【干货】卫星姿态与轨道控制分系统-姿态测量敏感器介绍

笑笑生77uvusv8 2022-07-07 发布于陕西

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卫星姿态与轨道控制分系统之姿态测量敏感器介绍

卫星姿态和轨道控制系统主要完成卫星的姿态控制，轨道保持和轨道机动。卫星基于卫星导航敏感器、惯性导航敏感器或天文导航敏感器等获取其轨道运动参数，基于星敏感器、惯性导航敏感器、太阳敏感器与陀螺等姿态敏感器获取卫星本体系相对特定坐标系的姿态。此外，结合附件只想测量敏感器测量获取如太阳翼对日跟踪、数传天线跟踪地面站与中继卫星等实际只想状态。获取上述信息并结合星上轨道参数获取星历计算，可为卫星姿态控制与轨道控制提供必要的输入条件。

卫星控制包括卫星姿态控制与轨道控制。卫星姿态控制主要有基于喷漆角动量管理装置和磁力矩控制方式。喷漆控制主要用于卫星入轨星箭分离角速度阻尼及初始姿态偏差消除，轨孔大干扰力矩下的姿态维持控制、姿态异常下的安全保护与角动量卸载控制场合。虽然喷气控制具有力矩大的特点，但其会消耗星上有限工质且以开关不连续方式输出力矩精度低等，在高精度遥感卫星上一般不作为主要姿态控制方式；由于角动量管理装置能以其连续方式输出高精度力矩，基于角动量管理装置控制方式广泛应用于高精度、高稳定与高性能姿态激动控制。但是由于受空间干扰力矩持续作用，角动量管理装置系统会出现角动量饱和现象，因此系统一般配置磁力矩器或采用喷漆控制方式，依据设定的角动量管理策略对积累角动量进行卸载。

磁力矩器可与飞轮相结合组成偏置角动量控制系统实现卫星三轴姿态控制，其控制性能相比角动量管理装置要低，然而由于其低成本优势而广泛应用于对控制精度要求不太高的场合。

姿态测量敏感器

红外地球敏感器

工作原理：红外地球敏感器主要用于卫星或航天器控制分系统的姿态测量，可满足中等精度姿态测量要求。通过测量地球与天空的红外辐射的差别而获取航天器姿态信息的一种光学测量仪器。大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收带来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆来克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。并且对与获取的信息进行处理，并给出在本体坐标系中当地垂线的方位，用于测量卫星或航天器俯仰和滚动姿态信息。

红外地球敏感器的主流产品分类如下：

Figure 4‑1红外地球敏感器产品树

太阳敏感器

太阳敏感器是最早用于卫星姿态测量的光学姿态敏感器。太阳敏感器以太阳作为测量目标。太阳敏感器是通过敏感太阳光而获得太阳矢量方位角的一种光学仪器。太阳敏感器的基本功能是获取太阳矢量在与太阳敏感器相固连的星体坐标系中的方位信息，主要用于航天器的姿态测量、姿态确定与姿态控制。

太阳敏感器主要分为两大类：模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。

Figure 4‑2太阳敏感器分类

紫外敏感器

紫外敏感器是以采集天体紫外波段能量实现目标特性测量和姿态测量的敏感器，主要面向深空探测领域，实现卫星自主导航。紫外敏感器的工作波段一般选在对地球和恒星观测均较为有利的260~300mm。它可以同时观测多个天体目标，能够提供三轴的航天器姿态信息。它的优点是体积和质量小;无可动机构，利于长期运行，具有多种敏感器的功能。它将来极有可能取代用于航天器姿态测量的地球敏感器、太阳敏感器和星敏感器，成为航天器姿态测量的主要敏感器。

为提高姿态测量精度，常采用与恒星可见光波段共同观测的方法，形成组合导航敏感器。恒星观测波段为可见光波段，输出卫星相对于天球坐标系的惯性姿态。按测量标的的可分为紫外地球敏感器和紫外月球敏感器。

