第 7 章 姿态控制与轨道控制

空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
对卫星施加外力，改变其质心运动轨迹并使之满足要求的 技术称为轨道控制或制导。
1）轨控推力模型
用于轨道控制的外力有反作用推力和空间自然环境力。如 使用喷气发动机进行轨道控制，可根据所需要的速度增量及 有关发动机特性参数计算发动机控制参数。 v 若发动机连续工作，则工作时间为 m0 Is Is t 1 e F 式中， m0 ——卫星控制前的总质量； s/kg。 I s ——发动机比冲，N· F——平均推力。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
2）星地大回路控制
依赖地面测控系统和星上敏感器 共同来测量和确定卫星的轨道或姿 态，并由地面按导引律和姿态控制 律要求的控制方式通过遥控指令控 制卫星姿态和轨道控制执行机构的 工作，这种控制方式称为星地大回 路控制。地面设备包括对卫星进行 跟踪测轨的雷达，接收卫星姿态信 息的下行遥测接收装臵，地面计算 机，遥控上行发射装臵等。
空间飞行器总体设计
空间飞行器总体设计
§7.2 力作用时间比轨道周期短得多时， 此时可将推力作用过程近似为一个脉冲函数，称为脉冲推力模
型。
若发动机脉冲工作，则工作次数为
t N F
的整数部分，式
中δ为有效脉冲宽度，Δt可按连续推力时间确定。 燃料消耗量Δm为
指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿
态过渡到另一个姿态的再定向过程。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
2 姿态控制的任务
1）姿态机动
在卫星飞行过程中常常需要从一种姿态转变到另一种姿态， 称为姿态机动或姿态再定向。
2）姿态稳定
克服内外干扰力矩使卫星姿态保持对某参考方位定向的控制 任务称为姿态稳定。
空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
2）轨道机动及优化
轨道机动控制的设计任务是确定控制策略、计算最优轨道 机动的参数和实施方式。 对于平面内控制，进行一次切向脉冲控制可以控制轨道半 长轴或控制偏心率，两次切向脉冲控制可以同时控制半长轴和 偏心率，三次切向脉冲控制可以同时控制半长轴、偏心率和卫 星在轨道上的角位臵。这样，可以实现几个轨道根数的协调控 制。东方红三号卫星的定点捕获和中巴资源卫星的轨道控制都 实现了协调控制。 对于倾角控制（轨道平面控制），只要在控前轨道平面和 目标轨道平面的交线上施以轨道平面法向的推力脉冲即可。
消耗等条件的限制。要研制和选用适合空间工作的轻型、低功
耗的元部件。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
卫星控制系统在原理上和其他工程控制系统基本上是一样 的，完成三个最基本的过程：敏感测量、信号处理和执行过 程，因此其控制系统组成包括测量部件、控制电路或计算机、 执行机构三大部分。
标卫星。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
1 轨道控制的任务
4）返回控制
使卫星脱离原来的轨道，进入大气层的控制。卫星从外层空 间返回地球表面经历下面四个阶段： 离轨：通过轨道控制使卫星离开原运行轨道，转入一条能进入 大气层的过渡轨道； 过渡：进行必要的轨道修正、调整卫星姿态为再入大气层作好 准备； 再入：当卫星下降到离地面 80 ～ 120km 时，进入稠密大气层， 再入段开始； 着陆。
§7.1 概述
航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。
轨道控制
对航天器的质心施以外力，以有目的地改变其运动轨 迹的技术。 姿态控制 对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在 空间的定向的技术。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
1 轨道控制的任务
轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。 轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位臵和速度，有时也
空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
1 轨道确定
卫星的轨道确定可分为两类：非自主确定和自主确定。
1）非自主确定：由地面站设备（如雷达）对卫星进行跟踪测轨，
且在地面测控中心进行数据处理，最后获得轨道位臵信息。
这种轨道确定方法依赖于地面站，需要相当数量的地面站。 一个或多个地面站雷达对卫星跟踪，在若干可跟踪弧段获得卫星
必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控
制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某 些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。 某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天 器的姿态却有要求。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
4 卫星控制系统的特点
1）卫星运行在空间的失重环境中，许多卫星又具有复杂 的结构，难于在地面进行动力学试验。因此对卫星的动力学
称为空间导航，简称导航；
轨道控制是根据航天器现有位臵、速度、飞行的最终目标，对 质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。
