第 7 章 姿态控制与轨道控制

第一章—绪论1.各国独立发射首颗卫星时间。

表格 1 各国独立发射首颗卫星时间表2.航天器的分类？答：航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器两大类。

其中，无人航天人按是否环绕地球运行又分为人造地球卫星和空间探测器两大类；载人航天器可以分为载人飞船、空间站和航天飞机。

3.什么是航天器设计？答：航天器设计就是要解决每一个环节的具体设计，其中主要的几个关键内容为：航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计。

4.画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。

答：图 1 航天器系统设计的层次关系图(1).有效载荷分系统：航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分；(2).航天器结构平台：整个航天器的结构体(3).服务和支持系统：有效载荷正常工作的必要条件。

①结构分系统：提供其他系统的安装空间；满足各设备安装方位，精度要求；确保设备安全；满足刚度，强度，热防护要求，确保完整性；提供其他特定功能②电源分系统：向航天器各系统供电③测控与通信系统：对航天器进行跟踪，测轨，定位，遥控，通信；④热控系统：对内外能量管理和控制，实现航天器上废热朝外部空间的排散，满足在飞行各阶段，星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件；⑤姿态与轨道控制系统：姿态控制--姿态稳定，姿态机动；轨道控制--用于保持或改变航天器的运行轨道，包括轨道确定（导航）和轨道控制（制导）两方面，使航天器遵循正确的航线飞行。

、⑥推进系统：向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火；低轨道转移时，低轨到高轨的提升与离轨再入控制；星际航行向第二宇宙速度的加速过程；在轨运行⑦数据管理系统：将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障：维持密闭舱内大气环境，保证航天员生命安全5.航天器的特点及其设计的特点？答：航天器的特点有5个，(1).系统整体性；(2).系统层次性；(3).航天器经受的环境条件：运载器环境、外层空间环境、返回环境；(4).航天器的高度自动化性质；(5).航天器长寿面高可靠性。

先进陆地观测卫星(ALOS)精度姿态和轨道控制系统日本，Tsukuba，日本的国家空间开发机构。

Takeshi Yoshizawa, Hiroki Hoshino，和Ken Maeda NEC东芝太空系统，日本横滨。

摘要先进的陆地观测卫星(ALOS)是NASDA的高分辨率地球观测的旗舰。

ALOS任务的特点是同时取得了250万的分辨率和全球的数据收集，它需要一套指向的要求，为观测到的图像提供精确的几何精度。

在指向管理框架,旨在满足指向要求,态度和轨道控制系统(家)对自己严格的要求:态度稳定(3.9×10−4度p p),态度决定射门角度(上:3.0×10−4度),和定位精度(离线:1米)。

为AOCS开发和实现了多种解决方案。

这一挑战包括精密恒星跟踪器、高精度GPS 接收机、高性能机载计算机、基于星型传感器的姿态确定和控制、柔性结构的相位稳定和精密的协同控制。

本文介绍了AOCS原型机的设计和测试结果，重点介绍了新方法的发展，使其具有了一定的精度。

1.介绍在土地观察方面，继续努力争取更高的决议。

随着空间分辨率的提高，观测图像几何精度的重要性越来越明显。

这一趋势已经给今天的地球观测卫星的姿态和轨道控制系统的设计带来了影响。

国家空间发展的先进陆地观测卫星(ALOS)。

图1:先进的陆地观测卫星。

日本航空公司(NASDA)在2004年开始研发，是高分辨率地球观测的旗舰(图1)。

主要致力于制图，ALOS的独特特点是同时实现了信心目标:全球数据收集，分辨率达250万。

这种特性要求精确的地理定位和几何校正，而不需要地面控制点。

为此，我们为ALOS开发了一组指示性需求:指向稳定(-44.010⨯度p-p)，定位精度(板载:-44.010⨯度，脱机:-42.010⨯度)，定位精度(板载:200米，脱机:1m)。

