【文章內(nèi)容簡介】 ，由於有用到太陽感測器，在資料讀取上會(huì)有向光面與背光面的問題。微衛(wèi)星姿態(tài)判定 系統(tǒng)軌道方程式陳建榕 497370444 張凱茗 497370345為什麼要對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制 ?? 我們知道，衛(wèi)星在失重的環(huán)境下飛行，如果不對它進(jìn)行控制的話，它就會(huì)亂翻 滾 。這種情況是絕對不允許的，因?yàn)樾l(wèi)星都有自己特定的任務(wù)，在飛行時(shí)對它的飛行姿態(tài)都有一定的要求。衛(wèi)星的姿態(tài)控制就是控制衛(wèi)星的飛行姿態(tài)，保持姿態(tài)軸的穩(wěn)定，並根據(jù)需要改變姿態(tài)軸的方向。由於各種干擾，衛(wèi)星在空間的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度往往會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，這時(shí)就要進(jìn)行控制和調(diào)整。? 我們 可把衛(wèi)星的姿態(tài)控制分為 被動(dòng) 姿態(tài)控制和 主動(dòng) 姿態(tài)控制兩類。所謂被動(dòng)姿態(tài)控制，就是利用衛(wèi)星本身的動(dòng)力特性和環(huán)境力矩來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定的方法；主動(dòng)姿態(tài)控制則是根據(jù)姿態(tài)誤差形成控制指令，產(chǎn)生控制力矩來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的方式。被動(dòng)姿態(tài)控制方式有自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定等；主動(dòng)姿態(tài)控制方式是對 X、 Y、 Z三個(gè)軸進(jìn)行控制。有的衛(wèi)星要求其一個(gè)軸始終指向空間固定方向，通過衛(wèi)星本體圍繞這個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來保持穩(wěn)定，這種姿態(tài)穩(wěn)定方式就叫自旋穩(wěn)定。它的原理是利用衛(wèi)星繞自旋軸旋轉(zhuǎn)所獲得的陀螺定軸性，使衛(wèi)星的自旋軸方向在慣性空間定向。早期的衛(wèi)星大多採用這種控制方式。? 衛(wèi)星的另一種姿態(tài)穩(wěn)定方式稱為重力梯度穩(wěn)定。重力梯度穩(wěn)定是利用衛(wèi)星繞地球飛行時(shí)，衛(wèi)星上離地球距離不同的部位受到的引力不等而產(chǎn)生的力矩 (重力梯度力矩 )來穩(wěn)定的。許多衛(wèi)星在飛行時(shí)要對其相互垂直的的三個(gè)軸都進(jìn)行控制，不允許任何一個(gè)軸產(chǎn)生超出規(guī)定值的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，這種穩(wěn)定方式稱為衛(wèi)星的三軸姿態(tài)穩(wěn)定。目前，先進(jìn)的衛(wèi)星大都採用三軸姿態(tài)穩(wěn)定方式來控制。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制的系統(tǒng)一般包括 姿態(tài)敏感器 、 姿態(tài)控制器 和 姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三部分。 ? 姿態(tài)敏感器的作用是感受和測量衛(wèi)星的姿態(tài)變化：衛(wèi)星沿各個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度有多大，是否超出規(guī)定的範(fàn)圍。 ? 姿態(tài)控制器的作用是把姿態(tài)敏感器送來的衛(wèi)星姿態(tài)角變化值的信號(hào)，經(jīng)過比較、處理，然後把產(chǎn)生的控制信號(hào)輸送到姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ? 姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩種。一種是 氣體噴管 ，即在衛(wèi)星三個(gè)軸的方向安置若干個(gè)小的氣體噴管。一旦衛(wèi)星偏離所要求的姿態(tài)，相應(yīng)方向的噴管就會(huì)噴出氣體，產(chǎn)生推力，使衛(wèi)星回到所要求的姿態(tài)位置。另一種是反作用 飛輪 (一種具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輪子 )。