[科普中国]-姿态捕获

概念

姿态捕获是航天器由未知姿态到已知姿态的定向过程，是另一类典型的姿态机动。姿态捕获方式可分为三类：全自主、半自主和地面控制。

全自主捕获方式就是整个捕获过程完全由星上设备完成，从姿态信息获得、控制指令综合到执行机构工作。采用全自主姿态捕获方式的有西德天文卫星AEROS，它由星上模拟式太阳敏感器和磁强计得到姿态信息，通过星上电子逻辑装置控制电磁铁使自旋轴指向太阳。热容量绘图卫星HCMM采用磁强计和安装在飞轮上的地平扫描仪来控制磁力矩使姿态对地球指向稳定。

半自主姿态捕获方式是由地面站和星上设备共同组成的。例如高能天文观察卫星HEAO首先利用模拟式太阳敏感器使自旋轴粗精度指向太阳，其精度在几度范围内。而地面站的计算机根据遥测传送下来的星跟踪器数据，通过相应软件精确确定卫星三轴姿态，并算出陀螺漂移的校正量，然后把这些信息送上卫星，最后通过控制喷气推力器使卫星姿态精确指向目标。

地面控制姿态捕获可以分为开环和闭环两种形式。闭环形式类似于星上全自主控制。这种闭环形式的地面控制是利用星上姿态敏感器，通过下行通道遥测传送到地面站，由地面站计算机把这些数据处理成为姿态控制有关的信息，然后通过上行通道遥控星上执行机构。星上和地面站共同组成一个闭环控制系统，并且以实时方式进行。这种系统的主要优点是灵活性大，可以使用地面站大容量计算机，并且具有连续快速提供各种指令的能力，而不增加星上质量和设备的复杂性。主要缺点是要求在执行任务时，上行和下行通道传送要连续可靠地工作，这就增加了对硬件和软件可靠性的要求；由于增加通信线路，也可能引起操作错误。加拿大CTS通信卫星采用HP2100A型微处理机，实现闭环形式的地面控制。

地面控制的开环形式是把星上敏感器数据传送到地面站，经过地面站计算机处理，并把结果显示出来，然后根据控制规律估算各种控制指令，经过分析和选择，最后通过遥控使星上执行机构动作。这种开环控制形式的时间延迟可以从30 S到几个小时，而闭环控制形式仅有几秒钟的延迟。开环形式控制的主要优点是地面站软件简单，可靠性高，因为各种控制指令都经过分析选择才发送到星上。目前采用开环形式进行姿态捕获比较多。2

目的全姿态捕获的目的是重建飞船姿态基准，这就是说要确定飞船相对基准坐标系的三轴姿态。要确定飞船姿态角就要求飞船光学姿态敏感器能正常工作。光学敏感器正常工作需要两个基本条件，就是飞船必须停止姿态翻滚，并且将光学姿态敏感器的测量光轴能对准观测的天体，例如红外地球敏感器的扫描光轴能扫到地球，太阳光矢量能进入到太阳敏感器的视场内。因此概括起来讲，全姿态捕获过程一般来讲包括：速率阻尼(消除飞船姿态翻滚)，捕获天体(地球或太阳)，确定飞船三轴姿态，以及消除飞船姿态误差最后重建飞船三轴姿态。而全姿态捕获的关键是确定飞船的三轴姿态。3

分类地球同步轨道三轴姿态捕获一般采取太阳一地球捕获模式，其步骤如下：

1)太阳捕获。星载太阳敏感器形成两条宽带视场(几乎大部分覆盖了天球面)，卫星的太阳捕获程序取决于卫星的测控方案是卫星的X轴指向太阳还是-Z轴指向太阳。若选取-Z轴指向太阳。其捕获程序为：在星箭分离后，如太阳未出现在-Z面的太阳敏感器视场内，则开始太阳搜索，先作俯仰搜索，卫星以0.5°/s左右的速度绕y轴转动，转动一圈后仍未能见到太阳。再作滚动搜索，在搜索过程中，一旦-Z面两个太阳敏感器有太阳信号输出，即转入太阳定向巡航。

2)地球捕获。星载红外地球敏感器安装在Z面上，用以测量卫星的滚动和俯仰姿态，在满足太阳-卫星-地球空间几何关系的可测控条件下，即可进行地球搜索；当红外地球敏感器扫到地球时，卫星姿态控制系统工作，立即捕获地球，锁定卫星姿态。

3)偏航捕获。在完成太阳一地球捕获后，可根据三轴稳定姿态的要求或建立远地点点火姿态的要求，把偏航信息输人姿态控制系统实现偏航捕获。

中低轨道卫星全姿态捕获一般寿命不太长的中低轨道卫星，多采用蓄电池供电，又由于轨道高度低，地球张角大，通常采取地球一偏航捕获模式。

这种捕获模式是首先利用星载红外地球敏感器的信号使卫星作适当的机动。使卫星的Z轴指向地心，此时滚动和俯仰偏差为小角度，完成了地球捕获。然后在阳照区使星体绕Z轴以某一角速度转动，偏航太阳敏感器将搜索太阳，当太阳处于偏航太阳敏感器视场之内时，依照偏航太阳敏感器的输出，即可计算出此时星体的偏航姿态，控制星体使偏航姿态达到给定值，即完成偏航捕获。中国返回式卫星用此捕获模式。1

我国研究情况1998年7月18日，在我国今天成功回收的第16颗返回式卫星上，我国卫星专家试验了全姿态捕获新技术，获得了使卫星任何姿态都能恢复正常运行的圆满效果，并且使原来与回收舱分离后只能作为“垃圾”被抛弃的仪器舱，按姿态捕获指令利用节省的燃料在天上又继续正常运行，证明我国卫星更强的生命力和仪器舱可以继续留轨再执行任务的可能。这颗卫星是本月3日发射的，卫星上新研究使用的互为备份的综合性红外地球敏感器，可互相切换“值班”的3台计算机，以及双保险多种接口箱等，都性能良好，使卫星在天运行和执行任务有更可靠的保证。如何控制卫星入轨后因故障而可能发生的不规则翻滚运动，是关系卫星成败的重要课题。我国卫星专家最近在总结第16颗返回卫星成功经验时指出，这次在这颗卫星上采用的多项新技术，都达到了预期效果，使我国返回式卫星可靠性进一步提高，并且增加了造福于人民的新功能，实现了技术新突破。4