航天器姿态与轨道控制原理
第10章航天器姿态与轨道控制分系统(1)
3. 航天器轨道控制系统
3.2 航天器的轨道机动与轨道保持
航天器在控制系统作用下使其轨道发生有 意的改变称为轨道机动。轨道机动方式一 般有两种： 无线电指令控制系统或称遥控系统； 惯性控制系统。 变轨控制分为轨道改变和轨道转移。 轨道保持是对在轨航天器受到外界干扰的 作用下偏离预定轨道的修正。
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1. 航天器控制的基本概念
1.6 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，航天器姿态必须符合要求。即当需要对航天器 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。有些应用任务对轨 道没有严格要求，如空间环境探测卫星，则只有姿态控制系统。
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1. 航天器控制的基本概念
1.2.航天器的控制
航天器在轨道上运动将受到各种力矩的作用。从刚体力学的角度来 说，力使航天器的轨道产生摄动，力矩使航天器姿态产生扰动。 航天器的控制可以分为两大类：轨道控制和姿态控制。 1.对航天器的质心施加外力，以有目的地改变其运动轨迹的技术， 称为轨道控制。 2.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 技术，称为姿态控制。
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1. 航天器控制的基本概念
星上自主控制框图 星—地大回路控制框图
轨道运动
星载控制器
执行机构
星体姿态和轨道动力学
姿态运动
卫星动力学
⊗
给定
敏 感 器
姿态轨道 控制器
敏感器
执 行 机 构
跟踪
遥测
遥控
跟踪
遥测
遥控
数据处理 测定轨道
控制参数 计算
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航天器姿态控制与导航技术
航天器姿态控制与导航技术在航天领域，航天器姿态控制与导航技术是非常重要的研究领域。
航天器的姿态控制是指通过调整航天器的姿态来改变航天器在空间中的方向和位置，以满足任务需求。
导航技术则是指通过各种传感器和算法来确定航天器在空间中的位置、速度和方向，以实现精确的航天器定位。
航天器姿态控制技术是实现航天任务的关键。
由于航天器需要在特定的时间和位置进行复杂的任务，如轨道纠正、卫星对接等，因此其姿态必须得到精确控制。
姿态控制主要考虑的要素包括三轴稳定性、姿态变化速率、轨道控制等。
三轴稳定性是指航天器在三个轴向上的姿态保持稳定，以保证航天器的姿态不发生偏离。
姿态变化速率是指航天器在进行不同任务时的姿态变化速度，需要根据任务需求进行调整。
轨道控制是指通过调整航天器姿态来实现轨道变化，如升轨、降轨等。
航天器姿态控制的关键技术包括推力矢量控制、惯性导航、陀螺仪等。
推力矢量控制是一种常用的航天器姿态控制技术。
它通过调整航天器发动机的喷口方向来改变推力的方向，以实现航天器的姿态控制。
推力矢量控制技术能够在航天器进行复杂任务时灵活调整航天器的姿态，提高任务执行的精度和效率。
惯性导航是另一种重要的航天器姿态控制技术。
它通过搭载惯性测量装置，如陀螺仪和加速度计，来测量航天器的姿态变化，然后通过控制系统来调整航天器的姿态。
惯性导航技术能够实现高精度的姿态控制，是一种常见的姿态控制策略。
导航技术在航天领域同样非常重要。
航天器的导航主要目标是确定航天器在空间中的位置、速度和方向。
为了实现精确的航天器定位，导航系统需具备高精度、高可靠性和高实时性。
航天器导航技术主要包括星载定位、地面测控、惯性导航等。
星载定位是通过接收地面导航卫星发射的信号，从而确定航天器在空间中的位置和速度。
地面测控是通过地面上的测控设备，如雷达和测角站，对航天器进行跟踪和测量，进而确定其位置和速度。
惯性导航则是通过搭载惯性测量装置来测量航天器的加速度和姿态变化，从而推算出航天器的位置和速度。
航天器控制原理(第四章 控制系统组成)
哥伦比亚航天飞机视频资料
4.2
4.2.1 推力器
执行机构
