在寂靜空蕩的太空里，航天器該如何保持姿態？
1 為什么要保持姿態？
正確的姿態是航天器正常工作的必要條件。例如，衛星對地進行通信或觀測，天線或遙感器要指向地面目標；航天器進行軌道控制時，發動機要對準所要求的推力方向；航天器再入大氣層時，要求制動防熱面對準迎面氣流。這些都需要使星體建立和保持一定的姿態。
2 怎樣測量姿態？
測量是保持的前提，一個航天器必須知道自身的現實姿態。
2.1 以天體為基準方位
2.1.1 太陽敏感器
太陽是我們的航天器上可視的最強發光體，可以把它近似看作點光源。通過敏感陽光的入射角度，就可以測量太陽視線與航天器某一體軸之間夾角。太陽敏感器用來確定姿態是最普遍的，幾乎每個航天器都采用。
2.1.2 星敏感器
同太陽敏感器類似，也可以一顆恒星為基準，敏感測量航天器的某一個基準軸與該恒星視線之間的夾角，并同星歷表中該星的角位置參數進行比較，來確定航天器的姿態。星敏感器的測量精度很高，但是要求恒星亮度要高于+2可見星等的恒星。
2.2 以地球為基準方位
地球是近地航天器所能觀察到的除太陽外最明亮的天體，因此地球也就成為航天器最重要的基準物之一。但由于地球對近地航天器而言是一個廣大的觀察目標，不是一個確定的基準方向，因此實際工程中通常是以航天器所處的當地垂線或當地地平作為基準方向。
紅外地平儀就是利用地球自身的紅外輻射來測量航天器相對于當地垂線或者當地地平方位的姿態敏感器，簡稱地平儀。紅外地平儀的工作波段一般選擇在14～16μm的二氧化碳紅外窄波段上。原因是地球表面上空25～50 km的大氣中的二氧化碳，在14～16μm波段內的紅外輻射強度隨著高度的增加而迅速地減少，所以工作在這一窄波段上的紅外地平儀可獲得極為清晰的地球輪廊，有利于提高測量精度。同時，紅外地平儀對航天器本身反射的太陽光不敏感，無論白天或夜晚均能正常工作，因此在工程中應用十分廣泛。
2.3 以慣性空間為基準方位
2.3.1 陀螺
利用陀螺的定軸性和進動性保持空間基準。定軸性就是當陀螺不受外力矩作用時，陀螺旋轉軸相對于慣性空間保持方向不變；進動性就是當陀螺受到外力矩作用時，陀螺旋轉軸將沿最短的途徑趨向于外力矩矢量，進動角速度正比于外力矩大小。這種進動特性當輸入和輸出量對換時也是成立的，即當陀螺存在一個進動角速度輸入時，陀螺將產生一個力矩輸出。
航天器應用的陀螺具有如下特點：①長壽命——航天器上使用的陀螺,其壽命最短也有幾天，最長達幾年，而導彈上使用的陀螺只工作幾分鐘或幾十分鐘；②低功耗——由于航天器工作時間長而且質量限制很大，所以要求航天器上的設備都具有低功耗；③高可靠性——由于陀螺是一個高速旋轉體，要求長期工作，因此須保證其高可靠性；④低漂移。
2.3.2 加速度計
加速度計是用于測量航天器上加速度計安裝點的絕對加速度沿加速度計輸入軸分量的慣性敏感器。雖然目前加速度計沒有廣泛用于航天器的姿態穩定和控制，但它是航天器導航系統中重要的器件。
2.4 以地面站為基準方位
射頻敏感器常常被通信衛星所采用，這是因為通信衛星的地面發射站可作為敏感器的無線電信標源。另一方面射頻敏感器與通信天線都要求指向控制，因此二者在結構上做成一體，這樣可以避免像其他敏感器(例如紅外地平儀)那樣由于非一體結構而引起的彎曲變形造成的指向誤差。射頻敏感器具有較高的精度。射頻敏感器確定航天器姿態的原理是基于對航天器天線軸與無線電波瞄準線之間夾角的測量。
2.5 以地磁場為基準方位
磁強計是以地球磁場為基準，測量航天器姿態的敏感器。磁強計本身是用來測量空間環境中磁場強度的。由于地球周圍每一點的磁場強度都可以由地球磁場模型事先確定，因此利用磁強計測得的信息與之對比便可以確定出航天器相對于地球磁場的姿態。
2.6 小結
