生命绿洲,怎么落实卫星姿态调控

据新华社电灯光的照射下,海底幽蓝静寂、海雪飞扬。一串串珍珠般白色气泡,不停地从海底汩汩冒出来。气泡周边,满眼的贻贝、蛤类和蚌类等密密麻麻;半透明的阿尔文虾、白色的铠甲虾、一簇簇管状蠕虫、一片片小蛇尾等随处可见。
这片奇异的海底世界,是位于南海西沙海域的“海马冷泉”。连日来,正在“探索一号”科考船上参加我国“南海深部计划”西沙深潜航次的多位科学家,乘坐“深海勇士”号载人深潜器,探访了这片海底的“生命绿洲”。其中包括我国著名海洋地质学家、“南海深部计划”专家组组长、82岁高龄的同济大学汪品先院士。
冷泉系统是一种深海自然现象,由富含甲烷的流体渗漏至海底而形成。海马冷泉位于南海的西沙海域,总体呈东西向条带状展布,水深为1350~1430米。2015年因广州海洋地质调查局利用我国自主研发的4500米级“海马”号无人深潜器发现而得名。
“尽管早就知道海马冷泉,但乘坐深潜器到海底亲眼所见,还是非常震撼,冷泉生物量之大、丰富度之高,果然名不虚传。”中国科学院海洋研究所研究员李新正说,“此次在海马冷泉系统采集到蠕虫、贻贝、蚌、海葵等丰富的冷泉生物样品,令人欣喜。我们将进一步进行分类学和群落生态学研究。”
在近1400米深的海马冷泉附近海底,李新正乘坐的“深海勇士”号潜次,还首次诱捕到一只长15厘米的“深海水虱”。深海水虱属节肢动物门、甲壳动物亚门、软甲纲、等足目,是典型的深海肉食性物种,与陆地上的西瓜虫是“亲戚”,但体型大得多。该生物样品的获取,有助于进行海马冷泉附近海域的深海环境生物多样性和生态系统研究。
此次在海马冷泉,“深海勇士”号还采集了碳酸盐岩、海底沉积物、微生物、冷泉区海水等多种样品,科学家们现场考察了冷泉活动和微地貌的关系。汪品先认为:对海马活动冷泉区进行现场的深入研究,是探讨南海深部过程的一项重要内容,能够揭示深海的生物地球化学过程,有助于全面理解南海的碳循环;同时对我国南海北部天然气水合物勘探,也具有重要指导意义。

气象卫星(meteorological
satellite):从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。卫星气象观测系统的空间部分。卫星所载各种气象遥感器,接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射,并将其转换成电信号传送给地面站。地面站将卫星传来的电信号复原,绘制成各种云层、地表和海面图片,再经进一步处理和计算,得出各种气象资料。气象卫星按轨道的不同分为太阳轨道气象卫星和地球静止轨道气象卫星;按是否用于军事目的分为军用气象卫星和民用气象卫星。气象卫星观测范围广,观测次数多,观测时效快,观测数据质量高,不受自然条件和地域条件限制,它所提供的气象信息已广泛应用于日常气象业务、环境监测、防灾减灾、大气科学、海洋学和水文学的研究。
气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站,是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。由于轨道的不同,可分为两大类,即:太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步,称太阳同步轨道气象卫星;后者是与地球保持同步运行,相对地球是不动的,称作静止轨道气象卫星,又称地球同步轨道气象卫星。
在气象预测过程中非常重要的卫星云图的拍摄也有两种形式:一种是借助于地球上物体对太阳光的反向程度而拍摄的可见光云图,只限于白天工作;另一种是借助地球表面物体温度和大气层温度辐射的程度,形成红外云图,可以全天候工作。
气象卫星具有: 1、轨道2、短周期重复观测
3、成像面积大,有利于获得宏观同步信息,减少数据处理容量
4、资料来源连续实时性强成本低等特点。
气象卫星主要有极轨气象卫星和同步气象卫星两大类。①极轨气象卫星。飞行高度约为600~1500千米,卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角,这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次,因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。②同步气象卫星。运行高度约35800千米,其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看,卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距,从南纬50°到北纬50°,100个纬度跨距,因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。

