《(精品)4天器姿态控制系统的组成与分类 (2).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(精品)4天器姿态控制系统的组成与分类 (2).ppt（57页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第四章第四章 航天器姿态控制系统的组成与分类航天器姿态控制系统的组成与分类4.1姿态敏感器姿态敏感器4.2执行机构执行机构4.3控制器控制器星载控制计算机星载控制计算机4.4姿态控制系统的任务与分类 航航天天器器控控制制分分为为轨轨道道控控制制与与姿姿态态控控制制两两方方面面，而而航航天天器器控控制制系系统统在在原原理理上上和和其其他他工工程程控控制制系系统统基基本本上上是是一一样样的的，完完成成三三个个最最基基本本的的过过程程：敏敏感感测测量量、信信号号处处理理和和执执行行过过程程。其其结结构构如如图图4.14.1所所示示，仍仍然然是是由由敏敏感感器器、控控制制器器和和执执行行机机构构三三大
2、大部部分分组组成成。敏敏感感器器用用以以测测量量某某些些绝绝对对的的或或相相对对的的物物理理量量，执执行行机机构构起起控控制制作作用用，驱驱动动动动力力装装置置产产生生控控制制信信号号所所要要求求的的运运动动，控控制制器器则则担担负负起起信信号号处处理理的的任任务务。人人们们把把这这三三部部分分统统称称为为控控制制硬硬件件，而而把把完完成成测量和控制任务所需的算法称为测量和控制任务所需的算法称为软件软件。第四章第四章航天器姿态控制系统的组成与分类航天器姿态控制系统的组成与分类 姿姿态态就就是是航航天天器器在在空空间间的的方方位位，而而姿姿态态敏敏感感器器用用来来测测量量航航天天器器本本体体坐坐
3、标标系系相相对对于于某某个个基基准准坐坐标标系系的的相相对对角角位位置置和和角角速速度度，以以确确定定航航天天器器的的姿姿态态。要要完完全全确确定定一一个个航航天天器器的的姿姿态态，需需要要3 3个个轴轴的的角角度度信信息息。由由于于从从一一个个方方位位基基准准最最多多只只能能得得到到两两个个轴轴的的角角度度信信息息，为为此此要要确确定定航航天天器器的的三三轴轴姿姿态态至至少要有两个方位基准。少要有两个方位基准。4.1 姿态敏感器姿态敏感器美国哈勃太空望远镜美国哈勃太空望远镜 姿态敏感器按不同的基准方位，可分为下列姿态敏感器按不同的基准方位，可分为下列5 5类。类。(1)(1)以以地地球球为为
4、基基准准方方位位：红红外外地地平平仪仪，地地球球反反照照敏敏感感器；器；(2)(2)以天体为基准方位：太阳敏感器，星敏感器；以天体为基准方位：太阳敏感器，星敏感器；(3)(3)以惯性空间为基准方位：陀螺，加速度计；以惯性空间为基准方位：陀螺，加速度计；(4)(4)以地面站为基准方位：射频敏感器；以地面站为基准方位：射频敏感器；(5)(5)其他：例如磁强计其他：例如磁强计(以地磁场为基准方位以地磁场为基准方位)，陆标，陆标敏感器敏感器(以地貌为基准方位以地貌为基准方位)。敏敏感感器器由由测测量量变变换换器器和和信信号号处处理理线线路路两两部部分分组组成成，姿态敏感器按不同方式的测量变换器可分为下
5、列姿态敏感器按不同方式的测量变换器可分为下列4 4种。种。(1)(1)光光学学敏敏感感器器：太太阳阳敏敏感感器器，红红外外地地平平仪仪，星星敏敏感感器，地球反照敏感器等；器，地球反照敏感器等；(2)(2)惯性敏感器：陀螺、加速度计；惯性敏感器：陀螺、加速度计；(3)(3)无线电敏感器：射频敏感器；无线电敏感器：射频敏感器；(4)(4)其他：磁强计。其他：磁强计。下下面面介介绍绍最最常常用用的的7 7种种姿姿态态敏敏感感器器：太太阳阳敏敏感感器器，红红外外地地平平仪仪，星星敏敏感感器器，陀陀螺螺，加加速速度度计计，磁磁强强计计和和射射频频敏感器。敏感器。4.1.1 太阳敏感器太阳敏感器 太太阳阳
6、敏敏感感器器是是通通过过对对太太阳阳辐辐射射的的敏敏感感来来测测量量太太阳阳视视线与航天器某一体轴之间夹角的敏感器。线与航天器某一体轴之间夹角的敏感器。太阳敏感器之所以有这样广泛的通用性是因为太阳敏感器之所以有这样广泛的通用性是因为:1.1.在在大大多多数数应应用用场场合合，可可以以把把太太阳阳近近似似看看作作是是点点光光源，因此就可简化敏感器的设计和姿态确定的算法；源，因此就可简化敏感器的设计和姿态确定的算法；2.2.太太阳阳光光源源很很强强，从从而而使使敏敏感感器器结结构构简简单单，其其功功率率要求也很小；要求也很小；3.3.太太阳阳敏敏感感器器的的视视场场很很大大，可可以以从从几几分分几
