航天器控制：航天器轨道机动控制
第七章航天器姿态机动控制
而非无限小的时间微元 dt，所以根据式(7.4),
可以将每次喷气产生的自旋轴进动角度近似表示为
M H cTM H c
(7．5)
若要求自旋卫星机动
数 n为
c
角度，那么需要推力器喷气的次
n c M H ccTH M cc (7．6)
按照图7.1(a)所示的推力器配置，卫星每自旋一周只能
喷气一次，所以完成 c 角度的姿态机动就需要时间
地球同步轨道卫星的姿态捕获是在对自旋体的消旋 和速率阻尼的基础上进行的，分为太阳捕获，地球捕获 和偏航捕获3个阶段完成。这种姿态捕获机理是利用同步 轨道卫星在特定时刻，地球一太阳一卫星3者成为直角几 何关系。图7．8表示卫星本
体及其坐标，太阳敏感器视
场形成如图所示的A，B两条
带，两条带状视场交于Ox
气脉冲宽度应当尽可能短( T→ O)，因为越短效率越
高，产生的侧向冲量就越小。但是推力器工作时间过短，
会带来以下三方面的困难：
(1)喷气时间越短，脉冲越窄，推力器在技术上越难实 现；
(2)喷气脉冲越窄，重复性越差；
(3)喷气脉冲越窄，每次喷气产生的冲量越小，机动时 间就越长。
因此，若定义推力器喷气时间 T 和航天器自旋角
OA
到称目为标等方倾向角线OA轨F 迹。。因此，这种机动方法产生的轨迹
机动
0
A0 AAF
图7.2 大圆弧机动轨迹
图7.3 等倾角线机动轨迹
从工程实现的观点来看，等倾角线轨迹机动控制方 法比大圆弧轨迹机动控制方法简单，容易实现。根据分 析计算表明，在自旋轴机动范围比较小的情况下，大圆 弧法与等倾角法所消耗燃料基本相等。另外在下列两种 状态下，大圆弧法和等倾角法的轨迹是重合的：初始姿
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。
8
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。
3
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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航天器姿态与轨道控制原理
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。
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。
航天器控制原理
1.1 世界航天技术发展的概况航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。
航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，力学、热力学、材料学、医学、电子技术、光电子技术、自动控制、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、喷气推进、制造工艺学等学科，以及这些科学技术在航天应用中相互交叉、渗透而产生的大量新学科，都对航天技术的发展起了重要作用。
所以，航天技术是一个国家科学技术水平的重要标志。
航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。
由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。
时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国力的象征。
.1.2 近代航天技术的发展19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。
近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K．3．齐奥尔科夫斯基，R．戈达德(Robert Goddard)，H．奥伯特(Hermann Oberth)。
航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。
其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。
至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。
