為什么人造地球衛(wèi)星能聽從地面指揮？

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

1 給衛(wèi)星進行遠程體檢

衛(wèi)星上都裝有遙測裝置，它用于采集衛(wèi)星上各種設備的工作參數(shù)，并實時或延時發(fā)送給地面測控站，從而實現(xiàn)地面對衛(wèi)星的監(jiān)視。這是一套無線電信息傳輸系統(tǒng)，發(fā)信者是各被測對象，信息是各種被測對象呈現(xiàn)出來的物理或化學特性，通過溫度傳感器和壓力傳感器等遙測傳感器，把衛(wèi)星上的各種信息變成電信號，然后把這些信號送入多路設備，最終以無線電波的形式傳到地面測控站。地面測控站經(jīng)過接收、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)。

在測量衛(wèi)星參數(shù)的同時就把測量的量值傳輸?shù)綔y控站叫實時遙測。但如果衛(wèi)星運行在地面測控站接收范圍以外，遙測數(shù)據(jù)就無法實時傳送回地面，此時需用衛(wèi)星上的記錄器先把所測的參數(shù)存儲起來，在衛(wèi)星飛入地面測控站接收區(qū)時，再把已存儲的數(shù)據(jù)傳送下來，這叫延時遙測。所以，通過衛(wèi)星上的遙測裝置和地面測控站，衛(wèi)星專家可以知道遠在十萬八千里的衛(wèi)星是否工作正常。

2 無形之手放飛太空風箏

對衛(wèi)星進行測控示意圖

向衛(wèi)星發(fā)送命令，控制衛(wèi)星正常運行，就如同在太空放風箏，不過，這里沒有風箏線，而是用衛(wèi)星上的遙控裝置和地面測控站通過無線電波這一無形的手和線共同實施的。遙控裝置的功能與遙測裝置相反，用于接收地面的遙控指令，然后傳送給衛(wèi)星上的有關設備來執(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)來的各種控制信息，這些信息是以電信號的形式調(diào)制的無線電載波，衛(wèi)星在接收解調(diào)后對衛(wèi)星有關分系統(tǒng)進行控制。

衛(wèi)星在天上飛行時經(jīng)常需要完成某些動作，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，這些都是通過地面發(fā)送遙控指令給衛(wèi)星來實施的。其過程如下：先用指令產(chǎn)生器把地面發(fā)向衛(wèi)星的各項指令變成電信號；然后，用編碼器把這些信號編成碼組，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后用解調(diào)器從載波中取出碼信號，再由譯碼器譯出所要執(zhí)行的指令，最后放大-變換器去指揮相應的執(zhí)行機構(gòu)動作。

鏈接：由于衛(wèi)星上的被遙測和被遙控的對象很多，不可能也沒必要為每一個信號都提供1個發(fā)射機或接收機，所以一般采用多路傳輸?shù)姆椒?，即把各種遙測、遙控信號綜合起來在1個載波信道內(nèi)傳輸，即用衛(wèi)星的1臺發(fā)射機或接收機進行收發(fā)。

跟蹤測軌裝置用于協(xié)同地面測控站，測定衛(wèi)星運行的軌道參數(shù)，從而保持地面對衛(wèi)星的聯(lián)系與控制。它與遙測和遙控不同，可分為光學跟蹤與無線電跟蹤兩種，由于前者受到天氣條件的限制，所以目前主要采用后者，即測量衛(wèi)星與地面站之間的角度、距離和相對速度。其原理與用雷達搜索飛機相似，但由于衛(wèi)星距地面較遠，因此還不完全相同，衛(wèi)星的特點是裝有1個叫應答機的無線電收發(fā)信機。跟蹤測軌時，先由地面雷達向衛(wèi)星發(fā)一個無線電脈沖信號；衛(wèi)星上的應答機接收到這一信號后經(jīng)放大立即向地面發(fā)出回答的無線電脈沖信號。這樣，地面雷達通過發(fā)出的脈沖信號和衛(wèi)星的回答信號的傳播時間，就能算出衛(wèi)星離地面雷達站的距離，并可根據(jù)雷達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，會受到殘余空氣動力、微流星撞擊力、地球扁圓度引起的不均勻引力、太陽輻射壓力以及衛(wèi)星內(nèi)部的運動機構(gòu)（如彈簧、發(fā)動機）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，因此在飛行時對它的飛行姿態(tài)都有一定的要求。比如，通信衛(wèi)星上的拋物面天線和對地觀測衛(wèi)星上的相機要始終對準地面，太陽觀測衛(wèi)星上的望遠鏡要一直對準太陽。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、導航與控制的重要組成部分。

