信息来源：北京科学中心（北京青少年科技中心） 发布时间： 2023-12-24
在当今高科技发展的时代，卫星已经成为我们生活中不可或缺的一部分。它们以无处不在的方式渗透到我们的日常生活中，为通信、导航、气象预报、环境监测等多个领域提供了巨大的便利和支持。作为中国航天事业的标志性成就之一，“东方红”一号卫星对于我国的航天史有着重要的意义，它的成功标志着中国成为世界上第五个拥有独立研制并发射人造卫星能力的国家。你了解东方红系列卫星吗？卫星到底有着怎样的结构？卫星控制系统又指的是什么？从“东方红”一号到“东方红”五号，我国科技人员实现了哪些技术突破？
本期首都科学讲堂邀请了航天控制专家王佐伟，为我们揭秘卫星控制背后的秘密。
探秘卫星
尽管卫星“高高在上”，但它们却又十分接地气，与我们人类的生活息息相关，甚至早已渗透到了我们生活的方方面面。一般来说，卫星可以被分成三大类：通信卫星、遥感卫星和导航卫星。
具体来说，通信卫星被称为“空间的顺风耳”，它不仅能用于电视直播，还能用于灾害救援的应急通信，是我们日常生活中非常普遍的一种卫星。典型的移动通信卫星的基本特点就是带有大型的网状天线，这种设计是为了更好地获得信号。
典型的通信卫星
如果通信卫星是“顺风耳”，那么遥感卫星就可以被称为“空间的千里眼”，主要包括气象卫星以及一些光学成像卫星等，前者已经能够编制出一张天罗地网来预测风云变化，后者则是我们从事地图测绘、国土资源普查、地质灾害救援工作的好帮手。遥感卫星的构型多样，种类繁多，比如雷达成像卫星（也叫合成孔径SAR卫星）、静止轨道气象卫星等等。
除了“顺风耳”和“千里眼”，还有一种卫星叫做导航卫星，我们可以称之为“空间的指南针”。世界上目前有四大卫星导航系统——美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗，还有欧洲的伽利略。没有它们，手机的导航功能便无法正常运行。
世界四大卫星导航系统
卫星的结构
一般情况下，卫星可以分为平台和载荷两大部分。打个比方来说，平台就相当于一辆平板卡车，载荷大致相当于卡车上装载的集装箱或者相应的货物。
从功能上看，卫星平台是提供公共服务的部分，负责我们整个卫星的机械、电气、温度环境支撑，而载荷实际上也被称为有效载荷，它是完成卫星特定功能的重要部分。
通常情况下，卫星平台都由结构、热控制、姿态轨道控制、遥测遥控、数据管理、供配电等多个分系统组成，最关键的则是四大分系统——第一个是供配电分系统，也叫能源分系统；第二个是遥测遥控分系统，也就是我们常说的测控分系统；第三个是姿态与轨道控制分系统；最后一个是推进分系统。
卫星的四大关键分系统
除此之外，卫星平台还有其他的分系统，譬如结构分系统，它相当于人体的骨骼，主要是为航天器提供架构、外壳和各种布局。还有热控分系统，它的功能相对比较简单，主要是为整个卫星和内部单机提供合适的温度和环境。
说完平台，卫星还离不开有效载荷。有效载荷与卫星的应用密切相关，其种类繁多，功能各有不同。以通信卫星和导航卫星为例，两类卫星的平台基本上相同，主要的差别在于载荷。例如，对于通信卫星来说，它的天线与转发器就是最主要的载荷；对于遥感卫星来讲，相机或者成像雷达则是它的主要载荷。
“东方红”系列及其控制
从1970年“东方红”一号上天到20世纪80年代的“东方红”二号，再到2019年的“东方红”五号，“东方红”系列卫星是我们国家航天事业发展历程的见证，代表了一代一代航天人的不懈追求。随着卫星的个头不断变大，它们的承载能力在不断增强，功能性能在不断提高，控制水平也在不断进步。
“东方红”系列卫星
“东方红”一号是我国第一颗人造地球卫星，具有开创性和里程碑式的重大意义，突破了当时我国空间飞行器的研制、设计、制造与发射和运控制技术。事实上，“东方红”一号上面搭载的载荷并不多，其主要的控制任务就是保证自旋稳定。
“东方红”二号是我国首次向高轨进军的一颗卫星，它的入轨难度和控制的复杂性有了很大的提升。从上世纪70年代立项到1986年发射成功，“东方红”二号卫星的研发前后花了十几年的时间，它的控制采用的是双自旋，相对于“东方红”一号来说，这是我国卫星技术在控制系统上首次实现真正的闭环控制。因此，它的成功发射以及在轨稳定运行表明了我国已突破地球同步轨道卫星控制技术，对后续的高轨道卫星发展具有里程碑意义。
“东方红”三号标志着我国在高轨道卫星领域真正实现了三轴稳定控制。所谓三轴稳定控制就是三个方向的姿态都可以任意地控制，相对于自旋控制又有了一个很大的跨越。相较于前两代，“东方红”三号的控制系统是一个比较完整、功能强大的控制系统，其所佩戴的敏感器和执行机构相比之前两代也都更加丰富了。
轮到“东方红”四号时，我国的高轨道卫星——通信卫星已经真正跨入世界先进行列了。从2001年到2009年成功首飞，“东方红”四号直到现在还是我国通信卫星的主力平台，包括我国的对外出口通信卫星，基本上都是以这个平台为主。它跟“东方红”三号一样，也采用的是三轴稳定控制，但在控制性的精度和连续性上有了显著提升。
相比于前四个，“东方红”五号应该可以被称为“超大平台的新突破”。到目前为止，“东方红”五号是世界上最大或者说承载力最强的卫星平台之一，可以为卫星提供巨大的能量。在控制系统上，“东方红”五号的控制取得了巨大飞跃，而且在兼容性、抗挠性等方面都有了很大的改进。
卫星控制系统的组成
卫星控制系统包括三大部分：敏感器、控制器和执行机构。
敏感器，顾名思义就是地球敏感器。它的原理有两种，一个是摆动扫描式，一个是静态成像式。所谓摆动扫描式就是对我们地球的圆盘空间即边缘进行扫描，扫到地球红外视场的边缘跟外太空交界的地方，在这里有一个信号突变，利用这个突变来确定状态。相比之下，静态成像式的原理就比较简单了，就是对地球进行红外拍照，然后通过算法确定卫星相对于地球中心点的偏差。
地球敏感器
最常见的执行器就是飞轮，也叫动量轮或者反作用轮。它的原理是通过缠绕固定轴的加减速来产生相应的反作用力和反作用力矩，然后再作用到星体里去。此外，还有另外一种执行器，叫做控制力矩陀螺——虽然有陀螺两个字，但却不是陀螺，而是一种姿态敏感器，它利用了陀螺定性的原理来产生控制力矩。
陀螺
除了控制器和敏感器，卫星控制系统的核心部件之一就是姿轨控计算机，也就是控制系统的大脑，它主要负责进行姿态和轨道控制算法的解算，然后产生控制指令的输出。在某种程度上，它决定了卫星控制系统的性能。那么，卫星控制的灵魂是什么呢？答案就是算法与软件。可以说，没有算法就没有控制，一个好的控制算法能够有效地解决卫星所面临的所有控制难题。
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