1.1 世界航天技术发展的概况
1.2航天器的分类与系统组成
1.3航天器控制的基本概念
第一章 绪 论
“我知道地球是圆的, 因为我看
见了圆形；然后, 又看到它还是立体
的 。 当我往下看时, …… 看到印度洋
上船舶拖着尾波前进, 非洲一些地方
出现灌木林火, 一场雷电交加的暴风
雨席卷了澳大利亚 1000英里的地区,
呈现出大自然的一幅立体风景画 。,
这是航天员在谈到从航天飞机上
看地球的情景时的一段描述 。
第一章 绪 论
航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一,
它推动着人类科学技术的进步, 使人类活动的领域由大
气层内扩展到宇宙空间 。 航天技术是现代科学技术的结
晶, 是基础科学和技术科学的集成, 航天技术是一个国
家科学技术水平的重要标志 。
空天飞机 设想图
1.1 世界航天技术发展的概况
航天技术是一门综合性的工程技术, 主要包括：制
导与控制技术, 热控制技术, 喷气推进技术, 能源技术,
空间通信技术, 遥测遥控技术, 生命保障技术, 航天环
境工程技术, 火箭及航天器的设计, 制造和试验技术,
航天器的发射, 返回和在轨技术等 。 由多种技术融于一
体的航天系统是现代高技术的复杂大系统, 不仅规模庞
大, 技术高新, 尖端, 而且人力, 物力耗费巨大, 工程
周期长 。 时至今日, 航天技术已被广泛应用到政治, 军
事, 经济和科学探测等领域, 已成为一个国家综合国力
的象征 。
人类很早就有遨游太空,
征服宇宙的理想 。 宇宙的星
球对人类一直充满着吸引力
和神秘感, 许多美丽的神话
和传说, 反映了人类对宇宙
的向往和探索空间奥秘的心
情 。, 嫦娥奔月,,, 牛郎
织女,, 以及孙悟空腾云驾
雾, 一个筋斗十万八千里等 。
飞天壁画
1.1.1 人类的早期航天探索
航天飞行的历史是从火箭技术
的历史开始的, 没有火箭也就没有
航天飞行 。 追溯源头, 中国是最早
发明火箭的国家 。, 火箭, 这个词
在三国时代 (公元 220～ 280年 )就出
现了 。 不过那时的火箭只是在箭杆
前端绑有易燃物, 点燃后由弩弓射
出, 故亦称为, 燃烧箭, 。
? 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代
了易燃物，使 火箭 迅速应用到军事中。公元 lO世纪唐
末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载，这时的
火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火
药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代
茅元仪编著的, 武备志, 中，见图 1.1。
这种原始 火箭 虽然没有现代火
箭那样复杂, 但已经具有了战
斗部 (箭头 ),推进系统 (火药
筒 ),稳定系统 (尾部羽毛 )和箭
体结构 (箭杆 ),完全可以认为
是现代火箭的雏形 。
中华民族不但发明了火箭, 而且还最早应用了串联 (多级 )
和并联 (捆绑 )技术以提高火箭的运载能力 。 明代史记中
记载的, 神火飞鸦, 就是并联技术的体现；, 火龙出水,
就是串, 并联综合技术的具体运用, 如图 1.2所示 。
世界上第一个试图乘坐火箭上天的
,航天员, 也出现在中国 。 相传在 14世
纪末期, 中国有位称为, 万户, 的人,
两手各持一大风筝, 请他人把自己绑在
一把特制的座椅上, 座椅背后装有 47支
当时最大的火箭 (又称, 起火, )。 他试
图借助火箭的推力和风筝的气动升力来
实现, 升空, 的理想 。, 万户, 的勇敢
尝试虽遭失败并献出了生命, 但他仍是
世界上第一个想利用火箭的力量进行飞
行的人 。
万户
19世纪末 20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展
起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出
许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物
K,3．齐奥尔科夫斯基 (~OHCTaHTHH3ayap且 oBHq
UHOaKOBCKHfi),R．戈达德 (Robert Goddard)，
H．奥伯特 (Hermann Oberth)。
1.1.2 近代航天技术的发展
K,3．齐奥尔科夫斯基 R．戈达德
前苏联科学家 齐奥尔
科夫斯基 一生从事利用火
箭技术进行航天飞行的研
究。在他的经典著作中，
对火箭飞行的思想进行了
深刻的论证，最早从理论
上证明了用多级火箭可以
克服地心引力进入太空的
论点。 现代宇航之父齐奥尔科夫斯基
齐奥尔科夫斯基的贡献
1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。
2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，
论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器
的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。
3、指出过用新的燃料 (原子核分解的能量 )来作火箭的动力；
并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的
条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。
4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，
用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭
等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。
美国的火箭专家、物理
学家和现代航天学奠基人
之一 戈达德博士 在 1910年
开始进行近代火箭的研究
工作，他在 1919年发表的
,达到极大高度的方法,
的论文中，阐述了火箭飞
行的数学原理，指出火箭
必须具有 7,9 km／ s的速
度才能克服地球的引力，
并研究了利用火箭把有效
载荷送至月球的几种可能
方案。
美国科学家 戈达德 （ 1882－ 1945）
德国的 奥伯特教授 在他 1923年出版的, 飞向星际
空间的火箭, 一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空
