卫星姿态控制的现状及发展方向

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1、卫星姿态控制的现状及发展方向一、概述1.研究背景航天事业是当今世界最引人注目的事业之一，人类对社会发展的追求推动着科学艺术的进步，航天技术的成就使人类的活动领域扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术中发展最快的尖端技术之一，是现代科学技术和基础工业的高度融合，是一个国家科学技术发展是平的重要标志，是国家级规模的系统工程，也是综合国力的象征。在卫星技术及应用方面，卫星的姿态确定和控制是很重要姿态确定是研究卫星相对于某个姿态基准的姿态定位，而姿态控制是指卫星在规定或预先确定的方向上的定向过程。随着通信、遥感等通信卫星的广泛应

2、用，高精度、长寿命、高可靠的卫星成为发展趋势。所以对于卫星姿态的精确控制成为热门的课题之一。现在的卫星一般采用三轴稳定的控制方式，能够保证指向精度和控制稳定度等技术指标要求。要保证遥感卫星的高精度、高可靠性和高稳定性的长期在轨运行，必须保证足够的指向精度和控制稳定度。卫星的姿态控制系统对卫星的姿态精度和稳定度起了决定性作用。姿态确定是卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态定位过程，而姿态控制是卫星本体坐标系向参考坐标系的定向过程。近年来随着卫星技术的不断提高，各种空间任务对卫星姿态控制的精度要求[1]越来越高。如对地观测卫

3、星的指向精度从上世纪七十年代到本世纪初由1°提[2]高到0.001°，寿命提高到数十年。这就意味着高精度姿态控制技术迎来更快的发展，同时也意味其面临着更多的挑战。我们知道，卫星是一个极其精密的航天器设备，而且造价高昂，一旦发射进入太空中就很难对其进行维护，这对卫星研发工作带来了很大的难度，要求星上的各类系统和设备有着极高的稳定性。同时也由于其成本较高，运行环境是外太空环境，因此在地面很难对其进行全面的物理仿真实验，这就要求在初期的系统仿真论证中能够考虑多方面实际因素，对卫星在轨运行时的各种工作状态和星上系统进行仿真研究，

4、以此来验证卫星设计工作的可行性以及稳定性。2.研究目的正是在以上研究背景的基础上，本文的主要目的调研国外卫星姿态控制现状及发展，主要对三轴稳定控制方式进行研究总结，学习国外卫星执行机构的先进经验以及姿态控制系统的配置情况，并浅析国内卫星姿态控制的现状及差距。1二、国外卫星姿态敏感器及姿态确定现状及发展2.1姿态确定系统研究现状姿态确定主要的原理就是运用某种姿态确定方法求得卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态，然后将得出的姿态参数传递给姿态控制系统，可见姿态确定的精度对整个姿态控制系统的控制精度和稳定度起着至关重要的作用。

5、既然姿态确定是一个测量过程，那么必然需要用到测量仪器，我们称之为姿态敏感器。同时，卫星在轨运行时，姿态敏感器有着相应的姿态确定算法，二者共同组成了星上姿态确定系统。姿态敏感器主要通过测量卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态参数，从而给出卫星姿态测量值。表2.1中对当前比较常用的几种敏感器的性能进行比较。不同的敏感器的测量精度和工作范围各不相同。表2.1几种常用的姿态敏感器性能比较敏感器精度自由度优点缺点受轨道影响大，无法测量地球敏感器0.01°2简单，方便偏航轴太阳敏感器0.1°2质量小，功耗小有阴影区，间断使用星敏感器

6、0.001°3精度高复杂，成本高，昂贵陀螺仪0.01°/h3带宽大，精度较高成本高，偏移随时间累积根据目前对高精度卫星的要求，姿态确定系统中一般将各种敏感器进行组合[1]使用。下面介绍几种比较典型的敏感器组合方式：（1）陀螺组件+星敏感器+冗余敏感器。这种组合方式主要利用星敏感器的高精度测量值（可以达到角秒级）来补偿陀螺常值漂移，进而提高系统测量精度。当前高精度卫星普遍采用这种方式，例如美国Landsat-D，精度优于0.03°。但是由于星敏感器视场角度受限，因此卫星的粗定姿或者备份需要用到冗余敏感器，这种组合方式需要花

7、费较高的成本。（2）陀螺组件+红外地球敏感器+数字太阳敏感器+冗余敏感器。红外地球敏感器和数字太阳敏感器的精度虽然略次于星敏感器，但是相对来说依然比较高。红外地球敏感器无法对星体偏航角度进行测量，而在太阳阴影区内太阳敏感器不能正常工作，因此采用这两种敏感器的组合方式进行测量。这种组合方式成本比较合理，适合在中等精度要求的卫星中应用，例如印度Apple卫星、我国资源卫星就是采用这种敏感器组合方式。（3）“陀螺+地平仪”方式(偏航姿态由陀螺定轴性来保持)；或者仅采用角度敏感器组合进行姿态确定。上述方法一般在对精度要求不高的卫

8、星中使用。2.2姿态确定算法研究现状卫星姿态确定子系统是卫星姿态控制系统的重要组成部分,是姿态控制部分的输入,姿态确定子系统主要由姿态敏感器和相应的信息处理算法即姿态确定算法组成,接受带有测量噪声的姿态敏感器的测量数据作为输入信息,计算卫星本2体相对参考坐标系的姿态参数作为输出。姿态确定的精度取决于姿态敏感器硬件精度