为了满足这些需求，一种扩展了姿态控制、卫星系统和地面系统的集成框架被取消了。

由于姿态和轨道控制系统(AOCS)是实现这些要求的关键，我们对AOCS进行了严格的精度要求。

航天器姿态控制与导航技术在航天领域，航天器姿态控制与导航技术是非常重要的研究领域。

航天器的姿态控制是指通过调整航天器的姿态来改变航天器在空间中的方向和位置，以满足任务需求。

导航技术则是指通过各种传感器和算法来确定航天器在空间中的位置、速度和方向，以实现精确的航天器定位。

航天器姿态控制技术是实现航天任务的关键。

由于航天器需要在特定的时间和位置进行复杂的任务，如轨道纠正、卫星对接等，因此其姿态必须得到精确控制。

姿态控制主要考虑的要素包括三轴稳定性、姿态变化速率、轨道控制等。

三轴稳定性是指航天器在三个轴向上的姿态保持稳定，以保证航天器的姿态不发生偏离。

姿态变化速率是指航天器在进行不同任务时的姿态变化速度，需要根据任务需求进行调整。

轨道控制是指通过调整航天器姿态来实现轨道变化，如升轨、降轨等。

航天器姿态控制的关键技术包括推力矢量控制、惯性导航、陀螺仪等。

推力矢量控制是一种常用的航天器姿态控制技术。

它通过调整航天器发动机的喷口方向来改变推力的方向，以实现航天器的姿态控制。

推力矢量控制技术能够在航天器进行复杂任务时灵活调整航天器的姿态，提高任务执行的精度和效率。

惯性导航是另一种重要的航天器姿态控制技术。

它通过搭载惯性测量装置，如陀螺仪和加速度计，来测量航天器的姿态变化，然后通过控制系统来调整航天器的姿态。

惯性导航技术能够实现高精度的姿态控制，是一种常见的姿态控制策略。

导航技术在航天领域同样非常重要。

航天器的导航主要目标是确定航天器在空间中的位置、速度和方向。

为了实现精确的航天器定位，导航系统需具备高精度、高可靠性和高实时性。

航天器导航技术主要包括星载定位、地面测控、惯性导航等。

星载定位是通过接收地面导航卫星发射的信号，从而确定航天器在空间中的位置和速度。

地面测控是通过地面上的测控设备，如雷达和测角站，对航天器进行跟踪和测量，进而确定其位置和速度。

惯性导航则是通过搭载惯性测量装置来测量航天器的加速度和姿态变化，从而推算出航天器的位置和速度。

航天器制导与控制课后题答案(西电)1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。

有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。

保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正常工作。

1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么?概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：对航天器绕质心施加力矩, 以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。

内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。

轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。

姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。

姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。

姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。

姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。

关系：轨道控制与姿态控制密切相关。

为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。

也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。

在某些具体情况或某些飞行过程中,可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。

某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。

1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。

姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。

自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。

自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。

三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。

航天器姿态与轨道控制原理
从系统建模的角度来看，航天器的姿态与轨道控制原理包括两部分：旋转系统和平衡系统。

旋转系统包括控制方法、动力方法、传感方法和反馈控制方法等，来实现航天器姿态控制。

平衡系统则运用轨道力学、轨道建模、轨道规划以及发动机控制等方法，以轨道航行、轨道改良等为目标，保证航天器完成任务。

通常情况下，旋转系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来控制和调节航天器构型和姿态。

旋转系统的主要控制方式有：有限旋转系统控制、控制反馈系统控制、面向目标的制导控制和旋转目标控制等，结合传感器系统通过利用陀螺仪、角速度矢量积分等方法，对航天器角度、转矩控制进行调节，使最终姿态稳定。

平衡系统使用发动机以及由发动机带动的旋转机构来推进航天器的空间轨道控制，通过改变发动机输出力及轨道建模下的参数，如卫星质量、平衡系数等，来调节航天器轨道，如通过线加速、混乱改正、超密对抗等方式，来实现轨道的航行控制。

