卫星姿态及轨道控制方法
自动控制原理实验-卫星三轴姿态控制系统
自动控制理论实验报告人：赵振根02020802班2008300597卫星三轴姿态飞轮控制系统设计一：概述1.1．坐标系选择与坐标变换在讨论卫星姿态时，首先要选定空间坐标系，不规定参考坐标系就无从描述卫星的姿态，至少要建立两个坐标系，一个是空间参考坐标系，一个是固连在卫星本体的星体坐标系。
在描述三轴稳定对地定向卫星的姿态运动时，一般以轨道坐标系为参考坐标系，还有星体坐标系。
（1） 轨道坐标系o o o O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，o OX 轴在轨道平面上与o OZ 轴垂直，与轨道速度方向一致，o OZ 轴指向地心，o OY 轴垂直于轨道平面并构成右手直角坐标系（2） 星体坐标系b b b O X Y Z -，原点位于卫星的质心O ，b OX ，b OY ，bOZ 固连在星体上，为卫星的三个惯性主轴。
其中b OX 为滚动轴，b OY为俯仰轴，OZ为偏航轴。
b1.2 飞轮控制系统在卫星三轴姿态控制中的应用与特点长寿命，高精度的三轴姿态稳定卫星，在轨道上正常工作时，普遍采用角动量交换装置作为姿态控制系统的执行机构。
与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的有点：(1)飞轮可以给出较为精确地连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作为非线性开关控制，因此轮控系统的精度比喷气推力器的精度高一个数量级，而姿态误差速率也比喷气控制小。
(2)飞轮所需要的能源是电能可以不断地通过太阳能电池在轨得到补充，因而适用于长寿命工作，喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因而寿命大大受限。
(3)轮控系统特别适用于克服周期性扰动。
(4)轮控系统能够避免热推力器对光学仪器的污染。
然而，轮控系统在具有以上优越性的同时，也存在两个主要问题，一是飞轮会发生速度饱和。
当飞轮朝着一个方向加速或偏转以克服某一方面的非周期性扰动时，飞轮终究要达到其最大允许转速。
二是由于转速部件的存在，特别是轴承寿命和可靠性受到限制。
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。
航天器姿态确定与姿态控制
光敏元件阵列是由一排相互平行且独立的
光电池条组成，其数量决定了太阳敏感器输出
编码的位数，从而在一定程度上影响到敏感器
的分辨率。
图4.3 两轴模拟式太阳敏感器
航天器姿态确定
红外地平仪
红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当 地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，简称地平仪。
目前红外地平仪主要有3种形式：地平穿越式、边界跟踪式和辐射 热平衡式。
磁矩与地球磁场相互作用就可产生控制力矩，实现姿态控制。
航天器姿态控制
利用环境场产生控制力矩，最常用的除了磁力矩以外，还有重力 梯度力矩等。
磁力矩与轨道高度的3次方成反比，轨道高度越低，磁力矩越大。 所以磁力矩作为控制力矩比较适用于低轨道航天器。
重力梯度力矩适用于中高度轨道航天器。 太阳辐射力矩适用于同步轨道卫星等高轨道航天器。 气动力矩也适用于低轨道。 但是最后两种力矩较少用来作为控制力矩。利用环境力矩产生控 制力矩的装置可称为环境型执行机构。
单脉冲比相干涉仪是由光的干涉原理引伸而来，至少要采用两个接收 天线，其间矩为d，称为基线长度。当天线与地面距离比基线长度d大得 多时，有如下关系式：
cos 2 d
式中， 为两个天线接收电波的相位差，A为波长。由式可见， 是预先 确定的，因此只要测出两个天线接收信号的相位差，便可确定方向角 。
➢ 被动式
