文章编号:1006-1630(2000)06-0049-05
施少范
(上海航天技术研究院812所，上海200233)
摘 要：简要介绍了国外对地观测卫星研制开发的历史、现状及其发展趋势，分析和研究了对
地观测卫星的姿态控制系统，以及这类卫星所采用的技术手段和所达到的控制精度。同时展望了未来对地观测卫星姿态控制系统的技术要求并提出了相应的对策。 关键词：对地观测卫星；姿态控制系统；姿态传感器；卫星姿态控制中图分类号:V448.22 文献标识码:A
STU DY ON HIGH PRECISION ATTITU DE CONTR OL SYSTEMS OF
FOREIGN EARTH 2OBSERVATION SATE LL ITES
SHI Shao 2fan
(No.812Institute of SAST ,Shanghai 200233,China )
Abstract :This paper first briefly introduces the history ,current development state and trend of the foreign earth observation satellites ,and then analyses and studies the attitude control systems of the foreign earth observation satellites as well as the technical measures taken and the control accuracy reached in these satellites.At the same time ,it looks forward to the technical requirements of the attitude control systems in the future earth observation satellites and puts forward the relevant measures.
K eyw ords :Earth observation satellite ;Attitude control system ;Attitude sensor ;Satellite attitude control
收稿日期:1999-09-16
作者简介：施少范(1954-)，男，工程师，从事航天科技情报研究工作。
0 引言
自1959年美国“水手号”飞船宇航员用手持照相机从空间轨道上对地球拍摄了第一
批图像以来，人们根据各自的需要，发展了满足各种任务要求的对地观测卫星。在20世纪七八十年代，这类卫星平均每年还仅发射1.5颗(除独联体外)，而进入20世纪90年代后，发射次数已增加到平均
每年3.5颗[1]。
目前全球正在实施的对地观测计划有：美国的全球变化计划；日本的全球变化计划；国际科学联合会的国际地圈2生物圈计划；国际科学联合会理事会与世界气象组织和联合国教科文组织的政府间海洋学委员会联合发起的全球气候研究计划等。
现今，国外在轨工作的地球资源卫星有9个系列14颗卫星；海洋监测卫星有3个系
列3颗卫星；气象卫星有7个系列17颗卫星
(地球同步轨道9颗，太阳同步轨道8颗)。同时，对地观测卫星有向小型化发展的趋势。美国、意大利和日本都计划用由多颗小型卫
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4 2000年第6期
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AEROSPACE SHAN GHAI
星组成的星座系统进行对地观测[2]。
由此可以看出，卫星对地观测技术正日臻完善。一个多层、立体、多角度、全方位和全天候，高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星协同，粗、细、精分辨率互补的全球对地观测系统正在形成之中。在这类技术的研究方面，不仅西方各发达国家投入了大量人力和物力，就是发展中国家也在迎头赶上。
1 任务和要求
对地观测卫星姿态控制系统的作用，是把卫星的方位(一般用滚动、俯仰和偏航三个姿态角分量来描述)控制到规定方向，以满足有关系统对卫星的姿态要求。其主要任务是:
a.消除星箭分离干扰，实现初始姿态捕获;
b.稳定卫星的姿态;
c.卫星姿态的重新捕获;
d.初始轨道捕获;
e.轨道保持;
马克思主义为什么行
f.轨道机动;
g.自主或遥控故障诊断与系统重构;
h.数据发送与接收。
由于对地观测卫星地面分辨率和地面定位精度要求较高，所以其三轴指向精度目前一般要达到0.1°以下，姿态稳定度要高于10-4(°)/s[3]。表1给出了国外不同时期对地观测卫星达到的指向精度和稳定度要求。 从表1中可以看到，对地观测卫星的姿态控制精度和姿态稳定度在不断提高，为此国外已普遍转向零动量三轴姿态控制方式。因为就目前的技术基础和元部件的发展水平来看，这种控制方式能保证卫星的高姿态精度和高姿态稳定度，可以为对地观测卫星提高地面分辨率提供技术保障。
2 姿态确定系统
