眾所周知，人造地球衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱衛(wèi)星）上天后必須對(duì)它進(jìn)行測(cè)量與控制，使地面控制人員及時(shí)了解衛(wèi)星的運(yùn)行軌道、衛(wèi)星各系統(tǒng)的工作情況和各種工程參數(shù)，控制衛(wèi)星上有關(guān)儀器正常工作，這些都是通過(guò)衛(wèi)星上的測(cè)量與控制分系統(tǒng)來(lái)完成的，主要包括遙測(cè)、遙控和跟蹤測(cè)軌等裝置。

1 給衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程體檢

衛(wèi)星上都裝有遙測(cè)裝置，它用于采集衛(wèi)星上各種設(shè)備的工作參數(shù)，并實(shí)時(shí)或延時(shí)發(fā)送給地面測(cè)控站，從而實(shí)現(xiàn)地面對(duì)衛(wèi)星的監(jiān)視。這是一套無(wú)線電信息傳輸系統(tǒng)，發(fā)信者是各被測(cè)對(duì)象，信息是各種被測(cè)對(duì)象呈現(xiàn)出來(lái)的物理或化學(xué)特性，通過(guò)溫度傳感器和壓力傳感器等遙測(cè)傳感器，把衛(wèi)星上的各種信息變成電信號(hào)，然后把這些信號(hào)送入多路設(shè)備，最終以無(wú)線電波的形式傳到地面測(cè)控站。地面測(cè)控站經(jīng)過(guò)接收、解調(diào)處理后還原成各種信息，就可了解飛行中衛(wèi)星的各部分狀態(tài)。

在測(cè)量衛(wèi)星參數(shù)的同時(shí)就把測(cè)量的量值傳輸?shù)綔y(cè)控站叫實(shí)時(shí)遙測(cè)。但如果衛(wèi)星運(yùn)行在地面測(cè)控站接收范圍以外，遙測(cè)數(shù)據(jù)就無(wú)法實(shí)時(shí)傳送回地面，此時(shí)需用衛(wèi)星上的記錄器先把所測(cè)的參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)，在衛(wèi)星飛入地面測(cè)控站接收區(qū)時(shí)，再把已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送下來(lái)，這叫延時(shí)遙測(cè)。所以，通過(guò)衛(wèi)星上的遙測(cè)裝置和地面測(cè)控站，衛(wèi)星專家可以知道遠(yuǎn)在十萬(wàn)八千里的衛(wèi)星是否工作正常。

2 無(wú)形之手放飛太空風(fēng)箏

對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控示意圖

向衛(wèi)星發(fā)送命令，控制衛(wèi)星正常運(yùn)行，就如同在太空放風(fēng)箏，不過(guò)，這里沒(méi)有風(fēng)箏線，而是用衛(wèi)星上的遙控裝置和地面測(cè)控站通過(guò)無(wú)線電波這一無(wú)形的手和線共同實(shí)施的。遙控裝置的功能與遙測(cè)裝置相反，用于接收地面的遙控指令，然后傳送給衛(wèi)星上的有關(guān)設(shè)備來(lái)執(zhí)行。它與在空中受控飛行的航空模型一樣，能接收地面上發(fā)來(lái)的各種控制信息，這些信息是以電信號(hào)的形式調(diào)制的無(wú)線電載波，衛(wèi)星在接收解調(diào)后對(duì)衛(wèi)星有關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行控制。

衛(wèi)星在天上飛行時(shí)經(jīng)常需要完成某些動(dòng)作，如讓星上記錄器記錄或下傳數(shù)據(jù)，讓采用自旋穩(wěn)定方式的衛(wèi)星起旋等，這些都是通過(guò)地面發(fā)送遙控指令給衛(wèi)星來(lái)實(shí)施的。其過(guò)程如下：先用指令產(chǎn)生器把地面發(fā)向衛(wèi)星的各項(xiàng)指令變成電信號(hào)；然后，用編碼器把這些信號(hào)編成碼組，以區(qū)別各種指令和保密；接著，把它們調(diào)制到無(wú)線電載波上，由發(fā)射天線發(fā)向衛(wèi)星；衛(wèi)星在接收到遙控信號(hào)后用解調(diào)器從載波中取出碼信號(hào)，再由譯碼器譯出所要執(zhí)行的指令，最后放大-變換器去指揮相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

