[拼音]：hangtianqi guidao kongzhi

[外文]：spacecraft orbit control

對航天器的質(zhì)心施以外力，以改變其運動軌跡的技術(shù)。實現(xiàn)航天器軌道控制的裝置的組合稱為航天器軌道控制系統(tǒng)。無攝動航天器的質(zhì)心運動服從開普勒定律(見航天動力學）。但是航天器受入軌攝動影響（見航天器軌道攝動）和需要變軌或機動時，則必須控制航天器質(zhì)心運動的速度向量，以滿足航天任務(wù)對軌道的要求?？刂坪教炱鞯乃俣纫话闶褂孟铝锌刂屏Γ悍醋饔猛屏?、氣動力、太陽輻射壓力、電磁力和其他非重力場的力以及行星引力。

航天器的軌道一般由主動飛行段和自由飛行段組成。主動飛行段是航天器變軌發(fā)動機的點火段，變軌發(fā)動機熄火后是自由飛行段。航天器在脫離運載火箭后便進入自由飛行段。如果要改變它的軌道，就要插入主動飛行段。這個飛行段的時間程序和姿態(tài)控制是兩個關(guān)鍵問題。

功用

在主動飛行段，航天器軌道控制的功用是導航、導引和控制。導航的作用是確定軌道，即確定航天器的位置向量和速度向量（共 6個變量）。導引的作用是根據(jù)航天器現(xiàn)有位置和速度、航天器的飛行目標以及受控運動的限制條件，確定航天器在推力作用下繼續(xù)飛行的規(guī)律(即導引律)?？刂频淖饔檬前押教炱鞯谋倔w坐標系穩(wěn)定在所要求的基準坐標系附近。根據(jù)導引律，利用控制力改變航天器運動速度的大小和方向，使它沿著要求的新軌道飛行。在控制過程中，控制系統(tǒng)須克服推力線偏離航天器質(zhì)心所產(chǎn)生的干擾力矩，把推力方向穩(wěn)定在要求值上。因此這個系統(tǒng)也稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。在自由飛行段，軌道控制主要用于導航，同時準備為下一個主動飛行段調(diào)整姿態(tài)。

分類

軌道控制按軌道測量的方式分為慣性制導、慣性無線電制導和慣性天文制導三類。慣性制導僅適用于短時間飛行的軌道控制。因慣性測量部件漂移引起的積累誤差須由地面無線電設(shè)備對飛行器進行跟蹤測量和修正，或者由航天器上的星跟蹤器等光學儀器進行測量和修正，才能滿足長期運行對軌道控制的要求。這樣就形成了慣性制導與無線電制導相結(jié)合的方法，或者慣性制導與天文制導相結(jié)合的方法。

軌道控制按應(yīng)用方式分為4類。

變軌控制和軌道機動

這種控制的作用是在某一點或某一區(qū)間改變航天器的速度向量，使它從一個自由飛行段的軌道轉(zhuǎn)移到另一個自由飛行段的軌道。變軌前后的兩個軌道可以在同一平面內(nèi)也可以在不同平面內(nèi)。這種控制經(jīng)常用于初始軌道的校正、地球同步衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移、地球靜止衛(wèi)星的定點和站址變化，從地球到月球的飛行和行星際飛行的中途變軌和航向校正以及從運行軌道轉(zhuǎn)入返回地球或向行星著陸的軌道等。

軌道保持

作用是使衛(wèi)星軌道的一個或者幾個要素（見軌道要素）保持不變。人造地球衛(wèi)星的軌道保持主要有下列幾種形式：地球靜止衛(wèi)星的位置保持、對地觀測衛(wèi)星的軌道保持、具有軌道擾動補償器的自主軌道保持和相對于其他衛(wèi)星的位置保持等。地球靜止衛(wèi)星位置保持的作用在于使衛(wèi)星相對于地球的位置保持不變。這就要求軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等，偏心率和傾角都接近于零。通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星都要求有較高的位置保持精度，使相鄰衛(wèi)星發(fā)送和接收電波不產(chǎn)生相互干擾，并便于地面接收站天線的跟蹤。

對地觀測衛(wèi)星一般選用太陽同步軌道。因此軌道控制的任務(wù)就是使衛(wèi)星軌道平面與衛(wèi)星和太陽連線的夾角保持不變。這種衛(wèi)星有時還要求在回歸軌道上運行，使衛(wèi)星每過一定的整數(shù)天飛經(jīng)同一地點一次，因而需要控制軌道的傾角和周期。