星敏感器

星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像与光电转换器上，输出信号经过A/D转换送入数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量的惯性坐标系的指向，通过星敏感器在飞行器、星光导航系统上的安装矩阵，确定其在坐标系下的三轴姿态。

星敏感器姿态测量精度高、可靠性高，广泛应用于卫星和航天器的姿态测量控制系统，可与陀螺构成组合姿态测量系统并修正陀螺的漂移。

Figure 4‑3 arcsec sagittastar tracker

星敏感器分为CCD型星敏感器和APS型星敏感器。

陀螺

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。

Figure 4‑4陀螺仪结构

磁强计

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，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以确定出航天器相对与地球磁场的姿态。

磁强计具有质量小、性能可靠、小号功率低、工作温度范围宽以及没有活动部件等特点，得到了广泛应用。但是地球磁场模型仅是对地球磁场的近似描述，以此模型作为磁强计测量星体姿态的基准必然会带来较大的误差，所以磁强计姿态测量进度不高。

惯性测量单元

将数个陀螺仪和加速度计组合在一起构成的具有综合测量功能的惯性敏感器称为惯性测量单元（InertialMeasurement Unit, IMU）.惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。

Figure 4‑5 IMU惯性测量单元

卫星导航敏感器

GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。

卫星导航敏感器主要是指GPS、GLONASS、和GNSS接收机。接收机天线将接收到的导航卫星的无线电信号转化为电信号，传送给接收机。接收机时钟提供时间参考基准。测距处理器对接收机输出的信号进行处理，即采用捕获和跟踪算法确定天线至所接收到的每一颗卫星的距离，同时对导航电文进行解码，最后，导航处理器使用测距信息确定位置、速度和时间。

Figure 4‑6

光学导航敏感器

光学导航敏感器可以用于地球轨道实现绝对模式下的自主导航，也可以用于深空领域实现月球轨道、火星轨道的自主导航，月球或火星着陆用导航以及月面或火星表面巡视用导航等。导航等功能主要包括：自主轨道确定、着陆安全点指向确定和巡视障碍规避等。

脉冲星导航敏感器

脉冲星导航是利用脉冲星稳定的辐射周期特性，在太空中为星际空间飞行器提供位置、速度和时间等导航信息。这是一种新型的导航系统，现阶段美国、俄罗斯和欧洲空间局正在研究脉冲星导航的新技术和新方法。

X射线脉冲星模拟光源相当于一种特殊的信号发生器，模拟X射线脉冲星的物理特性，如X射线辐射能谱、能量、脉冲轮廓以及脉冲周期等，为实验提供模拟的X射线脉冲星。X射线只能在真空中传输，图1所示的真空系统能为X射线光路提供10-5Pa的真空环境。脉冲星的传播方向是四面八方的，聚焦型（SSD）探测器则相当于凸面镜的作用把X射线脉冲星聚集起来增强X射线的强度，然后再转换成电子为后端电子学所用。

以上内容摘抄自《基于脉冲星脉冲信号的航天器导航系统》，

http://www./article/3000054542。

微波雷达

微波雷达主要用于两个航天器相对位置的测量。交会雷达与应答机相互配合，相对测量距离可以从数百千米到几十米。

激光雷达

激光雷达LiDAR(LightLaserDetection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

光学成像敏感器

光学测量敏感器主要用于交会对接的近距离测量（150m范围内）。以CCD光学成像敏感器为例，该敏感器由两部分组成：一部分为固定安装在目标飞行器上且由几何形状及尺寸一致的若干个特征光点；另一个部分为固定安装在追踪飞行器上的CCD相机。当目标光点落在相机视场中时，随着目标飞行器与追踪飞行器之间的相对位置及相对姿态的变化，目标光点在CCD上成像的形状和大小也会发生相应的变化，通过对目标光点的合理设置并选择适当的算法，就可以唯一地解算出两飞行器之间的相对位置和姿态。

未完待续

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