航天器的控制系统

航天器的控制系统

航天学院 151220205 李欢

一、关于控制的基础知识

系统是能够在一起协同工作并产生输出的所有部分的集合。系统具有输入（进入系统的东西）、输出（从系统中发出的东西）和把输入变成输出的处理过程。对于航天器的任务而言，任务的成败取决于各种子系统的输出，因而我们最关心控制系统。最简单的控制系统是一种开环式的，输入生成输出，但不能动态调整输入来控制输出。而闭环控制系统，也叫反馈控制系统，能很好地保证得到想要的输出。因为它能感知输出（得到的）,将它与想要的输出（想得到的）进行比较，并根据需要调整输入。

所有控制系统必须实现的四个基本任务:

1.理解系统的行为——装置是如何对包括环境输入在内的输入产生反应来生成输出的,这也被称为装置模型;

2、观察系统的当前状态——利用传感器；

3、决定做什么——控制器的作用；

4、执行——利用执行器。

姿态确定就是根据姿态测量元件提供的测量信息（含有噪声）求出姿态角和角速度，其精度与测量元件的精度、安装方式和信息处理的方法有关。姿态确定航天器在空间的指向方位，同时，发射航天器需要控制它们的姿态以进入正确的轨道。通常用角度来定义航天器的姿态，用以飞行器为中心的本体坐标系的旋转角度来描述姿态，常以滚动角、俯仰角和偏航角给出。

为了观察系统姿态，并将这些观察结果转换成控制器能处理的信号，航天器都有一个内置姿态传感器系统。它利用两个参照点来确定航天器在三维空间里的姿态。

执行特定飞行使命的航天器需按特定的轨迹运动，为满足这个要求常需对轨道进行控制。这种控制包括利用航天器的推进系统产生的反作用推力的主动控制及利用客观存在的外力（如地球引力、气动力、太阳辐射压力及其他行星的引力等）的被动控制。对航天器的质心施加外力，以改变其运动轨迹的技术，实现航天器轨道控制的装置的组合称为航天器轨道控制系统。

航天器的轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成。主动飞行段是航天器变轨发动机的点火段，变轨发动机熄火后是自由飞行段。航天器在脱离运载火箭后便进入自由飞行段。如果要改变它的轨道，就要插入主动飞行段。

无摄动航天器的质心运动服从开普勒定律。但是航天器受入轨摄动影响和需要变轨或机动时，则必须控制航天器质心运动的速度向量，以满足航天任务对轨道的要求。控制航天器的速度一般使用下列控制力：反作用推力、气动力、太阳辐射压力、电磁力和其他非重力场的力以及行星引力。

完整的姿态确定与控制子系统（姿态和轨道控制子系统的姿态部分）包括控制器、执行器、航天器(“装置”)和传感器，它们一起工作来维持或改变航天器的姿态以实现任务的需求。

二、航天控制的应用及发展

1、轨道转移，它涉及较大的轨道变化，例如在发射静止卫星时由停泊轨道向大椭圆的过渡轨道转移；

2、轨道调整或轨道保持，它主要是为了消除轨道较小的偏差，例如通信、广播及中继卫星的位置保持，对地观测卫星的轨道及地面星下点轨迹位置的保持，以及卫星网各卫星之间相对位置的保持；

3、用于遥感卫星；

4、导航——确定轨道，即确定航天器的位置向量和速度向量（共 6个变量）;

5、导引——根据航天器现有位置和速度、航天器的飞行目标以及受控运动的限制条件，确定航天器在推力作用下继续飞行的规律(即导引律)；

6、控制——把航天器的本体坐标系稳定在所要求的基准坐标系附近。

三、航天控制的技术要求

①发展各种高性能（精度高、重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、寿命长）的测量元件、执行元件和计算装置；

②发展各种控制方法以及应用最优估计理论和最优控制系统；

③导航——传感器制导——控制器

④按照航天器任务要求的精度和旋转速率，生成控制器的指令使航天器指向正确方向，即是说，控制器必须是智能的。

四、未来航天控制的发展方向

随着各种应用卫星的发展，对轨道控制的精度要求日趋严格。例如为了能在地球静止轨道上放置更多一些卫星，就必须进一步提高位置保持的精度。提高应用卫星轨道控制的自主性是现代技术发展的另一个动向，这是因为提高自主性可以减少地面测控站的负担，对于军用卫星还能提高保密性和抗干扰能力。对星际航行来说，为了缩短变轨控制的响应时间，自主导航和控制更有必要。

以地面站为基础进行的对运载火箭和航天器的测轨、跟踪、遥测、遥控，处理的信息量更大，对自动化程度、控制精度和可靠性的要求更高。

五、对航天测控专业的看法

学习航天探测制导与控制技术专业，要求我们掌握航天飞行器动力学分析、控制系统设计、数值和物理仿真等基本理论，具有较强的探索精神和创新意识。航天控制的特点在于控制对象的动力学模型复杂，工作环境远离地面，能源有限，处理的信息量大以及对自动化程度、控制精度和可靠性的要求高，因此我们还应具有良好的计算机应用软件等工具性知识。我们主要研究轨道控制和姿态控制以及制导方面的问题，当然我们的发展前景也是很光明的。