鏈接：由于衛(wèi)星上的被遙測(cè)和被遙控的對(duì)象很多，不可能也沒(méi)必要為每一個(gè)信號(hào)都提供1個(gè)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)，所以一般采用多路傳輸?shù)姆椒?，即把各種遙測(cè)、遙控信號(hào)綜合起來(lái)在1個(gè)載波信道內(nèi)傳輸，即用衛(wèi)星的1臺(tái)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)進(jìn)行收發(fā)。

跟蹤測(cè)軌裝置用于協(xié)同地面測(cè)控站，測(cè)定衛(wèi)星運(yùn)行的軌道參數(shù)，從而保持地面對(duì)衛(wèi)星的聯(lián)系與控制。它與遙測(cè)和遙控不同，可分為光學(xué)跟蹤與無(wú)線電跟蹤兩種，由于前者受到天氣條件的限制，所以目前主要采用后者，即測(cè)量衛(wèi)星與地面站之間的角度、距離和相對(duì)速度。其原理與用雷達(dá)搜索飛機(jī)相似，但由于衛(wèi)星距地面較遠(yuǎn)，因此還不完全相同，衛(wèi)星的特點(diǎn)是裝有1個(gè)叫應(yīng)答機(jī)的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)。跟蹤測(cè)軌時(shí)，先由地面雷達(dá)向衛(wèi)星發(fā)一個(gè)無(wú)線電脈沖信號(hào)；衛(wèi)星上的應(yīng)答機(jī)接收到這一信號(hào)后經(jīng)放大立即向地面發(fā)出回答的無(wú)線電脈沖信號(hào)。這樣，地面雷達(dá)通過(guò)發(fā)出的脈沖信號(hào)和衛(wèi)星的回答信號(hào)的傳播時(shí)間，就能算出衛(wèi)星離地面雷達(dá)站的距離，并可根據(jù)雷達(dá)天線的仰角的方位確定衛(wèi)星在太空的位置。

3 防止衛(wèi)星迷航和翻滾

衛(wèi)星在太空中飛行，會(huì)受到殘余空氣動(dòng)力、微流星撞擊力、地球扁圓度引起的不均勻引力、太陽(yáng)輻射壓力以及衛(wèi)星內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如彈簧、發(fā)動(dòng)機(jī)）等干擾力的影響，使衛(wèi)星的姿態(tài)甚至軌道發(fā)生變化。另外，每種衛(wèi)星都有自己特定的任務(wù)，因此在飛行時(shí)對(duì)它的飛行姿態(tài)都有一定的要求。比如，通信衛(wèi)星上的拋物面天線和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上的相機(jī)要始終對(duì)準(zhǔn)地面，太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星上的望遠(yuǎn)鏡要一直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。為此，衛(wèi)星上裝有姿態(tài)控制和軌道控制分系統(tǒng)，它是衛(wèi)星制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的重要組成部分。

采用自旋穩(wěn)定方式的中國(guó)東方紅－2A通信衛(wèi)星在軌飛行示意圖

鏈接：

在大型航天器上，如空間站，多用陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)控制，其精度和可靠性較高。它與反作用飛輪原理一樣，也是一種動(dòng)量交換裝置，由繞其對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸的支撐框架以及框架伺服機(jī)構(gòu)組成，有定軸性和進(jìn)動(dòng)性。陀螺儀通過(guò)框架的進(jìn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺控制力矩，抵消外部干擾力矩或按要求進(jìn)行機(jī)動(dòng)。其陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是恒定的，但角動(dòng)量方向是可變的，它通過(guò)改變角動(dòng)量方向，即轉(zhuǎn)軸方向來(lái)產(chǎn)生控制力矩。

