穩定和姿態機動兩方面。姿態穩定是使衛星姿態保持在給定方位上，如對地定向、對日定向；姿態機動則是使衛星從一種姿態過渡到另一種姿態的再定向過程。與姿態確定系統類似，姿態控制系統精度也取決于執行機構的硬件精度和控制規律所能達到的控制精度。