一種利用CES軟件鑒別月球干擾的方法

涂智軍，梅志武，袁 軍

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190）

一種利用CES軟件鑒別月球干擾的方法

涂智軍1，2，梅志武1，2，袁 軍1

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190）

月球和太陽干擾圓錐掃描紅外地球敏感器（CES）導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)波動，使若干顆中低軌道衛(wèi)星在軌出現(xiàn)整星進入全姿態(tài)捕獲模式.針對這一問題提出了一種利用CES軟件鑒別月球干擾的方法，并進行了地面試驗驗證，試驗結(jié)果表明該方法不僅可以給出“見月球”標志，并且可以剔除月球和太陽對CES姿態(tài)測量的影響.試驗結(jié)果與在軌飛行遙測數(shù)據(jù)完全吻合，證明該方法完全有效.

圓錐掃描紅外地球敏感器軟件；鑒別；月球干擾

圓錐掃描紅外地球敏感器（CES，conical earth sensor）已被廣泛地用于中低軌道衛(wèi)星對地姿態(tài)測量.在其工作波段14～16.25μm范圍內(nèi)，月球模型可近似相當于393 K黑體，其單位波長輻射亮度為15W／（m2·sr·μm），相當于地球平均輻射值的5.77倍，滿月時角直徑為0.56°，約占CES瞬時視場（1.5°×1.5°）的1／9；對地球的CO2輻射帶而言，溫度波動主要受緯度、季節(jié)等條件的影響，夏季高冬季低，與平均水平相差±10%，夏季北半球高，冬季南半球高，南北極之間相差一倍左右，與平均水平相差±50%左右.由以上兩點分析可知，在特定的位置和時刻，即滿月前后，CES正在掃描地球低輻射帶，月球進入紅外光學頭部視場時會影響其對地姿態(tài)測量.

經(jīng)過地面的分析試驗驗證，有若干顆中低軌道衛(wèi)星由于月球干擾CES，導(dǎo)致在軌出現(xiàn)整星進入全姿態(tài)捕獲模式.本文以月球干擾CES的問題為背景，利用CES局部通信單元軟件，設(shè)計相應(yīng)的月球鑒別方法，并針對該方法設(shè)計和實施地面試驗驗證，進一步對在軌遙測數(shù)據(jù)進行分析，證明該方法完全有效.

1 CES工作原理

圖1描述的是CES的姿態(tài)測量幾何關(guān)系.若不考慮安裝誤差，則敏感器的軸與衛(wèi)星是一致的，用OXYZ表示.

CES由紅外光學頭部和信息處理電路組成，局部通信單元軟件嵌入在信息處理電路中.紅外光學頭部的功能是對地球大氣圈進行紅外探測，獲取衛(wèi)星信息；信息處理電路的功能則是將紅外光學頭部輸出的模擬信號處理成數(shù)字信號；CES局部通信單元軟件負責姿態(tài)數(shù)據(jù)采集并通過串行口傳送到姿軌控計算機.CES采用圓錐掃描式方案，其工作機理為：首先CES的視場在直流無刷電機的驅(qū)動下相對于地球作掃描運動，當視場穿越地平線時，即掃到地球和空間交界時，CES接收到紅外輻射能量的躍變，通過熱敏元件探測器把這種輻射能量的躍變轉(zhuǎn)換成電信號，形成地球方波；然后通過放大和處理電路，把它轉(zhuǎn)換成前沿脈沖和后沿脈沖；最后通過局部通信單元把前后沿脈沖與姿態(tài)基準脈沖進行比較得到姿態(tài)信息.CES同時具備給出太陽光線進入紅外視場的標志功能：在太陽進入紅外光學頭部視場前，通過平行于紅外光學頭部光軸安裝的太陽敏感器給出“見太陽”標志，通過CES局部通信單元軟件通知姿軌控計算機此時不要使用CES輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù).

圖1 CES的姿態(tài)測量幾何關(guān)系

假定敏感器軸沿衛(wèi)星俯仰軸Y安裝，視線與敏感器軸夾角為β，在掃描裝置的驅(qū)動下視線形成圓錐形視場，按右手法則視線逆時針旋轉(zhuǎn)，在YOZ平面內(nèi)安裝有基準信號裝置，當視線在tG時刻掃到Y(jié)OZ平面內(nèi)的G點時，輸出1個基準脈沖.圖1中：Y是圓錐掃描軸；E是指向地心的天底矢量；ρ為地球的視角半徑；視線P在ti時刻的Hi點從天空掃到地球，硬件電路輸出地球前沿脈沖，在to時刻的Ho點從地球掃入天空，硬件電路輸出地球后沿脈沖；視線掃描地球弦寬為Ω，等于圍繞Y軸由Hi到Ho點轉(zhuǎn)動的角度，掃入點Hi到基準點G的寬度為地入角，記為Wi；俯仰軸的姿態(tài)偏差記為△y.由于有基準脈沖標志的基準點，敏感器可測出視線掃描周期T，光電編碼器在每個掃描周期中輸出10 800個光柵時鐘脈沖，即每個脈沖代表2′，則有如下關(guān)系式：