推力器是目前航天器控制使用最广泛的执行机构之 一。它根据牛顿第二定律，利用质射排出，产生反作用 推力，这也正是这种装置被称为推力器或喷气执行机构 的原因。当推安装使得推力方向通过航天器质心，则成 为轨道控制执行机构；而当推力方向不过质心，则必然 产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。 根据产生推力所需能源的形式不同，质量排出型推 力器可以分为冷气推力器、热气推力器和电推力器。
加速度计
加速度计是用于测量航天器上加速度计安装点的绝对 加速度沿加速度计输入轴分量的惯性敏感器。虽然目前加 速度计没有广泛用于航天器的姿态稳定和控制，但它是航 天器导航系统中重要的器件。 加速度计的种类很多，有陀螺加速度计、摆式加速度 计、振动加速度计、石英加速度计等。
4.1.6
磁强计
磁强计是以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏 感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。 由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型 事先确定，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之 对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。 磁敏感器根据工作原理不同可以分为感应式磁强计 和量子磁强计两种。
4.1.4 陀螺 陀螺是利用一个高速旋转的质量来敏感其自旋轴在 惯性空间定向的变化。 陀螺具有两大特性，即定轴性和进动性。 定轴性就是当陀螺不受外力矩作用时，陀螺旋转轴 相对于惯性空间保持方向不变； 进动性就是当陀螺受到外力矩作用时，陀螺旋转轴 将沿最短的途径趋向于外力矩矢量，进动角速度正比于 外力矩大小。
姿态敏感器小结
在实际的航天器姿态控制系统中，各种敏感器单独使 用一般是不能满足要求的，需要多种多个姿态敏感器组 合使用，形成一个姿态测量系统。原因主要有三方面：
航空航天工程师的航天器测量与控制技术
航空航天工程师的航天器测量与控制技术航天工程是现代科技的重要组成部分，而在航空航天工程中，航天器的测量与控制技术是至关重要的一环。
本文将介绍航天器测量与控制技术的基本概念、主要原理以及近年来的发展动向。
一、航天器测量技术航天器测量技术是指对航天器各种物理量和运动参数进行测量的科学与技术方法。
在航天器的设计、制造以及运行过程中，准确获取和分析各种数据是非常重要的。
1.1 航天器姿态测量航天器姿态测量是航天器测量技术的核心内容之一。
姿态测量包括航天器的位置、姿态角、角速度等参数的测量。
目前常用的姿态测量方法有陀螺仪、星敏感器、加速度计等。
1.2 航天器静力学测量航天器的静力学测量主要是针对航天器在发射和运行过程中所受到的各种力的测量。
静力学测量可以帮助工程师提供设计依据，确保航天器在各种环境中的安全。
1.3 航天器环境参数测量航天器环境参数测量是指对航天器所处的环境参数进行测量。
这些参数包括气温、气压、湿度、辐射等。
测量这些参数可以为航天器的设计和操作提供重要参考。
二、航天器控制技术航天器控制技术是指对航天器进行控制和调整的技术方法。
航天器控制技术的目标是保持航天器的姿态、定位和轨道稳定。
2.1 航天器姿态控制航天器姿态控制是指对航天器的位置、角度等姿态参数进行控制和调整，以满足航天器在宇宙环境中稳定运行和完成任务的要求。
姿态控制主要依靠推进器、姿态控制器和惯性导航系统等设备完成。
2.2 航天器轨道控制航天器轨道控制是指对航天器的轨道进行精确调整和控制。
轨道控制技术的主要手段是利用航天器自身的动力系统，通过火箭发动机推进、推进剂控制等方法来调整轨道的形状、高度和速度等参数。
2.3 航天器定位控制航天器定位控制是指对航天器在宇宙中的位置进行准确定位和控制。
利用卫星导航系统、雷达测距等技术手段，可以实现对航天器的准确定位和导航。
三、航天器测量与控制技术的发展趋势近年来，随着航天技术的快速发展，航天器测量与控制技术也在不断推陈出新。
航空航天工程师的航天器姿态测量与控制
航空航天工程师的航天器姿态测量与控制航天器的姿态测量与控制是航空航天工程师日常工作中重要的一部分。
它涉及到航天器的定位、导航和控制等关键技术，对于确保航天任务的成功执行至关重要。
本文将介绍航天器姿态测量与控制的基本概念、技术原理以及其在航空航天领域的应用。
一、航天器姿态测量与控制的基本概念航天器的姿态包括位置、姿态角和速度等参数。
