【文章內容簡介】 穿過地球的弦寬，依據測出的弦寬長短，再結合衛(wèi)星軌道高度，便可以計算出天底角（自旋軸矢量與衛(wèi)星地心連線之間的夾角）。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 圓錐掃描紅外地球敏感器 OSzSxSy紅 外 視 場掃 描 方 向紅 外 掃 描 錐基 準 點? iHoH運 動 方 向掃 描 軸瞬 時 視 場空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(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個熱敏電阻組成復合視場的紅外探測器，采用撓性樞軸支承，由無刷電機驅動以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 176。 。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(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 ， 測量其相對于航天器的角位置 ， 并同星歷表中該星的角位置參數進行比較 ， 來確定航天器的姿態(tài) 。 也即通過對恒星星光的敏感來測量航天器的某一個基準軸與該恒星視線之間的夾角 。 由于恒星張角非常小 (″ ～″ )， 因此星敏感器的測量精度很高 ， 比太陽敏感器高一個數量級 。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(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，利用星體的旋轉來搜索和捕獲目標恒星。 ? 框架式星跟蹤器：是把敏感頭裝在可轉動的框架上，且通過旋轉框架來搜索和捕獲目標。 ? 固定式星跟蹤器：這種跟蹤器的敏感頭相對航天器固定，在一定的視場內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。 空間飛行器總體設計 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 4）慣性敏感器 陀螺 ：陀螺是利用一個高速旋轉的質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，即定軸性和進動性。 定軸性 就是當陀螺不受外力矩作用時，陀螺旋轉軸相對于慣性空間保持方向不變； 進動性 就是當陀螺受到外力矩作用時，陀螺旋轉軸將沿最短的途徑趨向于外力矩矢量，進動角速度正比于外力矩大小。 空間飛行器總體設計 光纖陀螺（德國 LITEF公司）技術指標： – 常值漂移： 3176。 /小時 (恒溫度 ) – 隨機漂移： 176。 /sqrt(h) – 數據更新率 : – 測量范圍 : 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量范圍為 40/s，隨機漂移 。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(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，其測量誤差對衛(wèi)星姿態(tài)測量的精度影響很大，主要的誤差因素是常值漂移、隨機漂移、刻度因子誤差、安裝誤差等。其中常值漂移對衛(wèi)星姿態(tài)確定誤差的影響隨時間增大?，F(xiàn)代衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)利用最優(yōu)濾波方法對陀螺漂移進行在軌估計，可以大大提高姿態(tài)確定的精度。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 4）慣性敏感器 加速度計 ：加速度計是用于測量航天器上加速度計安裝點的絕對加速度沿加速度計輸入軸分量的慣性敏感器。雖然目前加速度計沒有廣泛用于航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和控制，但它是航天器導航系統(tǒng)中重要的器件。 加速度計的種類很多，有 陀螺加速度計、擺式加速度計、振動加速度計、石英加速度計 等。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 2 姿態(tài)敏感器 5）磁強計 磁強計是以地球磁場為基準，測量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強計本身是用來測量空間環(huán)境中磁場強度的。由于地球周圍每一點的磁場強度都可以由地球磁場模型事先確定，因此利用航天器上的磁強計測得的信息與之對比便可以確定出航天器相對于地球磁場的姿態(tài)。 磁敏感器根據工作原理不同可以分為 感應式磁強計 和量子磁強計 兩種。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 目前應用較多的是感應式磁強計 ， 它是建立在法拉第磁感應定律的基礎上的 。 感應式磁強計分為搜索線圈式磁強計和磁通門磁強計兩種類型 。 空間飛行器總體設計 磁強計 – 用于測量磁場在星體上的方向和大小 – 測量范圍： 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 處 理模 數轉 換 器遙 測 線 路空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測量系統(tǒng) 在實際的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，各種敏感器單獨使用一般是不能滿足要求的，需要多種多個姿態(tài)敏感器組合使用，形成一個姿態(tài)測量系統(tǒng)。原因主要有三方面： 相對于同一基準最多只能獲得兩個姿態(tài)角； 各種敏感器均存在條件限制； 航天器的長壽命工作特點要求敏感器可靠地長時間提供高精度姿態(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。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測量系統(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)測量系統(tǒng)，姿態(tài)確定精度可以達到優(yōu)于 。一般適用于地面象元分辨率為 45m的對地觀測衛(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)測量系統(tǒng)，姿態(tài)確定精度可以達到優(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航天器所采用的方案。 空間飛行器總體設計 VI II bx bybz滾 動 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 地 球 敏 感 器俯 仰 地 球 敏 感 器太 陽 帆 板空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星姿態(tài)測量的基本概念和姿態(tài)測量系統(tǒng) 3 典型的衛(wèi)星姿態(tài)測量系統(tǒng) 對地定向衛(wèi)星常用的三軸姿態(tài)測量系統(tǒng)有： 紅外地球敏感器加陀螺 特點：姿態(tài)測量系統(tǒng)簡單、成本低，是指向控制要求不高的衛(wèi)星三軸姿態(tài)的最佳測量方案。中國第一代返回式衛(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)由兩個圓錐掃描式紅外地球敏感器、兩個數字式太陽敏感器、三個單自由度液浮速率積分陀螺和星載數字計算機組成。 由于能對陀螺漂移和滾動紅外地球敏感器的常值誤差進行在軌標定，因而提高了姿態(tài)確定的精度。 星敏感器加陀螺 特點：測量精度最高，已獲得應用。但系統(tǒng)技術復雜，成本較高。 空間飛行器總體設計 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 ，一般可分為被動式和主動式兩種基本類型 。 這兩種方式相互組合 ， 又可分出半被動 、 半主動以及混合等三種類型 。 在此 ， 主要介紹被動式和主動式兩種基本類型 。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術 空間飛行器總體設計 1）被動控制 利用衛(wèi)星本身的動力學特性（如動量矩、慣量矩）或利用衛(wèi)星與周圍環(huán)境相互作用產生的外力矩（地磁場、太陽輻射力矩或氣動力矩）作為控制力矩源，因此幾乎可以不消耗衛(wèi)星能源而實現(xiàn)姿態(tài)控制方式的稱為被動姿態(tài)控制。被動姿態(tài)控制包括自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、磁穩(wěn)定和氣動穩(wěn)定等。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術 空間飛行器總體設計 1）被動控制 自旋穩(wěn)定 自旋穩(wěn)定是被動控制中最簡單的方法。它的原理是利用航天器繞自旋軸旋轉時具有的定軸性使自旋軸在無外力矩作用時在慣性空間保持方向不變的姿態(tài)穩(wěn)定方式。自旋穩(wěn)定方式簡單、經濟、可靠。但是它不具有控制自旋速度及再定向或使自旋軸進動的能力。 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術 1）被動控制 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控制方式 。氣動力 、 重力梯度力 、 磁力和太陽輻射壓力對航天器質心之矩 ， 都是潛在的控制力矩源 。 選擇適當的軌道高度 ，設計一定的結構形狀 ， 使得作為控制力矩的環(huán)境力矩的值遠大于其余的環(huán)境力矩的值 ， 則可組成相應的姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng) 。 空間飛行器總體設計 167。 衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術 1）被動控制 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量在地球重力場中具 有不同的重力，以及在軌道運動中產生不同的離心力，重力和 離心力的合力產生一個恢復力矩，即重力梯度力矩。這個恢復 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 軸指向