【航天甲子年50讲】 34 航天器轨道控制

【航天甲子年50讲】 34 航天器轨道控制



文:晟宇(视频讲解)

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前言


上一次的分享里面我们开了个头来聊卫星的控制系统。这一次想要和大家分享一下的是航天器的轨道控制。


还记得我们在很早轨道摄动和空间任务设计的分享里面说过,为了完成航天器的任务,我们的会对轨道进行设计。


一些任务的轨道是一直变化的,例如登月的轨道,例如空间交会对接的轨道。所以过程中还要去控制准确的变化来最终保证我们到达正确的位置。


另外一些呢,即便是要留在预期的轨道上也是要不断努力的,因为近地轨道上还有不小的轨道摄动,使得航天器在实际飞行过程中会不断地偏离预期的轨道,所以要通过轨道控制让航天器不断地回到它该待着的位置上。





非自主与自主的控制系统


轨道的控制系统分为非自主自主控制系统


非自主控制,对于轨道控制的策略是地面工程师算好的。也就是说控制由天上设备和地面设备共同完成。


我们地面通过遥测系统对卫星的轨道进行测量,同时接收卫星上面设备的状态,然后完成控制点和轨道机动量的指令编排,然后将这些策略以可执行的指令发送给我们的航天器,那么航天器就根据这些标有操作时刻的指令在控制点进行控制动作。


然后再根据控制之后的测量来判断控制是否达到了目标。这里前提就是天地之间要保持有效的联系,不然就失控了。


那么了解过非自主控制,自主控制也就很好理解了。就是说航天器这个时候是根据预先设计好的控制目标,在具体环境中根据自带导航等设备仪器测量的轨道信息进行不需要人员参与的轨道控制。







自主轨道控制,对于航天器的自主运行非常重要,尤其是一些和地面通信有困难的场景下可以保证我们定的那些目标可以正常进行。


或者进行一些控制更加频繁,精度较高的控制,例如航天器的轨道维持,都需要航天器自主的进行轨道的控制。甚至可以实现多个航天器之间的相对构型的保持等更加复杂的轨道控制任务。





控制都一样,要控得准就要测得准


轨道的确定与预报是完成轨道控制的前提。


轨道测量系统的目的就是利用测量仪器对航天器进行跟踪观察,在获得大量用于轨道计算的数据之后,经过剔除野值、修正偏差等等这些预先的手段完成数据处理,应用定初轨的方法快速定出轨道的初值,然后在利用状态估计法进行轨道的改进,从而最终定出精确的轨道。





测量系统一般我们要通过一些标准来衡量他们能力行不行,比如能在多少时间内进行卫星状态的测量,能测得多准,就是测量系统的能观度和估计精度。










进行轨道测量的系统又有很多类型。比如单脉冲雷达、多普勒测速仪、干涉仪等等,也有光学的设备例如望远镜可以通过视场中恒星的位置来推算航天器的轨道。


还有航天器自己的携带的轨道测量仪器。利用天文导航的设备,例如空间六分仪。阿波罗任务就使用到了空间六分仪,来完成定位和导航。


还有就是利用已知信标进行距离测量的设备,就是现在应用非常广泛的GPS,很多航天器的轨道测量都利用了GNSS系统,技术非常成熟,定位精度也很高。


还有一种MANS自主导航系统,利用两台红外地球敏感器和日月敏感器来进行测量。


控制器


卫星上的轨道控制器,就是依据敏感器和时钟来对卫星的轨道进行控制的计算机。随着任务越来越复杂,或者像旅行者号这样寿命超长的深空探测器,对计算的计算能力和寿命都提出了比较高的要求。



执行机构


轨道控制的执行一般由推进系统来完成,具体可以看推进分系统那次分享。需要多说两句的是,轨道控制的过程中一般都要经历的过程包括从导航导引到航天器做好轨道控制前的姿态准备,进行推进姿态模式的切换,调整好航天器的指向和稳定程度,然后进行轨道的机动。


具体要携带多少推进剂就看要做多少机动量了。




下一次我们来聊聊进行姿态控制需要进行姿态测量的各种敏感器。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标