第三十一讲 航天器的轨道机动与轨道保持
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
12
2015航天器控制原理（周军主编）教案：航天器的导航与制导
航天器控制原理（ppt课件）：8 8.1 航天器导航的概念与分类8.2 航天器的自主导航系统8.3 航天器的轨道机动与轨道保持8.4 航天器的交会与对接8.5 航天器的再入返回控制8.6 星际飞行的导航与制导第八章航天器的导航与制导航天器导航就是轨道确定。
航天器轨道确定基本上可分为两大类：自主和非自主。
非自主测轨由地面站设备, 例如雷达,对航天器进行跟踪测轨, 并且在地面上进行数据处理, 最后获得轨道位置信息。
相反, 若航天器的位置和速度等运动参数用星上测轨仪器 (或称导航仪器 )来确定, 而该仪器的工作不依赖于位于地球或其他天体的导航和通信设备, 那么轨道确定 (空间导航 )则是自主的。
8.1 航天器导航的概念与分类自主导航存在两种方式：被动或主动。
被动方式意味着与航天器以外的卫星或地面站没有任何合作, 例如空间六分仪；而主动方式意味着与航天器以外的地面站或卫星 (例如数据中继卫星 )有配合, 例如全球定位系统。
另外还存在一个问题需要考虑, 即航天器自主轨道确定与姿态确定是相互关联或者互相独立的。
一般说来由于轨道比姿态变化缓慢的原因, 希望轨道确定和姿态确定互相分开, 特别在精度要求很高的场合。
但是有许多敏感器, 例如空间六分仪, 陆标跟踪器, 惯性测量部件, 太阳和星敏感器等, 既可以作轨道确定系统的敏感器, 同样地也可作姿态确定系统的敏感器。
根据这些敏感器所得到的信息, 设计相应软件, 经过计算机进行数据处理和计算, 就可以得到有关轨道和姿态的数据。
在这种情况下, 姿态和轨道确定是相关联的。
空间自主导航系统按它的工作原理可分为五大类,(1)测量对于天体视线的角度来确定航天器的位置(2)测量地面目标基准来确定航天器的位置和姿态(3)对已知信标测距(4)惯性导航方法(5)组合导航方法猎兔犬 2”号登陆器脱离“火星快车”探测器的效果图基于上节介绍的自主导航原理的实际航天器导航系统有很多种, 本节将首先着重介绍全球定位系统 (GPS)和(天文 )惯性导航两种自主导航系统。
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天工程师的任务之一是设计和控制航天器的轨道。
航天器的轨道控制是确保航天器按计划进行正确运行的关键环节。
本文将介绍航天器轨道控制过程中的关键要素和技术。
一、航天器轨道控制的重要性航天器的轨道控制决定了其在太空中的位置和速度，对于实现任务目标至关重要。
航天器的轨道需要精确计算和控制，以满足以下要求：1. 实现轨道转移：航天器需要从发射轨道转移到最终目标轨道，比如地球轨道到月球轨道。
2. 保持稳定轨道：一旦进入预定轨道，航天器需要保持稳定，以防止因轨道变化而影响太空任务。
3. 躲避碰撞：在拥挤的太空环境中，航天器需要通过轨道控制来避免与其他航天器发生碰撞，确保太空安全。
二、航天器轨道控制的关键要素在实施航天器轨道控制过程中，以下要素是至关重要的：1. 动力系统：航天器需要搭载适当的动力系统，如推进器，以实现轨道控制。
推进器的选择和设计应根据任务需求来确定。
2. 燃料和能源：推进器需要燃料和能源来提供动力。
在规划航天器的轨道控制任务时，需要合理规划燃料和能源的供应，以确保轨道控制的可持续性。
3. 导航系统：航天器轨道控制需要准确的导航系统来获取位置和速度信息，以便进行精确的轨道计算和控制。
4. 系统控制：航天器的轨道控制需要详细的系统控制策略和算法，以确保航天器按计划运行。
这包括姿态控制、推力调整和导航修正等方面。
三、航天器轨道控制的关键技术在航天器轨道控制中，以下技术起着重要作用：1. 轨道计算：通过数学模型和计算方法，准确计算航天器的轨道参数，如高度、速度和倾角等。
2. 推力控制：根据轨道计算结果，调整推进器提供的推力大小和方向，实现航天器轨道的精确控制。
