在寂静空荡的太空里，航天器该如何保持姿态？

卫星

1 为什么要保持姿态？

正确的姿态是航天器正常工作的必要条件。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；航天器进行轨道控制时，发动机要对准所要求的推力方向；航天器再入大气层时，要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。

2 怎样测量姿态？

测量是保持的前提，一个航天器必须知道自身的现实姿态。

2.1 以天体为基准方位

2.1.1 太阳敏感器

太阳是我们的航天器上可视的最强发光体，可以把它近似看作点光源。通过敏感阳光的入射角度，就可以测量太阳视线与航天器某一体轴之间夹角。太阳敏感器用来确定姿态是最普遍的，几乎每个航天器都采用。

2.1.2 星敏感器

同太阳敏感器类似，也可以一颗恒星为基准，敏感测量航天器的某一个基准轴与该恒星视线之间的夹角，并同星历表中该星的角位置参数进行比较，来确定航天器的姿态。星敏感器的测量精度很高，但是要求恒星亮度要高于+2可见星等的恒星。

2.2 以地球为基准方位

地球是近地航天器所能观察到的除太阳外最明亮的天体，因此地球也就成为航天器最重要的基准物之一。但由于地球对近地航天器而言是一个广大的观察目标，不是一个确定的基准方向，因此实际工程中通常是以航天器所处的当地垂线或当地地平作为基准方向。

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，简称地平仪。红外地平仪的工作波段一般选择在14～16μm的二氧化碳红外窄波段上。原因是地球表面上空25～50 km的大气中的二氧化碳，在14～16μm波段内的红外辐射强度随着高度的增加而迅速地减少，所以工作在这一窄波段上的红外地平仪可获得极为清晰的地球轮廊，有利于提高测量精度。同时，红外地平仪对航天器本身反射的太阳光不敏感，无论白天或夜晚均能正常工作，因此在工程中应用十分广泛。

2.3 以惯性空间为基准方位

2.3.1 陀螺

利用陀螺的定轴性和进动性保持空间基准。定轴性就是当陀螺不受外力矩作用时，陀螺旋转轴相对于惯性空间保持方向不变；进动性就是当陀螺受到外力矩作用时，陀螺旋转轴将沿最短的途径趋向于外力矩矢量，进动角速度正比于外力矩大小。这种进动特性当输入和输出量对换时也是成立的，即当陀螺存在一个进动角速度输入时，陀螺将产生一个力矩输出。

航天器应用的陀螺具有如下特点：①长寿命——航天器上使用的陀螺,其寿命最短也有几天，最长达几年，而导弹上使用的陀螺只工作几分钟或几十分钟；②低功耗——由于航天器工作时间长而且质量限制很大，所以要求航天器上的设备都具有低功耗；③高可靠性——由于陀螺是一个高速旋转体，要求长期工作，因此须保证其高可靠性；④低漂移。

2.3.2 加速度计

加速度计是用于测量航天器上加速度计安装点的绝对加速度沿加速度计输入轴分量的惯性敏感器。虽然目前加速度计没有广泛用于航天器的姿态稳定和控制，但它是航天器导航系统中重要的器件。

2.4 以地面站为基准方位

射频敏感器常常被通信卫星所采用，这是因为通信卫星的地面发射站可作为敏感器的无线电信标源。另一方面射频敏感器与通信天线都要求指向控制，因此二者在结构上做成一体，这样可以避免像其他敏感器(例如红外地平仪)那样由于非一体结构而引起的弯曲变形造成的指向误差。射频敏感器具有较高的精度。射频敏感器确定航天器姿态的原理是基于对航天器天线轴与无线电波瞄准线之间夹角的测量。

2.5 以地磁场为基准方位

磁强计是以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用磁强计测得的信息与之对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。

