姿態捕獲

姿態捕獲是套用衛星一個非常重要的控制模式，其捕獲方式可分為全自主、半自主和地面控制三種方式：應根據姿態捕獲的目的(初始姿態的建立、同步軌道遠地點點火姿態的建立。姿態丟失重恢復對地定向或轉安全模式等)和星上能源情況(太陽帆板供電。還是蓄電池供電)．而決定採用哪種捕獲方式。

基本介紹

• 中文名：姿態捕獲
• 外文名：attitude acquisition
• 所屬領域：航空航天
• 分類：全自主、半自主和地面控制
• 概念：由未知姿態到已知姿態定向
• 目的：重建姿態基準

概念

姿態捕獲是太空飛行器由未知姿態到已知姿態的定向過程，是另一類典型的姿態機動。姿態捕獲方式可分為三類：全自主、半自主和地面控制。

全自主捕獲方式就是整個捕獲過程完全由星上設備完成，從姿態信息獲得、控制指令綜合到執行機構工作。採用全自主姿態捕獲方式的有西德天文衛星AEROS，它由星上模擬式太陽敏感器和磁強計得到姿態信息，通過星上電子邏輯裝置控制電磁鐵使自旋軸指向太陽。熱容量繪圖衛星HCMM採用磁強計和安裝在飛輪上的地平掃瞄器來控制磁力矩使姿態對地球指向穩定。

半自主姿態捕獲方式是由地面站和星上設備共同組成的。例如高能天文觀察衛星HEAO首先利用模擬式太陽敏感器使自旋軸粗精度指向太陽，其精度在幾度範圍內。而地面站的計算機根據遙測傳送下來的星跟蹤器數據，通過相應軟體精確確定衛星三軸姿態，並算出陀螺漂移的校正量，然後把這些信息送上衛星，最後通過控制噴氣推力器使衛星姿態精確指向目標。

地面控制姿態捕獲可以分為開環和閉環兩種形式。閉環形式類似於星上全自主控制。這種閉環形式的地面控制是利用星上姿態敏感器，通過下行通道遙測傳送到地面站，由地面站計算機把這些數據處理成為姿態控制有關的信息，然後通過上行通道遙控星上執行機構。星上和地面站共同組成一個閉環控制系統，並且以實時方式進行。這種系統的主要優點是靈活性大，可以使用地面站大容量計算機，並且具有連續快速提供各種指令的能力，而不增加星上質量和設備的複雜性。主要缺點是要求在執行任務時，上行和下行通道傳送要連續可靠地工作，這就增加了對硬體和軟體可靠性的要求；由於增加通信線路，也可能引起操作錯誤。加拿大CTS通信衛星採用HP2100A型微處理機，實現閉環形式的地面控制。

地面控制的開環形式是把星上敏感器數據傳送到地面站，經過地面站計算機處理，並把結果顯示出來，然後根據控制規律估算各種控制指令，經過分析和選擇，最後通過遙控使星上執行機構動作。這種開環控制形式的時間延遲可以從30 S到幾個小時，而閉環控制形式僅有幾秒鐘的延遲。開環形式控制的主要優點是地面站軟體簡單，可靠性高，因為各種控制指令都經過分析選擇才傳送到星上。目前採用開環形式進行姿態捕獲比較多。

目的

全姿態捕獲的目的是重建飛船姿態基準，這就是說要確定飛船相對基準坐標系的三軸姿態。要確定飛船姿態角就要求飛船光學姿態敏感器能正常工作。光學敏感器正常工作需要兩個基本條件，就是飛船必須停止姿態翻滾，並且將光學姿態敏感器的測量光軸能對準觀測的天體，例如紅外地球敏感器的掃描光軸能掃到地球，太陽光矢量能進入到太陽敏感器的視場內。因此概括起來講，全姿態捕獲過程一般來講包括：速率阻尼(消除飛船姿態翻滾)，捕獲天體(地球或太陽)，確定飛船三軸姿態，以及消除飛船姿態誤差最後重建飛船三軸姿態。而全姿態捕獲的關鍵是確定飛船的三軸姿態。

分類

地球同步軌道三軸姿態捕獲

一般採取太陽一地球捕獲模式，其步驟如下：

1)太陽捕獲。星載太陽敏感器形成兩條寬頻視場(幾乎大部分覆蓋了天球面)，衛星的太陽捕獲程式取決於衛星的測控方案是衛星的X軸指向太陽還是-Z軸指向太陽。若選取-Z軸指向太陽。其捕獲程式為：在星箭分離後，如太陽未出現在-Z面的太陽敏感器視場內，則開始太陽搜尋，先作俯仰搜尋，衛星以0.5°/s左右的速度繞y軸轉動，轉動一圈後仍未能見到太陽。再作滾動搜尋，在搜尋過程中，一旦-Z面兩個太陽敏感器有太陽信號輸出，即轉入太陽定向巡航。

2)地球捕獲。星載紅外地球敏感器安裝在Z面上，用以測量衛星的滾動和俯仰姿態，在滿足太陽-衛星-地球空間幾何關係的可測控條件下，即可進行地球搜尋；當紅外地球敏感器掃到地球時，衛星姿態控制系統工作，立即捕獲地球，鎖定衛星姿態。

3)偏航捕獲。在完成太陽一地球捕獲後，可根據三軸穩定姿態的要求或建立遠地點點火姿態的要求，把偏航信息輸人姿態控制系統實現偏航捕獲。

中低軌道衛星全姿態捕獲

一般壽命不太長的中低軌道衛星，多採用蓄電池供電，又由於軌道高度低，地球張角大，通常採取地球一偏航捕獲模式。

這種捕獲模式是首先利用星載紅外地球敏感器的信號使衛星作適當的機動。使衛星的Z軸指向地心，此時滾動和俯仰偏差為小角度，完成了地球捕獲。然後在陽照區使星體繞Z軸以某一角速度轉動，偏航太陽敏感器將搜尋太陽，當太陽處於偏航太陽敏感器視場之內時，依照偏航太陽敏感器的輸出，即可計算出此時星體的偏航姿態，控制星體使偏航姿態達到給定值，即完成偏航捕獲。中國返回式衛星用此捕獲模式。

我國研究情況

1998年7月18日，在我國今天成功回收的第16顆返回式衛星上，我國衛星專家試驗了全姿態捕獲新技術，獲得了使衛星任何姿態都能恢復正常運行的圓滿效果，並且使原來與回收艙分離後只能作為“垃圾”被拋棄的儀器艙，按姿態捕獲指令利用節省的燃料在天上又繼續正常運行，證明我國衛星更強的生命力和儀器艙可以繼續留軌再執行任務的可能。這顆衛星是本月3日發射的，衛星上新研究使用的互為備份的綜合性紅外地球敏感器，可互相切換“值班”的3台計算機，以及雙保險多種接口箱等，都性能良好，使衛星在天運行和執行任務有更可靠的保證。如何控制衛星入軌後因故障而可能發生的不規則翻滾運動，是關係衛星成敗的重要課題。我國衛星專家最近在總結第16顆返回衛星成功經驗時指出，這次在這顆衛星上採用的多項新技術，都達到了預期效果，使我國返回式衛星可靠性進一步提高，並且增加了造福於人民的新功能，實現了技術新突破。