式中NGi和Noi為兩個時刻之間的光柵時鐘脈沖個數(shù).由以上分析可看出，CES的基本功能是獲取掃入地球點到基準脈沖時刻之間的光柵時鐘脈沖個數(shù)NGi以及掃入地球點到掃出地球點之間的光柵時鐘脈沖個數(shù)Noi.

CES局部通信單元采用單片機80C31作為處理器，主頻7.372 8 MHz，PROM程序區(qū)2 KB，片內(nèi)RAM變量數(shù)據(jù)區(qū)128B，片外RAM變量數(shù)據(jù)區(qū)8KB，此外利用80C31提供內(nèi)部串行口完成與姿軌控計算機的通信.

圖2是CES局部通信單元軟件主程序的基本流程，圖3是CES姿態(tài)測量邏輯示意圖.

如圖2所示，軟件基本流程如下：

1）通過80C31的P1.2口等待前沿脈沖的到來.如果前沿脈沖在固定的時間內(nèi)到來，則將前沿標志置位，同時會開啟局部通信單元電路板上的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使光柵時鐘信號輸入到80C31的計數(shù)器T0，開始一個測量周期的計數(shù)；如果前沿脈沖在固定的時間內(nèi)未到來，即計數(shù)器溢出了，則繼續(xù)查詢后沿脈沖和基準脈沖狀態(tài)；

2）通過P1.3口和P1.1口等待后沿脈沖和基準脈沖.如果“有后沿”或者“有基準”，則設(shè)置相對應(yīng)的標志，同時軟件進入外部中斷服務(wù)程序，讀取80C31的計數(shù)器T0的值，即前沿與基準或后沿脈沖之間的光柵時鐘脈沖個數(shù)，獲得Wi和Ω數(shù)據(jù)；如果前沿、基準和后沿脈沖都已經(jīng)到來，或者計數(shù)器溢出了，就進行計數(shù)器T0清零、向緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)、敏感器自檢和開關(guān)中斷等工作，開關(guān)中斷的目的是保護緩沖區(qū)中重要的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這樣CES局部通信單元軟件與硬件配合完成了一個完整的掃描周期.

圖3 CES的姿態(tài)測量邏輯示意圖

2 軟件鑒別月球干擾的方法

由圖1可知當?shù)厍蜻M入紅外光學頭部視場時，在CES的一個掃描周期內(nèi)，只會出現(xiàn)1個前沿脈沖、后沿脈沖和基準脈沖.如果月球同時進入紅外光學頭部視場，則會出現(xiàn)2個前沿脈沖、1個后沿脈沖和基準脈沖，根據(jù)圖2的軟件流程，將會把月球干擾引起的前沿脈沖當作地球前沿脈沖，得到錯誤的Wi和Ω數(shù)據(jù).因此，可以利用這種多前沿特性設(shè)計軟件以鑒別月球，將出現(xiàn)多前沿脈沖的情況判為“見月球”，將“見月球”標志存入弦寬Ω的標志位中，將“見太陽”標志存入地入角Wi的標志位中.

當月球進入紅外光學頭部視場時，衛(wèi)星可能處于零姿態(tài)，也可能不處于零姿態(tài).對于任何一種情況都要求軟件能夠正確地識別哪些數(shù)據(jù)是由干擾源引起的，哪些數(shù)據(jù)是由地球引起的.月球進入紅外光學頭部視場時，由于其能量較低，邊緣清晰，在CES線路中只會處理得到前沿脈沖信號.太陽完全進入紅外光學頭部視場時，由于其能量很高，邊緣效應(yīng)較強，CES線路處理后可以同時得到前沿脈沖和后沿脈沖，根據(jù)圖2的軟件流程，將會把太陽干擾引起的前后沿脈沖作為地球前后沿脈沖.根據(jù)理論分析和在軌遙測數(shù)據(jù)可知太陽干擾引起的弦寬Ω最大值為150個光柵時鐘脈沖，一個光柵時鐘脈沖代表2′、即為5°.但是當太陽部分進入紅外光學頭部視場時，進入紅外光學頭部視場的能量將降低，角度將減少，CES線路處理后可能只出現(xiàn)前沿脈沖，因此“見月球”也有可能是太陽造成的.根據(jù)以上分析，對于月球干擾和太陽干擾，在軟件處理時需要分別對待.