被动控制系统是用自然环境力矩源或物理 力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐 射力矩或气动力矩等以及它们之间的组合来控 制航天器的姿态。
其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地平仪的工作视场较 小，只能适用于小范围的姿态测量，但精度较高。
航天器姿态确定
➢ 地平穿越式地平仪
地平穿越式地平仪的视场相对于地球作扫描运动。当视场穿越地平 线时，也就是说扫到地球和空间交界时，地平仪接收到的红外辐射能量 发生跃变，经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转变成电信号， 形成地球波形。然后通过放大和处理电路，把它转变成为前后沿脉冲。 最后通过计算电路，把前后沿脉冲与姿态基准信号进行比较，得出姿态 角信息，也就是滚动角或俯仰角。
卫星姿态控制与稳定技术研究
卫星姿态控制与稳定技术研究随着科技的不断发展，人类对于太空的探索也日益深入。
卫星作为太空探索的重要工具，其中姿态控制与稳定技术扮演着至关重要的角色。
本文将对卫星姿态控制与稳定技术进行研究与探讨。
一、卫星姿态控制技术的概述卫星姿态控制技术是指通过对卫星的定位、导航和控制系统进行精确控制，使卫星能够保持所期望的姿态状态。
姿态控制技术在卫星的轨道保持、对地观测、通信和数据传输等多个方面起到重要作用。
卫星姿态控制技术可以分为主动姿态控制和被动姿态控制两大类。
主动姿态控制是通过控制卫星的推力系统、陀螺仪系统和反应轮系统等来实现的，具备快速而准确的反应能力。
被动姿态控制则是通过利用卫星自身的动力学特性来维持稳定姿态。
二、卫星姿态稳定技术的原理卫星姿态稳定技术是为了保持卫星在空间中的稳定状态而设计的技术手段。
姿态稳定技术能够有效地防止卫星因外界扰动而产生的摆动，确保卫星能够执行所需的任务。
卫星姿态稳定技术主要有被动稳定和主动稳定两种方式。
被动稳定是利用卫星的构型和重心位置设计，使其自然趋向于最稳定的姿态。
而主动稳定则通过在卫星上设置一系列的姿态调整装置，以实现对卫星姿态的实时控制。
三、卫星姿态控制与稳定技术的应用卫星姿态控制与稳定技术在卫星应用中扮演着重要的角色。
以下是几个典型的应用案例：1. 卫星通信：通信卫星需要保持稳定的姿态，以确保地面与卫星之间的通信信号传输质量。
姿态控制技术能够帮助卫星保持稳定的指向性，提高通信的稳定性和可靠性。
2. 对地观测：地球观测卫星需要保持稳定的姿态，以获取高质量的观测数据。
姿态控制技术可以帮助卫星对地观测目标进行精确定位和跟踪，提高观测数据的准确性。
3. 空间科学研究：卫星用于开展天文观测和空间物理实验时，需要保持稳定的姿态，以避免观测误差和数据损失。
姿态控制技术的应用可以提供准确的观测数据，支持空间科学研究的发展。
四、卫星姿态控制与稳定技术研究的挑战与发展趋势在卫星姿态控制与稳定技术的研究过程中，面临着一些挑战，也有着一些发展趋势。
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。
电机控制技术在卫星飞行姿态和轨道控制的应用
电机控制在GPS卫星轨道控制中 的应用
轨道保持：通过电机控制技术，GPS卫星能够精确 保持其在预定轨道上运行。当卫星受到其他天体 引力、大气阻力等影响时，电机控制技术能够通 过调整电机的推力，使卫星回到预定轨道
高精度导航与定位
随着对导航和定位精度的不断提高，电 机控制技术将在高精度导航和定位中发 挥重要作用。通过电机控制技术，可以 实现卫星的微小姿态调整和轨道修正， 提高导航和定位的精度。这将有助于满 足各种高精度应用的需求，如地形测绘、
精细农业、无人驾驶等
自主导航与自主控制
未来，GPS卫星可能实现自主导航和自 主控制。在这种模式下，卫星将通过传 感器和算法自主感知和决策，实现姿态 调整和轨道控制。电机控制技术将与自 主导航和自主控制技术相结合，为卫星
