花樣飛行「108式」：航天器在太空如何控制姿態？

來源：天儀研究院

2018年6月14日11時06分，嫦娥4號的通訊中繼衛星「鵲橋號」成功進入了它特殊的軌道——環地月拉格朗日L2點軌道，以便更好地服務於月球背面與地球之間的通信和數據傳輸；

2018年6月5日21時07分，地球同步衛星「風雲二號H星」發射成功。H星定點於東經79度赤道上空，將有助於提高我國天氣系統上游地區的監測能力，並為「一帶一路」沿線國家、亞太空間合作組織成員國提供天氣預報、防災減災等監測服務；

2018年6月2日12時13分，低軌光學遙感衛星「高分六號」衛星發射成功。這是我國首顆實現精準農業觀測的高分衛星，它將與在軌的高分一號衛星組網運行，大幅提高對農業、林業、草原等資源的監測能力。

在這些發射任務里，中繼衛星負責星間鏈路通信，地球同步衛星需要在軌道上正確定點，資源衛星要準確拍照傳回大量資料……等等，我似乎發現了什麼。

他們明明是肩負不同工作職責的衛星，卻都在工作之前邁出了相似的一步——姿態控制。

那麼本期天儀智造系列，就來和大家聊聊「衛星的姿態控制」。

衛星飛行姿態的每一個細微的角度，都會影響太陽能電池板的朝向，探測器信號的接收，衛星所攜帶的攝像機的視角等等。

所以對衛星的姿態進行持續有效的控制是必不可少的。這裡我把姿態控制的流程畫了個圖來表示：

圖中包含了衛星姿態控制系統的三大要素：敏感器，中心計算機和執行機構，分別負責完成信號測量，信號處理和控制指令執行這三個基本過程。

通俗點說，在某些特殊狀況下，我們需要衛星在軌道上「轉個身」，「抬抬腿」，以便衛星更好地工作。在這種需求下，我們通過上述流程設計了一套「衛星廣播體操」，讓它看得見，學得會，跑得又快又准。那麼這個體操怎麼完成呢？

讓我們先從大家都聽說過的哈勃太空望遠鏡聊起……

第四套天儀小衛星廣播體操

第一節、準備運動——睜開「雙眼」

第二節、伸展運動——重力梯度穩定

第三節、體轉運動——自旋穩定

第四節、全身運動——三軸姿態穩定

第五節、成績測評

第一節、準備運動——睜開「雙眼」

哈勃太空望遠鏡是位於低地球軌道（高度約547公里，與赤道傾斜28.5度）運行的最大和最通用的望遠鏡之一。

於2009年拍攝的哈勃望遠鏡

圖源自NASA

它就像人類的一雙望向宇宙深處的眼睛，自1990年4月發射以來，哈勃望遠鏡完成了超過130萬次的觀測，以每年產生大約10TB的新數據的速度，幫助我們看到了在這之前從未見過的全新世界。除瞭望向遠方，在宇宙中漂浮的這二十多年裡，它是如何「看」到自己的位置的？

衛星通常都需要擁有一雙自己的「眼睛」，用以實時測定衛星的狀態，了解它所處的空間方位，這樣我們才可以對它的姿態進行下一步的調整和修正。

而這雙衛星的「眼睛」，我們稱之為敏感器。

1. 太陽敏感器

以太陽為基準方位，利用對太陽輻射的敏感來測量太陽視線與航天器某一體軸之間夾角的敏感器，稱之為太陽敏感器。它的精度大約在0.01°~0.5°之間，是一種在衛星的設計中被廣泛應用的敏感器。

太陽敏感器的優點是顯而易見的。首先，太陽作為一種很強的信號源，對敏感器的結構要求不高，消耗的功率也很小；而且太陽的視場也很大，輪廓清晰，也可以簡化敏感器的設計和姿態確定的演算法。