姿态测量与控制是指通过各种传感器和姿态控制器等设备，对航天器的姿态进行测量和调整，以满足任务需求。
姿态测量主要依靠惯性导航系统、星敏感器和陀螺仪等设备，姿态控制则通过推进器和反作用系统等实现。
航天器姿态测量与控制的关键技术包括航天器姿态观测、姿态控制器设计和控制算法优化等。
通过精确的姿态测量和高效的姿态控制手段，航天器能够准确定位、精确导航，并保持稳定的飞行姿态。
二、航天器姿态测量与控制的技术原理1. 航天器姿态观测技术航天器姿态观测主要通过惯性导航系统、星敏感器和陀螺仪等传感器来实现。
惯性导航系统利用加速度计和陀螺仪等传感器测量航天器的线性加速度和角速度，进而推算出姿态角度。
星敏感器通过感知星光方向来确定航天器的朝向。
陀螺仪则基于角动量守恒定律，测量航天器的角速度。
2. 姿态控制器设计技术姿态控制器是实现航天器姿态控制的关键组成部分。
它根据姿态观测的结果，通过推进器或反作用系统等执行机构，调整航天器的姿态。
姿态控制器通常由传感器、执行器和控制器三部分组成。
传感器负责姿态数据的采集，执行器负责转化控制信号为推力或力矩，控制器则根据姿态预测和误差修正等算法确定控制信号。
3. 控制算法优化技术控制算法的优化是提高航天器姿态控制精度和效率的关键环节。
控制算法通常采用闭环控制原则，即根据当前姿态和期望姿态之间的误差，通过控制器产生调整控制信号。
常见的控制算法包括PID控制器和模型预测控制等。
控制算法的优化可以通过仿真模拟和实际测试等手段来实现，以提高姿态控制系统的性能。
三、航天器姿态测量与控制在航空航天领域的应用航天器的姿态测量与控制在航空航天领域中有着广泛的应用。
航天器工作原理
航天器工作原理航天器是在大气层外空间执行探索、开发、利用和维护等任务的飞行器。
航天器工作原理涉及多个学科领域，包括物理学、工程学、计算机科学等。
1. 推进系统：航天器通常使用火箭发动机或离子发动机作为推进系统。
火箭发动机通过燃烧燃料产生推力，推动航天器进入轨道或进行轨道变更。
离子发动机则是通过将气体离子化并加速喷出，产生微弱但持续的推力，用于航天器的轨道调整和维持。
2. 姿态控制：航天器在空间中需要保持稳定的姿态，以便进行有效的任务操作。
姿态控制系统通过使用陀螺仪、加速度计和推力器等设备来检测和调整航天器的姿态。
这些设备可以提供航天器的姿态信息，并通过控制推力器的推力方向和大小来调整航天器的姿态。
3. 通信系统：航天器与地面控制中心之间需要进行通信，以传输指令、数据和图像等信息。
通信系统包括无线电发射器、接收器和天线等设备。
航天器通过发送和接收无线电信号与地面控制中心进行通信。
4. 电源系统：航天器需要可靠的电源供应来支持其各种系统的运行。
电源系统通常包括太阳能电池板、电池和电源管理设备。
太阳能电池板将太阳能转化为电能，电池用于存储电能，电源管理设备则负责分配和管理电能的使用。
5. 热控制系统：航天器在空间中会受到太阳辐射和宇宙背景辐射的影响，导致温度升高或降低。
热控制系统通过使用热辐射器、热沉和隔热材料等设备来调节航天器的温度，确保航天器各部件在适宜的温度范围内工作。
6. 载荷系统：航天器的主要任务是执行特定的科学实验、观测或技术验证。
载荷系统包括各种科学仪器、传感器、摄像头和其他有效载荷设备，用于完成航天器的任务目标。
总之，航天器的工作原理涉及多个学科领域的知识，通过综合运用这些技术和系统，航天器能够在空间中执行各种任务，并为人类探索宇宙提供重要的支持。
航空航天工程师的航天器轨道控制
航空航天工程师的航天器轨道控制航空航天工程师是航天事业中不可或缺的重要角色，他们致力于设计、开发和维护航天器及相关系统。
在航天器的轨道控制方面，航空航天工程师的专业知识和技能发挥着至关重要的作用。
本文将介绍航天器轨道控制的基本原理和相关技术。
一、航天器轨道控制的基本原理航天器的轨道控制主要包括轨道设计、轨道转移、姿态控制和遥测遥控等方面。
轨道设计是确定航天器在太空中轨道参数的过程，它直接影响着航天器的飞行性能和任务目标的实现。
轨道转移是实现航天器从一个轨道到另一个轨道的过程，其中包括轨道提升、轨道调整和轨道捕获等环节。
姿态控制是指通过控制航天器的姿态，实现航向控制和航天器的稳定性。
遥测遥控则是通过地面站与航天器之间的数据传输，实现对航天器运行状态的监测与控制。
二、航天器轨道控制的技术手段1. 推进系统技术推进系统是航天器轨道控制的核心技术之一，它主要通过推进剂的喷射来实现轨道控制目标。
推进系统可以分为化学推进系统和电推进系统两类。