所謂衛(wèi)星的姿態(tài)控制就是控制衛(wèi)星的飛行姿態(tài)，保持姿態(tài)軸的穩(wěn)定，并根據(jù)需要改變姿態(tài)軸的方向。由于各種干擾，衛(wèi)星在空間的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度往往會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，這時(shí)就要進(jìn)行控制和調(diào)整。

衛(wèi)星姿態(tài)控制分系統(tǒng)有被動(dòng)和主動(dòng)兩種，其中被動(dòng)控制的控制力不需要消耗衛(wèi)星上的能源，而是用衛(wèi)星的動(dòng)力特性或空間環(huán)境力矩來(lái)提供，現(xiàn)在主要有自旋穩(wěn)定等方式。主動(dòng)控制是根據(jù)姿態(tài)誤差（測(cè)量值與標(biāo)稱值之差）形成控制指令，產(chǎn)生控制力矩,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的方式，現(xiàn)在主要采用飛輪控制和噴氣控制等方式對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行三軸穩(wěn)定控制，即統(tǒng)稱為三軸穩(wěn)定方式。由于主動(dòng)方式適用于在各種軌道上運(yùn)行的、具有各種指向要求的衛(wèi)星，也可用于衛(wèi)星的返回、交會(huì)、對(duì)接及變軌等過(guò)程，所以目前被大多數(shù)衛(wèi)星廣泛采用。

中國(guó)“北斗”導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定方式

自旋穩(wěn)定方式是通過(guò)衛(wèi)星本體圍繞1個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)保持穩(wěn)定，很像小孩玩的陀螺。它的原理是利用衛(wèi)星繞自旋軸旋轉(zhuǎn)所獲得的陀螺定軸性，使衛(wèi)星的自旋軸方向在慣性空間定向，即通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)來(lái)保持物體的轉(zhuǎn)軸方向不變。由于這種控制方式比較簡(jiǎn)單，所以早期的衛(wèi)星大多采用這種穩(wěn)定方式。使衛(wèi)星產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)可以用在衛(wèi)星表面沿切線方向?qū)ΨQ地裝的小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，需要時(shí)就點(diǎn)燃小發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星起旋；也可由末級(jí)運(yùn)載火箭起旋。

三軸穩(wěn)定方式是對(duì)衛(wèi)星相互垂直的的三個(gè)軸都進(jìn)行控制，不允許任何一個(gè)軸產(chǎn)生超出規(guī)定值的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制的系統(tǒng)一般包括姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制器和姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分。姿態(tài)敏感器有慣性敏感器、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、星敏感器等，用于察覺(jué)和測(cè)量衛(wèi)星的姿態(tài)變化，即衛(wèi)星沿各個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度有多大，是否超出規(guī)定的范圍。姿態(tài)控制器用于把姿態(tài)敏感器送來(lái)的衛(wèi)星姿態(tài)角變化值的信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的比較、處理，產(chǎn)生控制信號(hào)輸送到姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于根據(jù)姿態(tài)控制器送來(lái)的控制信號(hào)產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星姿態(tài)恢復(fù)到正確的位置。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩種：一種是采用反作用飛輪，當(dāng)衛(wèi)星的姿態(tài)處于所要求的姿態(tài)時(shí)，飛輪保持勻速旋轉(zhuǎn)，如果衛(wèi)星偏離了某一位置，則飛輪加速或減速，產(chǎn)生一個(gè)相反方向的力矩，使衛(wèi)星回復(fù)到所要求的姿態(tài)位置。衛(wèi)星三個(gè)軸向各設(shè)置一個(gè)這樣的飛輪，就能控制衛(wèi)星三個(gè)軸方向的姿態(tài)。另一種是采用推力器，即在衛(wèi)星三個(gè)軸的方向安置若干個(gè)小的推力器，一旦衛(wèi)星偏離所要求的姿態(tài)，相應(yīng)方向的推力器就會(huì)噴出氣體，產(chǎn)生推力，使衛(wèi)星回到所要求的姿態(tài)位置。