同樣地，哈勃望遠鏡也有太陽敏感器，用以測量衛星星體相對於太陽的方位。在下圖哈勃望遠鏡的結構圖中，太陽敏感器被藍圈標註了出來。

圖源自spacetoday

2. 星敏感器

星敏感器以帶有一定可見光的恆星為基準，測量恆星相對於航天器的角位置，然後再根據星曆表中恆星的角位置參數進行比較，得出航天器的姿態數據。

由於恆星的張角非常小，大約在0.04"~0.005"之間，星敏感器的測量精度也因此相對較高，一般是1"~20"左右。而且它一般沒有活動的部件，也不受軌道的影響，是一種自主性很強的敏感器。

而對於哈勃望遠鏡來說，追蹤星星可是它的「大強項」了。只是在哈勃望遠鏡中，不再是簡單的星敏感器，而改名叫「固定式星跟蹤器」（Fixed Head Star Trackers, FHST）。

你說你沒在上張結構圖裡找到它？沒關係，我還有一張。

圖源自Astronomy Magazine

3. 磁強計

磁強計可以以地球磁場為基準推測航天器的姿態。由於地球周圍每一個位置的磁場強度都是已知的，那麼利用航天器上的磁強計測得的信息，就可以對比推測出航天器相對於地球的姿態。

磁強計的質量輕，功耗低，對工作溫度的要求範圍也很廣，因此也是很好用的敏感器。然而，這種推測方法誤差較大，精度大概在0.3°~3°之間。而且當衛星軌道過高時，衛星本身的磁場強度將會超過地球。所以，這種敏感器一般使用在對姿態測量精度要求不高的場合，或者是低軌道衛星。

4.陀螺

陀螺是衛星姿態控制系統中一種極其重要的敏感器，它以慣性空間作為基準方位，可以檢測衛星三軸相對於慣性空間的角速率，並且與其他的敏感器聯合使用進行衛星的姿態確定。

陀螺主要分為機械陀螺和光學陀螺兩類。

機械陀螺利用一個高速旋轉體來檢測其自旋軸在慣性空間定向的變化，有定軸性和進動性。所謂定軸性，就是指當陀螺不受外力矩作用時，它的旋轉軸可以相對於慣性空間保持方向不變；進動性則是指當陀螺受到外力矩作用時，它的旋轉軸將沿著最短的途徑趨向於外力矩矢量，進動角速度正比於外力矩大小。

光學陀螺就沒有運動部件和磨損部件啦，它是一種基於薩格奈克效應的角速度敏感器，有著動態範圍大，壽命長，可靠性高等特點，所以被廣泛地應用于軍事和民用領域。

陀螺的精度很高，有著快速的動態響應；但缺點在於功耗比較大，輸出有漂移性（大概精度隨機漂移在0.0001~0.1°/h之間），而且陀螺對環境的要求比較高，因為光纖陀螺容易受到磁和溫度的影響。

哈勃上的陀螺儀（Gyroscopes, GYROS）可以幫助它保持面向永遠朝著同一個方向，就像指南針一樣。它的陀螺可以檢測到望遠鏡的角運動，並提供一個短期參考點來幫助哈勃望遠鏡瞄準目標。

圖片截取自hubblesite.org

除此之外，哈勃望遠鏡還配備了三個精導航儀（Fine Guidance Sensors, FGS）和角速度測量單元（Rate Sensor Units, RSU）作為它的敏感器。

哈勃望遠鏡的精導航儀工作原理

圖源自hubblesite.org

哈勃的這三個精導航儀用於操縱望遠鏡和進行天體測量。兩個感測器將望遠鏡指向一個天文目標，鎖定瞄準「導航星」，並測量望遠鏡相對於被觀察物體的位置；

然後，基於這些測量值（有些時候這一數值十分微小）進行調整，將該目標保持在觀測儀器的視野中，這樣就可以讓哈勃精確地指向正確的方向，第三個感測器也就可以執行科學觀測了。

