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发信人: MiniSat (想你的三百六十六天), 信区: Aero
标题: 全球星低轨道星座及其姿态与轨道控制系统
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月08日13:21:28 星期五), 站内信件

全球星低轨道星座及其姿态与轨道控制系统
林来兴
一直被人们所关注的在低轨道采用小卫星组成星座以实现全球移动通信的全球星系统计
划，最近有了很大的进展。根据今年召开的第１５届国际通信卫星会议和第１３届国际
自动化会议最新公布的资料，全球星系统的５６颗小卫星将在１９９８年底以前全部完
成发射任务，１９９９年初投入正式工作。本文将着重介绍全球星的星座设计和卫星姿
态与轨道控制技术。
一、全球星星座和卫星结构
全球星的轨道高度为１４１４公里，倾角５２度。该系统星座总共有４８颗工作卫星，
分布在８个轨道平面，每个轨道平面有６颗卫星，均匀间隔，即在同轨平面内相互间隔
６０度。８个轨道平面升交点赤经相互间隔４５度。当最低仰角为１５度时，刚好可以
覆盖全球。若仰角上升到３０度时，覆盖全球近７０％。全球星星座见图１。
全球星系统还配有８颗备份星，布置在９００公里轨道高度。备份星布置在较低轨道高
度，可避免对工作星的干扰，同时也便于操作。一旦工作星发生故障，备份星立即变轨
上升到工作星轨道高度以代替故障星。
全球星卫星重４５０公斤，设计寿命７.５年。卫星星体为六面体箱形结构（见图２）
，沿星体俯仰轴（Ｙ）两侧各装有一翼太阳能电池帆板，每翼各由４块可折叠电池基板
组成,总发电功率为１０００瓦。全球星系统除了提供话音、数据和传真等卫星移动业务
外，还有导航定位功能，定位精度为２７５～３００米。
全球星卫星由劳拉空间系统公司为总承包商，卫星姿态和轨道控制分系统由奔驰航公司
为子承包商。
二、姿态和轨道控制系统
全球星系统的卫星姿态和轨道控制系统，除了敏感器和执行机构以外，主要由高度冗余
数字计算机组成。星上计算机由１７５０Ａ　ＣＰＵ(中央处理单元)、６４Ｋ　ＲＡＭ
（随机存储器）和１２８Ｋ　ＰＲＯＭ（可编程只读存储器）标准件组成半台计算机。
整星总共有８个半台这样的计算机，也就是说，相当于有４台双ＣＰＵ（１７５０Ａ）
星上计算机。它们承担着所有敏感器和执行机构的数据处理和接口，此外还有遥测和指
令系统的数据处理和接口。
　　姿态和轨道控制敏感器由下列部分组成：
　　（１）３套模拟式太阳敏感器：这３套太阳敏感器构成除了在±Ｙ轴有６度锥角以
外，几乎４π的立体角视场。每套太阳敏感器由６个单轴窄缝敏感器组成，３个工作，
３个冗余。每套太阳敏感器在ＸＺ平面覆盖±６４度视场，垂直平面覆盖（Ｙ轴）±
８４度视场。
　　（２）一套红外地球敏感器：这套地球敏感器由３个模拟式静态红外头部组成，它
们围绕垂直线安装，彼此相隔１２０度，而且每个地平仪都瞄准地球的地平线。在这３
个敏感器中只要有两个工作，就可提供俯仰和滚动姿态信息;另外一个为冗余。
　　（３）一个三轴磁通门磁强计：这个磁强计安装在星体朝天方向的一根短杆上（如
图２所示）。它可提供星体两轴姿态速率，然后根据时间和轨道位置，经数据处理后可
提供两轴姿态信息。
　　（４）一台双全球定位系统(ＧＰＳ)张量接收机：这台ＧＰＳ接收机的信息可补充
作为确定轨道和姿态的信息。ＧＰＳ接收机有４根天线安装在背向地球方向的星体上。
姿态确定是通过引入卫星信号相位差方法来实现的。由于天线背向地球方向，为此只有
在卫星姿态指向地心的稳定状态下，ＧＰＳ姿态确定才能实现。目前在姿态捕获阶段尚
未采用ＧＰＳ定姿，同时应用ＧＰＳ定姿的有关空间试验也比较少，所以现在只能作为
姿态测量的备份。
　　卫星姿态和轨道控制系统执行机构由下列部分组成：
　　（１）５个单元肼推力器，推力为１牛；
　　（２）４个动量飞轮，每个飞轮角动量为６牛·米·秒；
　　（３）２根磁力棒，每根磁矩为８０安·米２。
三、卫星控制系统和太阳能电池帆板定向控制
全球星系统的卫星控制系统包括姿态稳定和星座轨道校正。图３表示其姿态和轨道控制
系统原理图。卫星姿态控制共有三个控制模式：
　　（１）故障安全模式:保证在姿态控制故障时，太阳能电池帆板指向太阳，保证电源
供应；
　　（２）姿态捕获模式:首先捕获太阳，然后捕获地球；
　　（３）正常模式。
　　正常模式，由４个动量轮以四面体斜装方式实现零动量偏置或动量偏置（当没有偏
航姿态信息时）三轴姿态稳定。同时也可以实现偏航姿态有偏置的三轴稳定。后者是为
了保证单轴太阳能电池帆板定向控制，以满足在非太阳同步轨道的卫星长期满足满功耗
的电源需要。飞轮饱和由两根磁力矩棒提供卸载力矩。
　　星座轨道校正全部由单组元肼推力器承担。它包括下列４个项目：
　　（１）星座同轨平面的卫星位置校正:每６周时间对同轨平面卫星位置校正一次，位
置保持精度为±１度；
　　（２）卫星轨道倾角校正:在整个卫星设计寿命（７.５年）期间仅进行几次，大约
每１～２年进行一次；
　　（３）把备份星从９００公里轨道高度提升到工作轨道高度（１４１４公里）；
　　（４）把寿命已结束的卫星推离工作轨道，推到１５００公里以上的轨道。
太阳能电池帆板定向控制系统采用单轴（绕星体Y轴）太阳定向控制，围绕该轴太阳能电
池帆板可旋转３６０度。由于全球星在非太阳同步轨道上工作，帆板指向太阳，保证满
负载提供电源功率，就必须实现两轴控制。为此它采用偏航姿态可以连续设置各种偏置
，从而满足上述太阳能电池帆板两轴定向控制的要求。
四、结束语
　　在低轨道上采用小卫星组成星座，实现全球覆盖，这已不仅是一个设想或一项计划
，而是在不久的将来就要在工程上实现的事实了。这可以从４８颗全球星系统和６６颗
铱星系统看到。由８４０颗卫星组成特里德西克系统也已不是天方夜谭，它将在２００
２年左右组成星座，正式投入工作。由此可见，现代小卫星发展速度可能比人们预计的
还要快。
　　采用小卫星组成星座，过去人们担心卫星颗数多，投资大。实践证明，卫星颗数多
，若采用现代小卫星这种新设计思想和批量卫星制造生产线，单颗卫星成本将会大幅度
下降。以全球星控制系统为例，每个控制部件需要至少几百个到几千个如太阳敏感器需
要１８００个，单组元肼推力器５００个，星上计算机１７５０Ａ　ＣＰＵ需要８００
台，静态红外地平仪３００个，飞轮４００个等(这里假设５６颗卫星的发射任务需生产
１００颗小卫星)。这么多数量的部件，当然可以实现批量流水线生产方式，从而实现成
本低、生产周期短、产品质量高的目的。

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