7、几分分到到128128。128 128。，而分辨率可以从几度到几角秒。，而分辨率可以从几度到几角秒。太太阳阳敏敏感感器器具具有有3 3种种基基本本类类型型：模模拟拟式式、数数字字式式和和太太阳指示器。经常使用的为模拟式和数字式两种。阳指示器。经常使用的为模拟式和数字式两种。1 1模拟式太阳敏感器模拟式太阳敏感器 模模拟拟式式太太阳阳敏敏感感器器的的输输出出信信号号为为模模拟拟量量，其其大大小小和和符符号号是是太太阳阳光光入入射射角角的的连连续续函函数数。模模拟拟式式太太阳阳敏敏感感器器通通常常又又叫叫做做余余弦弦检检测测器器，这这是是因因为为硅硅太太阳阳电电池池输输出出电电流流与与太太阳阳光入
8、射角成正弦规律变化。光入射角成正弦规律变化。模拟式太阳敏感器工作原理模拟式太阳敏感器视场在几十度时，精度可达到模拟式太阳敏感器视场在几十度时，精度可达到 ；当视场很小，仅为当视场很小，仅为 时，精度可达到秒级。时，精度可达到秒级。单轴模拟式太阳敏感器单轴模拟式太阳敏感器:只能测量航天器相对于太阳光线的一个姿态角只能测量航天器相对于太阳光线的一个姿态角两轴模拟式太阳敏感器两轴模拟式太阳敏感器:同时获得航天器相对于太阳光线的两个姿态角同时获得航天器相对于太阳光线的两个姿态角 图4.3 两轴模拟式太阳敏感器 数数字字式式太太阳阳敏敏感感器器的的输输出出信信号号是是与与太太阳阳入入射射角角相相关关的的
9、以以编编码码形形式式出出现现的的离离散散函函数数。在在结结构构上上，它它主主要要由由狭狭缝缝、码码盘盘、光光敏敏元元件件阵阵列列、放放大大器器和和缓缓冲冲寄存器组成，寄存器组成，光光敏敏元元件件阵阵列列是是由由一一排排相相互互平平行行且且独独立立的的光光电电池池条条组组成成，其其数数量量决决定定了了太太阳阳敏敏感感器器输输出出编编码码的的位位数数，从从而而在在一一定定程程度度上上影影响到敏感器的分辨率。响到敏感器的分辨率。2 2数字式太阳敏感器数字式太阳敏感器 3 3其他太阳敏感器其他太阳敏感器 太太阳阳指指示示器器也也称称为为太太阳阳出出现现探探测测器器。当当太太阳阳出出现现在在敏敏感感器器
10、视视场场内内，并并且且信信号号超超过过门门限限值值时时，表表示示见见到到了了太太阳阳，输输出出为为1 1；当当信信号号低低于于门门限限值值时时，输输出出为为O O，表表示示没没见见到到太太阳阳。这这种种敏敏感感器器一一般般用用来来作作保保护护器器，例例如如保保护护红红外外地地平平仪仪免免受受太太阳阳光的影响。光的影响。4.1.2 红外地平仪红外地平仪 红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，天器相对于当地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，简称地平仪。简称地平仪。目前红外地平仪主要有目前红外地平仪主要
11、有3 3种形式：种形式：地平穿越式地平穿越式、边边界跟踪式界跟踪式和和辐射热平衡式辐射热平衡式。其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地平仪的工作视场较小，只能适用于小范围的姿态测量，平仪的工作视场较小，只能适用于小范围的姿态测量，但精度较高但精度较高.下面分别介绍这下面分别介绍这3 3种红外地平仪的基本工作原理。种红外地平仪的基本工作原理。地地平平穿穿越越式式地地平平仪仪的的视视场场相相对对于于地地球球作作扫扫描描运运动动。当当视视场场穿穿越越地地平平线线时时，也也就就是是说说扫扫到到地地球球和和空空间间交交界界时时，地地平平仪仪接接收收到到的的红
12、红外外辐辐射射能能量量发发生生跃跃变变，经经过过热热敏敏元元件件探探测测器器把把这这种种辐辐射射能能量量的的跃跃变变转转变变成成电电信信号号，形形成成地地球球波波形形。然然后后通通过过放放大大和和处处理理电电路路，把把它它转转变变成成为为前前后后沿沿脉脉冲冲。最最后后通通过过计计算算电电路路，把把前前后后沿沿脉脉冲冲与与姿姿态态基基准准信信号号进进行行比比较较，得出姿态角信息，也就是滚动角或俯仰角。得出姿态角信息，也就是滚动角或俯仰角。图图4 45 5所示为地平穿越式地球敏感器工作原理图。所示为地平穿越式地球敏感器工作原理图。1 1地平穿越式地平仪地平穿越式地平仪穿越式地平仪常见有两种形式：穿