中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够
的推力，便能绕地球轨道飞行。同 齐奥尔科夫斯基 和
戈达德 一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的
研究。
在 1932年德国发射 A2火箭，飞行高度达到 3 km。
1942年 10月 3日，德国首次成功地发射了人类历史上第
一枚弹道导弹 —— V— 2(A4型 )，并于 1944年 9月 6日首
次投入作战使用。
德国Ｖ－２弹道导弹 发射升空的情景
在第二次世界大战中设计了 V—2火箭
并为宇宙探索作出了重大贡献的 冯 ·布劳恩 博士
V-2的成功在工程上实现
了 19世纪末,20世纪初航天技
术先躯者的技术设想，并培养
和造就了一大批有实践经验的
火箭专家，对现代大型火箭的
发展起到了继往开来的作用。
V-2的设计虽不尽完善，但它
却是人类拥有的第一件向地球
引力挑战的工具，成为航天技
术发展史上的一个重要里程碑。
V-2火箭
? 1957年 10月 4日，前苏联用, 卫星, 号运载火箭把世
界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外
径 O,58 m，外伸 4根条形天线，质量 83,6 kg，卫星
在天上正常工作了 3个月。按照今天的标准衡量，前苏
联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆
球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年
的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志
着人类活动范围的又一飞跃。
1.1.3 现代航天的里程碑
? 1960年 3月
11日，美国
发射了, 先
驱者 5号, 探
测器,它成
为人类第一
个深空探测
器，从
3.6510km远
处发回了探
测数据。
“先驱者号”探测器
?1961年 2月
21日，前苏
联发射了
,金星 1号,
探测器,开
始了人类对
太阳系行星
的探测。
“金星号”探测器
? 1961年 4月 12日，前苏联成功地发射了第一艘, 东方号,
载人飞船, 尤里,加加林 成为人类第一位航天员，揭开
了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时
代。
尤
里·
加
加
林
? 1962年 8
月 27日，
美国发射
的,水手 2
号”探测
器 第一次
成功飞越
金星。
“水手 2号”探测器
? 1964年
11月 28日，
美国发射
的,水手 4
号”探测
器 第一次
成功飞越
火星。
“水手 4号”探测器
?1965年 3月，
前苏联航天员
从,上升号”
载人飞船 上走
出舱外，实现
了人类第一次
太空行走。
“上升号”载人飞船
?1966年 1月，
前苏联两艘
“联盟号”飞
船 第一次在轨
道上成功交会
对接，并实现
了两位航天员
从一艘飞船向
另一艘飞船的
转移。
“联盟号” 飞船
? 1969年 7月 20日，美国 N,A．阿姆斯特朗 和 E,E．奥
尔德林 乘坐, 阿波罗 11号, 飞船 登月成功，在月球静
海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人
员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面
照片，搜集了 22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面
起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登
上月球的理想。
N,A,阿姆斯特朗 E,E．奥尔德林
? 1971年 4月 19日，前苏联, 礼炮 1号, 空间站 人轨成功，
其质量约 18 t，总长 14 m，轨道高度 200～ 250 km，轨
道倾角 51,6。，成为人类第一个空间站，完成了有关
天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，
考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。
? 1972年 3月 2日，美国发射了木星和深远空间探测器
,先驱者 10号, 。它携有表明人类信息的镀金铝板，
经过 11年飞行，于 1983年 6月越过海王星轨道，而后成
为飞离太阳系的第一个人造天体。
? 1975年 6月 8日，前苏联发射了, 金星 9号, 探测器,实
现了在金星表面着陆。
? 1975年 7月 18日，美国, 阿波罗号, 飞船 与前苏联
,联盟 19号, 飞船 在大西洋上空 对接成功 (视频资料 )。
? 1975年 8月 20日，美国发射了, 海盗 1号, 探测器,
第一次在火星表面 着陆成功 (视频资料 )。
? 1977年 9月，美国发射了, 旅行者 2号, 探测器,对
天王星、海王星进行探测。
“阿波罗号”飞船与前苏联“联盟 19号”飞船在大西洋上空对接记录片
? 1981年 4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重
复使用的美国航天飞机, 哥伦比亚号, 试飞成功，标
志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使
用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里
程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了
航天飞机时代。至 2000年 10月，航天飞机已成功飞行
100次。
“哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片
? 1986年 2月，前苏联, 和平号, 轨道空间站 发射成功，
它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天
器，在轨运行超过 15年。 2001年 3月 23日,,和平号,
轨道空间站 被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史
使命。
“和平号”轨道空间站
? 目前，更大规模的 国际空间站 在美国、俄罗斯、加拿
大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行
在轨组装建设 ……
人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门 !
