[发明专利]用于轨道偏航控制的动态偏置

说明书

本发明涉及卫星运动控制。更确切地说，涉及双取向轨道姿态控制，例如近地指向的卫星的按太阳定位。

当3轴传感器，例如1)提供俯仰和滚转信息的地平面式传感器以及2)测量偏航的利用太阳的传感器可得到信息时，卫星的姿态控制是使卫星笔直向前的。然而，在每次卫星绕地球运行发生日食期间，显然不能得到这种利用太阳的传感器数据。

使用用于姿态检测和姿态校正的动量检测器件由于很简单而成为非常有吸引力的思路。然而，由于其不够精确和费用很高，依赖用于姿态检测的检测动量的速度陀螺仪是不实际的。动量式传感器对漂移非常敏感。当要进行偏航控制的卫星上作用的转矩产生明显的变化时，这一点就更成为问题。

可以增加附加的传感器，但这仍不能保证得到连续的偏航信息。例如，可以利用磁强计来提供附加的偏航数据，但是当卫星轨道通过地球的较高纬度时，地磁极朝卫星倾斜，在这样的纬度下在产生日食期间卫星磁强计的数据太不精确，不能提供适当的姿态控制。

对在没有连续的偏航信息情况下运行同时提供连续可控的偏航运动的要求，是致力Global-Star^TM卫星通讯系统的研究设计人员面临的第一位的主要难题。

第二点是需要进行十分关键的复杂的姿态控制。卫星的通讯天线通常安装在距地球总是最近的卫星部分上。这被称为“近指向”姿态。必须始终维持这种姿态。

对于转播通讯卫星例如在Golbalstar卫星蜂房式电话系统中使用的卫星，姿态控制是十分关键的，因为它们也需要很高的功率。在这些卫星上的太阳能电源板的有效运行需要太阳的光线始终垂直于太阳能电源板的平面。因此，对于Globalstar卫星系统的发射，可靠、精确地控制卫星的姿态是十分重要的。

a.Whecon Stabilization(Whecon稳定)

动量偏置式姿态稳定系统在没有直接检测偏航的情况下已经成功地用于提供固定轨道的近地指向卫星的精确的稳定姿态。在AIAA Paper no.68-461，AIAA Ind Commumication Settlite system Conference(第二层通讯卫星系统会议)，San Francisco，1968，4，8-10由H.J.Dougherty，E.D.Scott和J.J.Rodden所著的文章“Whecon-姿态控制原理的分析和设计”中所介绍的“Whecon”系统是这种系统的一个实例。该Whecon偏置动量系统响应于来自地球水平面传感器的俯仰和滚转信号保证了3个轴向上的卫星的稳定。Whecon通过偏航与轨道俯仰速度的动态耦合控制残留的偏航误差。

该Whecon系统利用：1)与空间飞行器的俯仰轴线固定对准的动量轮，2)检测俯仰和滚转姿态误差的水平传感器，以及3)响应于这些误差动作的质量排出式装置，所有这一切都没有直接检测偏航。然而，动量轮的惯性将飞行器的偏航旋转限制到近于零的很小的摄动。这种姿态的稳定性使得Whecon系统不适应于由太阳能供电的卫星通讯系统，这种系统具有超前的轨道正像Global-star系统一样。此外，质量排出式系统利用非可补充的能源，限制了卫星的工作寿命。

利用用于姿态控制的动量而不利用质量排出式发动机由于它的简单性而成为有吸引力的想法。然而，这种系统还利用质量排出法来提供控制转矩。这种系统应用在一些美国和国际同步卫星，包括军事卫星，Intersat V以及加拿大通讯技术卫星。

b.Seasat Nadir-pointing Momentam Bias

(b.Seasat近地指向的动量偏置)

开发这种全动量轮型Whecon姿态稳定系统用于1978年上天的NASA-JAL，Seasat卫星。这种系统介绍在Journal ofGuidance and Control(导航与控制导报)Vol，nol(1978)的第6-13页上由R.Weiss，J.J.Rodden，R.W Hendricks和S.W.Beach所著的文章“Weasat-一种姿态控制系统”。姿态所需的轨道动量偏置，以及用于飞行器稳定，而不再采用质量排出法来产生偏置动量。

利用在卫星上的一对“搜索”轮来进行姿态检测。Seasat对于动量轮提供称为“去饱和”的磁补偿，以便抵消外部作用在飞行器上的包括地球重力场和磁场形成的转矩源产生的动量。

利用一对太阳方位传感器监测Seasat的对太阳的取向。然而，由于Seasat是按照与太阳同步的地球卫星设计的，这些太阳一传感器不适用于轨道姿态的控制。太阳一同步地球卫星相对于太阳具有固定的关系。这种飞行器不需要进行偏航控制。