13、越式地平仪常见有两种形式：圆锥扫描地平仪圆锥扫描地平仪和和自旋扫描地平仪自旋扫描地平仪。前前者者依依靠靠地地平平仪仪的的扫扫描描机机构构，后后者者依依靠靠航航天天器器旋旋转转(例例如如自旋卫星自旋卫星)。自旋扫描红外地平仪（虚拟现实演示）2 2边界跟踪式地平仪边界跟踪式地平仪 该该敏敏感感器器具具有有一一个个反反馈馈伺伺服服机机构构，它它使使视视场场跟跟踪踪地地平平线线，同同时时给给出出相相对对于于不不运运动动部部分分的的方方位位角角，这这个个方方位位角角与航天器姿态角成正比。边界跟踪式地平仪的精度可达与航天器姿态角成正比。边界跟踪式地平仪的精度可达 ，但但视视场场较较小小，约约为为 ，因因此
14、此只只能能工工作作在在较较窄的姿态范围内。窄的姿态范围内。另另外外，这这种种地地平平仪仪的的工工作作还还会会受受到到大大气气成成分分、温温度度的不规则变化、日出日落的光照条件变化的影响。的不规则变化、日出日落的光照条件变化的影响。边边界界跟跟踪踪式式地地平平仪仪虚虚拟拟现现实实演演示示 3辐射热平衡式地平仪辐射热平衡式地平仪 辐辐射射热热平平衡衡式式地地平平仪仪具具有有多多个个视视场场，一一般般有有等等间间隔隔对对称称分分布布的的4 4个个(见见图图4 49(a)9(a)或或8 8个个视视场场 (见见图图4 49(b)9(b)。每每个个视视场场分分别别接接收收来来自自地地球球不不同同部部分分的
15、的红红外外辐辐射射，通通过过对对每每个个视视场接收到的不同红外辐射能量进行分析而得出航天器姿态。场接收到的不同红外辐射能量进行分析而得出航天器姿态。由由于于这这种种地地平平仪仪不不需需要要扫扫描描机机构构，所所以以又又称称为为静静态态红红外外地平仪地平仪。4.1.3 星敏感器星敏感器 星星敏敏感感器器是是以以某某一一颗颗亮亮度度高高于于+2+2可可见见星星等等的的恒恒星星为为基基准准，测测量量其其相相对对于于航航天天器器的的角角位位置置，并并同同星星历历表表中中该该星星的的角角位位置置参参数数进进行行比比较较，来来确确定定航航天天器器的的姿姿态态。也也即即通通过过对对恒恒星星星星光光的的敏敏感
16、感来来测测量量航航天天器器的的某某一一个个基基准准轴轴与与该该恒恒星星视视线线之之间间的的夹夹角角。由由于于恒恒星星张张角角非非常常小小()，因因此此星星敏敏感感器器的的测测量精度很高。量精度很高。星敏感器分星敏感器分星图仪星图仪和和星跟踪器星跟踪器两种类型，星跟踪器又可两种类型，星跟踪器又可分为分为框架式框架式和和固定式固定式两种形式。两种形式。(1)(1)星图仪星图仪：又称星扫描器。一般都是狭缝式，用：又称星扫描器。一般都是狭缝式，用在自旋卫星上，利用星体的旋转来搜索和捕获目标恒星。在自旋卫星上，利用星体的旋转来搜索和捕获目标恒星。(2)(2)框架式星跟踪器框架式星跟踪器：是把敏感头装在可
17、转动的框：是把敏感头装在可转动的框架上，且通过旋转框架来搜索和捕获目标。架上，且通过旋转框架来搜索和捕获目标。(3)(3)固定式星跟踪器固定式星跟踪器：这种跟踪器的敏感头相对航：这种跟踪器的敏感头相对航天器固定，在一定的视场内具有搜索和跟踪能力，例如天器固定，在一定的视场内具有搜索和跟踪能力，例如采用析像管电子扫描和采用析像管电子扫描和CCDCCD器件成像。器件成像。1 1狭缝式星敏感器狭缝式星敏感器 这这种种星星敏敏感感器器利利用用航航天天器器自自旋旋对对天天体体进进行行扫扫描描。当当星星光光通通过过光光学学系系统统到到达达并并穿穿过过位位于于焦焦平平面面上上的的狭狭缝缝码码盘盘时时，星星光
18、光就就被被检检测测敏敏感感到到。若若信信号号超超过过设设置置的的门门限限位位，电电子子装装置置便便产产生生一一个个脉脉冲冲来来表表示示星星的的出出现现。在在焦焦平平面面码码盘盘上上的的狭狭缝缝如如图图4.10(b)4.10(b)所所示示，测测量量星星光光通通过过第第一一条条狭狭缝缝的的时时间间和和经经过过两两个个狭狭缝缝之之间间的的时时间间然然后后结结合合星星历历表表和和航航天器的自旋速度，计算得出姿态信息。天器的自旋速度，计算得出姿态信息。CCDCCD星星敏敏感感器器采采用用电电荷荷耦耦合合器器件件图图像像列列阵阵作作为为检检测测器器，电电荷荷耦耦合合器器具具有有垂垂直直和和水水平平像像素素
