“嫦娥一号”有22种飞行姿态

　　嫦娥一号卫星是我国研制的第一颗月球卫星，在飞往月球和环月工作阶段，为了适应不同的环境和工作状态，需要采用22种姿态，卫星的飞行控制和姿态控制，是航天高技术的关键所在。

　　一、地球、月亮、卫星的三体运动

　　地球与月球相距约38万公里。尽管两点之间直线距离最短，但由于月球在不停的围绕地球转动，而地球又不停的围着太阳转，卫星要想从地球到达月球，必须要走一条弯曲的路线。卫星与月亮的相会的过程，就像歌中唱得一样月亮走、我也走，两者要在运动中慢慢接近。

　　卫星飞行的路线被称作轨道，在卫星只受地球重力场影响，速度介于每秒7.91～11.2公里时，卫星的轨道是围绕地球的一个圆形或是以地球为一个焦点的椭圆形，卫星的速度决定了椭圆轨道的大小，轨道上与地球距离最近的点被称作近地点，与地球最远的点被称作远地点。

　　为了使卫星与月球交会，必须在特定时刻对卫星飞行速度进行控制。改变卫星飞行的速度就意味着改变了卫星的轨道，因此对卫星进行加速和减速的控制被称作轨控。

　　为了确保卫星在每次变轨时，能够被地面测控系统观测到，嫦娥一号卫星首先要进行一次远地点加速控制，这使得卫星的近地点变高。然后，嫦娥一号卫星要绕地球飞行若干圈，进行三次近地点加速，获得离开地球奔向月球的初速度，沿一条近似半个椭圆的轨道奔向月球，并在奔向月球的途中对轨道进行修正，当卫星距离月球最近时，进行第一次减速制动，使卫星准确地被月球捕获，再经过两次制动，调整卫星的速度，进一步拉近卫星与月球的距离，使嫦娥一号成为围绕月球飞行的人造卫星。

　　 二、卫星的制导、导航与控制系统

　　卫星制导导航与控制系统，简称GNC系统。由星载计算机、太阳敏感器、星敏感器、陀螺、紫外月球敏感器、动量轮、推力器等设备组成。

　　如果把卫星比作一个人的话，那么太阳敏感器、星敏感器、紫外月球敏感器这些光学敏感器就像是人的眼睛。人眼既可以看见太阳，也可以看见月亮和星星，而卫星的太阳敏感器只能用来看太阳，星敏感器只能用来看恒星，而紫外月球敏感器是专门用来看月亮的。三种敏感器综合起来使用，才能使卫星在不同阶段找到自己运行的方向。

　　而陀螺就像人体的平衡器官，可用来敏感卫星旋转的角速度。

　　动量轮、推力器和发动机就像是人的肢体，具体完成前进方向、速度、身体朝向等控制动作。

　　GNC星载计算机就像是人的大脑，而计算机中的控制算法就是人的思维。根据敏感器的测量信息，GNC星载计算机会向执行机构发出指令。

　　GNC系统可以自主的指挥着卫星作出各种动作，也可以按照地面站的指令让卫星在太空中也能按照人们的意图工作。

　　三、卫星的速度控制

　　卫星加速与减速控制，需要由发动机喷出气体产生反作用力影响卫星的运动。在进行加速控制时需要发动机的指向与卫星的前进方向相反，这样发动机喷气产生的推力与卫星的速度方向相同，卫星就会加速前进。当需要减速控制时，需要使发动机的指向与卫星的前进方向相同，这样发动机喷气产生的推力与卫星的速度方向相反，卫星的速度就会减小。

　　嫦娥一号卫星仅配备了一台490N推力的发动机，要保证发动机的指向与卫星的速度方向时而相同或时而相反，就必须通过卫星的旋转来改变发动机的指向。当不需要进行卫星加速或减速控制时，卫星又必须保证太阳帆板面向太阳，所以发动机点火结束后卫星就必须再次旋转，使太阳帆板面向太阳，我们称之为太阳定向。太阳定向的同时，卫星可以绕着对太阳定向的轴缓慢的旋转，保证卫星与地面站的联络。

　　四、卫星的轨控、姿控

　　嫦娥一号卫星需要进行十到十一次轨控，才能与月球如约相会。每次轨控都要准时、精确，特别第三次近地点加速和第一次近月制动只有一次机会，稍有差错都有可能对任务造成重大影响，甚至会接导致任务失败。这就要求嫦娥一号卫星在GNC系统的控制下进行一系列精确的动作，确保轨控发动机点火过程中的精确指向，并保证发动机精确点火，这是确保嫦娥一号飞行任务成功的决定性条件。

　　嫦娥一号卫星在奔月的绝大多数时间里保持太阳定向的飞行姿态。卫星进入太阳定向模式时，卫星会用太阳敏感器寻找太阳的方向。卫星的六个面中的一个面将始终正对太阳。此时，太阳帆板上贴有太阳能电池片的一面正对太阳。这样，帆板就可以接受到充足的日照，将太阳能转换为电能供卫星上的仪器设备使用。

　　在每次执行轨控前，为了保证“精确变轨”，嫦娥一号卫星都要在GNC系统的控制下完成一系列动作。在发动机点火前，卫星从太阳定向转入恒星定向，所谓恒星定向就是卫星保持某一固定的姿态，卫星使用陀螺和高精度星敏感器，准确确定卫星在太空中的方位。