化学推进系统利用化学反应产生的推力来改变航天器的速度和轨道，具有推力大、工作时间短的特点；电推进系统则是通过电离或电子加速等方式产生推力，具有长工作时间和精密控制的优势。
2. 轨道动力学控制技术航天器轨道动力学控制技术旨在保持航天器在给定轨道上的运行状态。
其中最常用的方法是利用航天器自身的姿态运动和推进系统的工作来调整航天器的轨道。
通过控制航天器的姿态、推力大小和方向等参数，可以实现航天器在轨道上的精确控制。
3. 光学导航技术光学导航技术是一种基于光学设备的轨道控制手段，通过利用星体的光信号进行定位和导航。
通过测量星体的位置和轨道运动信息，可以更精确地确定航天器的位置和速度，实现轨道控制的目标。
4. 遥测遥控技术遥测遥控技术是航天器轨道控制的重要手段之一，它通过地面站与航天器之间的数据交互，实现对航天器运行状态的监测与控制。
地面站通过接收航天器发送的遥测数据，并分析处理这些数据，可以实时监测航天器的位置、姿态、推进系统状态等信息。
航天器的姿态控制与轨迹规划算法研究
航天器的姿态控制与轨迹规划算法研究随着航天技术的不断发展，航天器的姿态控制与轨迹规划算法成为了航天工程领域中的重要研究方向。
姿态控制是指控制航天器在空间中的姿态，使其能够完成各种任务，如定位、导航、遥感等。
而轨迹规划算法则是为了确定航天器在航天任务中的最佳路径，以提高任务效率和安全性。
航天器的姿态控制是一个复杂而关键的问题。
航天器在空间中的姿态受到多种因素的影响，如地球引力、大气阻力、太阳辐射等。
为了保持航天器的稳定姿态，研究人员需要设计合适的控制策略。
目前常用的姿态控制方法包括PID控制、模糊控制和自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制方法，通过调节比例、积分和微分三个参数来实现姿态控制。
这种方法简单易行，但对于复杂的航天器姿态控制问题来说，效果并不理想。
模糊控制则是一种基于模糊逻辑的控制方法，能够处理非线性和不确定性系统。
它通过建立模糊规则和模糊推理来实现姿态控制。
自适应控制则是根据航天器的动态特性，自动调整控制策略，以适应不同的工况。
除了姿态控制，航天器的轨迹规划算法也是航天工程中的重要研究内容。
轨迹规划算法的目标是确定航天器在航天任务中的最佳路径，以提高任务效率和安全性。
常见的轨迹规划算法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法，通过模拟自然选择、交叉和变异等过程，搜索最优解。
粒子群算法则是模拟鸟群觅食行为的一种优化算法，通过模拟粒子在解空间中的移动来搜索最优解。
模拟退火算法则是模拟金属退火过程的一种优化算法，通过模拟系统在高温下逐渐冷却的过程，搜索最优解。
航天器的姿态控制与轨迹规划算法研究是一项综合性的工作，需要结合航天器的动力学特性、任务需求以及环境因素进行综合分析和设计。
在实际应用中，研究人员需要根据具体任务的要求，选择合适的姿态控制和轨迹规划算法，并进行参数调整和性能优化。
未来，随着航天技术的不断发展，航天器的姿态控制与轨迹规划算法将面临更多的挑战和机遇。
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航天器姿态与轨道控制原理
从系统建模的角度来看，航天器的姿态与轨道控制原理包括两部分：旋转系统和平衡系统。
旋转系统包括控制方法、动力方法、传感方法和反馈控制方法等，来实现航天器姿态控制。
平衡系统则运用轨道力学、轨道建模、轨道规划以及发动机控制等方法，以轨道航行、轨道改良等为目标，保证航天器完成任务。
通常情况下，旋转系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来控制和调节航天器构型和姿态。
旋转系统的主要控制方式有：有限旋转系统控制、控制反馈系统控制、面向目标的制导控制和旋转目标控制等，结合传感器系统通过利用陀螺仪、角速度矢量积分等方法，对航天器角度、转矩控制进行调节，使最终姿态稳定。
平衡系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来推进航天器的空间轨道控制，通过改变发动机输出力及轨道建模下的参数，如卫星质量、平衡系数等，来调节航天器轨道，如通过线加速、混乱改正、超密对抗等方式，来实现轨道的航行控制。
总之，航天器姿态与轨道控制原理是结合发动机控制技术与建模技术，将航天器位置、朝向以及运动控制起来，以实现宇宙任务的一系列原理。