? 不难看出，从 公元 10世纪的中国火箭 到第二次世界大
战的 V一 2导弹,人类是出于军事需求发展了火箭技术，
而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自 20
世纪 40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日
臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业
基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋
完善。
? 航天技术从 20世纪 50年代末期的研究试验阶段到 70年
代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中 60年代以
来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫
星与应用卫星得到了很大发展。至 70年代，军、民用
卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导
航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源
等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向
多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。
1.1.4 现代航天技术的应用
北斗导航试验卫星 定位原理图
? 回顾近 50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大
事列举如下：
? 1958年 12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星
,斯科尔号, ；
? 1960年 4月，美国先后发射了 世界上第一颗气象卫
星, 泰罗斯 1号, 和 导航卫星, 子午仪 1B号, ；
? 1963年 7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨
道通信卫星；
? 1964年 8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨
道通信卫星；
? 1965年 4月，美国成功地发射了 世界上第一颗商用通
信卫星, 国际通信卫星 1号,,正式为北美与欧洲之间
提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；
? 1972年 7月，美国发射了 世界上第一颗地球资源卫
星, 陆地卫星 1号, ；
? 1982年 11月,美国航天飞机 开始商业性飞行； 1984
年 11月,美国航天飞机 成功地施放了两颗卫星并回收
了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；
世界上第一颗陆地资源卫星
是美国 1972年 7月 23日发射的，名为 陆地卫星 1号
? 1983年 4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继
卫星；
? 1999年，由 66颗小型卫星组网形成的美国, 铱, 星全
球电话通讯系统建成并投入使用。
? 目前，美国的 GPS系统 和 俄罗斯的卫星导航系统 已成为
全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大
的作用。
我
国
风
云
二
号
气
象
卫
星
? 在我国，继 1970年 4月 24日首颗卫星, 东方红一号, 发
射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的
成就：
东方红一号
? 1975年 11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，
并顺利回收；
? 1984年 4月，我国第一颗静止轨道试验通信卫星发射成
功；
? 1986年 2月，我国第一颗静止轨道实用通信卫星发射成
功；
? 1988年 9月,我国第一颗气象卫星, 风云一号, 发射成
功；
? 至 2000年 10月,我国, 长征, 系列运载火箭 已成功发
射 62次。
? 进入 20世纪 90年代，我国航天技术应用的步伐进一步
加快，大容量通信卫星, 东方红三号,, 气象卫星
,风云一号, 和, 风云二号, 以及 资源卫星 先后发射
成功。
东方红三号
? 1999年 11月 20日我国成功发射了第一艘试验飞船, 神
舟号,,在载人航天领域迈出了坚实的一步 ……
风
云
二
号
综上可见，从 1957年世界上第一颗人造地球卫星
发射成功算起，迄今仅 40余年，航天技术取得了如此
巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与
经济效益。
总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越
来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国
民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这
种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异
的发展。
? 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，
并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、
运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们
首先对航天器进行分类。
? 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分
类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系
列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。
1.2 航天器的分类与系统组成
? 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人
航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇
宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图
1.3所示。
1.2.1 按载人与否分类
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科学卫星
人造地球卫星 应用卫星
技术试验卫星
无人航天器
月球探测器
宇宙探测器 行星探测器
恒星探测器
卫星载人飞船
载人飞船
登月载人飞船
载人航天器 空间站
航天飞机
航天器
图 1.3
? 简称人造卫星，是数量最多的航天器 (占 90％以上 )。
它们的轨道长度由 i00多公里到几十万公里。按用途它
们又可分为：
1．人造地球卫星
(1)科学卫星
(2)应用卫星
(3)技术试验卫星
俄罗斯新研制的 GLONASS－ M导航卫星
目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球
的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞
船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间
站。载人航天器按飞行和工作方式可分为：
2、载人航天器
神舟飞船
(1)载人飞船：
能保障航天员在外层空间生活和工作，以执
行航天任务并能返回地面的航天器
(2)空间站：
可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天
器；
(3)航天飞机：
可以重复使用的，往返于地面和高度在 1000 km
以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。
3．宇宙探测器
飞出地球轨道的探测器，有行星际探测器和恒
星际 (飞出太阳系 )探测器两种。其中行星际探测器
按探测目标又可分为月球和行星 (金星、火星、水
星、木星、土星等 )探测器。如 20世纪 60～ 70年代，
前苏联发射的, 月球,,, 金星,,, 火星,,
,水星, 等系列探测器，美国发射的, 水手,,
,海盗,,, 先驱者,,, 旅行者, 等系列探测器。
旅行者 1号 旅行者 2号
? 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫
星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器
四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。
1.2.2 按人造地球卫星的功能分类
卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得
远 (视场大 )，用它来观察地球是非常有利的。此外，
由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影
响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更
加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。
1、观测站
在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早 (1959年发
射 )，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子
侦察卫星两种。
（ 1） 侦察卫星,
(2)气象卫星,
气象卫星利用所携带的各种气象遥感器，接收
和测量来自地球、海洋和大气的可见光辐射、红外
线辐射和微波辐射信息，再将它们转换成电信号传
送给地面接收站。
风云二号
资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展
而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标
辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地
