[科普中国]-卫星控制

姿态控制

卫星姿态控制是指获取并保持卫星在太空定向(即卫星相对于某个参考系的姿态)的一项技术。卫星的姿态控制包括姿态稳定和姿态机动两个方面。

(1)姿态稳定是保持已有姿态的过程。

(2)姿态机动是把卫星从一种姿态转变为另一种姿态的再定向过程。1

原理卫星太空中是在失重的环境下飞行，卫星都有自己特定的任务，对飞行姿态都有一定的要求。比如，通信卫星需要它的天线始终对准地面，对地观测卫星则要求它的观测仪器的窗口始终对准地面。卫星受各种干扰，在空间的姿态角和姿态角速度会偏离预先设计值，为了保持卫星在飞行姿态轴的稳定，并根据需要调整、改变姿态轴的方向。

根据对卫星的不同工作要求，卫星的姿态控制方法也不同。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置，可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。被动姿态控制，就是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定；主动姿态控制是根据姿态误差形成控制指令，产生控制力矩来实现姿态控制。1

目的卫星在轨道运行时，为了完成它所承担的任务，必须具有一定的姿态。对地观测卫星的照相机或者其他遥感器要对准地面。通信卫星和广播卫星的天线要对准地球上的服务区。卫星上的能源装置——太阳电池翼要对准太阳。卫星作机动变轨时其变轨发动机要对准所需推力方向。卫星或航天器从空间返回大气层时，制动防热面须对准迎面气流方向。1

技术卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。采用被动、主动或把二者结合起来，取决于飞行任务对定向和稳定的要求、功率要求、重量限制、轨道特性、控制系统和卫星上实验仪器的相互配合等因素。

(1)被动姿态控制：被动姿态控制是制利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法。

(2)主动姿态控制：根据姿态误差(测量值与标称值之差)形成控制指令，产生控制力矩来实现姿态控制的方法。要求对三个轴进行姿态控制的卫星通常采用主动姿态控制。1

温度控制卫星的温度控制就是卫星在轨飞行时，对卫星内部和外部的温度进行控制，使卫星的温度达到所要求范围的系统。

卫星温度卫星在轨飞行时，会遇到高温和低温两种环境。太阳是一个大热源。在数百到数千千米的高空，非常稀薄的气体不能阻挡太阳的照射，没有传导与对流散热，太阳直接照射的卫星表面，如果不加防护，卫星的温度很快就会升高；当卫星飞行到地球的另一面时就进人了阴影区，得不到太阳的热量，温度会很快地降低。卫星在100℃~-100℃这种交变温度下工作；另一方面地球的太阳光反射和红外低温辐射同样作用到卫星的表面；同时，卫星内部的仪器设备工作时，也要向外散发热量。

卫星内部必须保持一定的温度范围，以保证星内的仪器设备工作正常。热控制系统可以保证卫星内部的温度始终保持在一定的范围内变化。一般卫星内部的温度保持在5℃~45℃的范围内，个别的部分只允许在恒定的温度下有1 ℃~2℃的变化范围。1

温控技术(1)被动式热控制：被动式热控制是在对卫星进行温度控制时不需要消耗能量，只需要在卫星的内外表面及仪器设备上采取相应的措施就可以达到热控制的目的。

(2)主动式温度控制：主动式温度控制是用主动的加温或降温的方法达到热量的平衡。

在大多数的情况下，在卫星上同时采用被动和主动两种方式联合工作，以确保温度控制的可靠性和高效率。1

轨道控制卫星轨道控制是指控制卫星在轨道上按照预定轨道飞行。

原理卫星的轨道是在卫星发射前就设计好的理论轨道；在卫星发射后真正运行的轨道称为实际轨道。实际轨道往往和理论的轨道不完全一致，两者总是有偏差。一般情况下，末级火箭的熄火点就是卫星的入轨点，当卫星与火箭分离刚刚进入轨道时，由于一直测量火箭的飞行参数，也就知道了卫星人轨点的参数，称为卫星的初始轨道参数，又称卫星的初轨。

卫星进入初轨后，再连续跟踪一段距离，取得了一系列的数据，就能计算出卫星整个的运行轨道，也就是能知道下一圈在什么地方，以及任何一个时刻卫星会飞到什么地点的上空，这就是卫星的轨道预报。再经过一段时间轨道调整，卫星就能进入预期的运行轨道。

卫星在长期运行中，由于受到地球引力的影响、大气阻力的影响、太阳和月球引力的影响，它的轨道会产生微小变化，称为“轨道摄动”，因此对轨道要不断地跟踪测量，必要时还要进行轨道修正和保持。1

技术(1)光学测量：光学测量利用望远镜、光学经纬仪、电影经纬仪、高速摄影机、激光测距仪等光学仪器，对卫星进行跟踪测量。

(2)无线电测量：无线电测量不受天气影响，可以实现全天候跟踪测量，地面通过无线电和卫星建立联系。

(3)卫星跟踪测量设备：卫星跟踪测量设备是无线电测控设备，如无线电信标机、雷达应答机、多普勒测速仪。1

动力控制卫星的动力控制主要是电力和电力控制。动力控制系统的发展水平，对提高卫星的性能，完成广泛而复杂任务的能力，有重要的决定性作用。随着卫星技术的发展，卫星的工作寿命不断提高，功能日益改进，电源的功率已从早期的数十瓦增加到数千瓦甚至上万瓦。卫星上采用的电源主要有太阳能电池电源、化学电源和核电源。1