姿态控制系统主要由姿态测量敏感器、表1 对地观测卫星达到的指向精度和稳定度指标时期典型卫星
指向精度
/(°)
姿态稳定度
/(°/s)
70年代
Seasat,
Landsat21
1～0.3
5×10-2～
1×10-2 80年代
SPO T,
Landsat24
0.3～0.03
3×10-3～
3×10-5 90年代
ADEOS,
J ERS
0.3～0.02
1×10-3～
1×10-6新世纪
Hilios22,
IRS2P
0.1～0.001
1×10-4
以上
控制装置(计算机)和执行机构三大部分构成。研究姿态控制技术，实际上就是研究姿态精度控制技术，其中主要的研究项目是姿态测量敏感器的精度和姿态确定算法，因为这是决定测量系统精度的主要因素。姿态测量敏感器按其基准方位，可分为六大类:
a.以地球为基准方位，有地球敏感器(红外地平仪)等;
b.以天体为基准方位，有太阳敏感器，星敏感器等;
c.以惯性空间为基准方位，有陀螺仪等惯性器件;
d.以地面站为基准方位，有射频敏感器;
e.以地貌为基准方位，有陆标敏感器等;
f.以地球磁场为基准方位，有磁强计等。
这些姿态测量敏感器各有所长，表2概括了它们各自的优缺点。
依据姿态测量敏感器在卫星姿态测量系统中的作用，其精度一般应比控制系统的精度高0.5～1个数量
级[4]。此外，还应考虑敏感器的视场，它对控制系统的功能也有直接影响。
在众多姿态测量敏感器中，只有惯性敏感器不但能得到姿态参数，而且还能输出姿
05 奋进的旋律评价
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敢上九天揽月
AEROSPACE SHAN GHAI2000年第6期
表2 主要姿态敏感器的性能比较
类 型优 点缺 点
圆锥扫描式地球敏感器 适用于近地轨道；信号强；轮廓清晰；分析
方便
一般需要扫描机构；需要防止太阳干扰；受外部因素
影响大
太阳敏感器 信号源强；轮廓清晰；功耗低；质量轻 有阴影区
星敏感器 精度约0.003°；不受轨道影响
信号弱；结构复杂，成本高；要防止太阳干扰；星识别复杂；确定初始姿态，需要第二姿态确定系统
磁强计 成本低，功耗低；对低轨道卫星灵敏度高
分辨率大于0.5°；受轨道影响大；在星体内要进行磁清洁
惯性敏感器 自主性强；不受轨道影响；有限时间内精
度高；在星体内容易实现
易于漂移；有高速旋转部件，易磨损；功率大、质量
大。
态参数的变化率。此外，它的工作方式是自主的，完全不依赖外界条件。这有利于保证卫星在特殊情况下不失去姿态信息，对于军用卫星来说，还有利于提高其生存能力。为了不间断地获取姿态信息，
对地观测卫星通常将陀螺仪和光学敏感器(地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器)组合使用(见表3)，由陀螺仪提供短期姿态信息，由光学敏感器提供校准信号来修正陀螺的漂移。这是因为陀螺具有低通滤波和抗干扰特性，可与太阳敏感器或红外地平仪等光学敏感器组成测量系统来测量姿态角。
表3 典型姿态测量系统组合方式
组合方式卫 星
陀螺、红外地平仪、磁强计
组合
Seasat,MOS21
陀螺、红外地平仪、太阳敏感器组合
ADEOS,SPO T21,2,3, J ERS,NOAA、DMSP,Block2 5D
陀螺、星敏感器组合 SPO T24,Landsat2D.G, Heao21,2,3,Magsat
不用陀螺，仅用光学敏感
器的组合：红外地平仪、太阳
敏感器、磁强计组合
Radarsat21
从表3可以看出，目前国外用在近地轨道对地观测卫星上的姿态测量敏感器无外乎星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器、惯性敏感器(惯性基准单元IRU)、三轴磁强计等。这些敏感器由于受到各自误差源的限制，具有不同的精度范围。其精度一般在0.001°～0.3°之间[5](见表4)。
表4 各类姿态测量敏感器精度范围
名 称精度范围
术尔泰
星敏感器3″～0.5″
太阳敏感器(1δ)0.15°～0.01°
红外地平仪0.1°～0.03°
三轴磁强计0.3°
惯性基准单元(1δ)
陀螺的随机漂移范围:
(0.0005～0.01)(°)/h
用在对地观测卫星姿态控制系统中的惯性敏感器主要是陀螺仪，它被用来测量卫星相对于惯性空间的角速度。研究惯性敏感器的性能，实际上就是研究陀螺组合件和电子线路的综合性能。对于陀螺组合件性能的要求，在一定程度上取决于姿态测量系统的其余部件(例如，滚动/俯仰和偏航敏感器的精度决定了满足一定指向精度的精度要求所能容许的陀螺随机漂移大小)。此外，陀螺的电子线路也将影响最终性能指标。现在一般用在对地观测卫星姿态控制系统中的陀螺有磁浮陀螺(“钻石21”)、动调陀螺(Landsat24和Landsat25、ADEOS21、SPO T24、IRS系列等卫星)、激光陀螺，以及这类陀螺的组合。后两者由于性能可靠、测量范围宽、误差稳定，所
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2000年第6期施少范：国外对地观测卫星高精度姿态控制系统研究
以能够满足研制长寿命姿态控制系统的需
要。