面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它
们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。
(3)地球资源卫星：
中巴资源卫星
(4)海洋卫星,
海洋卫星 的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶
的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资
源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海
况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学
研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军
事活动等。
? 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、
核爆炸探测卫星、天文预测卫星 (如 美国的, 哈勃, 太
空望远镜 )等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，
但基本观测原理都是相似的。
美国的“哈勃”太空望远镜
2．中继站
中继站是一种在轨道上对信息进行放大和转发
的卫星。具体分为两类：一类用于传输地面上相隔
很远的地点之间的电话、电报、电视和数据；另一
类用于传输卫星与地面之间的电视和数据。这种卫
星有下列几种：
美国新一代跟踪和数据中继卫星
利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下
列优点：
①通信容量大；
②覆盖面积广；
③通信距离远；
④可靠性高；
⑤灵活性好；
⑥成本低。
(1)通信卫星：
中国新一代通信卫星 ——东方红三号
广播卫星 是一种主要用于电视广播的通信卫星。
这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或
发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，
因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架
直径不到 1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广
播节目。
(2)广播卫星：
跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大
发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，
其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，
形成星地测控系统网。
(3)跟踪和数据中继卫星：
美国新一代跟踪和数据中继卫星
3．基准站
这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测
轨非常准确。属于这种功能的卫星有：
(1)导航卫星
(2)测地卫星
这种卫星发出一对频率非常稳定的无线电波，海上船
只、水下的潜艇和陆地上的运动体等都可以通过接收卫星
发射的电波信号来确定自己的位置。
由于地面上的测量站是固定的，所以测量精度比对
舰船导航定位的精度高。卫星测地目前达到的精度比
常规大地测量的精度高几十倍以上。
北斗一号导航卫星
4．轨道武器
这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空
间攻击的职能。它主要包括：
(1)拦截卫星
(2)轨道轰炸系统
卫星作为一种武器在轨道上接近，识别并摧毁敌
方空间系统，这种卫星被称为反卫星卫星。
轨道轰炸系统是一种空间对地的进攻型武器。
美
国
研
制
的
空
间
拦
截
卫
星
不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能
干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典
型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基
本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。
1.2.3 航天器的基本系统组成
美空天飞机计划
1．有效载荷
用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器
或分系统。
有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不
同而异。例如，科学卫星上的粒子探测器，天文观测
卫星上的天文望远镜，侦察卫星上的可见光相机,CCD
相机、红外探测器、无线电侦察接收机，气象卫星上
的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视
摄像机,CCD摄像机、主题测绘仪、合成孔径雷达，通
信卫星上的转发器和通信天线，生物科学卫星上的种
子和培养基等，均属有效载荷。
? 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途
的卫星可以装有几种类型的有效载荷。
? 2．保障系统
? 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上
所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统
一般包括下列分系统：
(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，
使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射
和空间运行时的各种力学环境 (振动、过载、冲击、噪
声 )以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重
量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多
采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。
通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比
例来衡量航天器结构设计和制造水平。
(2)热控制系统：用来保障各种仪器设备在复杂的环境
中处于允许的温度范围内。热控制分为被动热控制和
主动热控制两类。热控制的措施主要有表面处理 (抛光、
镀金或喷刷热控涂层 )，包敷多层隔热材料，使用旋转
盘、相变材料、百叶窗、热管和电加热器等。
(3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的
电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供
电系统。
(4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。
常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三
轴稳定。
(5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。
轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制
系统。
(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。遥测部
分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量并
向地面发送航天器的各种仪器设备的工程参数 (212作
电压、电流、温度等 )和其他参数 (环境参数和姿态参
数等 )。遥控部分一般由接收机和译码器组成，用于接
收地面测控站发来的遥控指令，传送给有关系统执行。
跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，
以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。
除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的
飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。
例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、
环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞
机有着陆系统等。
通常，航天器的各部分系统分别安装在不同的舱
段中，一般航天器按舱段划分可以分为有效载荷舱和
公用舱两部分，或者分为有效载荷舱、公用舱和推进
舱三部分。有效载荷放置于有效载荷舱中，保障系统
安装在公用舱和推进舱中。而对于返回式卫星和载人
飞船一类返回式航天器而言，它们还必须包含一个相
对独立的返回舱，放置需要再度返回的有效载荷 (人员
和物资 )和相应的保障系统。
一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、
姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器
的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态
运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运
动学的观点来说，一个航天器的运动具有 6个自由度，
其中 3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外 3个
绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。
1.3 航天器控制的基本概念
航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。
姿态控制
对航天器的质心施以外力，以有目的地改变其运动轨迹
的技术。
对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在
