太空飛行器姿態與軌道控制

太空飛行器姿態與軌道控制包含姿態控制與軌道控制兩方面。

其中姿態控制包括姿態確定方法和姿態控制過程兩個方面，實現太空飛行器姿態確定和姿態控制的裝置或系統稱為太空飛行器姿態控制系統；而軌道控制則是對太空飛行器的質心施加外力，以改變其運動軌跡的技術，實現太空飛行器軌道控制的裝置的組合稱為太空飛行器軌道控制系統。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器姿態與軌道控制
• 外文名：Spacecraft attitude and orbit control

簡介

太空飛行器姿態與軌道控制包含姿態控制與軌道控制兩方面。由太空飛行器姿態控制系統和軌道控制系統共同組成太空飛行器姿態軌道控制系統，用以實現對太空飛行器姿態穩定、姿態機動以及運動軌道的有效控制。

太空飛行器姿態軌道控制系統作為太空飛行器的神經中樞，其可靠性、穩定性及精確度是太空飛行器安全飛行和執行任務成功與否的重要保障。

太空飛行器運動

對剛體太空飛行器的運動可由它的位置、速度、姿態和姿態運動來描述。

1. 位置和速度描述太空飛行器的質心運動，屬於太空飛行器的軌道問題。
   
2. 姿態就是太空飛行器在空間的方位。姿態和姿態運動描述太空飛行器繞質心的轉動，屬於姿態問題。
   

從運動學的觀點來說，一個太空飛行器的運動具有6個自由度，其中3個位置自由度表示太空飛行器的軌道運動，另外3個繞質心的轉動自由度表示太空飛行器的姿態運動。

太空飛行器控制

太空飛行器在軌道上運動將受到各種力矩的作用。從剛體力學的角度來說，力使太空飛行器的軌道產生攝動，力矩使太空飛行器姿態產生擾動。

太空飛行器的控制可以分為兩大類：軌道控制和姿態控制。

1. 對太空飛行器的質心施加外力，以有目的地改變其運動軌跡的技術，稱為軌道控制。
   
2. 對太空飛行器繞質心施加力矩，以保持或按需要改變其在空間的定向技術，稱為姿態控制。
   

太空飛行器控制系統由敏感器、控制器和執行機構三部分組成：

1. 敏感器用以測量某些絕對的或相對的物理量；
   
2. 控制器擔負起信號處理的任務；
   
3. 執行機構起控制作用，驅動動力裝置產生控制信號所要求的運動；
   

執行機構根據控制力和控制力矩的不同，可以把它分為姿態控制執行機構和軌道控制執行機構。有些執行機構既可以作為姿態控制執行機構，也可以作為軌道控制執行機構，例如噴氣推力器的安裝方式決定推力器是姿態控制執行機構還是軌道控制執行機構。

這三部分統稱為控制硬體，而用於完成測量和控制任務所需的算法稱為軟體。

軌道控制

軌道控制包括軌道確定和軌道控制兩方面：

1. 軌道確定的任務是研究如何確定太空飛行器的位置和速度，有時也稱為空間導航，簡稱導航；
   
2. 軌道控制是根據太空飛行器現有位置、速度、飛行的最終目標，對質心施加控制力，以改變其運動軌跡的技術。
   

軌道控制按套用方式分類：

1. 軌道機動：指使太空飛行器從一個自由飛行段軌道轉移到另一個自由飛行段軌道的控制。例如，地球靜止衛星發射過程中為進入地球靜止軌道，在其轉移軌道的遠地點就需進行一次軌道機動。
   
2. 軌道保持：指克服攝動影響，使太空飛行器軌道的某些參數保持不變的控制。例如：地球同步軌道衛星為精確保持其定點位置而定期進行的軌道修正。
   
3. 軌道交會：指太空飛行器能與另一個太空飛行器在同一時間以相同的速度達到空間同一位置而實施的控制過程。
   
4. 再入返回控制：指使太空飛行器脫離原來的軌道，返回進入大氣層的控制。
   

姿態控制

姿態控制包括姿態確定方法和姿態控制過程：

1）姿態確定是研究太空飛行器相對於某個基準的確定姿態方法。這個基準可以是慣性基準或者人們所感興趣的某個基準，例如地球。姿態確定一般採用姿態敏感器和相應的數據處理方法，姿態確定的精度取決於數據處理方法和太空飛行器敏感器所能達到的精度。

2）姿態控制是太空飛行器在規定或預先確定的方向（可稱為參考方向）上的定向的過程，它包括姿態穩定和姿態機動。

• 姿態穩定是指使姿態保持在指定方向；
  
• 姿態機動是指太空飛行器從一個姿態過渡到另一個姿態的再定向過程。
  

姿態穩定方式按姿態運動的形式：

1. 被動姿態穩定：利用環境力矩使太空飛行器保持姿態穩定；
   
2. 自旋穩定：衛星等太空飛行器繞其一軸（自旋軸）旋轉，依靠旋轉動量矩保持自旋軸在慣性空間的指向；
   
3. 三軸穩定：依靠主動姿態控制或利用環境力矩，保持太空飛行器本體三條正交軸線在某一參考空間的方向。
   

姿態控制與軌道控制的關係

太空飛行器是一個比較複雜的控制對象，一般來說軌道控制與姿態控制密切相關。為實現軌道控制，太空飛行器姿態必須符合要求。即當需要對太空飛行器進行軌道控制時，同時也要求進行姿態控制。在某些具體情況或某些飛行過程中，可以把姿態控制和軌道控制分開來考慮。有些套用任務對軌道沒有嚴格要求，如空間環境探測衛星，則只有姿態控制系統。