IGSO衛(wèi)星地球敏感器受兩極紅外輻射波動(dòng)影響分析

常建松 郭建新 李艷華 劉忠漢

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱150080

2.北京控制工程研究所，北京100190

傾斜地球同步軌道(IGSO，Inclined Geo-Synchronous Orbit)衛(wèi)星軌道高度為35786km，軌道傾角一般為55°以上，星下點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)“8”字特征。IGSO衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，采用擺動(dòng)掃描式紅外地球敏感器(以下簡(jiǎn)稱“地敏”)測(cè)量滾動(dòng)俯仰姿態(tài)，陀螺和太陽敏感器測(cè)量偏航姿態(tài)。衛(wèi)星正常工作時(shí)，偏航動(dòng)態(tài)偏置使得衛(wèi)星+X軸指向太陽以保證能源供應(yīng)。因此，與GEO衛(wèi)星標(biāo)稱姿態(tài)時(shí)地敏探頭視場(chǎng)沿南、北緯45°附近掃描地平不同，IGSO衛(wèi)星隨著軌道位置改變，探頭掃描軌跡位置不斷變化，地敏探頭每天均會(huì)規(guī)律性地掃描經(jīng)過兩極區(qū)域，若此時(shí)該地區(qū)紅外輻射波動(dòng)劇烈，干擾地敏探頭測(cè)量，則會(huì)導(dǎo)致地敏輸出姿態(tài)角異常。

文獻(xiàn)［1］介紹印度IRS-1A衛(wèi)星上使用的靜態(tài)地球敏感器在通過南極區(qū)域失去地球可見信號(hào)，導(dǎo)致姿態(tài)基準(zhǔn)丟失，文中給出該靜態(tài)地敏測(cè)量的不同月份時(shí)地球紅外輻射強(qiáng)度隨軌道周期變化曲線，數(shù)據(jù)表明7月份時(shí)南極地區(qū)輻射強(qiáng)度會(huì)明顯降低。文獻(xiàn)［2］詳細(xì)分析了地球紅外輻射隨季節(jié)和緯度變化對(duì)ERBS衛(wèi)星姿態(tài)控制的影響，在軌數(shù)據(jù)表明紅外地敏測(cè)量姿態(tài)誤差受地球紅外輻射影響顯著，7月份南極區(qū)域俯仰角誤差達(dá)到 0.45°。

綜上所述，有必要開展IGSO衛(wèi)星地敏受兩極紅外輻射波動(dòng)影響分析工作，解決地敏受擾輸出姿態(tài)角誤差增大問題，研究行之有效的地敏探頭干擾保護(hù)處理措施。

1 擺動(dòng)掃描式紅外地球敏感器簡(jiǎn)介

IGSO衛(wèi)星采用單地平穿越擺動(dòng)掃描式紅外敏感器，其復(fù)合視場(chǎng)包含4個(gè)紅外探測(cè)器探頭，敏感14～16μm紅外波段，每個(gè)探頭為1.3°×1.3°方形視場(chǎng)，其對(duì)角線分別平行于星體俯仰軸和滾動(dòng)軸，如圖1所示，圖中A，B，C，D 分別代表地敏探頭1，2，3，4。地敏有2種掃描方式:寬掃描和窄掃描，可由遙控指令選擇。寬掃描方式的掃描范圍為±11°，窄掃描方式的掃描范圍為±5.5°。一般情況下，轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)行或捕獲地球時(shí)使用寬掃描方式，在地球同步軌道時(shí)使用窄掃描方式。

地敏探頭對(duì)地球和背景空間的紅外輻射進(jìn)行檢測(cè)，輸出類似梯形的地球波，內(nèi)部處理線路提取代表姿態(tài)信息的地平穿越脈沖，即圖1所示測(cè)量脈沖，再與零位基準(zhǔn)脈沖信號(hào)比較，通過姿態(tài)處理邏輯單元計(jì)算獲得滾動(dòng)、俯仰角測(cè)量值。正常4個(gè)探頭工作時(shí)，地敏測(cè)量輸出滾動(dòng)俯仰姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型公式如式(1)［3］。