事實上，哈勃望遠鏡上的陀螺儀總共有六個。因為陀螺儀在使用中會被不斷地磨損並最終失效，所以還有三個可以選擇的備份，其中一個在2014年3月就已經失效了。

當我們通過敏感器測量到了衛星的姿態變化，再經過中心處理系統進行控制信號的處理和輸送，執行機構就可以著手調整衛星的「姿勢」啦。

根據對衛星的不同工作要求，衛星姿態的控制方法也是不同的。按是否採用專門的控制力矩裝置和姿態測量裝置，可把衛星的姿態控制分為被動姿態控制和主動姿態控制兩類。

所謂被動姿態控制，就是利用衛星本身的環境力矩和動力特性，進而實現姿態穩定。被動姿態控制方式有重力梯度穩定、自旋穩定等。

主動姿態控制就是可以根據姿態誤差（測量值與標稱值之差）形成控制指令，進而產生控制力矩來達到姿態的穩定。

既然已經「看到」自己的位置了，下一步，動起來，小衛星！

第二節、伸展運動——重力梯度穩定

衛星繞地球飛行時，衛星上離地球距離不同的部位受到的引力不等而產生的力矩（重力梯度力矩），利用這個力矩，我們也可以實現衛星的穩定。這就是重力梯度穩定的原理。

比如說，如果我們在在衛星上裝一個伸桿，衛星進入軌道後，讓它向上伸出，伸出去後其頂端就比衛星的其它部分離地球遠，因而所受的引力較小，而它的另一端離地球近，所受的引力較大。這樣所形成的引力差，就對衛星的質心形成了一個恢復力矩。

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所以，當衛星的姿態（或者伸桿）偏離了當地鉛垂線，用這個力矩就可使它恢復到原來姿態啦。是不是簡單又實用？

當然了，這種調整穩定姿態的方式精度較低。不過，我們還有更加精準的調整方式。

第三節、體轉運動——自旋穩定

有的衛星只要求它其中一個軸始終指向空間中某個固定的方向，那麼我們就可以通過衛星本體圍繞這個軸旋轉來保持穩定，這種姿態穩定方式就叫自旋穩定。

那有的小可愛就要問了，在太空中旋轉反而可以保持穩定，到底是怎麼做到的呢？來看看NASA的宇航員Mike Fossum在國際空間站的演示吧：

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當一個陀螺沒有旋轉的時候，在太空的失重狀態下，輕輕地稍微一推就可以讓它翻好幾個跟頭。

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而當陀螺在裡面轉起來之後，再推它也不會有翻轉了。是不是很神奇？

自旋穩定的控制方式和上述的陀螺有著類似的原理，只不過我們需要讓整個航天器都旋轉起來。

這種實現穩定的方式較為簡單，早期的衛星大多採用這種簡單的控制方式，例如我國的東方紅一號衛星、東方紅二號通信衛星和風雲二號氣象衛星。

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而這種控制方式的缺點同樣也很明顯。首先，衛星上質量必須對稱分布（參考你家洗衣機，衣服不放均勻就轉不起來），所以衛星的載荷就要有效分配了；而且以這樣的速度旋轉，衛星上想裝個相機拍照都難啊。

所以哈勃望遠鏡肯定不會讓整個星都旋轉起來的（它上面搭載的精密儀器當然也不會允許它在太空中玩悠悠球）。

第四節、全身運動——三軸姿態穩定

不用自旋，哈勃望遠鏡要如何調整姿態呢？

哈勃以約17,000英里每小時在地球周圍旋轉的方式不停地拍攝照片，它沒有推進器，為了改變角度，哈勃利用牛頓第三定律，在相反的方向裝配了四個「飛輪」，以每15分鐘轉動90度的速度改變哈勃的姿態。