一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。
这两种趋势相互补充，取得了显著的效益。
80年代中后期，基于模块化和集成化设计思想的新型微、小卫星崛起，成为航天技术发展中的一个新动向。
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件
利用航天器的特殊构型或附加质量等特性，通过改变航天器的重心 位置或转动惯量等方式，实现轨道控制。
组合控制方法
将主动控制和被动控制相结合，利用各自的优势，实现更高效、精确 的轨道控制。
轨道控制应用实例
卫星轨道转移
将卫星从一个圆轨道转移到一个椭圆轨道，或从一个椭圆轨道转 移到另一个椭圆轨道，实现卫星的变轨任务。
哈工大航天学院 课 程空间飞行器动力 学与控制空间飞行 器轨道控制上课件
contents
目录
• 课程简介 • 空间飞行器动力学基础 • 空间飞行器控制基础 • 轨道控制技术 • 课程实践环节
01
课程简介
课程目标
掌握空间飞行器动力 学与控制的基本原理 和关键技术。
培养学生在空间飞行 器设计、开发和运行 方面的实践能力和创 新思维。
实验内容与要求
实验内容
学生需要掌握卫星轨道测量、控制的 基本原理和方法，通过实际操作，掌 握卫星轨道控制技术。
实验要求
学生需要独立完成实验，并撰写实验 报告，同时需要掌握实验过程中的安 全操作规范。
实验报告撰写规范
实验目的
学生需要清晰阐述实验的目的和意义。
实验过程
学生需要详细记录实验过程，包括实验步骤、数据记录等。
描述了作用在空间飞行器上的控制力矩，是实现空间飞行器姿态 控制的重要手段。
03
空间飞行器控制基础
控制基本概念
控制系统
由控制器、受控对象和传感器等组成的整体，以分为开环控制和闭 环控制。
控制品质
评价控制系统性能的指标，包括稳定性、快速性和准 确性。
动量定理
描述了物体动量的变化与 作用力的关系，是理解动 力学行为的重要基础。
航空航天工程师的航天器轨道动力学
航空航天工程师的航天器轨道动力学航天工程是现代科技领域中最为复杂和挑战性的领域之一。
而在航天工程中，轨道动力学是十分重要的学科之一。
作为航空航天工程师，了解航天器的轨道动力学是必不可少的。
本文将探讨航天器轨道动力学的基本概念和应用。
一、轨道动力学的基本概念航天器的轨道动力学是研究航天器在空间中运动的学科。
它涉及到航天器的运行状态、运行路径以及运动参数等方面的理论与计算。
在轨道动力学中，常用的概念有轨道、轨道高度、轨道倾角等。
1.1 轨道轨道是航天器绕行星体（如地球）运行的路径。
根据轨道的形状和特性，轨道可以分为圆轨道、椭圆轨道、偏心轨道等。
通过设定不同的轨道，航天器可以实现不同的任务目标，如通信卫星通过地球同步轨道可以实现全球通信覆盖。
1.2 轨道高度轨道高度是指航天器距离地球表面的垂直距离。
通常以海平面为基准点，可以分为低地球轨道、中地球轨道、高地球轨道等。
轨道高度的选择与航天器的任务和设计要求密切相关，不同的高度对应着不同的应用场景。
1.3 轨道倾角轨道倾角是指轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
轨道倾角的大小直接影响着航天器与地球的相对位置和轨道运动形式。
通常情况下，轨道倾角为0°的轨道被称为赤道轨道，而倾角较大的轨道则会呈现出椭圆形的轨道运动。
二、航天器轨道动力学的应用轨道动力学对于航天器的设计、运行和任务实施都有着重要的指导意义。
航天工程师在进行航天器设计和任务规划时需要充分考虑轨道动力学的相关因素。
2.1 轨道设计与控制航天工程师需要根据不同任务的需求，合理选择适当的轨道参数，确保航天器能够按照预定轨道进行运行。
同时，在航天器运行过程中，轨道控制也是一个关键问题。
通过调整姿态、推进系统等手段，航天工程师可以实现对航天器轨道的精确控制和调整。
2.2 轨道机动与转移航天器在任务实施过程中，可能需要进行轨道机动和转移，以满足不同的任务需求。
轨道机动是指改变航天器轨道的运动，包括姿态调整、轨道升降、轨道平面变换等。
航天器轨道动力学与控制下
AT L C O M 仿 真 M M
S T K 仿 真 软 件
