哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件.pptVIP

人造航天器同自然天体一样，其运动总是遵守力学定律的，但航天器还可通过主动控制改变其运动规律。根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，利用发动机推力或环境力（如空气动力、太阳光压力）对航天器的质心施以控制力，主动地改变其飞行轨迹称为轨道控制。

l控制系统硬件组成航天器控制系统需完成三个最基本的过程：敏感测量、信号处理和执行过程。因此由敏感器、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。

l轨道控制的实现过程与速度增量计算卫星从一个轨道转移到另一个轨道，通常是利用假定在瞬时之间作用的速度增量完成的；也就是说，可以用单个或几个推力冲量来调整或改变轨道。

（1）由敏感器测量获得航天器的位置及速度矢量；（2）根据飞行目标轨道及速度矢量，设计变轨位置（（3）计算实现这一速度增量需要的变轨发动机的控制（4）在设计的变轨位置，利用执行机构驱动变轨发动可见速度增量计算是轨道控制设计中的重点。

图6.1相交轨道的轨道转移

轨道与轨道在同一平面内相交，为了使卫星从轨道转移到轨道，需要在两轨道的交点处加一个速度增量，并满足关系式，其中与分别是轨道与轨道在处所对应的卫星速度。

要完成两个不相交轨道间的转移，通常需要有两个速度增量；如图6.2所示，卫星利用速度增量通过中间轨道完成轨道到轨道的转移。和前面一样，速度增量必须具有这样的大小和方向，使得合成的速度矢量对应于新轨道在给定点的应有值。图6.2不相交轨道的轨道转移

和新旧两轨道相切的转移轨道如图6.3所示，这里所加的速度增量与卫星的速度矢量平行，这种类型的转移往往代表一种燃料消耗量较小的轨道转移。

（3）非共面相交轨道的速度增量及控制误差计算设控前轨道的两个拱点矢径为和，拟在拱点处变轨，欲使控后轨道的另一拱点矢径变为，

（6.1）其中和分别为控前轨道和目标轨道在变轨点速度：式中，为地球引力常数

变轨姿态应使推力矢量在当地水平面内，与目标轨道平面的夹角为（6.4）若只考虑速度增量误差(由发动机冲量误差和卫星质量误差引起)、速度增量矢量在水平面内方向误差(由姿态误差和发动机推力偏斜引起)和控前速度误差(测轨误差)，则控制后的速度误差为：（6.5）

一般，与速度增量成比例，随着减小，也成比例减小，因而，也减小，且最终取决于测轨精度。使用可重复启动的变轨发动机(例如液体双组元发动机)，可将轨道机动分数次完成，最后一次速度

根据控制程序、目标轨道和控制轨道实测值，可算出所需要的速度增量矢量和理论控制时刻。以人造地球卫星的轨道机动为例。为了节省燃料，轨道机动一般在轨道拱点（即近地点或远地点）进行，且速度增量矢量沿着轨道切向，此时，控制点是控制轨道的拱点，也是目标轨道的拱点。

如使用喷气发动机进行轨道控制，可根据所需要的速度增量及有关发动机特性参数计算发动机控制参数。

式中——卫星控制前总质量；——发动机平均喷射速度；——平均推力。

若发动机脉冲工作（如自旋卫星情况），则工作的整数部分，式中为有效脉冲宽度；可按连续推力时间确定。

航天器为了从初始轨道转移到终止轨道而进行的可控制运动称为轨道转移机动或简称轨道转移。本节讨论共面圆轨道之间的转移。在两冲量的情况下，霍曼（Hohman）转移为最佳转移；然而在三冲量的情况下，可找到更省能量的双椭圆转移轨道，但双椭圆转移更省能量是有条件的（终止轨道与初始轨道的半径比大于11.939）。

关于最佳轨道转移问题涉及面较广泛，因此，这里只讨论一下经典的霍曼转移。这个问题通常表述如下：给定的是一个沿半径为的圆形轨道运行的卫星；要确定以最小的燃料消耗量把卫星从轨道转移到半径为的圆形轨道所需要的速度增量。

霍曼转移对向外轨道转移和向内轨道转移都适用。因此，不失一般性，先讨论向外轨道转移问题，如

对于向外转移，沿切线方向提供第一个冲量，以便使初始圆周速度增加，这样就可以使卫星进入近地点恰好等于轨道A半径的椭圆转移轨道。然后在转移轨道远地点提供第二个切向冲量，使卫星进入目标轨道，完成整个转移。

其中为角动量的模，表达式如下

对于图示的切线方向速度与矢径带入二体系统轨道方程3.33，可得即圆轨道1上a点的飞行速度为：

在a点，真近角（偏心率和矢径的夹角）为0度，带入轨道方程，有

可得到转移轨道2在点的飞行速度为：

代入式得在点上，从圆轨道1，转移到转移轨道2所需要的速

）可得

所以在点上，从转移轨道2转移到目标轨道3所需

克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保持不变的控制,称为轨道保持。

l近地圆轨道的保持近地圆轨道常用于对地遥感观测的应用任务，根据遥感应用的类型和星载遥感仪