　　在恒星定向之后，卫星转入方向调整阶段，调整卫星在太空中的方向。卫星是通过安装在卫星上的6组12个10N推力器喷出的高速气体，来控制卫星的旋转速度，从而实现卫星的方向调整。通过方向调整，确保卫星发动机指向轨道控制所需的方向。方向调整过程中，推力器喷气量的多少，是通过控制喷气的时间长短来实现的，而推力器喷气时间的长短是由GNC系统的具体指令给出。当卫星方向基本调整到位后，卫星再次转入恒星定向。通过星敏感器和陀螺获得卫星方向及旋转角速度的准确信息，并对卫星方向调整结束后残留的小方向偏差进行修正，使卫星保持更为精准的目标方向，同时保持稳定。

　　接下来，卫星将进行轨道控制。发动机将完成点火和关机的动作，实现卫星加速或减速的目的。为了减少测控站的数量需求，卫星的发动机点火期间并不完全处于地面站的测控弧段内。为了在没有测站支持下也能确保轨控精度，嫦娥一号卫星设计了轨控发动机自主控制功能。按任务要求设计了高精度的加速度计，用于敏感发动机点火对轨道的影响。轨控前，当卫星处于地面站的可控弧段内时由地面站设定轨控的初时条件和结束条件，其余由卫星自主的进行计算和判断。经过一系列复杂的运算后，GNC系统将控制发动机精确点火与关机，使发动机点火对轨道产生的影响与人们的期望值相同。嫦娥一号卫星的GNC系统的自主轨控发动机开关机控制在国内尚属首次。在轨控结束后，卫星在GNC系统的控制下自主转入太阳定向，直至下次变轨前再次转入恒星定向。

　　实施轨控过程中，GNC系统还要兼顾卫星测控和

　　嫦娥一号卫星在奔月过程中需要进行十到十一次轨控。每次轨控都要重复从太阳定向到恒星定向，方向调整，自主控制发动机的点火和关机，再次转入太阳定向的整个过程。

　　五、卫星环月飞行

　　在完成第一次近月制动后，从轨道意义上讲，嫦娥一号卫星就已经是一颗月球卫星了。在完成三次近月点变轨之后，卫星进入月球科学探测的轨道。但仅是轨道满足要求还不能满足“有效探测”的要求，还需要卫星“对月定向”。如果把卫星看作一个正方体，六个面中始终有一面，会稳定的面向月球，卫星上的科学探测仪器就可以对月球进行探测了。为了建立“对月定向”，卫星需要从太阳定向转入恒星定向，然后进行方向调整，调整到对月定向的目标方向后再次进入恒星定向。这时，启动卫星的环月飞行模式，嫦娥一号卫星就正式成为一颗月球遥感卫星。嫦娥一号携带了多种科学探测仪器，有些用来拍摄月面的影像，有些用来分析月面物质成分。只有这些仪器在垂直对准月面时，才能最好地发挥功效。为了实现“有效探测”的目标，在环月期间，嫦娥一号卫星采用对月三轴稳定的姿态。这就为科学仪器探测月球提供了有利条件。卫星安装有反作用飞轮，通过调节飞轮的转速可以控制卫星的转动。当飞轮在某一方向上加速时，卫星就在同一方向上减速旋转，当飞轮在某一方向上减速时，卫星就在同一方向上加速旋转。装有反作用飞轮的三轴稳定卫星的控制精度高，多用于遥感卫星。

　　依据太阳相对于卫星的方位，嫦娥卫星在环月飞行轨道上可以保持正飞或侧飞两种飞行姿态对月定向。当太阳在卫星的前方或后方时，卫星正飞，此时卫星的太阳帆板面向卫星的前进方向，可通过帆板跟踪太阳满足电源供电要求，并可满足有效载荷对月面立体成像要求。当太阳位于卫星两侧时，卫星进行侧飞，卫星太阳帆板朝向与卫星的前进方向垂直，使帆板基本朝向太阳方向，可以满足卫星的供电需求，但此时CCD立体相机无法工作，其他有效载荷可以正常运行。

　　嫦娥一号卫星在环月轨道上长期运行时，将使用紫外月球敏感器。紫外月球敏感器是为探月任务专门研制的。通过它，卫星可以无需地面站支持，直接获得对月的俯仰角和滚动角，确定卫星是否平行于月面。紫外月球敏感器工作在紫外波段，它可以在各种月相下正常工作，包括新月、上弦月、满月、下弦月，甚至当在卫星上可以出现日全食时也可以正常工作。

　　但环月期间，GNC系统不仅仅要保证星体对月定向，还要保证帆板跟踪太阳、数传天线指向地球。由于卫星可以采用正飞或侧飞配合帆板面向太阳，而且帆板不需要严格对日精确指向就可满足卫星能源需求，因此帆板本身相对于星体只需绕一个轴转动。但是，为了将科学探测和工程遥测数据准确的传回地球，并降低通讯天线的功耗，必须要保证天线可在上下左右自由活动，才能保证天线精确指向地球。为此，研制了双轴天线，使天线可以在两个方向上进行转动。当然，天线精确指向地球还需要GNC系统精确计算地月和日月的相对位置关系。双轴天线的自主指向控制技术是我国卫星上首次采用的新技术。

　　除了正常控制逻辑外，为了防止误信息、误动作，GNC系统还采取了多项智能诊断处理措施，确保嫦娥一号卫星的各种动作准确流畅。为了确保首飞成功，嫦娥一号的研制者们除了精心设计之外，还进行了大量的地面模拟试验。嫦娥一号卫星已经对奔月和环月的各种情况作好了充分的准备。

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