总之，航天器姿态与轨道控制原理是结合发动机控制技术与建模技术，将航天器位置、朝向以及运动控制起来，以实现宇宙任务的一系列原理。

卫星姿态及轨道控制方法主要包括以下几种：
姿控发动机：姿控发动机用于改变卫星的姿态，其燃料喷射方向不同可以产生不同方向的推力，从而改变卫星的姿态。

姿控发动机通常采用离子推进器或化学推进器。

引力牵引：利用地球引力场，通过改变卫星的轨道高度和速度，使其受到引力牵引，从而实现姿态控制。

热控制：热控制是指通过控制卫星内部的温度，调整卫星的热平衡，从而减少热对姿态控制的影响。

智能控制系统：智能控制系统是指利用人工智能等技术，对卫星进行实时监测和预测，从而快速响应和处理各种情况，保证卫星的稳定运行。

地面仿真和控制：地面仿真和控制是指利用地面站对卫星进行仿真和控制，从而测试和验证卫星的各种性能，提高卫星的可靠性和稳定性。

总之，卫星姿态及轨道控制方法多种多样，根据实际情况选择合适的方法可以保证卫星的稳定运行。

航天飞行动力学航天飞行动力学指的是研究航天器在空间中的运动及其场合的科学。

其研究范围包括确定航天器的运动和轨迹、飞行控制和姿态稳定、空气动力学和热力学，以及所有这些因素对航天器设计和性能的影响。

在航天器的设计中，动力学起到了非常重要的作用，首先是确定航天器的设计参数，如重量、大小和动力学参数，以确保它能够达到预定的轨道和速度。

其次，它还需要考虑飞行过程中的各种情况，例如引力、空气动力学、剩余推力和其他可能会影响航天器轨迹的因素。

动力学的基本原理是质量守恒定律和牛顿第二定律：当力对一个物体施加时，物体的运动将随时间发生变化。

在航天器中，这些原理的应用导致了一系列的方程式和算法，它们能够帮助工程师和科学家去预计航天器的运动和性能。

航天器的飞行控制问题是动力学的应用之一。

通过它，航天器可以控制其运动，使其达到预定的目标，例如移动到一个新的轨道或进行宇宙探测。

飞行控制通常涉及到三个方面：轨道控制、姿态控制和姿态稳定。

轨道控制涉及到调节航天器的速度和方向，以使其达到预定的轨道。

姿态控制则涉及到调节航天器的方向和旋转，以使其对于任何特定任务都更加适用。

姿态稳定是航天器在飞行过程中，保持稳定的方向和旋转，以避免突发的旋转和失控的情况。

空气动力学和热力学是另外两个重要的航天飞行动力学分支。

空气动力学通常是与大气层内的飞行相关的。

这些研究通常涉及到空气的流动、压力、摩擦和其他相关因素，以评估在不同高度和速度的条件下，航天器可能会受到的哪些作用力。

除此之外，热力学也与航天器的设计和运动有着密切的关系。

由于在运动过程中航天器可能会面临非常高的温度，热力学原理可以用于评估哪些材料能承受这些极端的温度。

总之，航天飞行动力学是研究航天器在空间中运动和行为的科学。

它为工程师和科学家提供了一种理解和模拟航天器行为的方法，并为航天器的设计、控制和安全性能提供了基础。

AOCS 方法AOCS（Attitude and Orbit Control System，姿态和轨道控制系统）是一种用于控制和稳定航天器在空间中的姿态和轨道的系统。

它是航天器的核心系统之一，对于航天任务的成功非常关键。

姿态控制姿态控制是指控制航天器在空间中的方向和角度。

航天器的姿态决定了它的运动状态和航向，对于完成各种任务非常重要。

姿态控制可以通过推进器、陀螺仪、反应轮和磁强计等设备来实现。

1.推进器：推进器是最常用的姿态控制设备之一。

通过喷射高速喷射物体，可以改变航天器的姿态和轨道。

推进器可以分为化学推进器和电推进器两种类型，具有不同的优势和适用范围。

2.陀螺仪：陀螺仪基于陀螺效应，利用旋转物体的角动量守恒原理来测量方向和角速度。

它可以感知航天器的旋转状态，并通过调整推进器或其他姿态控制设备来实现姿态控制。

3.反应轮：反应轮是一种基于动量守恒原理的姿态控制设备。

它利用旋转惯量的变化来改变航天器的姿态。

通过调整反应轮的转速和转向，可以实现姿态控制和稳定。

4.磁强计：磁强计用于探测地球的磁场，并通过分析磁场变化来确定航天器的方向。

磁强计是一种 passively，即无信号发送器的被动传感器。

它是一种常用的姿态控制设备，特别适用于地球轨道和近地飞行器的姿态控制。

轨道控制轨道控制是指控制航天器绕行轨道的运动状态和参数。

轨道控制可以实现航天器的轨道调整、姿态控制和漂移修正等功能。

1.轨道调整：轨道调整是通过改变航天器的速度和航向来调整轨道形态。

常用的轨道调整方法包括调整喷气速度、改变航天器的横向速度和倾角等。

2.姿态控制：姿态控制在轨道控制中起着重要的作用。

通过调整航天器的姿态，可以改变它在轨道上的位置和方向。

姿态控制通常与推进器、陀螺仪等姿态控制设备结合使用，共同实现精确的轨道控制。

3.漂移修正：漂移修正是指修正航天器由于各种因素引起的轨道漂移。

漂移修正可以通过推进器、反应轮等设备来实现。

漂移修正的频率和方法取决于航天器的任务需求和轨道设计。