采用自旋穩(wěn)定方式的中國東方紅－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，也是一種動量交換裝置，由繞其對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸的支撐框架以及框架伺服機構(gòu)組成，有定軸性和進動性。陀螺儀通過框架的進動來產(chǎn)生陀螺控制力矩，抵消外部干擾力矩或按要求進行機動。其陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是恒定的，但角動量方向是可變的，它通過改變角動量方向，即轉(zhuǎn)軸方向來產(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)角速度往往會偏離設計值，這時就要進行控制和調(diào)整。

衛(wèi)星姿態(tài)控制分系統(tǒng)有被動和主動兩種，其中被動控制的控制力不需要消耗衛(wèi)星上的能源，而是用衛(wèi)星的動力特性或空間環(huán)境力矩來提供，現(xiàn)在主要有自旋穩(wěn)定等方式。主動控制是根據(jù)姿態(tài)誤差（測量值與標稱值之差）形成控制指令，產(chǎn)生控制力矩,實現(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衛(wèi)星進行三軸穩(wěn)定控制，即統(tǒng)稱為三軸穩(wěn)定方式。由于主動方式適用于在各種軌道上運行的、具有各種指向要求的衛(wèi)星，也可用于衛(wèi)星的返回、交會、對接及變軌等過程，所以目前被大多數(shù)衛(wèi)星廣泛采用。

中國“北斗”導航試驗衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定方式

自旋穩(wěn)定方式是通過衛(wèi)星本體圍繞1個軸轉(zhuǎn)動來保持穩(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，即通過高速旋轉(zhuǎn)來保持物體的轉(zhuǎn)軸方向不變。由于這種控制方式比較簡單，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)動機，需要時就點燃小發(fā)動機，產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星起旋；也可由末級運載火箭起旋。

三軸穩(wěn)定方式是對衛(wèi)星相互垂直的的三個軸都進行控制，不允許任何一個軸產(chǎn)生超出規(guī)定值的轉(zhuǎn)動和擺動。實現(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)行機構(gòu)三部分。姿態(tài)敏感器有慣性敏感器、地球敏感器、太陽敏感器、星敏感器等，用于察覺和測量衛(wèi)星的姿態(tài)變化，即衛(wèi)星沿各個軸的轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動角速度有多大，是否超出規(guī)定的范圍。姿態(tài)控制器用于把姿態(tài)敏感器送來的衛(wèi)星姿態(tài)角變化值的信號，經(jīng)過一系列的比較、處理，產(chǎn)生控制信號輸送到姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)。姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)用于根據(jù)姿態(tài)控制器送來的控制信號產(chǎn)生力矩，使衛(wèi)星姿態(tài)恢復到正確的位置。常用的執(zhí)行機構(gòu)有兩種：一種是采用反作用飛輪，當衛(wèi)星的姿態(tài)處于所要求的姿態(tài)時，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)生一個相反方向的力矩，使衛(wèi)星回復到所要求的姿態(tài)位置。衛(wèi)星三個軸向各設置一個這樣的飛輪，就能控制衛(wèi)星三個軸方向的姿態(tài)。另一種是采用推力器，即在衛(wèi)星三個軸的方向安置若干個小的推力器，一旦衛(wèi)星偏離所要求的姿態(tài)，相應方向的推力器就會噴出氣體，產(chǎn)生推力，使衛(wèi)星回到所要求的姿態(tài)位置。