空间的定向的技术。
轨道控制
1．轨道控制
轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。
轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，
有时也称为空间导航，简称 导航 ；轨道控制是根据航
天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以
控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为 制导 。
轨道控制按应用方式可分为四类。
(1)轨道机动：
指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个
自由飞行段轨道的控制。例如，地球静止卫星发射过
程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就
须进行一次轨道机动。
(2)轨道保持：
指克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保持
不变的控制。
(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时
间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。
(4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返
回进入大气层的控制 。
2．姿态控制
姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。
姿态确定 是研究航天器相对于某个基准的确定姿
态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣
的某个基准，例如地球。
姿态控制 是航天器在规定或预先确定的方向 (可称
为参考方向 )上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态
机动。 姿态稳定 是指使姿态保持在指定方向，而 姿态
机动 是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定
向过程。
姿态控制通常包括以下几个具体概念。
(1)定向：指航天器的本体或附件 (如太阳能电池阵、
观测设备、天线等 )以单轴或三轴按一定精度保持在给
定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文
观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要
克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通
过控制加以保持。
(2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改
变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过
连续的姿态机动控制来实现的。
(3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿
态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星
箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定
向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新
定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对
准和精对准两个阶段进行。
(4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩
短机动的时间，但不要求很高的定向精度。
(5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的
修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的
控制力矩。
(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。
(7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。
总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的
过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器
要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准
所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热
面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的
姿态。
姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳
定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。
(1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴 (自旋轴 )旋转，
依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋
稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。
(2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保
持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。
3．姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨
道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天
器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进
行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具
体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控
制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严
格要求，而对航天器的姿态却有要求。
航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。
(1)被动控制,其控制力或力矩由空间环境和航天器
动力学特性提供，不需要消耗星上能源。
(2)主动控制,包括测量航天器的姿态和轨道，处理
测量数据，按照一定的控制规律产生控制指令，并执
行指令产生对航天器的控制力或力矩。主动控制需要
消耗电能或工质等星上能源，由星载或地面设备组成
闭环系统来实现。
4．主动控制系统的组成
航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是
轨道控制系统，都有两种组成方式。
高空空天飞机 设想图
(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载
仪器实现的控制，其系统结构见图 1,4
(2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地
面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其
结构见图 1,5。
1.2航天器的分类与系统组成
1.3航天器控制的基本概念
第一章 绪 论
“我知道地球是圆的, 因为我看
见了圆形；然后, 又看到它还是立体
的 。 当我往下看时, …… 看到印度洋
上船舶拖着尾波前进, 非洲一些地方
出现灌木林火, 一场雷电交加的暴风
雨席卷了澳大利亚 1000英里的地区,
呈现出大自然的一幅立体风景画 。,
这是航天员在谈到从航天飞机上
看地球的情景时的一段描述 。
第一章 绪 论
航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一,
它推动着人类科学技术的进步, 使人类活动的领域由大
气层内扩展到宇宙空间 。 航天技术是现代科学技术的结
晶, 是基础科学和技术科学的集成, 航天技术是一个国
家科学技术水平的重要标志 。
空天飞机 设想图
1.1 世界航天技术发展的概况
航天技术是一门综合性的工程技术, 主要包括：制
导与控制技术, 热控制技术, 喷气推进技术, 能源技术,
空间通信技术, 遥测遥控技术, 生命保障技术, 航天环
境工程技术, 火箭及航天器的设计, 制造和试验技术,
航天器的发射, 返回和在轨技术等 。 由多种技术融于一
体的航天系统是现代高技术的复杂大系统, 不仅规模庞
大, 技术高新, 尖端, 而且人力, 物力耗费巨大, 工程
周期长 。 时至今日, 航天技术已被广泛应用到政治, 军
事, 经济和科学探测等领域, 已成为一个国家综合国力
的象征 。
人类很早就有遨游太空,
征服宇宙的理想 。 宇宙的星
球对人类一直充满着吸引力
和神秘感, 许多美丽的神话
和传说, 反映了人类对宇宙
的向往和探索空间奥秘的心
情 。, 嫦娥奔月,,, 牛郎
织女,, 以及孙悟空腾云驾
雾, 一个筋斗十万八千里等 。
飞天壁画
1.1.1 人类的早期航天探索
航天飞行的历史是从火箭技术
的历史开始的, 没有火箭也就没有
航天飞行 。 追溯源头, 中国是最早
发明火箭的国家 。, 火箭, 这个词
在三国时代 (公元 220～ 280年 )就出
现了 。 不过那时的火箭只是在箭杆
前端绑有易燃物, 点燃后由弩弓射
出, 故亦称为, 燃烧箭, 。
? 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代
了易燃物，使 火箭 迅速应用到军事中。公元 lO世纪唐
末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载，这时的
火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火