19、。CCDCCD星星敏敏感感器器与与其其他他星星敏感器相比较具有非常突出的优点。敏感器相比较具有非常突出的优点。它它能能够够同同时时跟跟踪踪多多颗颗星星，对对磁磁场场不不敏敏感感，精精度度得得到到改善。改善。CCDCCD星星敏敏感感器器被被认认为为是是最最有有发发展展前前途途的的星星敏敏感感器器，我我国目前也正在积极地发展这一技术。国目前也正在积极地发展这一技术。2 2CCDCCD星敏感器星敏感器 陀陀螺螺是是利利用用一一个个高高速速旋旋转转的的质质量量来来敏敏感感其其自自旋旋轴轴在在惯性空间定向的变化。惯性空间定向的变化。陀螺具有两大特性，即陀螺具有两大特性，即定轴性定轴性和和进动性进动性。定
20、定轴轴性性就就是是当当陀陀螺螺不不受受外外力力矩矩作作用用时时，陀陀螺螺旋旋转转轴轴相对于惯性空间保持方向不变；相对于惯性空间保持方向不变；进进动动性性就就是是当当陀陀螺螺受受到到外外力力矩矩作作用用时时，陀陀螺螺旋旋转转轴轴将将沿沿最最短短的的途途径径趋趋向向于于外外力力矩矩矢矢量量，进进动动角角速速度度正正比比于于外力矩大小。外力矩大小。4.1.4 4.1.4 陀螺陀螺1 1二自由度陀螺二自由度陀螺 图图4.11表表示示一一个个二二自自由由度度陀陀螺螺(含含转转子子的的一一个个自自转转自自由由度度)的的几几何何结结构构。基基于于陀陀螺螺进进动动性性，由由图图可可知知，若若转转子子被被迫迫以
21、以某某个个角角速速度度绕绕输输入入轴轴转转动动，则则绕绕输输出出轴轴(框框架架)就就会会出出现现一一个个力力矩矩。同同时时在在输输出出轴轴也也装装有有一一个个平平衡衡弹弹簧簧，从从而而这这个个力力矩矩使使输输出出轴轴转转动动一一个个角角度度，这这个个输输出出角角度度正正比于这个力矩，也就是正比于输入轴的角速度。比于这个力矩，也就是正比于输入轴的角速度。2 2三自由度陀螺三自由度陀螺 图图4 41111所所示示的的二二自自由由度度陀陀螺螺的的陀陀螺螺旋旋转转轴轴只只有有一一个个框框架架支支承承。若若将将此此框框架架视视作作内内环环，图图中中所所标标的的“骨骨架架(外外壳壳)”)”不不与与航航天天
22、器器固固连连，而而形形成成一一个个框框架架，称称为为外外环环，那那么么该该陀陀螺螺的的转转轴轴就就由由两两个个框框架架支支承承，即即为为三三自自由由度度陀陀螺螺。三三自自由由度度陀陀螺螺利利用用定定轴轴性性工工作作，用用来来测测量量姿姿态态角角，通通常常也称它为也称它为位置陀螺。位置陀螺。4.1.5 加速度计加速度计 加加速速度度计计是是用用于于测测量量航航天天器器上上加加速速度度计计安安装装点点的的绝绝对对加加速速度度沿沿加加速速度度计计输输入入轴轴分分量量的的惯惯性性敏敏感感器器。虽虽然然目目前前加加速速度度计计没没有有广广泛泛用用于于航航天天器器的的姿姿态态稳稳定定和和控控制制，但但它它
23、是是航航天器导航系统中重要的器件。天器导航系统中重要的器件。加加速速度度计计的的种种类类很很多多，有有陀陀螺螺加加速速度度计计、摆摆式式加加速速度度计计、振动加速度计振动加速度计、石英加速度计石英加速度计等。等。4.1.6 磁强计磁强计 磁磁强强计计是是以以地地球球磁磁场场为为基基准准，测测量量航航天天器器姿姿态态的的敏敏感感器器。磁磁强强计计本本身身是是用用来来测测量量空空间间环环境境中中磁磁场场强强度度的的。由由于于地地球球周周围围每每一一点点的的磁磁场场强强度度都都可可以以由由地地球球磁磁场场模模型型事事先先确确定定，因因此此利利用用航航天天器器上上的的磁磁强强计计测测得得的的信信息息与
24、与之之对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。磁敏感器根据工作原理不同可以分为磁敏感器根据工作原理不同可以分为感应式磁强计感应式磁强计和和量子磁强计量子磁强计两种。两种。目目前前应应用用较较多多的的是是感感应应式式磁磁强强计计，它它是是建建立立在在法法拉拉第第磁磁感感应应定定律律的的基基础础上上的的。感感应应式式磁磁强强计计分分为为搜搜索索线线圈圈式磁强计和磁通门磁强计两种类型。式磁强计和磁通门磁强计两种类型。4.1.7 4.1.7 射频敏感器射频敏感器 射射频频敏敏感感器器确确定定航航天天器器姿姿态态的的原原理理是是基基于于对对航航天天器器天天
25、线线轴轴与与无无线线电电波波瞄瞄准准线线之之间间夹夹角角的的测测量量。目目前前大大多多采采用两种射频敏感器，即用两种射频敏感器，即单脉冲比相单脉冲比相(干涉仪式干涉仪式)和和比辐式比辐式。单单脉脉冲冲比比相相干干涉涉仪仪是是由由光光的的干干涉涉原原理理引引伸伸而而来来，至至少少要要采采用用两两个个接接收收天天线线，其其间间矩矩为为d d，称称为为基基线线长长度度，如如图图4 41414所所示示。当当天天线线与与地地面面距距离离比比基基线线长长度度d d大大得得多多时时，有如下关系式：有如下关系式：(4(42)2)式式中中，为为两两个个天天线线接接收收电电波波的的相相位位差差，A A为为波波长长
