卫星 > 百科

卫星的姿态控制方法

 被动姿态控制

利用航天器本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法称为被动姿态控制。例如人造卫星自旋稳定、重力梯度稳定、磁稳定、气动稳定、太阳辐射压力稳定等。航天器在轨道飞行时,周围环境力形成对其质心的力矩。

例如,稀薄大气分子对航天器外表面撞击所产生的气动力矩,由航天器磁矩(所含铁磁体或者环路电流的合成效应)与周围环境磁场相互作用所产生的磁力矩,因作用在航天器各部分质量上的地球引力有差异和航天器3个主惯量不相等而形成的重力梯度力矩,以及因太阳辐射对航天器表面作用所产生的太阳辐射压力等。这些外部因素产生的力矩使航天器的姿态趋向于平衡姿态。

在平衡姿态下,外力矩的合成力矩等于零。气动稳定、太阳辐射压力稳定、磁稳定和重力梯度稳定等被动姿态控制的实质是利用航天器的稳定的平衡姿态作为运行姿态。气动稳定和太阳辐射压力稳定时的平衡姿态是气动力或辐射压力通过质心的静稳定姿态。磁稳定时的平衡姿态是航天器磁矩与环境磁场方向一致时的姿态。重力梯度稳定时的平衡姿态是航天器的最大惯量轴垂直于轨道平面,最小惯量轴沿当地垂线方向时的姿态。

自旋稳定所根据的原理是在无外力矩作用时自旋航天器的动量矩在空间守恒(即大小和方向保持不变)。快速旋转的航天器在外力矩作用下仍然能够在短期内维持稳定姿态,但自旋轴方向逐渐漂移,其漂移率反比于自旋转速。自旋轴在外力矩作用下的运动称为进动。

被动稳定的航天器当偏离其平衡姿态时(因初始姿态不同于平衡姿态或者在外力矩作用下偏离原来的平衡姿态),由于能量和动量矩的作用,航天器将绕平衡姿态作往复振荡。对于自旋稳定,这种振荡称为章动。

对于重力梯度稳定,这种振荡称为天平动。为使被动稳定的姿态在受扰后恢复平衡,需要把章动或者天平动所包含的额外能量消耗掉。这种消耗振荡能量的措施称为阻尼,实现阻尼的装置称为阻尼器,有章动阻尼器和天平动阻尼器等。被动姿态控制系统的主要优点是几乎不消耗或者很少消耗航天器上的能源,结构简单,适合于较长寿命的航天器,但是控制精度一般不高。

 主动姿态控制

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法。要求对三个轴进行姿态控制的航天器(见航天器三轴姿态控制)通常采用主动姿态控制。主动姿态控制系统由姿态敏感器、控制器和执行机构(也称力矩器)组成。

常用的航天器姿态敏感器有陀螺仪、红外地球敏感器(见地球敏感器)、太阳敏感器、恒星敏感器、磁强计和射频敏感器等。为了不间断地获得姿态信息,常用陀螺仪和光学姿态敏感器(地球、太阳、恒星敏感器)构成组合式姿态测量基准。由陀螺仪提供短期姿态信息,由光学敏感器提供校准信号来修正陀螺的漂移。

常用的执行机构(见航天器姿态控制执行机构)有喷气执行机构、磁力矩器和飞轮。喷气执行机构通过排出高速气体或离子流对航天器产生反作用力矩,实现航天器的姿态控制。

磁力矩器利用航天器内通电绕组所产生的磁矩和环境磁场作用来实现控制。飞轮是一种由电机驱动的高速转动部件,通过航天器与装在航天器内的飞轮之间的动量交换来控制航天器的姿态。因此,飞轮是一种动量交换式执行部件。

某些姿态控制方案要求飞轮保持一定的平均转速,这种飞轮称为动量轮。另一些姿态控制方案要求飞轮平均转速为零,这种飞轮称为反作用轮。飞轮控制最适合于克服作用在航天器上周期性的外部扰动力矩。但是当航天器受恒值外力矩作用时,飞轮的动量矩在某个方向上不断增大,直到飞轮转速达到极限值,这种现象称为飞轮饱和。这时飞轮失去进一步控制航天器姿态的能力。为了使飞轮恢复控制作用,可以利用喷气力矩、重力梯度力矩或磁力矩器产生的力矩使飞轮的动量矩向相反方向发生较大的变化,这种控制称为飞轮卸饱和控制。

如果把飞轮轴安装在框架上,不仅可以改变飞轮动量矩的大小,而且可以改变它的方向,这种飞轮叫框架式飞轮,有单框架和双框架飞轮两种。还有一种动量交换式执行部件叫做控制力矩陀螺,即安装在框架内的恒速旋转的飞轮装置,这是一种只靠改变转轴方向来实现控制的执行部件。

框架式飞轮和控制力矩陀螺也有饱和问题,也采用与飞轮相同的卸饱和手段。控制器是利用姿态信息形成控制指令的电子装置。它可以是简单的逻辑电路,也可以是较复杂的信息处理器和控制计算机。

主动姿态控制系统的主要优点是精度较高,灵活性大,快速性好(尤其是喷气控制),但是需要消耗航天器上的能源,控制电路较复杂,成本较高。

关于上帝之眼| 招贤纳士| 意见反馈| 联系我们| 网站地图| 友情链接| 卫星库| 地球论坛

©2005-2016 Godeyes,cn Interactive. All rights reserved 上帝之眼版权所有

桂ICP备13002970号-2

网警 联系电话