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控制系统是卫星最核心的部分,里面的每个部件都如同卫星的器官一样,掌控着卫星的各种行为。先进的太空发射器要求高度精确的惯性导航系统,在卫星惯性导航控制系统中,有个部件名叫陀螺仪,主要负责感知卫星自身的姿态变化情况,再实时传输相应数据,确保卫星按预定轨迹飞行,并保持姿态的稳定。

高精度陀螺仪让卫星姿态保持稳定的原理

高分五号卫星,资料图

我国于2018年发射的“高分五号”卫星,是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白。在该卫星上,姿态敏感器中的半球谐振陀螺仪,便是这颗卫星的核心部件之一。

星载惯性敏感器,是以陀螺为核心部件,用于实现卫星等航天器三正交轴空间姿态角速率测量的惯性测量系统。星载惯性敏感器需要根据整星设计要求及空间环境适应性要求,进行热机电磁等可靠性设计及惯性敏感器系统集成,是卫星姿态控制系统中的关键单机产品。

高精度陀螺仪让卫星姿态保持稳定的原理

我国企业研发的高精度半球谐振陀螺惯性敏感器,资料图

据了解,“高分五号”卫星的陀螺仪,与“高分”系列的其它卫星不同。它使用的是由我国企业自主研发的半球谐振陀螺仪(下称半球陀螺)。目前,半球谐振陀螺仪作为卫星以及空间飞行器惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件,在空间应用领域具有独特的优势和广阔的前景。

半球谐振陀螺仪是利用半球唇缘的径向振动驻波效应(半球壳径向振动产生的驻波沿环向的偏转),来感测基座敏感旋转运动的一种振动陀螺,是目前精度最高的固态陀螺仪,具有测量精度高、稳定性好、抗冲击抗辐照能力强、工作寿命长等典型特点。

高精度陀螺仪让卫星姿态保持稳定的原理

半球陀螺示意图,资料图

这类陀螺仪是卫星或空间飞行器惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件,可减少卫星配置的陀螺数量,节省宝贵的空间和重量,这对降低卫星制造成本以及发射成本有重要意义。

在以前,卫星大部分采用机械陀螺。与之相比,半球陀螺有三个明显优势:高精度、高可靠性、长寿命。具体来说,高精度,是指其能够更准确地感知卫星姿态的微小变化情况;高可靠性指其质量好;长寿命则指其使用年限更长,特别适用于15年以上长寿命的卫星,尤其在性能要求更高的深空探测器上优势更为明显。

高精度陀螺仪让卫星姿态保持稳定的原理

国外研发的半球谐振陀螺仪,资料图

事实上,因为半球陀螺独特的性能,国外半球谐振陀螺仪的研制技术主要集中在美俄法这3个国家。其中,以美国技术最为先进。目前,美国已将半球陀螺应用在空间飞行器导航、卫星姿态控制、太阳系行星穿越等深空探测任务中。

目前,半球陀螺的潜力还没有完全被挖掘。未来,国内企业还将进一步提高半球陀螺精度,并探索半球陀螺在大容量通讯卫星、深空探测、高精度立体测绘、载人航天等领域的应用。

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