3. 姿态控制：航天器需要保持特定的姿态，以实现所需轨道，这就需要精确的姿态控制系统和技术。
4. 纠偏修正：由于外界因素或误差的影响，航天器可能会偏离预定轨道，这就需要进行纠偏修正，以保证航天器按计划运行。
四、案例分析：国际空间站的轨道控制国际空间站是一个复杂的航天器系统，其轨道控制是航天工程师面临的一个重要挑战。
【PPT课件】航天器的轨道与轨道力学
G
n j 1
mj rj3i
(
ji )
ji
(2.13)
不失一般性，假定m2为一个绕地球运行的航天器，m1为地
球，而余下的 m3, m4,L mn 可以是月球、太阳和其他行 星。于是对i=1的情况，写出方程式(2.13)的具体形式，
得到
&rr& rr 1
G
n j2
mj rj31
(
j1 )
第二运动定律 动量变化速率与作用力成正比，且与作 用力的方向相同。
第三运动定律 对每一个作用，总存在一个大小相等的 反作用。
万有引力定律：
任何两个物体间均有一个相互吸引的力，这个力与
它们的质量乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。
数学上可以用矢量形式把这一定律表示为
r Fg
GMm r2
rr
r
第二章 航天器的轨道与轨道力学
2.1航天器轨道的基本定律 2.2二体轨道力学和运动方程 2.3航天器轨道的几何特性 2.4航天器的轨道描述 2.5航天器的轨道摄动
第二章 航天器的轨道与轨道力学
“1642年圣诞节，在柯斯特沃斯河畔的沃尔索普庄 园，诞生了一个非常瘦小的男孩。如同孩子的母亲后来 告诉他的那样，出生时他小得几乎可以放进一只一夸脱 的杯子里，瘦弱得必须用一个软垫围着脖子来支起他的 头。这个不幸的孩子在教区记事录上登记的名字是 ‘伊 萨克和汉纳·牛顿之子伊萨克 ’。虽然没有什么贤人哲 士盛赞这一天的记录，然而这个孩子却将要改变全世界 的思想和习惯。”
d dt
(mivri
)
r F总
(2.9) (2.10)
把对时间的导数展开，得到
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：航天器轨道机动控制
2016/1/4
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。
2016/1/4
4
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。
2016/1/4
6
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
7*
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；
2016/1/4
9
1 航天器轨道设计
第四章-轨道机动
1.4 本节作业：估算载人探月的起飞重量
已知载人登月的速度冲量如上图所示，估算与阿波罗同等返 回规模（5.8吨）的载人探月任务，其地球起飞质量为多少？ （采用推进剂的比冲为450秒）
15
授课内容
1. 轨道机动概述 2. 平面内机动 3. 平面外机动 4. 组合机动 5. 具体应用
16
2.1 霍曼转移
V1 2 1 Vc1
Vf 0 Vc1
20
2.1 霍曼转移
第二种方法：画图法
0.7
x = [1:0.1:100];
0.6
dv1 = ((2.*x)./(1+x)).^0.5-1;
dv2 = (x).^(-0.5)-(2./(0x.5.*(1+x))).^0.5;
dv/v1
plot(x,dv1,'+',x,dv2,'o0',.4x,dv1+dv2,'--') [c,I] = max(dv1+dv2)
rv
v
r3
r
F m
有限推力法：发动机推力是一个有限量，轨道根数的 改变不是瞬间完成，而是有一定的时间过程。
优点：符合航天器轨道机动的实际情况，精度高
缺点：需要知道发动机的推力大小、航天器的质量 和具体的机动轨道等信息，不利于方案论证和初步 设计阶段的应用。