當(dāng)衛(wèi)星的姿態(tài)處於所要求的姿態(tài)時(shí)，飛輪保持勻速旋轉(zhuǎn)，如果衛(wèi)星偏離了某一位置，則通過姿態(tài)敏感器和控制線路使飛輪加速或減速，產(chǎn)生一個(gè)相反方向的力矩，使衛(wèi)星回復(fù)到所要求的姿態(tài)位置。衛(wèi)星三個(gè)軸向各設(shè)置一個(gè)這樣的飛輪，就能控制衛(wèi)星三個(gè)軸方向的姿態(tài) 。 軌道六元素軌道六元素示意圖? 軌道六元素主要之目的是形容衛(wèi)星軌道特性。衛(wèi)星軌道分為高、低、中軌道，又分有太陽同步軌道、地球同步軌道、極地軌道或圓型軌道、橢圓軌道、雙曲線軌道。經(jīng)由軌道六元素可以決定衛(wèi)星處於何種軌道上。其包含? a ：橢圓軌道半長軸? e ：軌道離心率? i ：軌道傾角? ω：近地點(diǎn)偏角? Ω： 上昇角? t ：過近地點(diǎn)的時(shí)間軌道方程式?衛(wèi)星在地球軌道上運(yùn)行，地心引力是最主要的作用力，若將衛(wèi)星及地球考慮為二體問題，並假設(shè)衛(wèi)星與地球?yàn)榫鶆蚯蝮w，且可以視為質(zhì)量集中於質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)，以及只有重力作用，如圖示，其中 v為衛(wèi)星之速度， Fc 為離心力，則衛(wèi)星與地球間的作用力可以下式表示：? 隨著軌道偏心率不同，軌道的形狀也相異，如圖所示：軌道 能量關(guān)係圖e=0 圓軌道0e1 橢圓軌道e=1 拋物線軌道e1 雙曲線太陽感測器? 紫外線感測器是一種專門用來檢測紫外線的光電器件。它對紫外線特別敏感 ﹐ 尤其對木材 ﹑ 化纖織物﹑ 紙張 ﹑ 油類 ﹑ 塑料橡膠和可燃?xì)怏w等燃燒時(shí)產(chǎn)生的紫外光反應(yīng)特別強(qiáng)烈。? 紫外線感測器的陰極和陽極之間加有電壓 ﹐ 當(dāng)紫外線透過石英玻璃管照在陰極時(shí) ﹐ 由於陰極上涂敷有電子放射物質(zhì) ﹐ 陰極就會(huì)發(fā)射光電子 ﹐ 在強(qiáng)電場的作用下 ﹐ 光電子被吸向陽極 ﹐ 光電子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)與管內(nèi)的氣體分子相碰撞而使氣體分子電離 ﹐ 氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞 ﹐ 最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥 ﹐ 引起光放電現(xiàn)象 ﹐ 電路中形成很大的電流。太陽感測器需求? 近年來，由於新需求的出現(xiàn)，紫外線探測引起了人們的極大關(guān)注。民用及軍用產(chǎn)業(yè)都需要有更好的紫外線探測儀器，以用於引擎控制、太陽紫外線監(jiān)測、光源校正、紫外光天文學(xué)、火焰感測器、導(dǎo)彈羽流檢測以及空對空安全通信等應(yīng)用。? 這些應(yīng)用由於其具有高精密性、低功耗及高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，故半導(dǎo)體元件是紫外線檢測器的最佳選擇。儘管這些元件對可見及紅外光也很敏感，且在高能輻射下容易老化，但成熟的矽製程可為紫外線探測提供廉價(jià)而又高效的解決方案。ISET SENSOR皮托科技股份有限公司　太陽輻射感測器 ISETSensor符合大眾市場的高品質(zhì)科技量測設(shè)備新的 ISET感測器? 太陽光電系統(tǒng)的操作者，希望能由 PV設(shè)備得到簡單、快速且可靠的功能資訊。但由於光譜敏感性、反射與溫度特徵的不同，因此熱電式輻射感測器不會(huì)與真實(shí) PV發(fā)電機(jī)做能量產(chǎn)出的比較。? 此外使用者有相對高的獲取成本。? 相對於此，低價(jià)位種類的輻射感測器，並沒有達(dá)到長期精確度的需求，並且可能會(huì)因?yàn)榈蛢r(jià)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)功能不足而無法接受。? 太陽電池感測器 ISETSensor排除這些因素，符合太陽發(fā)電機(jī)的物理特徵，簡單、小型且適合設(shè)備的精確建立。新的外型設(shè)計(jì)，使其在各領(lǐng)域擁有廣泛的接受度。ISET SENSOR技術(shù)特徵? 太陽輻射經(jīng)由正確建置的太陽電池，轉(zhuǎn)換為等比例的電流。經(jīng)由與小型鋁合金設(shè)備耦合的特殊分流器電阻，決定量測電壓。與 PV模組比較，測試電池有幾乎相同的幾何結(jié)構(gòu)、特殊外型，可進(jìn)行外部溫度連接，為高度抗氣候性，確保了量測結(jié)果的重複正確性。? 溫度感測器為量測高準(zhǔn)確度，記錄了電池溫度的雙線式資料（ twowireddataline）。? 每個(gè) ISET Sensor的校準(zhǔn)，由公認(rèn)的測試實(shí)驗(yàn)室，於相同方式建置的參考環(huán)境（ W/m2）下進(jìn)行，並產(chǎn)生作為品質(zhì)保證的說明文件。? 