26、。由由式式(42)(42)可可见见，是是预预先先确确定定的的，因因此此只只要要测测出出两两个个天天线线接接收收信信号号的的相相位位差差 ，便便可可确确定定方方向向角角 。同同样样，如如果果在在一一基基线线的的垂垂直直方方向向增增加加另另一一套套相相同同的的设设备备，就就可可以以测测出另一个方向角。出另一个方向角。单单脉脉冲冲比比幅幅方方法法需需要要形形成成两两个个互互相相叠叠交交的的天天线线方方向向图图，当当目目标标与与天天线线轴轴不不重重合合(成成 角角)时时(见见图图4 415)15)，下下面面的的方方向向图图收收到到的的信信号号 将将大大于于上上面面的的方方向向图图收收到到的的信信号号
27、。两两个个信信号号的的振振幅幅差差表表示示目目标标与与天天线线轴轴之之间间夹夹角角，而而振振幅幅差差的的符符号号则则表表示示偏偏离离的的方方向向。当当目目标标与与天天线线轴轴重重合合时时，由由上上、下下方方向向图图收收到到的的信信号号振振幅幅相相等等，其其差差值值就就等于零。等于零。在在实实际际的的航航天天器器姿姿态态控控制制系系统统中中，各各种种敏敏感感器器单单独独使使用用一一般般是是不不能能满满足足要要求求的的，需需要要多多种种多多个个姿姿态态敏敏感感器器组组合使用，形成一个姿态测量系统。原因主要有三方面：合使用，形成一个姿态测量系统。原因主要有三方面：一一、相对于同一基准最多只能获得两个
28、姿态角；、相对于同一基准最多只能获得两个姿态角；二二、各种敏感器均存在条件限制；、各种敏感器均存在条件限制；三三、航航天天器器的的长长寿寿命命工工作作特特点点要要求求敏敏感感器器可可靠靠地地长长时时间间提提供供高高精精度度姿姿态态信信息息，所所以以姿姿态态敏敏感感器器的的冗冗余余便便成成为必须考虑的重要问题。为必须考虑的重要问题。姿态敏感器小结姿态敏感器小结哥伦比亚航天飞机视频资料4.2.1 4.2.1 推力器推力器 推推力力器器是是目目前前航航天天器器控控制制使使用用最最广广泛泛的的执执行行机机构构之之一一。它它根根据据牛牛顿顿第第二二定定律律，利利用用质质射射排排出出，产产生生反反作作用用
29、推推力力，这这也也正正是是这这种种装装置置被被称称为为推推力力器器或或喷喷气气执执行行机机构构的的原原因因。当当推推安安装装使使得得推推力力方方向向通通过过航航天天器器质质心心，则则成成为为轨轨道道控控制制执执行行机机构构；而而当当推推力力方方向向不不过过质质心心，则则必必然然产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。根根据据产产生生推推力力所所需需能能源源的的形形式式不不同同，质质量量排排出出型型推推力器可以分为力器可以分为冷气推力器冷气推力器、热气推力器热气推力器和和电推力器电推力器。4.2 执行机构执行机构 根根据据牛牛顿顿第第二二定
30、定律律可可推推导导出出推推力力器器真真空空中中的的推推力力公公式为式为 (4(43)3)式式中中，为为单单位位时时间间的的工工质质排排出出量量，即即秒秒耗耗量量；为为 相相对对于于航航天天器器的的排排气气速速度度；为为推推力力器器喷喷嘴嘴出出口口截截面面积积；为推力器喷嘴出口处的射流压力。为推力器喷嘴出口处的射流压力。若将推力公式写为另一形式若将推力公式写为另一形式 (4(44)4)式式中中 称称为为推推力力器器的的有有效效排排气气速速度度，它它是是把把动动量量推推力力和和压压力力推推力力在在计计算算上上统统一一起起来来的的一一个个相相当当速速度度。为为获获得得一一定定推推力力，若若有有效效排
31、排气气速速度度增增大大，则则喷喷射物质的秒耗量就可以降低。射物质的秒耗量就可以降低。推推力力器器的的另另一一个个重重要要性性能能指指标标就就是是比比推推力力，即即推推力力器器推推力力与与工工质质的的重重量量秒秒耗耗量量之之比比，它它相相当当于于推推力力器器每每消消耗耗单单位位质质量量工工质质所所产产生生的的推推力力。比比推推力力与与比比冲冲的的定定义义基基本上是等价的。其计算式为本上是等价的。其计算式为 式中，式中，为航天器所在轨道处的重力加速度。为航天器所在轨道处的重力加速度。分析式分析式(4(45)5)可以得出结论：可以得出结论：(1)(1)比比推推力力越越大大，产产生生一一定定推推力力所