截止1998年底，为对地观测卫星而研制的高精度、长寿命惯性基准单元有：美国和法国各自研制的六陀螺成正十二面体配置的惯性测量单元(已用于HEAO 2B 、SPO T 21/2/3和ERS 21/2卫星)[6]；美国的标准冗余惯性基准系统DIRIRU Ⅱ(已用于Landsat 24/5、Topex/Poseidon 和J ERS 卫星)等[7～9]。相比较而言，六陀螺成正十二面体配置的惯性测量单元的可靠度高，它在单个单自由度陀螺的平均寿命为50000h 的情况下，系统可靠度可达到0.9739[6]。
3 控制系统
目前，在对地观测卫星上常用的执行机构有以喷气为主和以飞轮为主两种。喷气执行机构具有设计简单、可产生较大控制力矩等优点，但由于要消耗星上的燃料而不适于长寿命运行的卫星。采用这类执行机构的航天器有美国的“”飞船以及国外早期的一些返回式遥感卫星。以飞轮为主的执行机构通常又以喷气力矩等为辅助手段。这类系统适用于指向精度较高的长寿命卫星(如“陆地卫星26”、SPO T 24、ADEOS 等)。 在采用飞轮为主的执行机构方案时，有两种控制方式可供选用，即偏置动量轮控制
方式与零动量控制方式。下面将着重讨论国外对地观测卫星普遍采用的零动量三轴姿态控制方式。
总统千金欧游记零动量三轴姿态控制属于主动姿态控制范畴。主动姿态控制的优点是控制精度较高，灵活性较强，快速性好，不足之处是要消耗星上能源，控制电路较复杂，成本较高。零动量三轴姿态控制方式至少要用三个飞轮。一般说来，零动量轮(又称反作用轮)比偏置动量轮小，速度低。而且零动量三轴姿态控制方式与单框架、双框架控制力矩陀螺比较起来，又具有简单、可靠的优点。在采用高精度姿态敏感器和高性能反作用轮后，控制系统的精度还会进一步提高。所以，国外在高精度控制的应用场合，首先考虑采用零动量三轴姿态控制方式(表5)。由表5不难得出结论，零动量控制方式所达到的姿态稳定度，大约要比偏置动量控制方式高一个数量级。 就零动量控制方式而言，又可以有多种不同的配置方案(表6)。一般说来，三个反作用飞轮的配置方案，存在着飞轮的过零问题。对此，一般的解决方法是增加反作用飞轮数(大多用四个)，将积累的全部角动量分配给各个飞轮，使每个飞轮都不出现过零。这样增加飞轮数还能构成冗余系统。其缺点是把本来具备的可反转的能力消除了一半多。因此，就必须牺牲重量，携带大型飞轮。
表5 姿态控制方式及达到的精度范围
偏置动量控制方式
零动量控制方式姿态控制精度/(°)姿态稳定度/(°/s )
Seasat (1978)±0.3～0.75(3
δ)±0.5°
MOS 21(1987),MOS 220.6～1.0
0.02°～0.05°
Radarsat 21(1995)
优于0.1
ADEOS 21(1996)0.2
0.003
J ERS 21(1992)≤0.3
≤0.003
LANDSAT 24、50.01～0.05
10-4～10-6
SPO T 24(1998)
<0.15(三轴,3
δ)0.003IRS 21C
0.15～0.2
3×10-4
2
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上 海 航 天AEROSPACE SHAN GHAI
2000年第6期
帝国主义侵华表6 对地观测卫星常用的控制系统飞轮系统配置方案应用情况 四个反作用飞轮都斜装(正
交V型)
J ERS21,ADEOS 两个动量飞轮呈V形安装,
一个动量飞轮在偏航轴上
Seasat
两个动量飞轮呈V形安装 MOS21
三个反作用飞轮(正交安装) SPO T24,SPO T21
四个反作用飞轮(三个正交安装，一个斜装) IRS,Landsat2D,ERS2 1,2,Topex
4 结束语
从以上分析可知，国外为对地观测卫星而开发的多种姿态控制系统，都是在原有成熟系统的基础上稍加改进而来的，其主要目的是解决姿态确定与姿态控制问题。
在姿态确定方面，主要是根据卫星的各种姿态敏感器的不同组合方式。在姿态控制方面，几乎所有在轨工作的对地观测卫星都采用了飞轮为主，辅以喷气装置的控制方案。在这类控制系统中，国外大多倾向于采用零动量三轴控制方式，且趋向于采用四个飞轮(三个正交配置，一个斜装)的配备方案。其
好处是不仅避免了飞轮的过零问题，而且还使系统具备了冗余功能，使得延长系统的工作寿命成为可能。
国外的情况为我们形成自己的发展思路提供了借鉴。我们应该实行两条腿走路的方针，一方面要研究开发高精度的姿态敏感器；另一方面要在软技术(如误差模型、地磁场模型、星历表、容错软件和补偿技术等)上下功夫。只有这样，我国的卫星控制水平才能上一个新台阶。
参考文献
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for the TOPEX/POSEIDON mission and beyond
[R].AAS902013.
下期内容预告
・天基综合信息网络构想
・某地空导弹中继级维修系统设计
・大型火箭发动机喷管内流场数值仿真
・地球静止轨道空间碎片的处置
・多项式逼近应用于介质柱宽角RCS的快速计算・基于卫星质保体系神经网络模型35
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