具有軌道擾動補償器的自主軌道保持的目的是消除氣動力和太陽光壓等非重力場力對軌道參數(shù)的影響。具有這種系統(tǒng)的衛(wèi)星稱為無阻力衛(wèi)星，用于導航和測地任務(wù)可以提高測軌和軌道預報的精度。

相對于其他衛(wèi)星的位置保持用于組網(wǎng)或組成星座的多顆衛(wèi)星，如“導航星”全球定位系統(tǒng)。為了使地面用戶能同時看到幾顆衛(wèi)星，衛(wèi)星之間要保持一定的相對位置。因此每顆衛(wèi)星要有控制軌道周期和傾角的能力。

交會和對接

見交會和對接。

再入和著陸控制

見航天器返回技術(shù)。

組成和原理

航天器軌道控制系統(tǒng)需要進行大量的測量和計算工作。

非自主導航

航天器的運動參數(shù)依賴地面設(shè)備而獲得的導航方法稱為非自主導航。非自主導航的軌道控制系統(tǒng)由航天器上的設(shè)備和地面設(shè)備組成，有時稱為大回路測控系統(tǒng)。地面設(shè)備包括對航天器進行跟蹤測軌的無線電裝置如雷達等，以及接收航天器姿態(tài)信息的下行遙測接收裝置。地面計算機進行軌道確定和姿態(tài)確定，并按導引律要求的制導方式發(fā)出控制指令，經(jīng)上行遙控發(fā)射裝置指令航天器執(zhí)行。

自主導航

航天器的運動參數(shù)完全由航天器上的儀器來確定而不依賴地面設(shè)備的導航方法稱為自主導航。一個具有相當自主性的軌道控制系統(tǒng)由測量部分、數(shù)據(jù)處理部分和執(zhí)行部件組成。測量部分一般由慣性導航系統(tǒng)和光學敏感器組成。根據(jù)不同的任務(wù)和飛行區(qū)域，可以采用的光學敏感器有太陽敏感器、紅外地球敏感器(見地球敏感器）、星跟蹤器（見恒星敏感器）、空間六分儀和陸標跟蹤器等。主動控制前的初始軌道可以單純用光學方法來測定。但是在控制過程中必須由一種或幾種敏感器來測量航天器的運動參數(shù)（加速度、速度和角速度等）。光學敏感器同時可用于測量航天器的姿態(tài)。數(shù)據(jù)處理部分主要是航天器計算機，由它完成導航、導引和控制所需要的計算。計算機與測量部件和執(zhí)行部件(如推進器)通過相應(yīng)的接口裝置連接起來。在計算機的內(nèi)存貯器中事前注入各階段計算任務(wù)所需要的程序（軟件），以及目標位置或速度向量和導引律。在計算機完成全部信息處理工作以后，就發(fā)出調(diào)整姿態(tài)和控制執(zhí)行機構(gòu)動作的信號。

航天器軌道控制系統(tǒng)可以采用較長時間連續(xù)工作的推進器，例如為行星際航天器提供變軌動力的低推力離子推進器。但是經(jīng)常采用的是脈沖工作狀態(tài)的化學推進器。在人造地球衛(wèi)星的機動變軌和行星際航天器的中途軌道修正中，常常采用固體火箭或液體火箭作為推進器。變軌發(fā)動機一般是按本體軸方向固定安裝的，通過調(diào)整姿態(tài)來改變速度增量的方向。為了保持推力的方向，可以采用自旋穩(wěn)定或三軸姿態(tài)穩(wěn)定方式運行。在載人飛船中還設(shè)有一套人-機對話裝置，如為航天員提供有關(guān)導航和控制信息的顯示設(shè)備，航天員向航天器計算機輸入信息的設(shè)備，以及操縱桿和控制手柄等。對于載人航天器，在各飛行階段中可以采取手動控制與自動控制的不同程度的組合。

發(fā)展趨勢

隨著各種應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)展，對軌道控制的精度要求日趨嚴格。例如為了能在地球靜止軌道上放置更多一些衛(wèi)星，就必須進一步提高位置保持的精度。提高應(yīng)用衛(wèi)星軌道控制的自主性是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的另一個動向，這是因為提高自主性可以減少地面測控站的負擔，對于軍用衛(wèi)星還能提高保密性和抗干擾能力。對星際航行來說，為了縮短變軌控制的響應(yīng)時間，自主導航和控制更有必要。

參考書目

1. 卡普蘭著，凌福根譯：《空間飛行器動力學和控制》，科學出版社，北京，1980。( M. H. Kaplan， Modern Spacecraft Dynamics and Control，John Wiley & Sons，New York，1976.)

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標簽：航天器軌道控制

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文章名稱：《航天器軌道控制》

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