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发信人: bage (分分秒秒@牵肠挂肚), 信区: AerospaceScience
标  题: 人造卫星的姿态控制
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月28日10:17:20 星期六), 站内信件

人造卫星的姿态控制
李铁寿
　　“喂！乌鲁木齐办事处，我是北京……”某公司总经理正在打电话向千里之外的下
属作指示。载着双方语音信号的电波通过离地面36000公里高的“东方红三号”卫星在两
地之间不停地往返传送。小小的静止通信卫星能够与广大国土上任何城镇进行双向通信
，得益于卫星的姿态控制。正是姿态控制保证了卫星上通信天线的无线电波束不偏不倚
地对准祖国疆土上的用户，宛如聚光灯的光束照亮着舞台上的报幕员。
　　人造卫星在空间的运动可以分为两部分：轨道运动和姿态运动。轨道运动是卫星作
为一个质点环绕地球的运动。姿态运动则是卫星围绕自身某个点的转动运动。姿态运动
的方式和快慢是由卫星的任务决定的。例如，有的气象卫星要求星体快速旋转，使得卫
星上的气象观测仪器不停地对地球扫描，获取云图。天文卫星则要求姿态保持高度稳定
，以便能够对选定的星球拍摄高质量的照片，同时又能够改变姿态，可以对多个目标进
行观测。
　　一般来说，在卫星业务运行期间，总是需要保持星体的一条轴线或三条轴线在空间
的方向。星体的一条轴线定向时，通常使星体绕该轴线旋转，这就是自旋卫星。三条轴
线定向时，就是三轴稳定卫星。
自旋稳定——让卫星旋转起来
　　1970年4月27日，中国第一颗人造卫星“东方红一号”进入太空。这是一颗自旋卫星
，转速为每分钟120转。类似于圆柱形或球形的星体，在绕着对称轴旋转起来后，如果不
受外力矩作用，其对称轴方向在空间将保持不变。卫星的这种运动称为自旋运动。
　　在人类进行空间活动的初期，人们把人造卫星当作不可变形的物体——刚体看待。
根据刚体动力学原理，圆柱形刚体卫星的自旋运动总是稳定的。这就是说，当自旋运动
受到很小的短暂扰动后，圆柱体对称轴将沿着一个圆锥面运动（即章动），而且能够保
持很小的半锥角（即章动角）；若扰动充分小，则章动角可任意小。因此，自旋稳定是
一种最简单的、不需要能源的姿态控制（被动控制）。
　　但是，绕对称轴旋转的细长型近似圆柱体美国卫星“探险者1号”，在1958年发射入
轨后章动角逐渐增大，最后变成绕横轴旋转。这显然与刚体动力学的结论相抵触。研究
表明，由于星体内存在挠性（可变形）部件，其运动会耗散能量，使得细长型卫星自旋
运动不稳定；而短粗型卫星自旋运动不但稳定，而且随着能量的耗散，其章动角会不断
衰减。因此，人们确立了短粗型自旋卫星的设计原则。
　　然而由于运载火箭的限制，制造较大的卫星必须把星体加长，成为细长型卫星。这
种卫星必须借助主动章动控制才能实现自旋稳定。“风云二号”气象卫星在进入静止轨
道之前就是细长型卫星。它的章动控制系统用加速度计测量章动，其信号经过控制电路
处理，驱动卫星上的小喷气发动机（推力器）点火，抑制章动角的增长。
　　卫星飞行时往往要求将自旋轴由一个方向改变到另一个方向，这就是自旋卫星的姿
态机动。这通常由推力器进行一系列脉冲式点火来实现，其重复周期与卫星旋转周期相
同。每次点火都使得对称轴朝着同一方向转动。
　　姿态机动可以由星上控制系统自动进行，也可以由地面控制中心遥控使推力器点火
，遥控命令是根据来自卫星的遥测姿态信号实时产生和发送的。后一种方式称为星地大
回路控制，在这种方式下星上控制电路简单，但地面操作工作量比较大。
双自旋卫星
——让天线始终着地面
　　自旋卫星的姿态控制简单、可靠，但它不宜作为通信卫星，因为要这种卫星保持与
地面通信联系不间断，星上的通信天线必须向四周发射电波，其中只有很少部分电波能
到达地面站，因而效率低下。为了弥补这一缺陷，使用窄波束天线，并始终对着地面选
定区域而不是随着卫星主体旋转。对地定向的天线和旋转的主体，两者用轴承和电动机