CES的地入（S／E）、地出（E／S）、基準脈沖（REF）和月球（MOON）共有3種方位關(guān)系，與太陽（SUN）也有3種方位關(guān)系，加上零姿態(tài)共有7種方位關(guān)系，如圖4所示.

圖4 地球、基準、月球和太陽的方位邏輯示意圖

根據(jù)以上的分析和要求，提出一種可以進行月球鑒別和剔除干擾的軟件方法，稱為軟件邏輯判別法。其基本依據(jù)是正常情況下CES的一個掃描周期只會出現(xiàn)一個前沿脈沖、后沿脈沖和基準脈沖.其流程見圖5.

圖5 鑒別月球、太陽干擾功能的主程序流程

如圖5所示的鑒別月球、太陽干擾功能的主程序流程如下：

1）查詢前沿脈沖狀態(tài)，前沿脈沖信號為低電平，即無前沿（見圖3），則繼續(xù)判斷超時計數(shù)器是否溢出，超時計數(shù)器的作用是防止在無前沿狀態(tài)下程序進入死等狀態(tài)；

2）如果未溢出，則對看門狗進行喂狗后繼續(xù)查詢前沿脈沖狀態(tài)；

3）如果前沿脈沖為高電平，即有前沿時，則執(zhí)行延時2 ms程序代碼.延時的主要目的是消除前沿脈沖的上升沿受電磁干擾時產(chǎn)生尖峰脈沖導(dǎo)致誤判“見月球”，延時完成后等待前沿脈沖信號由高電平轉(zhuǎn)為低電平；

4）如果前沿脈沖信號為高電平，則繼續(xù)判斷是否有基準脈沖，作用是處理前沿脈沖與基準脈沖疊加的情況，避免在等待前沿脈沖由高電平變低電平的過程中基準脈沖到來，加入超時計數(shù)器的目的同樣是為了避免程序進入死等狀態(tài)；

5）如果前沿脈沖信號為低電平，則以先后循序查詢基準脈沖、后沿脈沖和前沿脈沖狀態(tài)；

6）如果有基準脈沖，則繼續(xù)等待后沿脈沖和前沿脈沖.當后沿脈沖在既定的時間段內(nèi)到來時，完成整個掃描周期的數(shù)據(jù)采集；

7）如果沒有基準脈沖而有后沿脈沖，則有可能是太陽進入紅外光學頭部視場引起的，也有可能是因為衛(wèi)星處于非零姿態(tài)引起的.當弦寬Ω大于8.5°時，程序繼續(xù)查詢基準脈沖；當弦寬小于8.5°時，則認為是由于太陽干擾引起，程序從頭開始運行.選用8.5°作為閥值是因為太陽引起的最大弦寬為5°，而CES有效測量最小弦寬為30°；

8）如果沒有基準脈沖和后沿脈沖，而出現(xiàn)了第2個前沿脈沖，則有可能是月球進入紅外光學頭部視場引起的，也有可能是因為干擾引起的.調(diào)用如圖6所示的寬度鑒別子程序，在該子程序中，如果前沿脈沖寬度大于22個光柵時鐘脈沖，就可以認為該脈沖是地球引起的前沿脈沖而并非是毛刺.第一個出現(xiàn)的前沿脈沖是月球干擾引起的，22個光柵時鐘脈沖對應(yīng)圖6中16進制數(shù)16H，選用該閥值是因為月球引起的前沿脈沖寬度最小值為40個光柵時鐘脈沖，而毛刺的最大脈沖寬度為10個光柵時鐘脈沖，約為1 ms.

圖6為寬度鑒別子程序流程圖.首先讀取80C31的計數(shù)器T0低8位數(shù)據(jù)TL0和高8位數(shù)據(jù)TH0，可以得到前沿脈沖高電平開始時間，為避免串行口中斷服務(wù)程序影響，進行了一次關(guān)和開串行口中斷操作，前沿脈沖高電平開始時間存入80C31內(nèi)存40H和41H中，結(jié)束時間存入80C31內(nèi)存42H和43H中.接下來的語句為通過運算判斷前沿脈沖寬度是否大于22個光柵時鐘脈沖的寬度。如果小于，則認為是干擾造成，子程序不做其他處理直接返回；如果大于，則子程序重新對姿態(tài)信息計數(shù)器T0賦值，其值為該前沿脈沖的寬度值.最后設(shè)置“見月球”標志后程序返回.重新對計數(shù)器T0賦值是因為該前沿脈沖為真實的地球前沿脈沖，且其上升沿為地入點時刻，主程序中先前到來的前沿脈沖為月球干擾引起的，該掃描周期姿態(tài)測量的起點應(yīng)該是后到來的前沿脈沖的上升沿.