药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代
茅元仪编著的, 武备志, 中，见图 1.1。
这种原始 火箭 虽然没有现代火
箭那样复杂, 但已经具有了战
斗部 (箭头 ),推进系统 (火药
筒 ),稳定系统 (尾部羽毛 )和箭
体结构 (箭杆 ),完全可以认为
是现代火箭的雏形 。
中华民族不但发明了火箭, 而且还最早应用了串联 (多级 )
和并联 (捆绑 )技术以提高火箭的运载能力 。 明代史记中
记载的, 神火飞鸦, 就是并联技术的体现；, 火龙出水,
就是串, 并联综合技术的具体运用, 如图 1.2所示 。
世界上第一个试图乘坐火箭上天的
,航天员, 也出现在中国 。 相传在 14世
纪末期, 中国有位称为, 万户, 的人,
两手各持一大风筝, 请他人把自己绑在
一把特制的座椅上, 座椅背后装有 47支
当时最大的火箭 (又称, 起火, )。 他试
图借助火箭的推力和风筝的气动升力来
实现, 升空, 的理想 。, 万户, 的勇敢
尝试虽遭失败并献出了生命, 但他仍是
世界上第一个想利用火箭的力量进行飞
行的人 。
万户
19世纪末 20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展
起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出
许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物
K,3．齐奥尔科夫斯基 (~OHCTaHTHH3ayap且 oBHq
UHOaKOBCKHfi),R．戈达德 (Robert Goddard)，
H．奥伯特 (Hermann Oberth)。
1.1.2 近代航天技术的发展
K,3．齐奥尔科夫斯基 R．戈达德
前苏联科学家 齐奥尔
科夫斯基 一生从事利用火
箭技术进行航天飞行的研
究。在他的经典著作中，
对火箭飞行的思想进行了
深刻的论证，最早从理论
上证明了用多级火箭可以
克服地心引力进入太空的
论点。 现代宇航之父齐奥尔科夫斯基
齐奥尔科夫斯基的贡献
1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。
2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，
论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器
的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。
3、指出过用新的燃料 (原子核分解的能量 )来作火箭的动力；
并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的
条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。
4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，
用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭
等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。
美国的火箭专家、物理
学家和现代航天学奠基人
之一 戈达德博士 在 1910年
开始进行近代火箭的研究
工作，他在 1919年发表的
,达到极大高度的方法,
的论文中，阐述了火箭飞
行的数学原理，指出火箭
必须具有 7,9 km／ s的速
度才能克服地球的引力，
并研究了利用火箭把有效
载荷送至月球的几种可能
方案。
美国科学家 戈达德 （ 1882－ 1945）
德国的 奥伯特教授 在他 1923年出版的, 飞向星际
空间的火箭, 一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空
中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够
的推力，便能绕地球轨道飞行。同 齐奥尔科夫斯基 和
戈达德 一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的
研究。
在 1932年德国发射 A2火箭，飞行高度达到 3 km。
1942年 10月 3日，德国首次成功地发射了人类历史上第
一枚弹道导弹 —— V— 2(A4型 )，并于 1944年 9月 6日首
次投入作战使用。
德国Ｖ－２弹道导弹 发射升空的情景
在第二次世界大战中设计了 V—2火箭
并为宇宙探索作出了重大贡献的 冯 ·布劳恩 博士
V-2的成功在工程上实现
了 19世纪末,20世纪初航天技
术先躯者的技术设想，并培养
和造就了一大批有实践经验的
火箭专家，对现代大型火箭的
发展起到了继往开来的作用。
V-2的设计虽不尽完善，但它
却是人类拥有的第一件向地球
引力挑战的工具，成为航天技
术发展史上的一个重要里程碑。
V-2火箭
? 1957年 10月 4日，前苏联用, 卫星, 号运载火箭把世
界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外
径 O,58 m，外伸 4根条形天线，质量 83,6 kg，卫星
在天上正常工作了 3个月。按照今天的标准衡量，前苏
联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆
球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年
的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志
着人类活动范围的又一飞跃。
1.1.3 现代航天的里程碑
? 1960年 3月
11日，美国
发射了, 先
驱者 5号, 探
测器,它成
为人类第一
个深空探测
器，从
3.6510km远
处发回了探
测数据。
“先驱者号”探测器
?1961年 2月
21日，前苏
联发射了
,金星 1号,
探测器,开
始了人类对
太阳系行星
的探测。
“金星号”探测器
? 1961年 4月 12日，前苏联成功地发射了第一艘, 东方号,
载人飞船, 尤里,加加林 成为人类第一位航天员，揭开
了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时
代。
尤
里·
加
加
林
? 1962年 8
月 27日，
美国发射
的,水手 2
号”探测
器 第一次
成功飞越
金星。
“水手 2号”探测器
? 1964年
11月 28日，
美国发射
的,水手 4
号”探测
器 第一次
成功飞越
火星。
“水手 4号”探测器
?1965年 3月，
前苏联航天员
从,上升号”
载人飞船 上走
出舱外，实现
了人类第一次
太空行走。
“上升号”载人飞船
?1966年 1月，
前苏联两艘
“联盟号”飞
船 第一次在轨
道上成功交会
对接，并实现
了两位航天员
从一艘飞船向
另一艘飞船的
转移。
“联盟号” 飞船
? 1969年 7月 20日，美国 N,A．阿姆斯特朗 和 E,E．奥
尔德林 乘坐, 阿波罗 11号, 飞船 登月成功，在月球静
海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人
员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面
照片，搜集了 22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面
起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登
上月球的理想。
N,A,阿姆斯特朗 E,E．奥尔德林
? 1971年 4月 19日，前苏联, 礼炮 1号, 空间站 人轨成功，
其质量约 18 t，总长 14 m，轨道高度 200～ 250 km，轨
道倾角 51,6。，成为人类第一个空间站，完成了有关
天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，
考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。
? 1972年 3月 2日，美国发射了木星和深远空间探测器
,先驱者 10号, 。它携有表明人类信息的镀金铝板，
经过 11年飞行，于 1983年 6月越过海王星轨道，而后成
为飞离太阳系的第一个人造天体。
? 1975年 6月 8日，前苏联发射了, 金星 9号, 探测器,实
现了在金星表面着陆。
? 1975年 7月 18日，美国, 阿波罗号, 飞船 与前苏联
,联盟 19号, 飞船 在大西洋上空 对接成功 (视频资料 )。
? 1975年 8月 20日，美国发射了, 海盗 1号, 探测器,
第一次在火星表面 着陆成功 (视频资料 )。
? 1977年 9月，美国发射了, 旅行者 2号, 探测器,对
天王星、海王星进行探测。
“阿波罗号”飞船与前苏联“联盟 19号”飞船在大西洋上空对接记录片
? 1981年 4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重
复使用的美国航天飞机, 哥伦比亚号, 试飞成功，标
志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使
用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里
程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了
航天飞机时代。至 2000年 10月，航天飞机已成功飞行
100次。
“哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片
? 1986年 2月，前苏联, 和平号, 轨道空间站 发射成功，
它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天
器，在轨运行超过 15年。 2001年 3月 23日,,和平号,
轨道空间站 被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史
使命。
“和平号”轨道空间站
? 目前，更大规模的 国际空间站 在美国、俄罗斯、加拿
大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行
在轨组装建设 ……
人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门 !