圖1 紅外地球敏感器復(fù)合視場(chǎng)及測(cè)量原理

式中，Δ1，Δ2，Δ3，Δ4 分別為各探頭輸出弦寬測(cè)量值，φ為滾動(dòng)角，θ為俯仰角。

2 兩極紅外輻射波動(dòng)影響分析

2.1 誤差分析

文獻(xiàn)［4］中指出，溫度是影響地球紅外輻射的最重要因素，大氣溫度隨地理緯度、季節(jié)及高度的不同而有較大的變化。紅外輻射的緯度效應(yīng)可由圖2看出，該圖表示7月份在對(duì)地靜止軌道上看到的14～16μm波段地球的等輻亮度曲線。圖中方格形坐標(biāo)所示的數(shù)值為從衛(wèi)星上觀察地球，觀察點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視線與地垂線間的夾角。可見夏季南極輻射水平明顯低于北極。文獻(xiàn)［1］的在軌測(cè)量數(shù)據(jù)同樣表明地球紅外輻射強(qiáng)度隨季節(jié)和緯度變化顯著。高緯度地區(qū)紅外輻射水平季節(jié)間差別較大，波動(dòng)較大，因此對(duì)于地敏測(cè)量是不利的，可能帶來較大誤差［4］。

由于紅外地平圈附近的紅外輻射亮度由內(nèi)向外是逐漸減小的，因此地敏測(cè)量獲得的原始地球波形狀類似于梯形，并且隨著探頭視場(chǎng)穿越點(diǎn)處的地球紅外輻射亮度的不同，地球波變化的快慢程度也不一樣。對(duì)于IGSO衛(wèi)星，由于工作在大傾角的同步軌道上，4個(gè)探頭地平穿越點(diǎn)處的紅外輻射強(qiáng)度不同，每個(gè)探頭測(cè)量得到的地平穿越位置不再與基準(zhǔn)位置重合，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，這便是地球敏感器的地球輻射誤差［5］。尤其是當(dāng)?shù)孛籼筋^掃描經(jīng)過紅外輻射波動(dòng)劇烈的兩極區(qū)域時(shí)，相應(yīng)探頭測(cè)量的地球輻射強(qiáng)度信號(hào)變化顯著，提取地平穿越脈沖會(huì)嚴(yán)重偏離真實(shí)位置，當(dāng)與基準(zhǔn)脈沖比較時(shí)出現(xiàn)較大的偏差，最終導(dǎo)致姿態(tài)計(jì)算誤差增大，地敏輸出姿態(tài)角異常。

圖2 地球紅外輻射的緯度效應(yīng)圖

2.2 仿真分析

利用STK軟件建立IGSO衛(wèi)星地敏受兩極紅外輻射干擾分析仿真場(chǎng)景，見圖3，圖中探頭1視場(chǎng)為藍(lán)色透視區(qū)域，探頭2為綠色，探頭3為白色，探頭4為粉色，分布位置同圖1。異常干擾區(qū)域用紅色方框標(biāo)示，范圍設(shè)定為西經(jīng)10°～70°，南緯55°～80°之間的方形區(qū)域，探頭掃描區(qū)域在地面投影用相應(yīng)顏色突出顯示，二維顯示界面以黃色透視區(qū)域表示陽照區(qū)，用紅色圓圈標(biāo)出地敏探頭掃描穿越地平位置。

圖3 STK仿真分析場(chǎng)景示意圖

可以利用STK仿真預(yù)報(bào)各探頭掃描經(jīng)過紅外輻射異常區(qū)域時(shí)段，在仿真設(shè)置的衛(wèi)星初始軌道條件下，探頭2每天08:20～10:30(北京時(shí))掃描經(jīng)過異常區(qū)域，探頭1每天13:00～13:30(北京時(shí))掃描經(jīng)過異常區(qū)域。

圖4 探頭2受擾時(shí)掃過地面軌跡

探頭2受擾STK仿真分析場(chǎng)景見圖4，此時(shí)探頭2掃描地平穿越點(diǎn)位于異常干擾區(qū)，地敏輸出姿態(tài)角仿真曲線見圖5，從圖中可以看出滾動(dòng)和俯仰角測(cè)量值變化有很強(qiáng)的相關(guān)性，即滾動(dòng)角增大的同時(shí)俯仰角也增大，滾動(dòng)角減小俯仰角隨之減小，且幅值基本相同。進(jìn)一步由式(1)滾動(dòng)俯仰角計(jì)算公式可知，若探頭2受擾，則會(huì)引起姿態(tài)角同增同減變化現(xiàn)象。同理，探頭3受擾時(shí)輸出姿態(tài)角也具有相同變化趨勢(shì)。