圖源自NASA

字太小了看不清……我給你們放大一下。

這種「飛輪」的工作原理就是動量矩定理，即航天器的總動量矩矢量對時間的導數等於作用在航天器上外力矩矢量之和。

因為飛輪是以內力矩作為控制力矩，所以當外力矩矢量和為零時，航天器總動量矩守恆。

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進一步來說，如果衛星在飛行時，可以針對其相互垂直的的三個軸都進行控制，那麼理論上來說，任何一個軸都不會產生超出規定值的轉動和擺動。這種穩定方式稱為衛星的三軸姿態穩定。

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目前，衛星基本上都採用三軸姿態穩定方式來控制，因為它適用於在各種軌道上運行的、具有各種指向要求的衛星，也可用於衛星的返回、交會、對接及變軌等過程。

三軸穩定衛星的執行機構是產生控制力矩的裝置，對於工作壽命在幾天至幾十天的衛星，一般配合發動機採用冷氣噴氣執行機構。

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對於長壽命衛星，就採用反作用飛輪。由於要對飛輪卸載，通常又用噴氣力矩、磁力矩或重力梯度力矩作為輔助手段。

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通過改變飛輪的動量矩矢量，我們就可以吸收航天器其餘部分多餘的動量矩矢量，從而達到航天器姿態控制的目的。

這種控制方法一般比較可靠，因為飛輪可以給出較精確的連續變化的控制力矩，所以控制的精度比較高，而且姿態誤差率也小。

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一個成熟的飛輪三軸穩定器可以使衛星整體可以穩定地指向一個方向。例如，太陽能電池板可以始終指向太陽，儀器可以始終指向需要觀測目標。然而，這種飛輪的工作是需要消耗電力的，推進器也需要消耗燃料，也就增加了衛星的維護成本。

除此之外，磁力矩器也是衛星姿態穩定執行機構的一種。

2015年，國內最大的3200安米方磁力矩器研製成功，用於大型航天器的姿態控制；2017年發射的「北斗三號」導航衛星，因為其工作時卻不允許推進器噴氣進行卸載，就利用角動量管理和磁力矩器達到了卸載功能的要求。

總之，衛星想在軌道上「轉個身」可不是那麼簡單的事情，要多方面考慮衛星的工作性質，精度要求以及功能配置，才可以確定最佳的「體操」姿勢呀！

第五節、成績測評

這次我不光想科普衛星的姿態控制，我還想給大家看看咱們天儀的衛星們「體操」的成績：

目前，我們的「湘江新區號」（TY-2）和「全圖通一號」（TY-6）衛星的姿控指向精度能夠實現優於0.1°，穩定度優於0.04°/s。實現這一精度的系統硬體包括太陽敏感器、陀螺、磁強計、星敏感器、飛輪和磁力矩器等。

另外，我們的衛星還有很多姿態控制模式，包括——

最小系統模式：只保留星地通訊功能，實現衛星低功耗運行；

最小功耗實現最大節能~

磁控模式：消除入軌大角速度後繞單軸旋轉，且滿足能源要求；

衛星在與火箭星箭分離之後，會獲得一個比較大的旋轉角速度。為了保證對衛星姿態的控制，我們可以將這一由星箭分離帶來的角速度控制在一定範圍內，然後再讓衛星按照我們規定的方向旋轉！

太陽捕獲模式：實現太陽盲捕功能；

萬一衛星上的太陽敏感器背對太陽了怎麼辦？沒關係，我們還可以根據背對的角度計算太陽的位置，就算看不見也知道太陽在哪！

對日定向模式：調整姿態讓帆板穩定對日，以滿足能源要求；

對地定向模式：實現三軸穩定對地姿態；

目標跟蹤模式：實現地面目標跟蹤姿態，完成數傳功能；

慣性指向模式：實現慣性空間目標指向姿態；

如果我們的衛星上有對太空的某個區域內拍攝的要求，這一慣性指向模式就可以鎖定這個區域，不會讓它逃離攝像機的視野~

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