? 不难看出，从 公元 10世纪的中国火箭 到第二次世界大
战的 V一 2导弹,人类是出于军事需求发展了火箭技术，
而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自 20
世纪 40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日
臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业
基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋
完善。
? 航天技术从 20世纪 50年代末期的研究试验阶段到 70年
代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中 60年代以
来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫
星与应用卫星得到了很大发展。至 70年代，军、民用
卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导
航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源
等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向
多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。
1.1.4 现代航天技术的应用
北斗导航试验卫星 定位原理图
? 回顾近 50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大
事列举如下：
? 1958年 12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星
,斯科尔号, ；
? 1960年 4月，美国先后发射了 世界上第一颗气象卫
星, 泰罗斯 1号, 和 导航卫星, 子午仪 1B号, ；
? 1963年 7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨
道通信卫星；
? 1964年 8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨
道通信卫星；
? 1965年 4月，美国成功地发射了 世界上第一颗商用通
信卫星, 国际通信卫星 1号,,正式为北美与欧洲之间
提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；
? 1972年 7月，美国发射了 世界上第一颗地球资源卫
星, 陆地卫星 1号, ；
? 1982年 11月,美国航天飞机 开始商业性飞行； 1984
年 11月,美国航天飞机 成功地施放了两颗卫星并回收
了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；
世界上第一颗陆地资源卫星
是美国 1972年 7月 23日发射的，名为 陆地卫星 1号
? 1983年 4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继
卫星；
? 1999年，由 66颗小型卫星组网形成的美国, 铱, 星全
球电话通讯系统建成并投入使用。
? 目前，美国的 GPS系统 和 俄罗斯的卫星导航系统 已成为
全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大
的作用。
我
国
风
云
二
号
气
象
卫
星
? 在我国，继 1970年 4月 24日首颗卫星, 东方红一号, 发
射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的
成就：
东方红一号
? 1975年 11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，
并顺利回收；
? 1984年 4月，我国第一颗静止轨道试验通信卫星发射成
功；
? 1986年 2月，我国第一颗静止轨道实用通信卫星发射成
功；
? 1988年 9月,我国第一颗气象卫星, 风云一号, 发射成
功；
? 至 2000年 10月,我国, 长征, 系列运载火箭 已成功发
射 62次。
? 进入 20世纪 90年代，我国航天技术应用的步伐进一步
加快，大容量通信卫星, 东方红三号,, 气象卫星
,风云一号, 和, 风云二号, 以及 资源卫星 先后发射
成功。
东方红三号
? 1999年 11月 20日我国成功发射了第一艘试验飞船, 神
舟号,,在载人航天领域迈出了坚实的一步 ……
风
云
二
号
综上可见，从 1957年世界上第一颗人造地球卫星
发射成功算起，迄今仅 40余年，航天技术取得了如此
巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与
经济效益。
总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越
来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国
民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这
种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异
的发展。
? 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，
并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、
运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们
首先对航天器进行分类。
? 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分
类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系
列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。
1.2 航天器的分类与系统组成
? 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人
航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇
宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图
1.3所示。
1.2.1 按载人与否分类
? ? ?
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科学卫星
人造地球卫星 应用卫星
技术试验卫星
无人航天器
月球探测器
宇宙探测器 行星探测器
恒星探测器
卫星载人飞船
载人飞船
登月载人飞船
载人航天器 空间站
航天飞机
航天器
图 1.3
? 简称人造卫星，是数量最多的航天器 (占 90％以上 )。
它们的轨道长度由 i00多公里到几十万公里。按用途它
们又可分为：
1．人造地球卫星
(1)科学卫星
(2)应用卫星
(3)技术试验卫星
俄罗斯新研制的 GLONASS－ M导航卫星
目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球
的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞
船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间
站。载人航天器按飞行和工作方式可分为：
2、载人航天器
神舟飞船
(1)载人飞船：
能保障航天员在外层空间生活和工作，以执
行航天任务并能返回地面的航天器
(2)空间站：
可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天
器；
(3)航天飞机：
可以重复使用的，往返于地面和高度在 1000 km
以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。
3．宇宙探测器
飞出地球轨道的探测器，有行星际探测器和恒
星际 (飞出太阳系 )探测器两种。其中行星际探测器
按探测目标又可分为月球和行星 (金星、火星、水
星、木星、土星等 )探测器。如 20世纪 60～ 70年代，
前苏联发射的, 月球,,, 金星,,, 火星,,
,水星, 等系列探测器，美国发射的, 水手,,
,海盗,,, 先驱者,,, 旅行者, 等系列探测器。
旅行者 1号 旅行者 2号
? 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫
星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器
四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。
1.2.2 按人造地球卫星的功能分类
卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得
远 (视场大 )，用它来观察地球是非常有利的。此外，
由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影
响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更
加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。
1、观测站
在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早 (1959年发
射 )，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子
侦察卫星两种。
（ 1） 侦察卫星,
(2)气象卫星,
气象卫星利用所携带的各种气象遥感器，接收
和测量来自地球、海洋和大气的可见光辐射、红外
线辐射和微波辐射信息，再将它们转换成电信号传
送给地面接收站。
风云二号
资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展
而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标
辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地
面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它
们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。
(3)地球资源卫星：
中巴资源卫星
(4)海洋卫星,
海洋卫星 的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶
的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资
源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海
况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学
研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军
事活动等。
? 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、
核爆炸探测卫星、天文预测卫星 (如 美国的, 哈勃, 太
空望远镜 )等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，
但基本观测原理都是相似的。
美国的“哈勃”太空望远镜
2．中继站
中继站是一种在轨道上对信息进行放大和转发
的卫星。具体分为两类：一类用于传输地面上相隔
很远的地点之间的电话、电报、电视和数据；另一
类用于传输卫星与地面之间的电视和数据。这种卫
星有下列几种：
美国新一代跟踪和数据中继卫星
利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下
列优点：
①通信容量大；
②覆盖面积广；
③通信距离远；
④可靠性高；
⑤灵活性好；
⑥成本低。
(1)通信卫星：
中国新一代通信卫星 ——东方红三号
广播卫星 是一种主要用于电视广播的通信卫星。
这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或
发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，
因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架
直径不到 1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广
播节目。
(2)广播卫星：
跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大
发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，
其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，
形成星地测控系统网。
(3)跟踪和数据中继卫星：
美国新一代跟踪和数据中继卫星
3．基准站
这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测
轨非常准确。属于这种功能的卫星有：
(1)导航卫星
(2)测地卫星
这种卫星发出一对频率非常稳定的无线电波，海上船
只、水下的潜艇和陆地上的运动体等都可以通过接收卫星
发射的电波信号来确定自己的位置。
由于地面上的测量站是固定的，所以测量精度比对
舰船导航定位的精度高。卫星测地目前达到的精度比
常规大地测量的精度高几十倍以上。
北斗一号导航卫星
4．轨道武器
这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空
间攻击的职能。它主要包括：
(1)拦截卫星
(2)轨道轰炸系统
卫星作为一种武器在轨道上接近，识别并摧毁敌
方空间系统，这种卫星被称为反卫星卫星。
轨道轰炸系统是一种空间对地的进攻型武器。
美
国
研
制
的
空
间
拦
截
卫
星