STK是Systems Tool Kit系统工具包的简称（原卫星工具包Satellite Tool Kit），是由美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件。STK支持航天任务的全过程，包括设计、 测试、发射、运行和任务应用。 最初，STK是作为一款专业的航天方面的仿真工具使用的，随着其不断的发 展，它逐渐集成了通信、导航、雷达和光电等方面的内容，STK可以对2D与3D建模环境评估系统的性能， 在使用STK的任务环境的背景下，模拟复杂的系统，如飞机，卫星，地面车辆和传感器，评估系统在真实或 模拟的环境下的性能，因此受到了各军工业、研究所的欢迎和支持。
轨
道
机
动
轨道机动的分类 脉冲式机动：发动机工作时间非常短，可以认为速度变化为瞬时完成， 也可再分为单脉冲轨道机动和双脉冲轨道机动； 连续式机动：小推力控制，作用持续一段时间。
变轨控制工程的实现
导航和导引
1
姿态测量的限制3Biblioteka 推进发动机的限制5
2
4
姿态稳定
飞行要求和操作复 杂性的限制
变 轨 的 推 力 模 型
小 特 征 速 度 变 轨
由能量方程式可得：
两边求一次微分：
得出：
基于轨道的瞬时假设，在轨道上 的某点速度v改变而半径r不变则
������a≈2a2/������ V������V
定
点
捕
获
西漂
东漂
轨
道
保
持
影响因素 ●地球扁率影响 ●太阳和月球的引力作用 ●太阳辐射压力 ●大气阻力
轨道保持 ●使实际轨道与预定轨 道维持在误差范围内 ●主动对航天器进行轨 道修正 ●依赖地面测控指令或 星上自主控制
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5
NASA首席科学家-Robert Farquhar
美国“新视野”号探测器
• 人类第一个飞越和研究冥王星和它的卫星的空间探测器 • 人类第一个抵达柯伊伯带的空间探测器 • 2006.01 在美国卡纳维拉尔角发射，发射速度16.26km/s，
有史以来发射速度最快的探测器； • 2006.06 掠飞小行星132524APL • 2007.01 开始探测木星、木卫十七 • 2015.07 飞跃冥王星 • 2016-2020 探测柯伊伯带
2016/1/4
3
NASA首席科学家-Robert Farquhar
国际日地探测卫星－3 ISEE-3
• “借”NASA卫星探测哈雷彗星 • 人类第一个探测彗星慧尾的探测器 • 人类第一个两次探测两颗不同彗星慧尾的探测器。
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NASA首席科学家-Robert Farquhar
美国“发现”计划 • 1996.02 美国发射“近地小行星交会”（NEAR）探测器， • 2001.02 NEAR成功在爱神号(Eros433)小行星表面软着陆。
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主要内容
航天器轨道设计 航天器轨道机动 航天器交会对接 行星着陆探测制导
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1 航天器轨道设计
1.1 静止轨道设计
• 近地轨道一般为圆形或小偏心率轨道，速高比近似常数，对 可见光资源卫星、侦查卫星拍摄有利；
• 轨道倾角：必须不小于被摄影区域的最高纬度或最低纬度绝 对值，不小于发射场的纬度；
• 2) 大型运载火箭将卫星和一级火箭送入停泊轨道，然后火箭发 动机将卫星送入期望轨道；
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1 航天器轨道设计
1.2 转移轨道设计
• 对于月球探测器和深空探测器，一般为圆形限制三体问题， 轨道设计可采用的方法有如下几种。
1.2.1 拼凑圆锥截线法
• 分析地月飞行轨道的常用近似方法，基本思想为引进引力作 用球的概念，将三体问题化为二体问题，将地月轨道分为地 心开普勒圆锥曲线和月心开普勒圆锥曲线。
• 近地点：一般位于所需侦查区域上空； • 近地点轨道高度：综合考虑空间干扰、卫星摄影分辨率需求； • 轨道周期：考虑摄影旁向重叠率；
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1 航天器轨道设计
1.2 转移轨道设计
• 用于连接星箭分离时的入轨轨道和目标轨道； • 如发射地球同步卫星时，有两种类型：
• 1) 星箭分离后，卫星进入近地点为几百公里的大椭圆轨道，然 后由星上远地点发动机和姿态轨道控制分系统完成轨道调整；
21世纪四次深空探测任务总设计师：