3 軟件測試及試驗

為應(yīng)對衛(wèi)星在軌CES局部通信單元軟件可能遇到的各種情況，共設(shè)計并進行了5項測試試驗，包括：軟件單元測試試驗；地面專用檢測設(shè)備向CES電子線路加電信號測試試驗；CES上三軸轉(zhuǎn)臺加地球模擬器的標定測試試驗；CES在三軸轉(zhuǎn)臺上用太陽模擬器干擾紅外光學頭部視場的功能測試試驗；CES上兩軸轉(zhuǎn)臺加月球模擬器，同時使用CES地面專用檢測設(shè)備向CES頭部加電地球波信號（地檢信號）的測試試驗.

3.1 單元測試試驗

采用KeilμVision2作為單元測試試驗的測試工具，此測試工具可以實現(xiàn)斷點設(shè)置、變量賦值、查看變量、中斷設(shè)置、查看語句執(zhí)行時間、語句覆蓋率和分支覆蓋率查看等功能.

教無定法，課堂導(dǎo)入也無定法。課堂導(dǎo)入的范式也因文體而異，因文題而異，只有立足學生語文素養(yǎng)的提升，達到情趣和理趣的和諧共生的課堂導(dǎo)入才應(yīng)該是我們矢志追尋的。

通過設(shè)計的65個測試用例確認了新版本軟件的語句覆蓋率和分支覆蓋率達到100%，滿足軟件工程化工作要求.

3.2 電信號測試試驗

該試驗設(shè)備包括地面專用檢測設(shè)備，CES信息處理電路及示波器、工控機等通用測試設(shè)備.

測試人員通過工控機向地面專用檢測設(shè)備發(fā)送指令，地面專用檢測設(shè)備可以模擬輸出各種姿態(tài)下的CES信號，包括電太陽信號、電地球波信號、電基準信號和電光柵時鐘信號.測試項目包括大小弦寬測試、非零姿態(tài)測試和不同紅外輻射強度下的姿態(tài)測試.

測試結(jié)論是：軟件修改前后CES局部通信單元軟件在各種情況下的姿態(tài)測量值一致；通過模擬月球干擾紅外光學頭部視場時的地球信號波形，可以在弦寬Ω標志位出現(xiàn)“見月球”標志.

測試結(jié)果初步表明新版本CES局部通信單元軟件不影響原有軟件的測量功能和精度并能夠給出“見月球”標志.

3.3 標定測試試驗

該試驗設(shè)備包括CES紅外光學頭部，CES信息處理電路，地面專用檢測設(shè)備，紅外地球模擬器，三軸轉(zhuǎn)臺，溫控設(shè)備及示波器、工控機等通用測試設(shè)備.

測試人員通過溫控計算機設(shè)置紅外地球模擬器溫度，模擬不同季節(jié)及緯度的紅外地球模型，通過專用控制機柜設(shè)置地球弦寬和三軸轉(zhuǎn)臺角度，模擬不同軌道高度和不同姿態(tài)，進行CES的標定測試試驗.

測試結(jié)論是：軟件修改前后CES在各種情況下的姿態(tài)測量值一致；地入角Wi標志位和弦寬Ω標志位一直顯示“數(shù)據(jù)正常”.

所有測試結(jié)果進一步表明新版本CES局部通信單元軟件不影響原有軟件的測量功能和精度.

3.4 太陽模擬器測試試驗

測試結(jié)論是：新版本CES局部通信單元軟件可以剔除月球干擾并能夠在月球進入視場時給出“見月球”標志.

3.5 月球模擬器測試試驗

試驗設(shè)備包括CES紅外光學頭部，CES信息處理電路，地面專用檢測設(shè)備，月球模擬器，兩軸轉(zhuǎn)臺及光學平臺、示波器、萬用表、工控機等通用測試設(shè)備.試驗設(shè)備的連接關(guān)系見圖7.

月球模擬器可以通過設(shè)置黑體溫度和光瀾大小來模擬不同月相.將CES安裝在兩軸轉(zhuǎn)臺上，啟動月球模擬器，同時通過紅外地球敏感器地面專用檢測設(shè)備向CES的前置級電路板加不同相位和寬度的電地球波信號.