不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能
干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典
型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基
本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。
1.2.3 航天器的基本系统组成
美空天飞机计划
1．有效载荷
用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器
或分系统。
有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不
同而异。例如，科学卫星上的粒子探测器，天文观测
卫星上的天文望远镜，侦察卫星上的可见光相机,CCD
相机、红外探测器、无线电侦察接收机，气象卫星上
的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视
摄像机,CCD摄像机、主题测绘仪、合成孔径雷达，通
信卫星上的转发器和通信天线，生物科学卫星上的种
子和培养基等，均属有效载荷。
? 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途
的卫星可以装有几种类型的有效载荷。
? 2．保障系统
? 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上
所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统
一般包括下列分系统：
(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，
使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射
和空间运行时的各种力学环境 (振动、过载、冲击、噪
声 )以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重
量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多
采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。
通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比
例来衡量航天器结构设计和制造水平。
(2)热控制系统：用来保障各种仪器设备在复杂的环境
中处于允许的温度范围内。热控制分为被动热控制和
主动热控制两类。热控制的措施主要有表面处理 (抛光、
镀金或喷刷热控涂层 )，包敷多层隔热材料，使用旋转
盘、相变材料、百叶窗、热管和电加热器等。
(3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的
电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供
电系统。
(4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。
常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三
轴稳定。
(5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。
轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制
系统。
(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。遥测部
分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量并
向地面发送航天器的各种仪器设备的工程参数 (212作
电压、电流、温度等 )和其他参数 (环境参数和姿态参
数等 )。遥控部分一般由接收机和译码器组成，用于接
收地面测控站发来的遥控指令，传送给有关系统执行。
跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，
以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。
除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的
飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。
例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、
环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞
机有着陆系统等。
通常，航天器的各部分系统分别安装在不同的舱
段中，一般航天器按舱段划分可以分为有效载荷舱和
公用舱两部分，或者分为有效载荷舱、公用舱和推进
舱三部分。有效载荷放置于有效载荷舱中，保障系统
安装在公用舱和推进舱中。而对于返回式卫星和载人
飞船一类返回式航天器而言，它们还必须包含一个相
对独立的返回舱，放置需要再度返回的有效载荷 (人员
和物资 )和相应的保障系统。
一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、
姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器
的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态
运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运
动学的观点来说，一个航天器的运动具有 6个自由度，
其中 3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外 3个
绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。
1.3 航天器控制的基本概念
航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。
姿态控制
对航天器的质心施以外力，以有目的地改变其运动轨迹
的技术。
对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在
空间的定向的技术。
轨道控制
1．轨道控制
轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。
轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，
有时也称为空间导航，简称 导航 ；轨道控制是根据航
天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以
控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为 制导 。
轨道控制按应用方式可分为四类。
(1)轨道机动：
指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个
自由飞行段轨道的控制。例如，地球静止卫星发射过
程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就
须进行一次轨道机动。
(2)轨道保持：
指克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保持
不变的控制。
(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时
间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。
(4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返
回进入大气层的控制 。
2．姿态控制
姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。
姿态确定 是研究航天器相对于某个基准的确定姿
态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣
的某个基准，例如地球。
姿态控制 是航天器在规定或预先确定的方向 (可称
为参考方向 )上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态
机动。 姿态稳定 是指使姿态保持在指定方向，而 姿态
机动 是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定
向过程。
姿态控制通常包括以下几个具体概念。
(1)定向：指航天器的本体或附件 (如太阳能电池阵、
观测设备、天线等 )以单轴或三轴按一定精度保持在给
定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文
观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要
克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通
过控制加以保持。
(2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改
变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过
连续的姿态机动控制来实现的。
(3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿
态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星
箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定
向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新
定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对
准和精对准两个阶段进行。
(4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩
短机动的时间，但不要求很高的定向精度。
(5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的
修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的
控制力矩。
(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。
(7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。
总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的
过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器
要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准
所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热
面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的
姿态。
姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳
定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。
(1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴 (自旋轴 )旋转，
依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋
稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。
(2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保
持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。
3．姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨
道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天
器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进
行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具
体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控
制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严
格要求，而对航天器的姿态却有要求。
航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。
(1)被动控制,其控制力或力矩由空间环境和航天器
动力学特性提供，不需要消耗星上能源。
(2)主动控制,包括测量航天器的姿态和轨道，处理
测量数据，按照一定的控制规律产生控制指令，并执
行指令产生对航天器的控制力或力矩。主动控制需要
消耗电能或工质等星上能源，由星载或地面设备组成
闭环系统来实现。
4．主动控制系统的组成
航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是
轨道控制系统，都有两种组成方式。
高空空天飞机 设想图
(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载
仪器实现的控制，其系统结构见图 1,4
(2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地
面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其
结构见图 1,5。
