【航天甲子年50讲】 33 让卫星自律的控制系统

文：晟宇（视频讲解）

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前言

一如往常，每次开始一次分享之前，我们都要谈谈本次主题的必要问题。对于卫星（航天器）的控制系统来说，一开始我们也要抛出这个问题，为什么航天器需要进行控制。

pourquoi？

当然了，航天器之所以有控制系统并不是它的控制欲强，而是因为它想折腾。

其实折腾也是没办法的事情，本来航天这个事情就是个大折腾。控制系统的目的就是为了使得折腾的过程是靠近而不是偏离我们做这件事情的目标。

就好像我们想要成功想，甚至想要要获得自由，就需要让自己自律，自律也就是对自己状态和过程的控制，让自己不断地走在对的路上。

所以控制系统也可以说是航天器的“”自律“”系统了，呵呵。

闲话说够，具体我来总结一下航天器控制系统干的事情。可以使用四个关键词来概括一下。

第一点，改变。例如我们如果要进入地球同步轨道需要通过转移轨道经过一些列轨道机动来获得最后进入预定轨道位置的结果。

所以卫星就面临着一个时间段内不断地进行改变轨道的过程，要想进入预定的轨就需要在过程中的每一步都走对，也就是轨道机动的时机，轨道机动的具体机动量都要非常准确滴实施才会有理想的结果。所以控制首先是控制的是改变。

第二点，保持。我们的卫星进入到预定的同步轨道轨位后，就需要对这个位置进行保持。我们在轨道摄动那一次分享里面说过，同步轨道的卫星受到摄动会产生东西漂移。

所以需要采取不断地调整来使得卫星保持在一个限定的位置范围内。要通过控制系统来在不同的时间点上进行轨道维持的机动。可以看到，如同最近一句流行语说的一样，要不断地奔跑才能留在原地。保持的这个结果也需要依靠航天器的控制系统。

前面两点说的是轨道的层面，后面两点和前面两点有些类似，不过是体现在姿态的方面。

第三点，稳定。我们知道如果拍照的时候我们的手抖了，就会把照片拍糊了。所以现在的相机都有了防抖的功能。对于一些卫星，尤其是高分辨率的成像卫星，他们需要对地面进行非常高分辨率的成像。

这就意味着如果在卫星拍照的时间里，卫星发射了非常小的抖动都会影响到最终的成像质量，所卫星需要维持一个稳定的状态，来满足诸如成像这样的姿态要求。

第四点，灵活。也可以叫敏捷了，这个词大概玩家会更有感觉。随着姿态控制技术的发展，卫星可以做的姿态越来越多，速度越来越来越快，也就是越来越灵活了。

这样一来，对于成像卫星来说，它就可以很自由地想看哪里就指向哪里，当然了，这个灵活也需要在拍照的时候满足上面说到的稳定。

最后再来一个简单的总结，无论是改变，还是维持，其实控制系统就是要让卫星处于一个自己预期的状态，或者经历一个预期的过程。以我们生活来说就是一方面要驱动自己努力，一方面要维持努力的状态，最后达成成功之目标（这样是不是有点太说教）。

正式介绍AOCS

我这里讲的卫星控制系统其实局限于卫星的姿态和轨道控制系统，这个系统就管我们上面说到的两方面四件事情。

首先是控制我们卫星的轨道，我们在空间任务几何那次分享里面看到了轨道对于任务的实现有着极高的重要性，但是我们的地球轨道上航天器总是要受到这这那那的摄动影响，或者针对一些特殊的任务还要主动地去改变轨道，这就是轨道控制的作用了。

控制之前我们要能确定轨道，也就是我们要知道我们在什么轨道上，卫星在怎么飞，然后才能知道要改变飞法要做些什么。这就要要进行轨道的确定和预报，接着根据我们的轨道控制要求，进行轨道控制。轨道控制用的是我们在推进一讲里说过的那些推进设备。

姿态的控制也是一样的，我要知道我在看哪里？是看着张三还是李四，这就是姿态的确定。怎么确定呢，就看张三或者李四那张脸了呗。例如太阳敏感器就靠看太阳，地平仪就靠看地球，星敏感器就靠看星星。

我心里想要看韩梅梅的话，那我就要扭头了，扭头这个事情靠的是我们脖子，卫星靠的就是飞轮啊，磁力矩器什么的啦。这些我们接下来会专门讲一次。

控制系统

前面我们说了控制首先要知道状态，然后再通过执行装置来实现，那么到底怎么控制需要算法在控制器里实现。

这么一来我们就有一个控制系统，控制系统有一个控制的目标，通过控制然后实现目标。例如晟宇今年的控制目标是挣100万，控制的方法是努力学习，最后年底挣了100块，就是说晟宇这个控制系统的精度很低了，有可能是敏感器也不行，算法也不行，执行也不够力。

控制系统，一般的可以说有开环的系统和闭环的系统。

怎么来理解呢，就是说例如晟宇的目标是2018年挣100万，然后我的控制算法就是每天更新公众号，对于开环系统来说，在这个控制周期里我要做的事情就是保证每天更新公众号。结果很有可能的事情是是到年底晟宇真的只是挣到了100块。所以说开环控制存在着一个精度差的问题。

那么如果是一个闭环的控制，今天我写了一篇文章，发现阅读量很低，然后我第二天起了一个很火爆的标题，阅读量增长了一点；然后我又试着在文章中加一些段子，结果转发量上升了。接下来我每次写都根据之前的结果做一些调整，结果年底发现挣了何止100万。（当然一个好的控制系统，到了预期的100万就应该保持预期结果的稳定了）。

这种基于反馈的控制就是被我们的大神维纳发现的，这个有机会要好好滴介绍介绍，今天就点到为止。

控制系统的组成

感觉今天喝了点精酿有点逻辑乱了，控制系统的组成其实前面好像就说过了，用来测量状态的敏感器，用来预定控制策略的控制器和用来执行控制策略的执行机构。

在航天器上，敏感器都是依靠一些外界的参照物来进行状态的确定。例如太空救援里，就是太阳敏感器坏了，所以帆板不会转动，导致能源不足，不能加热，制氧等，最后把损坏的遮光罩砸了就挽救了两名宇航员。

控制单元，一般由姿轨控的计算机来完成，随着星上计算能力的提高和控制算法的演进，如今卫星上面可以实现越来越复杂的控制策略。最后再将这些执行指令交给CMG之类的执行机构去实现。

为了更加可靠，这些设备卫星上一般都会配备多套，也是为了满足不同的控制需求。

任务之复杂，模式很多样

在航天器的生命过程中，不同阶段所需要的轨道和姿态的状态都是不同的。这些状态的总和我们一把称其为工作模式。所以可以想象航天器一般也有很多的工作模式。

在这些工作模式之间进行切换，卫星就可以完成不同类型的任务，而每个工作模式需要使用到不同的设备组合。很多时候控制轨道和控制姿态的设备要混合在一起进行使用，提出更高的控制要求。

今天只能说是开了个头，卫星的控制系统是一个既复杂又重要的分系统，接下来的几次，我们再把它拆开讲讲，欢迎大家继续关注并提出宝贵的意见。

同时也欢迎大家关注我的公众号：宇聊

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[航天甲子年五十讲] 往期回顾

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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：张晟宇

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