可明顯地了解，因?yàn)椴煌夹g(shù)支援不同的光譜敏感度，因此 PV設(shè)備的能源評(píng)鑑與監(jiān)控，應(yīng)使用相同的感測器與 PV設(shè)備技術(shù)。進(jìn)一步考慮相同的物理特性，如溫度、反射與衰退。當(dāng)你擁有太陽電池技術(shù)的 ISETSensor，可得到合適的輻射感測器。座標(biāo)系統(tǒng)? 座標(biāo)系統(tǒng)是為了方便我們對衛(wèi)星姿態(tài)判定與建立姿態(tài)模型。? 衛(wèi)星在太空中我們?nèi)绻麤]有定義適當(dāng)座標(biāo)系統(tǒng)，我們也無法精確的對衛(wèi)星的方位與姿態(tài)進(jìn)行判定，分別列出四種常用座標(biāo)系統(tǒng)，分別為 地球固定座標(biāo) 、 地球慣性座標(biāo) 、 軌道座標(biāo) 與 衛(wèi)星本體座標(biāo) 。地球固定座標(biāo)? 地球固定座標(biāo)相對於地球是固定的? 是以地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)? X軸： 從地心指向地球赤道與格林威治子午圈（零子午圈）交點(diǎn)。 ? Z軸： 為地球自轉(zhuǎn)軸 。? Y軸 ：與 Ｚ、Ｘ 軸垂直，並 與Ｚ 、Ｘ 軸成一右旋系統(tǒng) 。 （ 右手定則決定方向）地球慣性座標(biāo)? 地球慣性座標(biāo)與地球固定座標(biāo)一樣是以地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)， 但定義 慣性座標(biāo)系統(tǒng)需有一個(gè)固定的參考點(diǎn)，通常會(huì)選定 春分點(diǎn)? X軸：地球 質(zhì)量中心指向 春分點(diǎn)? Z軸：地球 自轉(zhuǎn)軸 方向? Y軸：由右手定則 決定方向 。? 春分點(diǎn) 是指赤道平面和 黃道 的兩個(gè)相交點(diǎn)的一個(gè)（另一個(gè)是 秋分點(diǎn) ）。 冬至 後，太陽從南向北移動(dòng)，在 春分 那一天通過這一點(diǎn)。軌道座標(biāo)? 軌道座標(biāo)系統(tǒng)是根據(jù)衛(wèi)星速度與位置向量所定義的，主要目的 在提供 衛(wèi)星在軌道上的姿態(tài) 。? 軌道 座標(biāo)系統(tǒng)以衛(wèi)星質(zhì)量中心為 原點(diǎn)? Z軸：衛(wèi)星 質(zhì)量中心指向地球質(zhì)量中心的 方向? Y軸：負(fù) 的軌道面 法線方向? X軸：由 右手定則決定 方向? 軌道 座標(biāo)系統(tǒng)又稱為當(dāng)?shù)卮怪?水平 座標(biāo)系統(tǒng) (LocalVerticalLocalHorizontal,LVLH)。衛(wèi)星本體座標(biāo)? 衛(wèi)星本體座標(biāo)的原點(diǎn)位在衛(wèi)星的質(zhì) 心? X軸：由右手定則決定方向? Y軸：放置 CCD鏡頭 那一面 的 方向? Z軸：方向配置通訊天線那一面 姿態(tài) 系統(tǒng)建立 裕淵定稿論文提要內(nèi)容? 本文主要是針對 TUUSAT1A微衛(wèi)星之細(xì)部設(shè)計(jì)，使用系統(tǒng)驗(yàn)證軟體 TUUSIM(TUUSAT1AIMulator)對任務(wù)做模擬分析。由微衛(wèi)星的概念介紹、 TUUSAT1A任務(wù)與架構(gòu)為前導(dǎo)，在瞭解微衛(wèi)星的基本架構(gòu)後， 進(jìn)而說明微衛(wèi)星各子系統(tǒng)細(xì)部設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)與初步設(shè)計(jì)，例如系統(tǒng)需求、硬體等設(shè)計(jì)，並對每層的系統(tǒng)配製作詳細(xì)的說明。接著為了 驗(yàn)證 UUSAT1A子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與效能，使用研究團(tuán)隊(duì)自行發(fā)展的驗(yàn)證軟體TUUSIM，在整合熱控程式後，對姿態(tài)、熱控、電源與通訊四個(gè)子系統(tǒng)作任務(wù)模擬分析，將模擬結(jié)果與系統(tǒng)細(xì)部設(shè)計(jì)作討論。 衛(wèi)星任務(wù)目標(biāo)與需求 ? 此設(shè)計(jì)的 TUUSAT1A微衛(wèi)星規(guī)格為：執(zhí)行任務(wù)壽命時(shí)間三個(gè)月，設(shè)計(jì)壽命一年，重量屬微衛(wèi)星等級(jí)，外型為 28立方公分的四立方體 柱TUUSAT1A 微衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)? 根據(jù)不同的任務(wù)需求，來定義出微衛(wèi)星所需具備的功能，並建立一個(gè)微衛(wèi)星的基本架構(gòu)。以 TUUSAT1A微衛(wèi)星整體的系統(tǒng)為例，本衛(wèi)星平臺(tái)共分為 SMS(結(jié)構(gòu) )、 A