2015航天器控制原理教案：航天器姿态控制系统的组成和分类.docVIP

航天器控制原理（ppt课件）：4 第四章航天器姿态控制系统的组成与分类4.1姿态敏感器4.2执行机构4.3控制器 — 星载控制计算机4.4姿态控制系统的任务与分类航天器控制分为轨道控制与姿态控制两方面, 而航天器控制系统在原理上和其他工程控制系统基本上是一样的, 完成三个最基本的过程,敏感测量, 信号处理和执行过程 。 其结构如图 4.1所示, 仍然是由 敏感器, 控制器和执行机构 三大部分组成 。 敏感器用以测量某些绝对的或相对的物理量, 执行机构起控制作用, 驱动动力装置产生控制信号所要求的运动, 控制器则担负起信号处理的任务 。 人们把这三部分统称为 控制硬件, 而把完成测量和控制任务所需的算法称为 软件 。第四章航天器姿态控制系统的组成与分类姿态就是航天器在空间的方位, 而姿态敏感器用来测量航天器本体坐标系相对于某个基准坐标系的相对角位置和角速度, 以确定航天器的姿态 。 要完全确定一个航天器的姿态, 需要 3个轴的角度信息 。 由于从一个方位基准最多只能得到两个轴的角度信息, 为此要确定航天器的三轴姿态至少要有两个方位基准 。4.1 姿态敏感器美国哈勃太空望远镜姿态敏感器按不同的基准方位, 可分为下列 5类 。(1)以地球为基准方位：红外地平仪, 地球反照敏感器；(2)以天体为基准方位：太阳敏感器, 星敏感器；(3)以惯性空间为基准方位：陀螺, 加速度计；(4)以地面站为基准方位：射频敏感器；(5)其他：例如磁强计 (以地磁场为基准方位 )，陆标敏感器 (以地貌为基准方位 )。敏感器由测量变换器和信号处理线路两部分组成,姿态敏感器按不同方式的测量变换器可分为下列 4种 。(1)光学敏感器：太阳敏感器, 红外地平仪, 星敏感器, 地球反照敏感器等；(2)惯性敏感器：陀螺, 加速度计；(3)无线电敏感器：射频敏感器；(4)其他：磁强计 。下面介绍最常用的 7种姿态敏感器：太阳敏感器, 红外地平仪, 星敏感器, 陀螺, 加速度计, 磁强计和射频敏感器 。4.1.1 太阳敏感器太阳敏感器是通过对太阳辐射的敏感来测量太阳视线与航天器某一体轴之间夹角的敏感器 。太阳敏感器之所以有这样广泛的通用性是因为,1.在大多数应用场合, 可以把太阳近似看作是点光源, 因此就可简化敏感器的设计和姿态确定的算法；2.太阳光源很强, 从而使敏感器结构简单, 其功率要求也很小；3.太阳敏感器的视场很大, 可以从几分 × 几分到128。 × 128。, 而分辨率可以从几度到几角秒 。太阳敏感器具有 3种基本类型：模拟式, 数字式和太阳指示器 。 经常使用的为模拟式和数字式两种 。1．模拟式太阳敏感器模拟式太阳敏感器的输出信号为模拟量, 其大小和符号是太阳光入射角的连续函数 。 模拟式太阳敏感器通常又叫做 余弦检测器, 这是因为硅太阳电池输出电流与太阳光入射角成正弦规律变化 。模拟式太阳敏感器工作原理模拟式太阳敏感器视场在几十度时，精度可达到 ；当视场很小，仅为 ～ 时，精度可达到秒级。0.5o1o 2o单轴模拟式太阳敏感器,只能测量航天器相对于太阳光线的一个姿态角两轴模拟式太阳敏感器,同时获得航天器相对于太阳光线的两个姿态角图 4.3 两轴模拟式太阳敏感器数字式太阳敏感器的输出信号是与太阳入射角相关的以编码形式出现的离散函数 。 在结构上, 它主要由狭缝, 码盘, 光敏元件阵列, 放大器和缓冲寄存器组成,光敏元件阵列是由一排相互平行且独立的光电池条组成, 其数量决定了太阳敏感器输出编码的位数, 从而在一定程度上影响到敏感器的分辨率 。2．数字式太阳敏感器3,其他太阳敏感器太阳指示器也称为太阳出现探测器 。 当太阳出现在敏感器视场内, 并且信号超过门限值时, 表示见到了太阳, 输出为 1；当信号低于门限值时,输出为 O,表示没见到太阳 。这种敏感器一般用来作保护器,例如保护红外地平仪免受太阳光的影响 。4.1.2 红外地平仪红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，简称地平仪。目前红外地平仪主要有 3种形式,地平穿越式, 边界跟踪式 和 辐射热平衡式 。其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地平仪的工作视场较小，只能适用于小范围的姿态测量，但精度较高,下面分别介绍这 3种红外地平仪的基本工作原理。地平穿越式地平仪的视场相对于地球作扫描运动 。 当视场穿越地平线时, 也就是说扫到地球和空间交界时, 地平仪接收到的红外辐射能量发生跃变, 经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转变成电信号