我们知道,卫星在失重的环境下飞行,如果不对它进行控制的话,它就会乱翻筋斗。这种情况是绝对不允许的,因为卫星都有自己特定的任务,在飞行时对它的飞行姿态都有一定的要求。比如,通信卫星需要它的天线始终对准地面;对地观测卫星则要求它的观测仪器的窗口始终对准地面,如果乱翻乱滚卫星哪里还能正常工作?
卫星的姿态控制就是控制卫星的飞行姿态,保持姿态轴的稳定,并根据需要改变姿态轴的方向。由于各种干扰,卫星在空间的姿态角和姿态角速度往往会偏离设计值,这是就要进行控制和调整。
根据对卫星的不同工作要求,卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置,可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。
一、主动姿态控制
主动姿态控制,就是根据姿态误差(测量值与标称值之差)形成控制指令,产生控制力矩来实现姿态控制的方式。
许多卫星在飞行时要对其相互垂直的三个轴都进行控制,不允许任何一个轴产生超出规定值的转动和摆动,这种稳定方式称为卫星的三轴姿态稳定。目前,卫星基本上都采用三轴姿态稳定方式来控制,因为它适用于在各种轨道上运行的、具有各种指向要求的卫星,也可用于卫星的返回、交会、对接及变轨等过程。
实现卫星三轴姿态控制的系统一般由姿态敏感器、姿态控制器和姿态执行机构三部分组成。姿态敏感器的作用是敏感和测量卫星的姿态变化;姿态控制器的作用是把姿态敏感器送来的卫星姿态角变化值的信号,经过一系列的比较、处理,产生控制信号输送到姿态执行机构;姿态执行机构的作用是根据姿态控制器送来的控制信号产生力矩,使卫星姿态恢复到正确的位置。
二、被动姿态控制
被动姿态控制是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法。被动姿态控制方式有自旋稳定、重力梯度稳定等。
1、自旋稳定方式
有的卫星要求其一个轴始终指向空间固定方向,通过卫星本体围绕这个轴转动来保持稳定,这种姿态稳定方式就叫自旋稳定。它的原理是利用卫星绕自旋轴旋转所获得的陀螺定轴性,使卫星的自旋轴方向在惯性空间定向。这种控制方式简单,早期的卫星大多采用这种控制方式。使卫星产生旋转可以用在卫星的表面沿切线方向对称地装上小火箭发动机,需要时就点燃小发动机,产生力矩,使卫星起旋或由末级运载火箭起旋。我国的东方红一号卫星、东方红二号通信卫星和风云二号气象卫星都是采用自旋稳定的方式。
2、重力梯度稳定
重力梯度稳定是利用卫星绕地球飞行时,卫星上离地球距离不同的部位受到的引力不等而产生的力矩来稳定的。例如,在卫星上装一个伸杆,卫星进入轨道后,让它向上伸出,伸出去后其顶端就比卫星的其它部分离地球远,因而所受的引力较小,而它的另一端离地球近,所受的引力较大,这样所形成的引力之差对卫星的质心形成一个恢复力矩。如果卫星的姿态偏离了当地铅垂线,这个力矩就可使它恢复到原来姿态。该种控制方式简单、实用,但控制精度较低。
姿态确定与控制系统是卫星设计的重要组成部分。首先系统地总结了欧拉角和四元数两种姿态描述,建立了完整的卫星姿态运动学和动力学模型。根据MTS卫星的任务和对姿控系统的性能指标要求,提出了MTS卫星姿控系统的初步方案,对敏感器和执行机构进行了配置。
卫星姿控系统的精度水平在很大程度上取决于姿态确定的精度。在建立MTS卫星各种姿态敏感器的测量模型的前提下,基于状态估计法采用推广卡尔曼滤波算法设计了”陀螺+红外地平仪+太阳敏感器”模式的姿态确定系统。并考虑到星上计算机计算能力的限制,对EKF算法作了改进,从而避免了EKF庞大的计算量。
分析和建立了飞轮系统模型和各种干扰力矩模型,基于全局非奇异的误差四元数分别设计了PID控制律和模糊控制律。并根据模糊控制存在稳态误差的特点,引入了积分环节;根据控制过程中不同阶段上的控制特性,设计了参数自调整的模糊控制器。通过仿真对比,验证了模糊控制的有效性。
最后为了充分验证本文提出的姿态确定和控制方法的效果,最后建立了MTS卫星姿控系统大回路模型,编写了相应的程序,进行了数学仿真。通过正常轨道运行模式下的仿真证明了姿态系统设计的可行性和精确性。