• 1. 爱神星（Eros）探测任务（NEAR号）总设计师。 • 2. 水星探测任务（MESSENGER）总设计师。 • 3. 冥王星探测任务（新视野号）总设计师。 • 4. 彗星探测任务（CONTOUR）总设计师。
扩展阅读： 他用卫星轨道向宇宙写了张借条。玩星星的爷爷，谢谢你 曾来过
• 嫦娥一号探月轨道
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1 航天器轨道设计
嫦娥二号月球及小行星探测轨道
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1 航天器轨道设计
“嫦娥二号”和“嫦娥一号”轨道任务对比
• 脱离地球速度不同、月球捕获轨道高度不同
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1 航天器轨道设计
什么是拉格朗日点？ • 在天体力学中，拉格朗日 点是限制性三体问题的5 个特解。
主要经历
• 1932年出生在美国芝加哥。 • 1969年获得斯坦福大学博士学位。 • 1969年-1990年在NASA相继担任ISEE-3飞行力学总指挥、彗星
探索任务总设计师、哈雷彗星项目研究负责人等重要职务。 • 1990年-2007年就职于美国约翰普金应用物理实验室，并担任对
爱神星、彗星、水星、冥王星探测任务总设计师。 • 2007年-2008年任美国国家航空航天博物馆和航空历史荣誉主席。 • 2008年- 担任美国KinetX公司空间探测执行官。
• 两个天体环绕运行，在空 间中有5个位置可以放入 第三个物体，并使其保持 在两个天体的相应位置上。
• 理想状态下，两个同轨道 物体以相同的周期旋转， 两个天体的万有引力提供 在拉格朗日点需要的向心 力，使得第三个物体与前 两个物体相对静止。
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1 航天器轨道设计
1.3 发射窗口 • 发射窗口是指运载火箭发射比较合适的一个时间范围（即允许运载 火箭发射的时间范围）。
• 范围的大小亦叫做发射窗口宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时 计，甚至以天计算，窄的只有几十秒钟，甚至为零。
发射窗口考虑的因素 • a. 星下点目标的光照条件（如气象、资源等卫星）； • b. 卫星太阳帆板与太阳光线的相对关系（太阳能电池供电的要求）； • c. 卫星姿态测量精度要求的地球、卫星、太阳的几何关系； • d. 卫星温度控制要求太阳只能照射卫星某些方向； • e. 卫星处于地球阴影内时间长短的要求（太阳能电池供电的要求）； • f. 着落回收时间的要求（如返回式卫星、载人飞船等）； • g. 对卫星轨道面的特定要求（轨道交会、轨道拦截等）； • h. 地球与目标天体相对位置的要求（如行星探测器等）； • i. 其它如地面跟踪测量条件、气象条件等。
航天器控制----(十一)
航天器轨道机动控制
郭延宁 哈尔滨工业大学
航天器控制
姿态控制系统
姿态确定
姿态敏感器
姿态确定算 法
稳定方式
航天器控制
轨道控制系统
姿态控制 轨道确定 轨道控制
姿态稳定
执行机构
姿态机动
控制计算机
自主导航
非自主导航
轨道保持
轨道调整
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NASA首席科学家-Robert Farquhar
• 在地心圆锥曲线阶段，略去月球影响，在月心圆锥曲线阶段， 略去地球影响。
• 该近似误差随飞行lo任务而言，该方法会引入大约一个月球直径的位置误 差。
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1 航天器轨道设计
1.2.2 多圆锥截线法
• 考虑了个摄动体的影响，如地月 空间中，考虑地球、月球和太阳 在整个轨道的影响。
• 将航天器空间轨道用顺序地在几 个时间间隔上的开普勒圆锥曲线 之和描述。
• 填补了拼凑圆锥截线法和数值积 分法之间的间隙，是一种快速和 精确的计算方法。
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1 航天器轨道设计
1.2 转移轨道设计
• APOLLO 11号探月及返回轨道
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1 航天器轨道设计
1.2 转移轨道设计