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1、控制工程!年第∀期人造卫星的三轴姿态控制真锅舜治土屋和雄#前言随,指令着人造卫星性能的提高对人造卫星的姿态控制系统越来越提出高精度化、长寿命化、轻量化的要求。一般控制系统设计的主要问题是平衡问,,比翰貂题人造卫星的姿态控制系统也不例外只是人造卫星中各种因素错综复杂地互相关联,虽,然可以自由地选择某个因素但其它因素都互。相紧密地联系在一起,本文着眼于精度问题主要讲述对精度起∃支配作用的重要因素如果对平衡的控制系统,。的选择有所裨益则幸甚图,三轴姿态控制系统,人造卫星有自旋卫星和三轴卫星之分本。文只叙述积极进行姿态控制的三轴卫星器。,,一般的三轴卫星大致有小型
2、轿车那么执行机构也大致分为两类一类是喷射气,可大概打个比方,∀重如果在卫星端部加一流的推力器和与地球磁场相作用产生力矩的磁,,,%&∋(外力使姿态变化就得用约!的控制力力矩外力执行机构另一类是利用飞轮旋转的。矩,进行校正这样的运动在重力场大的地面上反作用同时出现作用与反作用的内力执行机。,。体验不到人们是从自己的体验中掌握平衡的构,,姿态控制就不是这样结果往往有失去平衡的在内力执行机构的情况下系统同时产生。,,倾向符号不同的力矩结果整个系统的角动量一),,。第∗+节叙述姿态控制系统的基定不能变化,。础第!节以下以精度为中心进行叙述,指令部大致分为三部分一部分是
3、监视姿态控制系统的各种状态变数,并传送给地面站,姿态控制系统概要,,的遥测另一部分是根据遥测数据进行各种,∀,卫星的三轴姿态控制系统简称,−.如图判断的操作员还有将操作员的指令传送给卫,由控制对象人造卫星的动力学和指令。所示星的指令传送部、敏感器部、控制部、执行机构部构成。构成控制部的是姿态控制装置/简称,、太,,敏感器大致分为两类一类是以地球,−01按照指令部的指令根据敏感器的姿、。阳恒星等天体为基堆检测姿态的光学敏感,以减少姿态误差态信息来控制执行机构,另器一类是检测相对于惯性空间的角速度的卫星动力学由刚体动力学和各种扰动力矩。陀螺和检测加速度的加速度敏感器
4、等惯性敏感及挠性效果构成一!2一,扰动力矩有太阳辐射压力矩、磁力矩、重主要的被控制量是三个姿态角分量/滚动价俯、。,6,丫,7。力梯度力矩气动力矩等太阳辐射压力矩即使仰日偏航势1和三个速度分量/5551,,在333公里左右的中高度和∗4333公里的静止取坐标轴的方法与飞机相同如图∗所示取,,。,进行方向为8右翼方向为9地心方向为:高度上无变化而磁力矩因是地球磁场和卫星,#所具电流之间的相互作用的结果在地球磁场峥达日二一今曰功勺;∀。%翱闷向右翼,。变小的静止轨道上很小可忽略重力梯度力矩是与细长形卫星将细长方向。指向地心这一性质有关的力矩在轨道的外帐,侧离心力比
5、重力大而在内侧重力比离心力大,,,文因此产生将细长方向指向地心的力矩<卜月卫里96,目,州之几这种力矩虽然在中高度尚可利用但在重力场飞订万“·,。小的静止轨道上则很小可不计、火物心方伺气动力矩是作用于卫星的空气流产生的力,,矩在卫星的形状不匀称的情况下高度在。23公里以下就得考虑,图∗坐标系挠性问题是因卫星形状变化而产生的一,则卫星的轨道改变,因此般采取在控制对象的传递函数从执行机构控制速度分量—。到敏感器里插入一个机械共振系统的形式来处叫轨道控制卫星的轨道由地面站观测卫星在。。理三轴卫星的简单构成如图)所示。因规定时刻的位置来确定卫星不带轨道敏感,。器所以轨道
6、控制必须是开路控制姿态控制,,与此相反卫星带有检测姿态误差的敏感器,。因此为闭路控制虽然,、广义上说卫星的姿态控制是轨道,但是,姿态控制轨道控制只限于确实地执行,<地面指令的执行机构部后者基本>也用于姿态。控制卫星的,姿态控制模式大致分为捕捉模式,。稳定模式轨道控制模式三种捕捉模式是将卫星的姿态大致指向基淮天体,/一般为太阳或地球1的控制用宽视场的光学,敏感器和陀螺由推力器等外力执行机构来,。,为牛控制但精度不高控制力矩较大顿,因此扰动力矩可以忽略不计,但挠性米左右毛右翼方向=。却成为问题,图)三轴卫星稳定模式边补偿扰动力矩边将卫星姿态,保持在确定的精度以内通
7、常使用精度高的光控制模式概要,,学敏感器有时兼用精度高的陀螺利用飞轮,。冒失地说人造卫星可以说是将离心力作等内力执行机构来控制控制力矩的大小是。#·。,,,为升力的飞机因此从控制的角度而言最33!牛顿米左右非常低于是扰动力矩成一!一,,一’。为外力力矩因而即便量很小经过某个期矩大致为3牛顿米间,也会将其引起的动量积累在飞轮里,另外,需要在刚体动力学方面两类卫星没有差由外力执行机构向外部释放,即卸载。,,,别但因形状的不平衡性在挠性影响方面。轨道控制模式使推力器喷射以改变速度分观测卫星表现突出,,,量但推力器的推力不平衡形成比自然扰动从运行方面来讲观测卫星与可从
8、地面站。,力矩更大的扰动
