人造卫星以怎样的姿态遨游在宇宙

　
　　“叔叔，晚上能看见人造卫星吗 ？”
　　“借助望远镜是可以看见的，而且最好是在傍晚呢！”国庆期间，记者在北京天文馆听到一位小学生与讲解员的对话。
　　此时，一连串的问号闪现在记者的脑海里，夜幕下的星空，人造卫星是以怎样的姿态在运行呢？
　　看似“高大上”的人造卫星，为了保持运行稳定，主要有两种运行姿态：一类是自旋稳定，另一类是三轴稳定。此外，还有大自旋稳定姿态等。
　　“拿自旋稳定姿态来说，人造卫星围绕其自身的中心轴在旋转，和陀螺的原理一样，旋转起来才能稳定。”“风云”系列静止轨道气象卫星地面应用系统副总工程师郭强介绍，“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。”一般来说，自旋稳定的卫星可以达到每分钟100转左右，只有这样才能在惯性空间运行稳定，对地观测相对稳定。美国和欧洲一些国家的第一代静止气象卫星均采用了该技术。目前我国在轨运行的“风云二号”系列静止气象卫星也采取自旋稳定的方式。
　　由于卫星在不停地旋转，导致自旋稳定的卫星观测地球的视角很小。“静止人造卫星距离地球36000公里左右，地球的半径为6400公里，根据其旋转速度，那么也就只有20度左右的视场，也就是360度旋转一圈，只有5%左右的时间能看到地球。”郭强介绍说，“可以说，自旋稳定卫星的观测效率是很低的。”
　　随着人造卫星探测技术的进步，三轴稳定技术的研究成功，使得观测效率大大提高，理论上的观测效率为100%。郭强说：“由于探测技术的需要，在观测时，我们需要观看一部分冷空，也就是背景。即便是这样，观测效率也可达80%左右。也就是说，在有限的时间里看得慢一些，这样我们可以获得具有更高信噪比的卫星观测云图。”
　　三轴稳定姿态类似于在我们所熟知的X、Y、Z轴坐标系下，将卫星固定住，在飞行时对其相互垂直的三个轴进行控制，任何一个轴都不会产生超出规定值的转动和摆动，这样卫星就可以长时间地对地观看了。郭强举例说：“像利用单反相机一样，如果我们拍摄星空，需要长时间曝光。那么，三轴稳定卫星就可以利用该原理，观测闪电事件、开展高光谱探测了。”
　　正是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，所以卫星的返回、交会、对接及变轨等过程也应用此技术。欧洲第三代静止气象卫星MTG、美国第二代静止气象卫星GOES-R以及我国第二代静止气象卫星“风云四号”气象卫星均采用三轴稳定姿态。
　　值得一提的是，欧洲第二代静止气象卫星采用的是大自旋稳定姿态。据郭强介绍，按严谨的表述，大自旋稳定姿态也是自旋稳定姿态，只不过卫星的平台比较大。从观测的角度来说，就是将其镜头变大，同一时段获得的能量变多。
　　那么未来，三轴稳定姿态的卫星给我们的观测带来了哪些期许呢？郭强介绍：“我国正在研发的‘风云四号’气象卫星将搭载闪电成像仪和高光谱探测仪。”正是由于其姿态控制方式、燃料供应以及搭载仪器的不同，三轴稳定卫星比自旋稳定卫星载重要大得多。
　　众所周知，人造卫星除了静止卫星还有极轨卫星，而极轨卫星对地只有900公里左右，围绕地球南北两极运行，一般采用三轴稳定姿态。“同样是采取三轴稳定姿态，静止卫星比极轨卫星的要求要高得多。”郭强强调，“在对地观测分辨率为1公里时，静止卫星的姿态稳定度要求将是极轨卫星的40倍。所以，这对卫星本身的技术要求更高一些。”