2.6 小结

在实际的航天器姿态控制系统中，上面介绍的各种敏感器单独使用一般是不能满足要求的，而需要多种多个姿态敏感器组合使用，形成一个姿态测量系统。原因主要有三方面：一是由于相对于同一基准最多只能获得两个姿态角，所以如太阳敏感器、星敏感器、红外地平仪等单独使用则不能获得完整的姿态信息；二是由于各种敏感器均存在条件限制，如太阳敏感器在地球阴影中不能工作，陀螺等惯性敏感器存在漂移，星敏感器视场很小以致初始难以捕获目标恒星等等；三是由于航天器的长寿命工作特点要求敏感器可靠地长时间提供高精度姿态信息，所以姿态敏感器的冗余便成为必须考虑的重要问题。正是由于以上三方面的原因，航天器上往往装有多种敏感器，以便相互校正和补充测量信息，相互取长补短，相互备份，充分发挥各自的优点。

此外，航天器姿态控制系统精度取决于姿态确定的精度，当然也包括姿态敏感器的精度。由于对航天器姿态控制系统的精度要求越来越高，对敏感器精度要求一般要比系统精度高5倍或一个数量级，因此提高航天器敏感器的测量精度和信息处理精度，将成为今后一个关键问题。

3 怎样调整姿态？

保持姿态的核心是怎样产生力矩的问题。可供航天器携带的执行机构主要有推力器、飞轮与地磁力矩器等。

3.1 推力器

目前航天器控制使用最广泛的执行机构之一。它根据牛顿第二定律，利用质量喷射排出，产生反作用推力，这也正是这种装置被称为推力器或喷气执行机构的原因。当推力器安装使得推力方向通过航天器质心，则成为轨道控制执行机构；而当推力方向不过质心，则必然产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。

根据产生推力所需能源的形式不同，质量排出型推力器可以分为冷气推力器、热气推力器和电推力器。其中冷气推力器和热气推力器消耗的工作介质需由航天器从地面携带，有限且无法在轨补充；而电推力器消耗电能，可以通过太阳能电池在轨补充，工作介质消耗量大大减少。因此电推力器成为今后长寿命、高精度航天器推力器的一个重要发展方向。

3.2 飞轮

根据“动量矩守恒”原理，改变安装在航天器上的高速旋转刚体的动量矩，从而产生与刚体动量矩变化率成正比的控制力矩，作用于航天器上使其动量矩相应变化，这种过程称为动量交换。实现这种动量交换的装置称为飞轮或飞轮执行机构，飞轮执行机构只能用于航天器的姿态控制。

3.3 磁力矩器等其他执行机构

航天器的执行机构除了推力器和飞轮两类主要执行机构以外，还有其他形式的执行机构。它们利用磁场、引力场等环境场与航天器相互作用产生力矩，,实现对姿态的控制，例如磁力矩、重力梯度力矩、太阳辐射力矩和气动力矩等。这些力矩一般都比较小，而且与运行轨道高度、航天器结构和姿态等因素有关。其中磁力矩器是最常见的一种。

航天器的磁特性和环境磁场相互作用可产生磁力矩，当两者互相垂直时，磁力矩最大；当两者相互平行时，磁力矩为零。对地球轨道航天器来说，只要航天器存在磁矩，磁力矩总是存在的。若不把它作为控制力矩使用，就成为扰动力矩。航天器上安装的通电线圈就是最简单的磁力矩器，通电线圈产生的磁矩与地球磁场相互作用就可产生控制力矩,实现姿态控制。

利用环境场产生控制力矩，最常用的除了磁力矩以外，还有重力梯度力矩等。磁力矩与轨道高度的3次方成反比，轨道高度越低，磁力矩越大。所以磁力矩作为控制力矩比较适用于低轨道航天器，重力梯度力矩适用于中高度轨道航天器，太阳辐射力矩适用于同步轨道卫星等高轨道航天器，气动力矩也适用于低轨道，但是最后两种力矩较少用来作为控制力矩。利用环境力矩产生控制力矩的装置可称为环境型执行机构。

3.4 小结

对于航天器控制所采用的执行机构而言，高可靠性、长寿命、高精度是其基本要求，直接关系到控制系统的寿命和精度。在以上介绍的几种执行机构中，飞轮、推力器、磁力矩器和重力梯度力矩执行机构是最常用的。飞轮和推力器控制精度较高，环境型执行机构的控制精度较低，所以飞轮和推力器成为航天器控制主要的执行机构。

引用书目：《航天器控制原理》 周军编  西北工业大学出版社  2001年