轨道控制的任务可分为4类。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
1）变轨控制和轨道机动 这种控制使航天器从一条自由飞行轨道转移到另一 条自由飞行轨道。变轨前后的两条轨道可以在同一平面 内，也可以在不同平面内。
空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
3）静止卫星的位置保持控制
在静止卫星定点后，为了克服轨道摄动的影响，长期保持轨 道位臵满足规定的精度，要定期进行轨道修正，即位臵保持。 静止轨道的主要摄动有三部分： 地球非球形田谐项（赤道不圆）摄动引起半长轴每天变化 0.1km量级，此项摄动产生漂移加速度； 太阳光压摄动引起偏心率及近地点方向变化，这会造成卫星 在东西方向的以1d为周期的振荡运动； 日月引力摄动引起倾角和升交点方向的变化，其变化率为 0.85°/a左右，倾角变大后，会造成卫星在南北方向的以1d为 周期的振荡运动。 三种摄动中，以克服日月引力摄动所需要的速度增量最大。
V m m0 1 e I s

空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
为了获得要求的速度增量，卫星轨道控制往往需要有姿态控制
相配合。 在与卫星固连的变轨发动机点火工作前，首先应将卫星的姿 态调整到使与发动机推力方向一致； 发动机的开机时间长度应保证产生的速度增量等于△ V； 如果发动机推力为恒值，则开、关机时刻的平均值应与等效 脉冲控制时刻Δt相同。 如果发动机点火时间较长，为保证控制精度，需要使用有限 推力模型。用有限推力模型进行轨道控制设计，计算比较复杂。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
2 姿态控制的任务
姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。 姿态确定：是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。
这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准。
姿态控制：是航天器在规定或预先确定的方向 (可称为参考方 向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
1）星上自主控制
卫星姿态测量、姿态确定、姿态控制计算和控制指令生成 和执行，完全由卫星上的仪器来完成而不依赖地面设备，在 卫星上形成闭路系统，这种控制方式称为自主姿态控制。要 求卫星不但具备足够的姿态敏感器和执行机构，而且具备星 载控制线路或计算机。
3）指向控制
除卫星本体的姿态控制外，为了完成空间任务还需要对卫星 某些分系统进行局部指向控制，如要求对能源分系统的太阳电 池阵进行对日定向控制，对通信分系统的天线进行对地或对其 他卫星定向控制等。
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
3 姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控 制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态
态和姿态运动来描述。其中位臵和速度描述航天器的质
心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描 述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观 点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位 臵自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动 自由度表示航天器的姿态运动。
空间飞行器总体设计
空间飞行器总体设计
空间飞行器总体设计
空间飞行器总体设计
第七章 航天器姿态控制 与轨道控制
§7.1 概述
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
§7.3 卫星姿态测量的基本概念和姿态测量系统
§7.4 卫星的姿态控制技术
§7.5 设计GNC分系统的步骤
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
一个刚体航天器的运动可以由它的位臵、速度、姿
特性进行理论计算和试验研究，建立足够准确的控制对象数
学模型，作为控制系统设计的前提条件，就十分重要。 2）卫星控制系统构成复杂、功能多样，卫星轨道、姿态、
有效载荷指向精度和稳定度要求高，而卫星是一个多自由度
的系统，系统各种状态之间交叉耦合，都增加了控制系统的 设计难度。因此，卫星控制系统设计必须采用下列理论：多
空间飞行器总体设计
§7.1 概述
5 卫星控制系统的组成
姿态测量部件：确定当前轨道和姿态的状态参数（姿态
和轨道确定）。
控制电路或计算机：按照事先设计好的导引律和控制律 计算出控制量，并根据控制量形成指令。 执行机构：使卫星姿态和轨道向着任务要求的目标改变。 包括发动机、飞轮、磁力矩器等。
空间飞行器总体设计
§7.2 卫星的轨道确定和控制技术
2 轨道控制
3）静止卫星的位置保持控制
东西位臵保持控制包括平均经度位臵控制和偏心率控制，均 使用切向（东西向）推力。平均经度位臵控制是定期修正半长 轴，偏心率控制要维持较小的东西方向日周期振荡，通常在早 晚6时进行。两种控制可以协调联合实施。 南北位臵保持控制使用沿轨道法向朝南（北）方向的推力， 在升（降）交点进行，以维持较小的倾角。当南北位臵精度为 ±0.1°时，南北保持最长两月需要进行一次，每次南北保持 一般只需一次脉冲控制。