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4.1.6 磁强计
磁强计是以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏 感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。 由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型 事先确定，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之 对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。
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模拟式太阳敏感器视场在几十度时，精度可达到0 . 5 ；
当视场很小，仅为1 ～2 时，精度可达到秒级。
模拟式太阳敏感器工作原理
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Hale Waihona Puke 作舟 专业分享，敬请收藏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
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4.1.5 加速度计 加速度计是用于测量航天器上加速度计安装点的绝对
加速度沿加速度计输入轴分量的惯性敏感器。虽然目前加 速度计没有广泛用于航天器的姿态稳定和控制，但它是航 天器导航系统中重要的器件。
加速度计的种类很多，有陀螺加速度计、摆式加速度 计、振动加速度计、石英加速度计等。
下面分别介绍这3种红外地平仪的基本工作原理。
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1．地平穿越式地平仪 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，形成地球波形。 然后通过放大和处理电路，把它转变成为前后沿脉冲。最 后通过计算电路，把前后沿脉冲与姿态基准信号进行比较， 得出姿态角信息，也就是滚动角或俯仰角。
CCD星敏感器被认为是最有发展前途的星敏感器，我 国目前也正在积极地发展这一技术。
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4.1.4 陀螺 陀螺是利用一个高速旋转的质量来敏感其自旋轴在
惯性空间定向的变化。
陀螺具有两大特性，即定轴性和进动性。
定轴性就是当陀螺不受外力矩作用时，陀螺旋转轴 相对于惯性空间保持方向不变；
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
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第四章 航天器姿态控制系统的组成与分类
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。
4.1.7 射频敏感器
射频敏感器确定航天器姿态的原理是基于对航天器 天线轴与无线电波瞄准线之间夹角的测量。目前大多采 用两种射频敏感器，即单脉冲比相(干涉仪式)和比辐式。
单脉冲比相干涉仪是由光的干涉原理引伸而来，至
少要采用两个接收天线，其间矩为d，称为基线长度，如
图4．14所示。当天线与地面距离比基线长度d大得多时，
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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。
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4.1 姿态敏感器
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。
进动性就是当陀螺受到外力矩作用时，陀螺旋转轴 将沿最短的途径趋向于外力矩矢量，进动角速度正比于 外力矩大小。
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1．二自由度陀螺
图4.11表示一个二自由度陀螺(含转子的一个自转自 由度)的几何结构。基于陀螺进动性，由图可知，若转子 被迫以某个角速度绕输入轴转动，则绕输出轴(框架)就 会出现一个力矩。同时在输出轴也装有一个平衡弹簧， 从而这个力矩使输出轴转动一个角度，这个输出角度正 比于这个力矩，也就是正比于输入轴的角速度。
角。由于恒星张角非常小( 测量精度很高。
0～.04 0.0)0，5 因此星敏感器的
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星敏感器分星图仪和星跟踪器两种类型，星跟踪器又可 分为框架式和固定式两种形式。
(1)星图仪：又称星扫描器。一般都是狭缝式，用 在自旋卫星上，利用星体的旋转来搜索和捕获目标恒星。
另外，这种地平仪的工作还会受到大气成分、温度 的不规则变化、日出日落的光照条件变化的影响。
虚边
拟界
现跟
实踪
演式
示地
平
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3．辐射热平衡式地平仪
辐射热平衡式地平仪具有多个视场，一般有等间隔对称 分布的4个(见图4．9(a))或8个视场 (见图4．9(b))。每个 视场分别接收来自地球不同部分的红外辐射，通过对每个视 场接收到的不同红外辐射能量进行分析而得出航天器姿态。
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。
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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。
磁敏感器根据工作原理不同可以分为感应式磁强计 和量子磁强计两种。
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目前应用较多的是感应式磁强计，它是建立在法拉 第磁感应定律的基础上的。感应式磁强计分为搜索线圈 式磁强计和磁通门磁强计两种类型。
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(2)框架式星跟踪器：是把敏感头装在可转动的框 架上，且通过旋转框架来搜索和捕获目标。
(3)固定式星跟踪器：这种跟踪器的敏感头相对航 天器固定，在一定的视场内具有搜索和跟踪能力，例如 采用析像管电子扫描和CCD器件成像。
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1．狭缝式星敏感器
这种星敏感器利用航天器自旋对天体进行扫描。当 星光通过光学系统到达并穿过位于焦平面上的狭缝码盘 时，星光就被检测敏感到。若信号超过设置的门限位， 电子装置便产生一个脉冲来表示星的出现。在焦平面码 盘上的狭缝如图4.10(b)所示，测量星光通过第一条狭缝 的时间和经过两个狭缝之间的时间然后结合星历表和航 天器的自旋速度，计算得出姿态信息。
有如下关系式： cos 2d
(4．2)
式中， 为两个天线接收电波的相位差，A为波长。由式
(4·2)可见， 是预先确定的，因此只要测出两个天线
2 d
接收信号的相位差

，便可确定方向角
。同样，如果
在一基线的垂直方向增加另一套相同的设备，就可以测
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
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2．数字式太阳敏感器
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，
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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.
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2．三自由度陀螺
图4．11所示的二自由度陀螺的陀螺旋转轴只有一个 框架支承。若将此框架视作内环，图中所标的“骨架(外 壳)”不与航天器固连，而形成一个框架，称为外环，那 么该陀螺的转轴就由两个框架支承，即为三自由度陀螺。 三自由度陀螺利用定轴性工作，用来测量姿态角，通常 也称它为位置陀螺。
图4．5所示为地平穿越式地球敏感器工作原理图。
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