连接，以便能相对转动并进行定向控制，这就构成双自旋卫星。中国1980年代使用的通
信卫星“东方红二号甲”就是双自旋卫星。
　　双自旋卫星也有短粗型和细长型之分。为了使细长型双自旋卫星姿态稳定，可采取
被动章动阻尼，也可采用主动章动控制。被动章动阻尼是在不旋转部分设置阻尼器，以
耗散能量使章动角减小。主动章动控制可以使用推力器，但这样消耗燃料比较多。对于
长期运行的细长型卫星，通常是利用卫星质量分布的不平衡性质，并通过电动机控制，
来消除章动角的。
利用地球引力来控制姿态
　　地球对周围物体的引力，其方向指向地球中心，引力大小与物体质量成比例，与物
体到地心的距离平方成反比。这样，对一种哑铃形卫星来说，会受到所谓重力梯度力矩
的作用。对于火箭和飞机，重力梯度力矩比起推力干扰力矩或气动力矩来说实在太小，
可以忽略不计。对于自由飞行的卫星则可能是最主要的力矩。
　　利用重力梯度力矩，可以使哑铃形卫星（加上适当的阻尼装置）自动寻找并跟踪地
心方向。与重力梯度力矩类似，轨道运动的离心力也会产生离心力梯度力矩。重力梯度
力矩和离心力梯度力矩联合作用，可以获得三轴稳定。如果卫星是一本较厚的书，那么
在这两种力矩联合作用下稳定的姿态是：书面与轨道面平行，书的长边与铅垂线平行。
这些被动姿态控制方式，统称为重力梯度稳定。
　　重力梯度稳定方式简单可靠、消耗能量少、寿命长，但缺点是控制力矩小（因而易
受干扰力矩影响）指向精度低、需要专门的阻尼装置、存在双向稳定和正确初始姿态捕
获的问题。因此它目前仅用于少数对姿态精度要求不高的卫星。目前还在试验阶段的绳
索卫星也利用重力梯度力矩。绳索卫星通过一根柔性绳索与航天飞机连接，向上或向下
释放100公里，用于研究地磁场、电动力学、大气特性以及进行地球观测，还可以利用绳
索中的电缆切割地球磁力线来发电或者产生改变卫星轨道的作用力。
主动姿态控制系统
　　自旋稳定和重力梯度稳定是利用卫星动力学特性和环境力矩实现的被动姿态控制。
被动控制虽然有其优点，但是难以满足对姿态控制功能和性能的越来越高的要求。例如
为了满足天线定向、观测仪器定向和太阳电池帆板定向的要求，必须发展比较复杂的主
动三轴稳定姿态控制系统。
　　以某种对地面三轴稳定卫星为例。假想卫星上有三条互相垂直的轴线，一条沿卫星
运动方向水平向前，另一条垂直于运动轨道平面，第三条向下指向地球中心。卫星绕这
三条轴线的转动角称为姿态角。
　　姿态控制系统由敏感器、控制电路与计算机、执行机构三大部分构成。它们在控制
系统中的作用分别相当于眼睛、大脑和手足在人体中的作用。它们连同受控对象——卫
星一起，组成闭环系统。敏感器测量姿态角和角速度；控制电路和计算机处理测量信号
，根据预先设计的控制规律产生控制信号；控制信号经过放大，驱动执行机构，产生控
制力矩，作用于卫星，使得姿态和角速度接近于给定的目标值。
　　卫星的姿态敏感器主要有地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器、陀螺仪、射频敏感
器、磁强计。
　　地球敏感器使用红外线探测元件对地球扫描，当敏感器“视线”扫过地平时，感受
到红外辐射急剧变化，从而测得姿态角。
　　太阳敏感器利用太阳光线通过一条狭缝投射到太阳电池码盘上，不同的入射角产生
不同的数码信号，从而获得姿态信息。
　　星敏感器利用电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）阵列获取星空图象，
由卫星上的计算机进行星图识别和计算，可以确定三轴姿态。
　　陀螺仪利用转子高速旋转产生的定轴性，来测量卫星的角速度和姿态变化。
　　射频敏感器利用卫星上方向稍有差别的几个窄波束天线同时接收来自同一个目标的
无线电信号，并对各自接收的效果进行比较，从而确定卫星相对于目标的姿态。
　　磁强计测量地磁场在卫星中的大小和方向，根据地磁场模型来确定卫星姿态信息。

　　卫星上控制电路和计算机使用的电子元器件和计算机芯片必须非常可靠，能够耐受