在實際的航天器姿態控制系統中，上面介紹的各種敏感器單獨使用一般是不能滿足要求的，而需要多種多個姿態敏感器組合使用，形成一個姿態測量系統。原因主要有三方面：一是由于相對于同一基準最多只能獲得兩個姿態角，所以如太陽敏感器、星敏感器、紅外地平儀等單獨使用則不能獲得完整的姿態信息；二是由于各種敏感器均存在條件限制，如太陽敏感器在地球陰影中不能工作，陀螺等慣性敏感器存在漂移，星敏感器視場很小以致初始難以捕獲目標恒星等等；三是由于航天器的長壽命工作特點要求敏感器可靠地長時間提供高精度姿態信息，所以姿態敏感器的冗余便成為必須考慮的重要問題。正是由于以上三方面的原因，航天器上往往裝有多種敏感器，以便相互校正和補充測量信息，相互取長補短，相互備份，充分發揮各自的優點。
此外，航天器姿態控制系統精度取決于姿態確定的精度，當然也包括姿態敏感器的精度。由于對航天器姿態控制系統的精度要求越來越高，對敏感器精度要求一般要比系統精度高5倍或一個數量級，因此提高航天器敏感器的測量精度和信息處理精度，將成為今后一個關鍵問題。
3 怎樣調整姿態？
保持姿態的核心是怎樣產生力矩的問題。可供航天器攜帶的執行機構主要有推力器、飛輪與地磁力矩器等。
3.1 推力器
目前航天器控制使用最廣泛的執行機構之一。它根據牛頓第二定律，利用質量噴射排出，產生反作用推力，這也正是這種裝置被稱為推力器或噴氣執行機構的原因。當推力器安裝使得推力方向通過航天器質心，則成為軌道控制執行機構；而當推力方向不過質心，則必然產生相對航天器質心的力矩，成為姿態控制執行機構。
根據產生推力所需能源的形式不同，質量排出型推力器可以分為冷氣推力器、熱氣推力器和電推力器。其中冷氣推力器和熱氣推力器消耗的工作介質需由航天器從地面攜帶，有限且無法在軌補充；而電推力器消耗電能，可以通過太陽能電池在軌補充，工作介質消耗量大大減少。因此電推力器成為今后長壽命、高精度航天器推力器的一個重要發展方向。
3.2 飛輪
根據“動量矩守恒”原理，改變安裝在航天器上的高速旋轉剛體的動量矩，從而產生與剛體動量矩變化率成正比的控制力矩，作用于航天器上使其動量矩相應變化，這種過程稱為動量交換。實現這種動量交換的裝置稱為飛輪或飛輪執行機構，飛輪執行機構只能用于航天器的姿態控制。
3.3 磁力矩器等其他執行機構
航天器的執行機構除了推力器和飛輪兩類主要執行機構以外，還有其他形式的執行機構。它們利用磁場、引力場等環境場與航天器相互作用產生力矩，,實現對姿態的控制，例如磁力矩、重力梯度力矩、太陽輻射力矩和氣動力矩等。這些力矩一般都比較小，而且與運行軌道高度、航天器結構和姿態等因素有關。其中磁力矩器是最常見的一種。
航天器的磁特性和環境磁場相互作用可產生磁力矩，當兩者互相垂直時，磁力矩最大；當兩者相互平行時，磁力矩為零。對地球軌道航天器來說，只要航天器存在磁矩，磁力矩總是存在的。若不把它作為控制力矩使用，就成為擾動力矩。航天器上安裝的通電線圈就是最簡單的磁力矩器，通電線圈產生的磁矩與地球磁場相互作用就可產生控制力矩,實現姿態控制。
利用環境場產生控制力矩，最常用的除了磁力矩以外，還有重力梯度力矩等。磁力矩與軌道高度的3次方成反比，軌道高度越低，磁力矩越大。所以磁力矩作為控制力矩比較適用于低軌道航天器，重力梯度力矩適用于中高度軌道航天器，太陽輻射力矩適用于同步軌道衛星等高軌道航天器，氣動力矩也適用于低軌道，但是最后兩種力矩較少用來作為控制力矩。利用環境力矩產生控制力矩的裝置可稱為環境型執行機構。
3.4 小結
對于航天器控制所采用的執行機構而言，高可靠性、長壽命、高精度是其基本要求，直接關系到控制系統的壽命和精度。在以上介紹的幾種執行機構中，飛輪、推力器、磁力矩器和重力梯度力矩執行機構是最常用的。飛輪和推力器控制精度較高，環境型執行機構的控制精度較低，所以飛輪和推力器成為航天器控制主要的執行機構。
引用書目：《航天器控制原理》 周軍編 ?西北工業大學出版社 ?2001年
