航天器軌道控制

航天器軌道控制

spacecraft orbit control

對航天器的質心施加外力，以改變其運動軌跡的技術。實現航天器軌道控制的裝置的組合稱為航天器軌道控制系統。

執行特定飛行使命的航天器需按特定的軌跡運動，為滿足這個要求常需對軌道進行控制。這種控制包括利用航天器的推進系統產生的反作用推力的主動控制及利用客觀存在的外力（如地球引力、氣動力、太陽輻射壓力及其他行星的引力等）的被動控制。軌道控制的各種應用可以歸併為兩大類：一類是軌道轉移，它涉及較大的軌道變化，例如在發射靜止衞星時由停泊軌道向大橢圓的過渡軌道轉移；另一類是軌道調整或軌道保持，它主要是為了消除軌道較小的偏差，例如通信、廣播及中繼衞星的位置保持，對地觀測衞星的軌道及地面星下點軌跡位置的保持，以及衞星網各衞星之間相對位置的保持。

航天器軌道控制系統可以採用較長時間連續工作的推進器，例如為行星際飛行的航天器提供變軌動力的小推力離子推進器。但是經常採用的是脈衝工作狀態的化學推進器。在人造衞星的機動變軌和行星際航天器的中途軌道修正中，經常採用固體火箭或液體火箭作為推進器。

對航天器的質心施以外力，以改變其運動軌跡的技術。實現航天器軌道控制的裝置的組合稱為航天器軌道控制系統。無攝動航天器的質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心運動的速度向量，以滿足航天任務對軌道的要求。控制航天器的速度一般使用下列控制力：反作用推力、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動機的點火段，變軌發動機熄火後是自由飛行段。航天器在脱離運載火箭後便進入自由飛行段。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控制是兩個關鍵問題。

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）。導引的作用是根據航天器現有位置和速度、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飛行的規律(即導引律)。控制的作用是把航天器的本體座標系穩定在所要求的基準座標系附近。根據導引律，利用控制力改變航天器運動速度的大小和方向，使它沿着要求的新軌道飛行。在控制過程中，控制系統須克服推力線偏離航天器質心所產生的干擾力矩，把推力方向穩定在要求值上。因此這個系統也稱為穩定系統。在自由飛行段，軌道控制主要用於導航，同時準備為下一個主動飛行段調整姿態。

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。慣性制導僅適用於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合的方法，或者慣性制導與天文制導相結合的方法。

這種控制的作用是在某一點或某一區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移到另一個自由飛行段的軌道。變軌前後的兩個軌道可以在同一平面內也可以在不同平面內。這種控制經常用於初始軌道的校正、地球同步衞星的軌道轉移、地球靜止衞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入返回地球或向行星着陸的軌道等。

作用是使衞星軌道的一個或者幾個要素（見軌道要素）保持不變。人造地球衞星的軌道保持主要有下列幾種形式：地球靜止衞星的位置保持、對地觀測衞星的軌道保持、具有軌道擾動補償器的自主軌道保持和相對於其他衞星的位置保持等。地球靜止衞星位置保持的作用在於使衞星相對於地球的位置保持不變。這就要求軌道週期與地球自轉週期相等，偏心率和傾角都接近於零。通信衞星、廣播衞星和中繼衞星都要求有較高的位置保持精度，使相鄰衞星發送和接收電波不產生相互干擾，並便於地面接收站天線的跟蹤。

對地觀測衞星一般選用太陽同步軌道。因此軌道控制的任務就是使衞星軌道平面與衞星和太陽連線的夾角保持不變。這種衞星有時還要求在迴歸軌道上運行，使衞星每過一定的整數天飛經同一地點一次，因而需要控制軌道的傾角和週期。

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的影響。具有這種系統的衞星稱為無阻力衞星，用於導航和測地任務可以提高測軌和軌道預報的精度。

相對於其他衞星的位置保持用於組網或組成星座的多顆衞星，如“導航星”全球定位系統。為了使地面用户能同時看到幾顆衞星，衞星之間要保持一定的相對位置。因此每顆衞星要有控制軌道週期和傾角的能力。

見交會和對接。

見航天器返回技術。

航天器軌道控制系統需要進行大量的測量和計算工作。

航天器的運動參數依賴地面設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由航天器上的設備和地面設備組成，有時稱為大回路測控系統。地面設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確定，並按導引律要求的制導方式發出控制指令，經上行遙控發射裝置指令航天器執行。

航天器的運動參數完全由航天器上的儀器來確定而不依賴地面設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由測量部分、數據處理部分和執行部件組成。測量部分一般由慣性導航系統和光學敏感器組成。根據不同的任務和飛行區域，可以採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（見恆星敏感器）、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（加速度、速度和角速度等）。光學敏感器同時可用於測量航天器的姿態。數據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行部件(如推進器)通過相應的接口裝置連接起來。在計算機的內存貯器中事前注入各階段計算任務所需要的程序（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後，就發出調整姿態和控制執行機構動作的信號。

可以採用較長時間連續工作的推進器，例如為行星際航天器提供變軌動力的低推力離子推進器。但是經常採用的是脈衝工作狀態的化學推進器。在人造地球衞星的機動變軌和行星際航天器的中途軌道修正中，常常採用固體火箭或液體火箭作為推進器。變軌發動機一般是按本體軸方向固定安裝的，通過調整姿態來改變速度增量的方向。為了保持推力的方向，可以採用自旋穩定或三軸姿態穩定方式運行。在載人飛船中還設有一套人-機對話裝置,如為航天員提供有關導航和控制信息的顯示設備，航天員向航天器計算機輸入信息的設備，以及操縱桿和控制手柄等。對於載人航天器，在各飛行階段中可以採取手動控制與自動控制的不同程度的組合。

隨着各種應用衞星的發展，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衞星，就必須進一步提高位置保持的精度。提高應用衞星軌道控制的自主性是現代技術發展的另一個動向，這是因為提高自主性可以減少地面測控站的負擔，對於軍用衞星還能提高保密性和抗干擾能力。對星際航行來説，為了縮短變軌控制的響應時間，自主導航和控制更有必要。