4
1.2 轨道机动的研究方法
F
0.3
c = 0.5363, I = 147 0.2 x = 15.6
0.1
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 rf/r1
21
航天器的轨道保持与控制技术
航天器的轨道保持与控制技术当我们仰望星空，想象着那些在太空中穿梭的航天器时，可能很少有人会想到，要让它们在预定的轨道上稳定运行，并准确地完成各种任务，背后需要依靠一系列复杂而精妙的轨道保持与控制技术。
这些技术就像是无形的大手，精准地掌控着航天器的每一次飞行轨迹，确保它们能够安全、高效地完成使命。
首先，让我们来了解一下什么是航天器的轨道。
简单来说，航天器的轨道就是它在太空中飞行的路径。
这个路径受到多种因素的影响，比如地球的引力、太阳的引力、月球的引力，甚至是大气阻力等。
为了让航天器能够按照我们的期望在太空中运行，就需要对它的轨道进行精确的计算和设计。
在轨道保持方面，航天器面临着诸多挑战。
其中一个重要的因素就是大气阻力。
当航天器在近地轨道运行时，尽管太空环境看似真空，但仍然存在着极其稀薄的大气。
这些稀薄的大气会对航天器产生阻力，导致它的速度逐渐降低，轨道高度也随之下降。
如果不加以控制，航天器最终可能会坠入大气层烧毁。
为了克服这个问题，航天器通常会配备推进系统，定期进行轨道提升，以保持在预定的轨道高度上。
除了大气阻力，太阳活动也会对航天器的轨道产生影响。
太阳会不断地释放出高能粒子和电磁辐射，这些都会对航天器的轨道产生微小但不可忽视的干扰。
例如，在太阳活动高峰期，太阳的磁场会发生变化，从而影响地球周围的引力场，导致航天器的轨道发生偏移。
为了应对这种情况，地面控制中心会密切监测太阳活动，并根据预测的结果及时调整航天器的轨道。
在控制航天器的轨道时，精确的测量和计算是至关重要的。
地面测控站会通过各种手段，如雷达、光学望远镜等，对航天器的位置、速度和姿态进行测量。
这些测量数据会被传输回地面控制中心，经过复杂的计算和分析，制定出相应的轨道控制策略。
然后，地面控制中心会向航天器发送指令，控制其推进系统的工作，实现轨道的调整。
推进系统是实现轨道控制的关键部件。
目前，航天器常用的推进系统包括化学推进系统和电推进系统。
化学推进系统具有推力大、响应快的优点，但燃料消耗较大，适用于短时间内需要较大推力的轨道调整。
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1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设： 因此在初步讨论轨道机动问题时，
假设发动机按冲量方式工作，即在航天
器位置不发生变化的情况下，使航天器 的速度发生瞬时变化。 这一假设可使问题得到简化，为更 深入的研究提供必要的基础。
1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设： 在变轨点 Q1处速度为VA 在 Q1处发动机工作产生速度增量V 航天器的速度由VA 瞬时变成VB V 进入轨道B
轨道面法向分量ｆ ｈ b.分解为轨道速度方向上的分量 ｆ ｕ,
ｆ ｆ 轨道面内的法向分量 ｎ ,轨道面法量 ｈ 。
ｆ ｕ ｆ ｒ ｆ ｔ ｆh ｆ ｎ
Ｏ ｒ
（1） 高斯摄动方程
按第一种分解法，所得高斯摄动方程如下：
a＝ 2 n 1 e
2
１+e cos f e sin f f r
航天器控制原理
第31讲 航天器的轨道机动 与轨道保持
主讲：黄 河
西北工业大学 精确制导与控制研究所
第31讲 航天器的轨道机动 与轨道保持
1、轨道机动的基本概念 2、平面内的轨道机动 3、平面外的轨道转移 4、轨道保持
1、轨道机动的基本概念
轨道控制： 使航天器按预定轨道运动。简单地 说，就是控制航天器质心运动的速度大 小和方向，使航天器的轨道满足飞行任 务的要求。 控制力：