发射过程中过载、剧烈的振动和噪声，以及大气层外长期恶劣的空间辐照和高低温交变
环境。星载计算机多采取冗余备份、自动检测和诊断故障、自行改组系统结构、自行恢
复正常工作等容错设计。
　　卫星姿态控制执行机构大致有喷气执行机构、机电执行机构、环境力执行机构三种
类型。
　　喷气执行机构通过喷气发动机（推力器）产生高压气体并向星体外喷射，以获得对
卫星的反作用力和力矩。常用作姿态控制的喷气系统有：冷气系统，它以高压液态惰性
气体为工质；单组元系统,以无水肼为燃料，当加压的肼通过多孔的催化剂床时，燃烧分
解产生高温高压气体喷出；双组元系统,使用燃烧剂和氧化剂两种液体推进剂，在推力器
的燃烧室混合、燃烧，推进效率较高。
　　机电执行机构一般由驱动电路、电机、轴承、传动装置和惯性质量等组成。常见的
有惯性轮、控制力矩陀螺、太阳阵或天线的指向驱动装置等。惯性轮具有大惯量的轮体
，当它的旋转运动被加速或减速时，产生反作用控制力矩。可以正反两向旋转、转速在
零附近的惯性轮是反作用轮。如果惯性轮在加速减速过程中始终具有较高转速，则成为
动量轮。动量轮不仅能产生控制力矩，而且其角动量可以使转轴在惯性空间保持稳定。
控制力矩陀螺的轮体转轴安装在框架上，可以相对于卫星转动，但其转速不变。
　　环境力执行机构是一种利用空间环境与航天器的相互作用产生力矩的装置，例如磁
力矩器、重力梯度杆、太阳光压装置、气动力矩装置等。磁力矩器是一个线圈，通电时
产生磁偶极矩，与地磁场作用产生力矩。
为祖国服务，东方红三号！
　　东方红三号卫星是中国第一颗全轨道（从火箭发射入轨开始）三轴稳定的静止通信
卫星，1997年5月12日由“长征三号甲”火箭发射升空。进入转移轨道后，星箭分离。此
时，姿态控制系统就开始工作了。
　　速率阻尼、太阳捕获
　　首先是速率阻尼，即消除卫星从火箭分离时受到的干扰。这是用陀螺仪测量卫星角
速度，并控制推力器点火实现的。其次是搜索太阳，即如果规定的太阳敏感器没有“看
见”太阳，则命令卫星转动，搜索太阳。最后，当太阳进入指定的太阳敏感器的宽视场
，则利用该敏感器的测量信号，控制推力器点火，使该敏感器的中心轴线指向太阳，这
就完成了太阳捕获。此时太阳电池阵面向太阳，卫星处于安全状态。
　　地球捕获、建立点火姿态
　　在地面能够见到卫星时，发指令使卫星的一条斜轴指向太阳，并绕该轴线慢旋，使
得在慢旋过程中某些时候地球敏感器能够“看见”地球。一旦如此，就用地球敏感器和
太阳敏感器测量三轴姿态。卫星建立起对地定向的三轴稳定姿态，完成了地球捕获。进
一步，由地面发令，使卫星建立远地点发动机点火所需要的姿态。
　　远地点发动机点火期间的姿态控制
　　由于东方红三号卫星太阳帆板翼展达十余米，液体推进剂约占卫星重量的一半，而
远地点发动机点火的干扰力矩又大，容易激发太阳帆板振动和液体推进剂晃动。因此设
计控制规律必须有很好的抗干扰能力，能够容忍帆板振动和液体晃动特性中的不确知因
素。
　　建立正常运行姿态
　　5月12日至14日共进行太阳捕获两次、地球捕获两次、远地点点火三次。第三次点火
结束后，卫星进入准同步轨道。此时卫星启动动量轮，开始以长期正常运行方式运行。
在正常运行方式下，使用地球敏感器测量两轴姿态。利用动量轮和推力器进行两轴控制
。利用角动量的定轴性实现第三轴的被动控制。
　　轨道控制、定点捕获
　　在对卫星的轨道进行控制时，用地球敏感器和太阳敏感器测量三轴姿态，用推力器
控制轨道和姿态。5月17日至20日共进行轨道控制6次，使卫星定点在东经125度赤道上空
。
　　投入使用、长期运行
　　在按计划完成在轨测试和工况调整处理后，东方红三号卫星正式投入使用。现在，
它的24个C波段转发器全部开通，主要用于公众通信，即国内长途电话、数据传输、临时
电视转播等业务。它作为目前唯一的国产通信卫星，跻身于众多洋卫星之间，日夜不停
地为祖国的现代化建设服务。
关键词： 人造卫星 姿态控制

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