【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 穿過地球的弦寬，依據(jù)測(cè)出的弦寬長(zhǎng)短，再結(jié)合衛(wèi)星軌道高度，便可以計(jì)算出天底角（自旋軸矢量與衛(wèi)星地心連線之間的夾角）。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 圓錐掃描紅外地球敏感器 OSzSxSy紅 外 視 場(chǎng)掃 描 方 向紅 外 掃 描 錐基 準(zhǔn) 點(diǎn)? iHoH運(yùn) 動(dòng) 方 向掃 描 軸瞬 時(shí) 視 場(chǎng)空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 2）紅外地球敏感器 ?另一種是擺動(dòng)式邊界跟蹤地平儀，多為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星采用。敏感器包括由 4個(gè)熱敏電阻組成復(fù)合視場(chǎng)的紅外探測(cè)器，采用撓性樞軸支承，由無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)以5Hz的掃描頻率掃描的掃描反射鏡等部件組成，在精指向期間掃描幅度為 177。 5176。 ，在捕獲期間掃描幅度為177。 11176。 ，精度可達(dá) 176。 。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 3）星敏感器 星敏感器是以某一顆亮度較高的可見星等的恒星為基準(zhǔn) ， 測(cè)量其相對(duì)于航天器的角位置 ， 并同星歷表中該星的角位置參數(shù)進(jìn)行比較 ， 來確定航天器的姿態(tài) 。 也即通過對(duì)恒星星光的敏感來測(cè)量航天器的某一個(gè)基準(zhǔn)軸與該恒星視線之間的夾角 。 由于恒星張角非常小 (″ ～″ )， 因此星敏感器的測(cè)量精度很高 ， 比太陽敏感器高一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 3）星敏感器 星敏感器分 星圖儀 和 星跟蹤器 兩種類型， 星跟蹤器 又可分為 框架式 和 固定式 兩種形式。 ? 星圖儀：又稱星掃描器。一般都是狹縫式，用在自旋衛(wèi)星上，利用星體的旋轉(zhuǎn)來搜索和捕獲目標(biāo)恒星。 ? 框架式星跟蹤器：是把敏感頭裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)的框架上，且通過旋轉(zhuǎn)框架來搜索和捕獲目標(biāo)。 ? 固定式星跟蹤器：這種跟蹤器的敏感頭相對(duì)航天器固定，在一定的視場(chǎng)內(nèi)具有搜索和跟蹤能力，例如采用析像管電子掃描和 CCD器件成像。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 4）慣性敏感器 陀螺 ：陀螺是利用一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量來敏感其自旋軸在慣性空間定向的變化。 陀螺具有兩大特性，即定軸性和進(jìn)動(dòng)性。 定軸性 就是當(dāng)陀螺不受外力矩作用時(shí)，陀螺旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間保持方向不變； 進(jìn)動(dòng)性 就是當(dāng)陀螺受到外力矩作用時(shí)，陀螺旋轉(zhuǎn)軸將沿最短的途徑趨向于外力矩矢量，進(jìn)動(dòng)角速度正比于外力矩大小。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 光纖陀螺（德國(guó) LITEF公司）技術(shù)指標(biāo)： – 常值漂移： 3176。 /小時(shí) (恒溫度 ) – 隨機(jī)漂移： 176。 /sqrt(h) – 數(shù)據(jù)更新率 : – 測(cè)量范圍 : 176。 /s – 功耗： 慣性敏感器 包括液浮陀螺、靜電陀螺、撓性陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等。目前航天器上使用比較廣泛的液浮陀螺測(cè)量范圍為 40/s，隨機(jī)漂移 。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 4）慣性敏感器 陀螺 ：陀螺儀作為一種姿態(tài)敏感器，其測(cè)量誤差對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的精度影響很大，主要的誤差因素是常值漂移、隨機(jī)漂移、刻度因子誤差、安裝誤差等。其中常值漂移對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)確定誤差的影響隨時(shí)間增大?，F(xiàn)代衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)利用最優(yōu)濾波方法對(duì)陀螺漂移進(jìn)行在軌估計(jì)，可以大大提高姿態(tài)確定的精度。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 4）慣性敏感器 加速度計(jì) ：加速度計(jì)是用于測(cè)量航天器上加速度計(jì)安裝點(diǎn)的絕對(duì)加速度沿加速度計(jì)輸入軸分量的慣性敏感器。雖然目前加速度計(jì)沒有廣泛用于航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和控制，但它是航天器導(dǎo)航系統(tǒng)中重要的器件。 加速度計(jì)的種類很多，有 陀螺加速度計(jì)、擺式加速度計(jì)、振動(dòng)加速度計(jì)、石英加速度計(jì) 等。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 5）磁強(qiáng)計(jì) 磁強(qiáng)計(jì)是以地球磁場(chǎng)為基準(zhǔn)，測(cè)量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強(qiáng)計(jì)本身是用來測(cè)量空間環(huán)境中磁場(chǎng)強(qiáng)度的。由于地球周圍每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度都可以由地球磁場(chǎng)模型事先確定，因此利用航天器上的磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得的信息與之對(duì)比便可以確定出航天器相對(duì)于地球磁場(chǎng)的姿態(tài)。 磁敏感器根據(jù)工作原理不同可以分為 感應(yīng)式磁強(qiáng)計(jì) 和量子磁強(qiáng)計(jì) 兩種。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 目前應(yīng)用較多的是感應(yīng)式磁強(qiáng)計(jì) ， 它是建立在法拉第磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上的 。 感應(yīng)式磁強(qiáng)計(jì)分為搜索線圈式磁強(qiáng)計(jì)和磁通門磁強(qiáng)計(jì)兩種類型 。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 磁強(qiáng)計(jì) – 用于測(cè)量磁場(chǎng)在星體上的方向和大小 – 測(cè)量范圍： 177。 60000nT – 精度： 優(yōu)于 ％滿量程 – 軸間正交度： 90177。 – 工作溫度： 70℃ +80℃ 磁 敏 感 器 電 子 部 件信 號(hào) 處 理模 數(shù)轉(zhuǎn) 換 器遙 測(cè) 線 路空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 在實(shí)際的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，各種敏感器單獨(dú)使用一般是不能滿足要求的，需要多種多個(gè)姿態(tài)敏感器組合使用，形成一個(gè)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。原因主要有三方面： 相對(duì)于同一基準(zhǔn)最多只能獲得兩個(gè)姿態(tài)角； 各種敏感器均存在條件限制； 航天器的長(zhǎng)壽命工作特點(diǎn)要求敏感器可靠地長(zhǎng)時(shí)間提供高精度姿態(tài)信息，所以姿態(tài)敏感器的冗余便成為必須考慮的重要問題。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 采用上述不同敏感器，可以組成具有不同姿態(tài)確定精度的姿態(tài)測(cè)量方案。 （ 1）利用太陽敏感器和地球紅外敏感器，可以組成中等精度的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，姿態(tài)確定精度可以達(dá)到優(yōu)于 。一般適用于地面象元分辨率為 45m的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。 （ 2）利用星敏感器和慣性敏感器（液浮陀螺、光纖陀螺），可以組成高精度的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，姿態(tài)確定精度可以達(dá)到優(yōu)于。 這兩種姿態(tài)敏感器組成的姿態(tài)確定方案是目前大多數(shù)航天器所采用的方案。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) VI II bx bybz滾 動(dòng) 太 陽 敏 感 器俯 仰 太 陽 敏 感 器 Z 面 0 1 太 陽 敏 感 器+ Z 面 0 1 太 陽 敏 感 器滾 動(dòng) 地 球 敏 感 器俯 仰 地 球 敏 感 器太 陽 帆 板空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的基本概念和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 對(duì)地定向衛(wèi)星常用的三軸姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)有： 紅外地球敏感器加陀螺 特點(diǎn)：姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，是指向控制要求不高的衛(wèi)星三軸姿態(tài)的最佳測(cè)量方案。中國(guó)第一代返回式衛(wèi)星采用的就是這種方案。 紅外地球敏感器加太陽敏感器加陀螺 該系統(tǒng)由兩個(gè)圓錐掃描式紅外地球敏感器、兩個(gè)數(shù)字式太陽敏感器、三個(gè)單自由度液浮速率積分陀螺和星載數(shù)字計(jì)算機(jī)組成。 由于能對(duì)陀螺漂移和滾動(dòng)紅外地球敏感器的常值誤差進(jìn)行在軌標(biāo)定，因而提高了姿態(tài)確定的精度。 星敏感器加陀螺 特點(diǎn)：測(cè)量精度最高，已獲得應(yīng)用。但系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，成本較高。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 1 姿態(tài)控制方式 航天器的姿態(tài)控制方式很多 ， 按照控制力矩來源分類 ，一般可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種基本類型 。 這兩種方式相互組合 ， 又可分出半被動(dòng) 、 半主動(dòng)以及混合等三種類型 。 在此 ， 主要介紹被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種基本類型 。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù) 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 1）被動(dòng)控制 利用衛(wèi)星本身的動(dòng)力學(xué)特性（如動(dòng)量矩、慣量矩）或利用衛(wèi)星與周圍環(huán)境相互作用產(chǎn)生的外力矩（地磁場(chǎng)、太陽輻射力矩或氣動(dòng)力矩）作為控制力矩源，因此幾乎可以不消耗衛(wèi)星能源而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制方式的稱為被動(dòng)姿態(tài)控制。被動(dòng)姿態(tài)控制包括自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、磁穩(wěn)定和氣動(dòng)穩(wěn)定等。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù) 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 1）被動(dòng)控制 自旋穩(wěn)定 自旋穩(wěn)定是被動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單的方法。它的原理是利用航天器繞自旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)具有的定軸性使自旋軸在無外力矩作用時(shí)在慣性空間保持方向不變的姿態(tài)穩(wěn)定方式。自旋穩(wěn)定方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。但是它不具有控制自旋速度及再定向或使自旋軸進(jìn)動(dòng)的能力。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù) 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù) 1）被動(dòng)控制 環(huán)境力矩穩(wěn)定 環(huán)境力矩穩(wěn)定是另一類重要的航天器被動(dòng)控制方式 。氣動(dòng)力 、 重力梯度力 、 磁力和太陽輻射壓力對(duì)航天器質(zhì)心之矩 ， 都是潛在的控制力矩源 。 選擇適當(dāng)?shù)能壍栏叨?，設(shè)計(jì)一定的結(jié)構(gòu)形狀 ， 使得作為控制力矩的環(huán)境力矩的值遠(yuǎn)大于其余的環(huán)境力矩的值 ， 則可組成相應(yīng)的姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng) 。 空間飛行器總體設(shè)計(jì) 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù) 1）被動(dòng)控制 環(huán)境力矩穩(wěn)定 重力梯度穩(wěn)定是利用航天器各部分質(zhì)量在地球重力場(chǎng)中具 有不同的重力，以及在軌道運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生不同的離心力，重力和 離心力的合力產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩，即重力梯度力矩。這個(gè)恢復(fù) 力矩雖然很小，但是它能起穩(wěn)定作用，使航天器的某根體坐標(biāo) 軸指向