r 2e cos p r f f r 1 sin f f t p
1 e2 M n nae
（1） 高斯摄动方程
按第二种分解法，所得高斯摄动方程如下：
a＝ 2 n 1 e
2 1
1 2e cos f e
2a 2 a v v r r2
基于轨道机动的瞬时假设，在
轨道上某点速度v改变而保持r不变， 则 ：
a 2a 2
vv
因为轨道长轴是2a，所以轨道长度 的改变是a。
（2） 轨道高度的修正
假定在近拱点改变速度，那么由此
造成的长轴改变量正好是远拱点高度的 变化。
ft
1 e2 e sin f f r cos f cos E ft na r cos u r sin u i fh fh 2 2 na 2 1 e 2 na 1 e sin i
1 e2 nae r cos f f 1 sin f f r t cos i p
VB
VA
Q1
地球
轨道A
轨道B
2、平面内的轨道机动
（1） 高斯摄动方程
（2） 轨道高度的修正
（3） 共面两轨道的一般转移
（4） 霍曼转移
（1） 高斯摄动方程
什么是高斯摄动方程？
用来描述航天器的轨道六要素在 摄动力作用下的运动规律。
（1） 高斯摄动方程
摄动力f常有以下两种分解方法：
ｆ a.分解为径向分量ｆ ｒ ,横向分量 ｔ,
控制航天器的速度一般采用反作用
推力、气动力、太阳辐射压力、磁力和
其他非重力源的力。
1、轨道机动的基本概念
轨道控制范围： •轨道机动； •轨道保持； •交会、对接； •再入返回； •落点控制。
1、轨道机动的基本概念
轨道机动：
•是指沿已知轨道运动的航天器改变为
沿另一条要求的轨道运动。
•已知的轨道称为初轨道或停泊轨道，
v2 由能量方程式： 2 r 2a
两边求一次微分得：vd v 2 d r 2 d a r 2a
2a 2 由此可以解出： d a vd v 2 d r r
（2） 轨道高度的修正
在小偏差情况下，由 v 和 r 引起的长半轴a的改变量 a 为：
1 1 e2 2 2 1 2e cos f e 2cos f fu cos E e f n cos i nae
1 1 e2 2e2 2 2 M n 1 2 e cos f e 2sin f sin E f cos E e f u n 2 nae 1 e
同样，在远拱点速度改变v ，将导
致近拱点高度的相同变化。 将一般关系应用于在近拱点和远拱点 加上 v 的特殊情况，得到远拱点和近拱 点的高度变化，即：
ha 4a
2
v
p
v p
4a 2 h p va v a
（3） 共面两轨道的一般转移
两轨道在同一平面内相交：
轨道A与轨道B在同一平面内相交， 交点为 。 Q1
Q1
轨道B
地球
轨道A
（3） 共面两轨道的一般转移
为了使航天器从轨道A转移到轨道 B，需要在两轨道的交点Q1 处加一 个速度增量V ，满足v B v A v。
2
2
fu
1 e2 2 1 2 2 e 1 2 e cos f e 2 cos f e f 1 e sin E f n u na r cos u r sin u i fh fh 2 2 na 2 1 e 2 na 1 e sin i
（2） 轨道高度的修正
航天器在预定轨道上运动由于大气摄动、地球扁率、 太阳和月球的引力等影响,航天器会脱离预定轨道 现在可以在近拱点或 远拱点改变速度,修 正轨道误差,使航天 器回到预定轨道地球 NhomakorabeaV
（2） 轨道高度的修正
近拱点或远拱点高度的修正： 通过轨道机动，可以将近拱点 或远拱点调到预期高度。
要求的轨道称为终轨道或预定轨道。
1、轨道机动的基本概念
控制系统的组成：
预定轨道 测量
敏感器 实际参数
执行机构
计算机
控制信号
动力 装置
△V
航天器
轨道控制系统的组成
1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设：
当采用火箭发动机作为轨道机动系
统的动力装置时，由于火箭发动机能提 供较大的推力，因而短时间工作即可使 航天器获得所需的速度增量。