[科普中国]-卫星姿态角

简介

定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为 x 轴，垂直轨道面的方向为 y 轴，垂直 xy 平面的为 z 轴，则卫星的姿态有三种情况：绕 x 轴旋转的姿态角，称滚动；绕 y 轴旋转的姿态角，称俯仰；绕 z 轴旋转的姿态角，称航偏。1

卫星姿态角的确定是对卫星进行姿态控制的基础，利用陀螺和红外敏感器互补的特性，并对测量所得到的数据进行处理，便可得到卫星姿态角的估计值。2

姿态角控制测定卫星姿态角主要用以控制卫星姿态，多采取三轴稳定方式。三轴稳定方式是对卫星相互垂直的三个轴都进行控制，不允许任何一个轴产生超出规定值的转动和摆动。实现卫星三轴姿态控制的系统一般包括姿态敏感器、姿态控制器和姿态执行机构三部分。姿态敏感器有惯性敏感器、地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等，用于察觉和测量卫星的姿态角变化，即卫星沿各个轴的转动角度及转动角速度有多大，是否超出规定的范围。

姿态控制器用于把姿态敏感器送来的卫星姿态角变化值的信号，经过一系列比较、处理，产生控制信号输送到姿态执行机构。姿态执行机构则根据姿态控制器送来的控制信号产生力矩，使卫星姿态恢复到正确的位置，常用的执行机构有反作用飞轮和推力器。当卫星的姿态处于所要求的姿态时，飞轮保持匀速旋转；如果卫星偏离了某一位置，飞轮加速或减速，产生一个相反方向的力矩，使卫星回复到所要求的姿态位置。卫星三个轴向各设置一个这样的飞轮，就能控制卫星三个轴方向的卫星姿态角。也可以在卫星三个轴的方向安置若干个小的推力器，一旦卫星偏离所要求的姿态，相应方向的推力器就会喷出气体，产生推力，改变卫星姿态角，使卫星处于所要求的位置。3

测量仪器姿态测量仪测定姿态角可以用姿态测量仪测定。用于空间的姿态测量仪有红外姿态测量仪、星相机、陀螺仪等。像美国在Landsat卫星上使用的AMS（Attitude Measurement Sensor）姿态测量传感器，就属于红外姿态测量。航天飞机则使用星相机测定姿态。也可用3个GPS测定姿态。

红外线测量仪的基本原理，是利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变化来测定姿态角。

一台这样的仪器只能测定一个姿态角，对于俯仰和滚动两个姿态角，需用两台姿态测量仪测定。航偏可用陀螺仪测定。Landsat-1上的AMS，测定姿态角的精度为±0.07°。卫星姿态变化率在0.05°/s以内，最大的姿态角由地面控制在0.4°以内。1

恒星摄影机测定使用恒星摄影机测定姿态角的方法，是将恒星摄影机与对地摄影机组装在一起，两者的光轴交角在90°~150°之间的某一个角度上。如右图所示。

为防止太阳光照射遮光罩内壁，射进恒星摄影机物镜，要求恒星摄影机指向地球阴影方向摄影，另外应考虑防止地球大气的反射光和散射光进入星相机物镜，一般恒星摄影机与对地摄影机光轴交角选在100°~120°之间较宜。

为求解对地摄影机的姿态角，要求恒星摄影机至少摄取3~5颗五等以上的恒星，并精确记录卫星运行时刻，再根据恒星星历表、摄影机标称光轴指向数据等解算姿态角。

恒星摄影机测定姿态角的精度可达±（10°~15°），美国在Apollo上使用的恒星摄影机测定姿态的精度达5″。1

GPS测定使用GPS的方法也能测定姿态。它是将3台GPS接收机装在摄影机组上，同时接收4颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，进而解算出摄影机的3个姿态角。为了提高解算精度，GPS接收机之间要有一定距离要求。1