圖5 探頭2受擾時(shí)地敏輸出姿態(tài)角

探頭1受擾STK仿真場(chǎng)景見圖6，異常期間地敏輸出姿態(tài)角見圖7，滾動(dòng)和俯仰角存在明顯的反向?qū)ΨQ變化趨勢(shì)，即滾動(dòng)角增大同時(shí)俯仰角減小，且幅值基本相同。再由地敏姿態(tài)角求解公式分析可知，若探頭1受擾，則地敏輸出的滾動(dòng)和俯仰姿態(tài)角會(huì)表現(xiàn)出反增反減的變化現(xiàn)象。探頭4受擾時(shí)輸出姿態(tài)角變化趨勢(shì)相同。

圖6 探頭1受擾時(shí)掃過地面軌跡

圖7 探頭1受擾時(shí)地敏輸出姿態(tài)角

通過上述2種典型異常情況的仿真分析，明確了受擾探頭與地敏輸出姿態(tài)角變化趨勢(shì)之間的關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合探頭掃過異常區(qū)域時(shí)段的預(yù)報(bào)結(jié)果，即可準(zhǔn)確地判斷出受擾探頭。地敏探頭掃描經(jīng)過異常干擾區(qū)具有一定的周期性，與衛(wèi)星軌道周期相吻合，短期內(nèi)各探頭每天受擾時(shí)段基本相同，隨衛(wèi)星軌道攝動(dòng)而變化。

3 處理措施

根據(jù)地敏的測(cè)量原理可知，只要3個(gè)探頭輸出正常測(cè)量信息即可計(jì)算出滾動(dòng)角和俯仰角，因此當(dāng)某個(gè)探頭被干擾時(shí)，在軌一般采取干擾保護(hù)的處理措施，地面根據(jù)探頭受擾時(shí)段注入探頭干擾保護(hù)時(shí)間，在保護(hù)時(shí)間段內(nèi)禁止使用該探頭，利用其余3個(gè)探頭信息輸出正確的姿態(tài)角測(cè)量值。此時(shí)姿態(tài)計(jì)算公式為:

正常4個(gè)探頭工作情況下，地敏輸出姿態(tài)角的測(cè)量噪聲為0.06°(3σ)，而3個(gè)探頭工作時(shí)測(cè)量噪聲為0.09°(3σ)，精度略有降低，但不影響地敏正常使用。

采用本文的仿真分析方法，利用STK軟件設(shè)置異常干擾區(qū)，可以快速有效地預(yù)報(bào)各探頭受兩極紅外輻射干擾的時(shí)段。但是受氣候、溫度等不確定性因素影響，難以對(duì)地球紅外輻射異常區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確建模，只能根據(jù)在軌數(shù)據(jù)規(guī)劃異常干擾區(qū)大小和位置，再通過不斷的反饋修正，盡可能提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行探頭干擾保護(hù)時(shí)，還需要綜合考慮日月干擾影響，若地球輻射干擾和日月干擾同時(shí)發(fā)生，并且在不同的探頭上，則當(dāng)?shù)厍蜉椛涓蓴_引起地敏輸出姿態(tài)角誤差較小，衛(wèi)星姿態(tài)控制能夠滿足正常工作要求時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行日月干擾保護(hù)工作，否則可以參考文獻(xiàn)［6-8］的處理方法，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)探頭的干擾保護(hù)。

每年7～9月份南極地區(qū)紅外輻射波動(dòng)較大，而12～2月份北極地區(qū)紅外輻射波動(dòng)較大，這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)需重點(diǎn)關(guān)注IGSO衛(wèi)星地敏測(cè)量輸出，若發(fā)現(xiàn)明顯的受擾跡象，應(yīng)及時(shí)采取上述處理措施。

4 結(jié)論

本文給出了地敏受兩極紅外輻射干擾分析方法，建立基于STK軟件仿真工程，預(yù)報(bào)各探頭受擾時(shí)段，再結(jié)合地敏輸出姿態(tài)角變化趨勢(shì)，可以準(zhǔn)確地判斷出受擾探頭。若在軌衛(wèi)星遇到此類問題，可以采用本文方法預(yù)報(bào)干擾時(shí)段，進(jìn)而通過采取禁止受擾探頭工作的保護(hù)措施，避免地敏輸出姿態(tài)角異常情況發(fā)生。

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