32、所需需的的工工质质重重量量秒秒耗耗量量就就越越少少；或或者者说说，当当工工质质流流量量一一定定时时，比比推推力力越越大大，所所产生的推力就越大。产生的推力就越大。(2)(2)比比推推力力完完全全取取决决于于有有效效排排气气速速度度 。有有效效排排气气速速度度中中的的主主要要因因素素是是 ，而而 主主要要取取决决于于喷喷射射物物质质所所含含能能量量的高低。的高低。(3)(3)对对于于给给定定的的推推力力器器来来说说，比比推推力力的的高高度度特特性性即即比比推力随高度而变化的程度，与推力的变化大体相当。推力随高度而变化的程度，与推力的变化大体相当。(4)(4)由由式式(4(45)5)知知，即即比比
33、推推力力在在数数值值上上约约等于有效排气速度的等于有效排气速度的1 1lOlO。动动量量交交换换：改改变变安安装装在在航航天天器器上上的的高高速速旋旋转转刚刚体体的的动动量量矩矩，从从而而产产生生与与刚刚体体动动量量矩矩变变化化率率成成正正比比的的控控制制力力矩，作用于航天器上使其动量矩相应变化。矩，作用于航天器上使其动量矩相应变化。实实现现这这种种动动量量交交换换的的装装置置称称为为飞飞轮轮或或飞飞轮轮执执行行机机构构，飞轮执行机构只能用于航天器的姿态控制。飞轮执行机构只能用于航天器的姿态控制。根根据据飞飞轮轮的的结结构构特特点点和和产产生生控控制制作作用用的的形形式式可可以以分分为为惯惯性
34、性轮轮、控控制制力力矩矩陀陀螺螺和和框框架架动动量量轮轮三三种种，其其中中惯惯性性轮又分为反作用轮和动量轮两种。轮又分为反作用轮和动量轮两种。4.2.2 4.2.2 飞轮飞轮 当当飞飞轮轮的的支支承承与与航航天天器器固固连连时时，飞飞轮轮动动量量矩矩方方向向相相对对于于航航天天器器本本体体坐坐标标系系OxyzOxyz不不变变，但但飞飞轮轮的的转转速速可可以以变变化，这种工作方式的飞轮通常称为化，这种工作方式的飞轮通常称为惯性轮惯性轮。其其中中如如果果飞飞轮轮的的转转速速可可以以正正负负改改变变，且且平平均均动动量量矩矩为零，则称为为零，则称为反作用轮反作用轮。如如果果飞飞轮轮的的平平均均动动量
35、量矩矩是是一一个个不不为为零零的的常常值值偏偏置置值值，也也就就是是说说飞飞轮轮储储存存了了一一个个较较大大的的动动量量矩矩，飞飞轮轮的的转转速速可可以以相相对对于于偏偏置置值值有有一一定定的的变变化化，从从而而产产生生控控制制力力矩。具有这种特点的飞轮称为矩。具有这种特点的飞轮称为动量轮或偏置动量轮动量轮或偏置动量轮。如如果果把把恒恒速速旋旋转转的的轮轮子子装装在在框框架架上上，而而框框架架又又可可以以相相对对于于航航天天器器本本体体转转动动，即即框框架架角角变变化化，那那么么就就得得到到了了动动量量矩矩的的大大小小恒恒定定不不变变而而方方向向可可变变的的飞飞轮轮，这这种种飞飞轮轮称称为为控
36、制力矩陀螺控制力矩陀螺。根根据据支支承承轮轮子子的的框框架架数数量量的的不不同同，控控制制力力矩矩陀陀螺螺分分为为单单框框架架控控制制力力矩矩陀陀螺螺和和双双框框架架控控制制力力矩矩陀陀螺螺两两种种。前前者者动动量量矩矩的的方方向向变变化化在在一一个个平平面面内内，后后者者则则可可在在三三维维空空间任意改变。间任意改变。如如果果在在控控制制力力矩矩陀陀螺螺的的基基础础上上，轮轮子子旋旋转转的的速速度度也也可可变变化化，即即动动量量矩矩的的大大小小和和方方向向均均可可变变，这这种种飞飞轮轮称称为为框架动量轮框架动量轮，也有单框架和双框架之分。，也有单框架和双框架之分。飞轮4.2.3 4.2.3
37、磁力矩器等其他执行机构磁力矩器等其他执行机构 航航天天器器的的执执行行机机构构除除了了推推力力器器和和飞飞轮轮两两类类主主要要执执行行机机构构以以外外，还还有有其其他他形形式式的的执执行行机机构构。它它们们利利用用磁磁场场、引引力力场场等等环环境境场场与与航航天天器器相相互互作作用用产产生生力力矩矩，实实现现对对姿姿态态的的控控制制，例例如如磁磁力力矩矩、重重力力梯梯度度力力矩矩、太太阳阳辐辐射射力力矩矩和和气气动动力力矩矩等等。这这些些力力矩矩一一般般都都比比较较小小，而而且且与与运运行行轨轨道道高高度度、航航天天器器结结构构和和姿态等因素有关。姿态等因素有关。其中磁力矩器是最常见的一种。其
38、中磁力矩器是最常见的一种。航航天天器器的的磁磁特特性性和和环环境境磁磁场场相相互互作作用用可可产产生生磁磁力力矩矩，其其大大小小为为 (为为航航天天器器磁磁矩矩，为为环环境境磁磁场场强强度度)。当当两两者者互互相相垂垂直直时时，磁磁力力矩矩最最大大；当当两两者者相相互互平平行行时时，磁磁力矩为零。力矩为零。对对地地球球轨轨道道航航天天器器来来说说，只只要要航航天天器器存存在在磁磁矩矩，磁磁力力矩总是存在的。矩总是存在的。若不把它作为控制力矩使用，就成为扰动力矩。若不把它作为控制力矩使用，就成为扰动力矩。航航天天器器上上安安装装的的通通电电线线圈圈就就是是最最简简单单的的磁磁力力矩矩器器，通通电