當月球模擬器干擾光在靠近CES地入點附近進入紅外光學頭部視場時，地入角Wi標志位給出“數(shù)據(jù)正常”標志，弦寬Ω標志位給出“見月球”標志，且CES輸出的姿態(tài)信息與干擾前沒有變化.通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺角度可以改變月球出現(xiàn)方位，通過設(shè)置信號源可以調(diào)整地球弦寬和地入角角度及地球的紅外輻射強度.

測試結(jié)論是：在不同輸入條件下弦寬Ω標志位給出“見月球”和“數(shù)據(jù)正常”等標志，“見月球”時姿態(tài)角信息不受影響.

測試結(jié)果進一步表明新版本CES局部通信單元軟件可以剔除月球干擾.

4 在軌應(yīng)用

該CES局部通信單元軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于中巴資源衛(wèi)星02B星，到目前為止未出現(xiàn)由于月球和太陽干擾CES導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)波動的問題.表1為太陽進入紅外光學頭部視場時的在軌實時遙測CES數(shù)據(jù).

表1 中巴資源衛(wèi)星02B星在軌實時遙測CES數(shù)據(jù)

滿月前后CES正在掃描地球紅外低輻射帶，此時月球進入紅外光學頭部視場，才會出現(xiàn)“見月球”標志.如果在接下來的某個測量周期月球未進入紅外光學頭部視場，該標志將會被清除.中巴資源衛(wèi)星延時遙測數(shù)據(jù)的間隔時間為數(shù)分，實時遙測數(shù)據(jù)的間隔較短，為十多秒，但數(shù)據(jù)量較少.“見月球”時的CES數(shù)據(jù)剛好被存入遙測數(shù)據(jù)庫中屬于小概率事件，到目前為止，在中巴資源衛(wèi)星02B星的在軌遙測數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)真正意義的“見月球”標志.

從表1可以看出當太陽進入紅外光學頭部視場時，地入角Wi標志位給出了“見太陽”標志，同時有一組數(shù)據(jù)的弦寬Ω標志位給出了“見月球”標志.如前所述，該“見月球”標志實質(zhì)上是由于太陽部分進入紅外光學頭部視場形成一個“假月球”所致（見圖8的太陽位置d）.根據(jù)公式（3）可知“見太陽”且太陽進入紅外瞬時視場時姿態(tài)出現(xiàn)大約1°的偏差，在CES的太陽保護功能喪失的情況下，該姿態(tài)數(shù)據(jù)可以被姿軌控分系統(tǒng)接受，且不會造成較大的衛(wèi)星姿態(tài)波動.

圖8是太陽進入紅外光學頭部視場和太陽保護視場形成的圓錐體底面的二維圖，太陽處于位置a、b時對應(yīng)表1中第1～4組數(shù)據(jù)，位置c對應(yīng)第5～6組數(shù)據(jù)，位置d對應(yīng)第7組數(shù)據(jù)，位置e、f對應(yīng)第8～12組數(shù)據(jù)，位置g對應(yīng)第13～16組數(shù)據(jù).

5 結(jié)束語

本文針對月球干擾CES的問題設(shè)計了軟件鑒別月球干擾的方法.針對該方法設(shè)計并進行了地面試驗驗證，試驗結(jié)果表明該方法不僅可以給出“見月球”標志，并且可以剔除月球和太陽對CES姿態(tài)測量的影響.試驗結(jié)果與在軌飛行遙測數(shù)據(jù)完全吻合，證明該方法可以實現(xiàn)鑒別月球干擾的功能.

圖8 太陽進入太陽保護視場和紅外瞬時視場的示意圖

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A New Method for Discriminating Moon Interference Based on CES Software

TU Zhijun1，2，MEIZhiwu1，2，YUAN Jun1
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.National Laboratory of Space Intelligent Control，Beijing 100190，China）

When the moon and the sun light enter into the field of view of the conical scanning earth sensor（CES），the real attitude of the spacecraft will be affected because of wrong CES measurements.To solve this problem，a new method based on the CES software can discriminate the interference effect.A series of ground are designed to verify this method effectiveness，and results indicate that this method can not only give a indication of themoon，but also can eliminate effect of the moon and the sun light on the CES’smeasurements.Finally，the on-orbit flight data is presented to confirm thismethod validity.

conical scanning earth sensor software；discrimination；moon interference

V448.2

A

1674-1579（2009）05-0031-07

2009-03-28

涂智軍（1976—），男，湖北人，工程師，研究方向為光學敏感器設(shè)計（e-mail：tuzch76＠sina.com）.