同时，电机控制技术还将应用于更多领域，如多卫星协同控制、高精度导
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轨道机动：在某些情况下，可能需要调整卫星的 轨道以适应任务需求。电机控制技术能够通过精
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电机控制技术在GPS卫星中的应用实例
以某型GPS卫星为 用了先进的电机 行姿态控制方面 高精度陀螺仪和 姿态变化，并通 实时调整卫星的 制方面，该卫星 子推进系统，通
结论
电机控制技术在GPS卫星的飞行姿态和轨道 控制中发挥着重要作用。通过精确控制电 机的转速和方向，实现了卫星的高精度姿 态确定、稳定和轨道保持。同时，电机控 制技术还能够实现卫星的轨道机动，提高 了GPS系统的灵活性和适应性。随着技术的
提供更强大、更灵活的自主能力
卫星姿态轨道控制原理
卫星姿态轨道控制原理今天来聊聊卫星姿态轨道控制原理的话题。
你看啊，咱们平时放风筝的时候，如果想让风筝飞得又高又稳，还得摆出各种有趣的姿势，就得不断地拉扯风筝线调整它的方向，在太空中的卫星其实也有点类似的情况呢。
卫星在天上可不是随意飘荡的，就像汽车得沿着马路跑一样，卫星也要按照规定的轨道运行，这个轨道决定了卫星在空间的位置。
要保持卫星在既定轨道运行，就得克服许多外界干扰因素，比如地球的不均匀引力啦，其他天体的引力影响啦，还有太阳光压等。
这就需要进行轨道控制。
打个比方，轨道控制就像是让卫星在太空高速路上稳稳行驶。
卫星自身带有动力系统或者可以通过利用地球的引力等进行轨道机动。
比如说，通过在卫星上安装不同类型的推进器。
当需要改变轨道高度或者轨道平面时，推进器点火工作，像汽车踩油门加速或者转弯似的，改变卫星的速度向量，从而实现轨道的调整。
再来说说卫星姿态控制。
咱们都知道，卫星上的很多设备都有特定的指向要求的。
比如通信卫星得保证天线对准地球特定区域。
卫星姿态控制就是控制卫星在太空中的朝向。
你可以把卫星想象成一艘在太空中航行的小船，姿态控制系统就像船上的舵，时刻调整小船的船头方向。
卫星可以通过动量轮、磁力矩器等设备来实现姿态控制。
像动量轮，它通过高速旋转来存储角动量，然后根据需要改变角动量的方向来调整卫星的姿态，就像用船上的重物调整平衡进而改变船的方向一样。
说到这里，你可能会问卫星姿态和轨道控制这两者之间有没有相互影响呢？这个问题很有意思，其实它们是密切相关的。
不准确的轨道控制会导致卫星受到不同的力的作用，从而间接影响到姿态；反过来，卫星姿态没控制好，也会影响到用于轨道控制的推进装置的工作效果等。
我在学习这个原理的过程中，一开始也特别困惑像引力助推这种比较复杂的轨道控制方法。
引力助推就好像卫星在太空中搭顺风车，路过行星的时候利用行星的引力和相对运动给自己加速或者改变轨道方向，但具体怎么一回事真的费了我好大劲儿才理解呢。
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卫星姿态及轨道控制方法主要包括以下几种：
姿控发动机：姿控发动机用于改变卫星的姿态，其燃料喷射方向不同可以产生不同方向的推力，从而改变卫星的姿态。
姿控发动机通常采用离子推进器或化学推进器。
引力牵引：利用地球引力场，通过改变卫星的轨道高度和速度，使其受到引力牵引，从而实现姿态控制。
热控制：热控制是指通过控制卫星内部的温度，调整卫星的热平衡，从而减少热对姿态控制的影响。
智能控制系统：智能控制系统是指利用人工智能等技术，对卫星进行实时监测和预测，从而快速响应和处理各种情况，保证卫星的稳定运行。
地面仿真和控制：地面仿真和控制是指利用地面站对卫星进行仿真和控制，从而测试和验证卫星的各种性能，提高卫星的可靠性和稳定性。
总之，卫星姿态及轨道控制方法多种多样，根据实际情况选择合适的方法可以保证卫星的稳定运行。