39、电线线圈圈产产生生的的磁磁矩矩与与地地球球磁磁场场相相互互作作用用就就可可产产生生控控制制力力矩矩，实现姿态控制。实现姿态控制。利利用用环环境境场场产产生生控控制制力力矩矩，最最常常用用的的除除了了磁磁力力矩矩以以外，还有重力梯度力矩等。外，还有重力梯度力矩等。磁磁力力矩矩与与轨轨道道高高度度的的3 3次次方方成成反反比比，轨轨道道高高度度越越低低，磁磁力力矩矩越越大大。所所以以磁磁力力矩矩作作为为控控制制力力矩矩比比较较适适用用于于低低轨轨道道航天器。航天器。重力梯度力矩重力梯度力矩适用于适用于中高度轨道中高度轨道航天器。航天器。太阳辐射力矩太阳辐射力矩适用于同步轨道卫星等适用于同步轨道卫星
40、等高轨道高轨道航天器。航天器。气动力矩气动力矩也适用于也适用于低轨道低轨道。但但是是最最后后两两种种力力矩矩较较少少用用来来作作为为控控制制力力矩矩。利利用用环环境力矩产生控制力矩的装置可称为境力矩产生控制力矩的装置可称为环境型执行机构环境型执行机构。对对于于航航天天器器控控制制所所采采用用的的执执行行机机构构而而言言，高高可可靠靠性性、长长寿寿命命、高高精精度度是是其其基基本本要要求求，直直接接关关系系到到控控制制系系统的寿命和精度。统的寿命和精度。在在以以上上介介绍绍的的几几种种执执行行机机构构中中，飞飞轮轮、推推力力器器、磁磁力矩器和重力梯度力矩执行机构是最常用的。力矩器和重力梯度力矩执
41、行机构是最常用的。飞飞轮轮和和推推力力器器控控制制精精度度较较高高，环环境境型型执执行行机机构构的的控控制制精精度度较较低低，所所以以飞飞轮轮和和推推力力器器成成为为航航天天器器控控制制主主要要的的执行机构。执行机构。此外，执行机构输出的力矩范围、工质能量的消耗此外，执行机构输出的力矩范围、工质能量的消耗量也是执行机构选用所必须考虑的重要方面。量也是执行机构选用所必须考虑的重要方面。控制执行机构小结控制执行机构小结海盗一号探测器视频资料海盗一号探测器视频资料 控控制制器器的的功功能能是是由由模模拟拟逻逻辑辑或或数数字字计计算算机机实实现现控控制制规规律律或或控控制制对对策策，把把星星上上敏敏感
42、感器器和和执执行行机机构构联联接接起起来来，从从而而完完成成对对航航天天器器的的控控制制任任务。务。由由于于数数字字计计算算机机技技术术发发展展迅迅速速，为为了了满满足足对对控控制制系系统统提提出出的的新新要要求求，采采用用星星载载控控制制计计算算机机的的航航天天器器已已经经越越来越多了。来越多了。4.3 控制器控制器星载控制计算机星载控制计算机 (1)(1)满满足足航航天天器器基基本本要要求求，例例如如质质量量轻轻，体体积积小小，功功耗低等特点；耗低等特点；(2)(2)适适合合在在空空间间环环境境长长期期工工作作，例例如如轨轨道道环环境境辐辐射射和和真空条件与温度变化；真空条件与温度变化；(
43、3)(3)具具有有冗冗余余结结构构和和故故障障检检测测，故故障障处处理理与与修修复复等等功功能的高可靠性要求；能的高可靠性要求；(4)(4)实实现现结结构构和和接接口口上上的的模模块块化化、标标准准化化，便便于于在在轨轨更换和升级。更换和升级。航天器对星载计算机有着更高的要求，它们必须要：航天器对星载计算机有着更高的要求，它们必须要：在在星星载载计计算算机机控控制制的的模模式式上上，根根据据航航天天器器飞飞行行特特点点和和控控制制任任务务要要求求不不同同，目目前前主主要要采采用用集集中中控控制制或或分分散散控控制。制。集集中中控控制制适适合合采采用用高高可可靠靠性性的的大大型型中中央央处处理理
44、机机，而而分分散散控控制制最最大大的的优优点点是是将将系系统统的的复复杂杂性性从从系系统统级级的的范范围围变为分系统级，使系统简化。变为分系统级，使系统简化。我我国国在在航航天天器器控控制制模模式式的的研研究究方方面面也也取取得得了了重重要要进进展展，特特别别是是针针对对多多体体复复合合型型大大型型航航天天器器，如如空空间间站站等等，提提出出了了协协同同控控制制的的思思想想和和模模式式。无无论论采采用用哪哪一一种种控控制制模模式式，都都有有赖赖于于目目前前计计算算机机技技术术的的水水平平，而而当当今今计计算算机机技技术的飞速发展，也必定为航天器控制开辟更广阔的空间。术的飞速发展，也必定为航天器
45、控制开辟更广阔的空间。4.4.1 4.4.1 姿态控制的方式姿态控制的方式 航航天天器器的的姿姿态态控控制制方方式式很很多多，按按照照控控制制力力矩矩来来源源分分类类，一一般般可可分分为为被被动动式式和和主主动动式式两两种种基基本本类类型型。这这两两种种方方式式相相互互组组合合，又又可可分分出出半半被被动动、半半主主动动以以及及混混合合等等三三种类型。在此，主要介绍被动式和主动式两种基本类型。种类型。在此，主要介绍被动式和主动式两种基本类型。4.4 4.4 姿态控制系统的任务与分类姿态控制系统的任务与分类 1 1被动式被动式 被动控制系统是用自然环境力矩源或物理力矩源被动控制系统是用自然环境力
46、矩源或物理力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐射力矩或气动力如自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐射力矩或气动力矩等以及它们之间的组合来控制航天器的姿态。矩等以及它们之间的组合来控制航天器的姿态。这种系统不需要能源，也不需要姿态敏感器和控这种系统不需要能源，也不需要姿态敏感器和控制逻辑线路。制逻辑线路。自自旋旋稳稳定定是是被被动动控控制制中中最最简简单单的的方方法法。它它的的原原理理是是利利用用航航天天器器绕绕自自旋旋轴轴旋旋转转所所获获得得的的陀陀螺螺定定轴轴性性，使使航航天天器器的的自自旋旋轴轴方方向向在在惯惯性性空空问问定定向向，但但是是它它不不具具有有控控制制自自旋速度及再定向或使自旋轴
47、进动的能力。旋速度及再定向或使自旋轴进动的能力。环环境境力力矩矩稳稳定定是是另另一一类类重重要要的的航航天天器器被被动动控控制制方方式式。气气动动力力、重重力力梯梯度度力力、磁磁力力和和太太阳阳辐辐射射压压力力对对航航天天器器质质心心之之矩矩，都都是是潜潜在在的的控控制制力力矩矩源源。选选择择适适当当的的轨轨道道高高度度，设设计计一一定定的的结结构构形形状状，使使得得作作为为控控制制力力矩矩的的环环境境力力矩矩的的值值远远大大于于其其余余的的环环境境力力矩矩的的值值，则则可可组组成成相相应应的的姿姿态态稳稳定系统。定系统。2 2主动式主动式 航航天天器器主主动动式式姿姿态态控控制制系系统统的的
48、控控制制力力矩矩来来自自于于航航天天器器上上的的能能源源，它它属属于于闭闭环环控控制制系系统统。这类姿态控制系统主要有三种。这类姿态控制系统主要有三种。(1)(1)以以飞飞轮轮执执行行机机构构为为主主的的三三轴轴姿姿态态控控制制系系统统：它它利利用用各各种种飞飞轮轮储储存存动动量量矩矩，通通过过动动量量交交换换实实现现航航天天器器的的姿姿态态控控制制，所以也称为所以也称为动量矩控制动量矩控制。欧洲第一颗实用气象卫星欧洲第一颗实用气象卫星 (2)(2)喷气三轴姿态控制喷气三轴姿态控制：利用各种推力器：利用各种推力器(即喷气执行即喷气执行机构机构)为执行机构，从航天器本体向外喷射质量，产生控为执行
49、机构，从航天器本体向外喷射质量，产生控制力矩。在本体坐标系三个轴方向上均安装推力器，就可制力矩。在本体坐标系三个轴方向上均安装推力器，就可以实现对航天器三个轴的姿态控制。以实现对航天器三个轴的姿态控制。(3)(3)地磁力矩器控制系统地磁力矩器控制系统：它是根据载流线圈在地球：它是根据载流线圈在地球磁场作用下产生偏转力矩的原理来设计的。如果在航天器磁场作用下产生偏转力矩的原理来设计的。如果在航天器的三个主轴上都安装有这样的线圈，则可以通过控制各线的三个主轴上都安装有这样的线圈，则可以通过控制各线圈上的电流来获得所需要的控制力矩的大小与方向。圈上的电流来获得所需要的控制力矩的大小与方向。中中巴巴资
50、资源源卫卫星星 3 3自旋稳定方式与三轴稳定方式自旋稳定方式与三轴稳定方式 姿姿态态控控制制方方式式若若就就航航天天器器在在运运行行中中是是否否旋旋转转，可可分分为为自旋稳定自旋稳定和和三轴稳定三轴稳定两大类。两大类。自旋航天器在外形上要求较严格，指向精度也较低；自旋航天器在外形上要求较严格，指向精度也较低；三三轴轴稳稳定定则则突突破破了了对对航航天天器器外外形形的的限限制制，因因为为星星体体不不旋旋转转，可可以以安安装装大大型型的的附附件件。三三轴轴稳稳定定航航天天器器由由于于采采用用了了星星上上计计算算机机和和高高精精度度的的姿姿态态敏敏感感器器，提提高高了了指指向向精精度度，但但它它的的