“風(fēng)云二號”衛(wèi)星天線消旋失鎖故障原因初步分析

鄭 昊，焦維新，魏彩英

（1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871； 2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

0 引言

隨著衛(wèi)星在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣，人們對衛(wèi)星在軌運(yùn)行的安全性以及可靠性也提出了更高的要求。但是，衛(wèi)星在軌運(yùn)行會受到復(fù)雜多變的空間天氣的影響，而目前對空間天氣與衛(wèi)星之間的相互作用了解甚少。因此，加強(qiáng)空間天氣探測，加大對空間環(huán)境效應(yīng)研究的力度，是保證衛(wèi)星在軌長壽命高可靠運(yùn)行的重要措施。

空間環(huán)境效應(yīng)研究包括機(jī)制研究、空間環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測、空間環(huán)境模擬試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真和對衛(wèi)星異常進(jìn)行診斷分析等方式。上述研究方式的最后一種投資小、見效快，特別是能針對我國自己的衛(wèi)星操作數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析，不僅有利于獲得一般性的規(guī)律，而且對確保我國后續(xù)衛(wèi)星安全運(yùn)行具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

以我國第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星——“風(fēng)云二號”衛(wèi)星為例，其中“風(fēng)云二號”C星（后簡稱FY-2C） 和“風(fēng)云二號”D星（后簡稱FY-2D）分別于2004年10月19日和2006年12月8日成功發(fā)射并定點(diǎn)[1-2]。這兩顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行以來出現(xiàn)了一些問題，其中最典型的就是天線消旋失鎖事件。

由于地球同步軌道上的衛(wèi)星受太陽輻射的壓力和其他宇宙力的作用，使衛(wèi)星姿態(tài)受到擾動。為了克服這些外力的影響而使衛(wèi)星姿態(tài)保持穩(wěn)定，有的衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定方式，有的衛(wèi)星采用先進(jìn)的三軸姿態(tài)穩(wěn)定工作方式。采用自旋穩(wěn)定方式的衛(wèi)星會使天線的指向也隨之轉(zhuǎn)動，這是不允許的，因此天線必須要有消旋措施，確保輻射方向一直指向地球。消旋措施是通過把天線安裝在消旋平臺上，消旋平臺相對于星體來說具有與自旋方向相反、轉(zhuǎn)速相同的消旋運(yùn)動；此外，也可利用電子掃描的方法使天線波束按自旋速度的反方向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)消旋[3]。而天線消旋失鎖指的就是由于某種原因?qū)е绿炀€消旋失效，使地面接收不到信號。天線消旋失鎖是影響衛(wèi)星正常運(yùn)行的主要原因之一，它會導(dǎo)致星地通信中斷，從而造成衛(wèi)星觀測資料的丟失。

從2005年1月到2008年12月，F(xiàn)Y-2C衛(wèi)星共發(fā)生天線消旋失鎖事件40次。在2007年1月到2008年12月之間，F(xiàn)Y-2D衛(wèi)星共發(fā)生天線消旋失鎖事件10次。

本文利用國家衛(wèi)星氣象中心長期積累的衛(wèi)星操作數(shù)據(jù)，對 FY-2C衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)發(fā)生的天線消旋失鎖事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以及個(gè)例分析，從中探討空間天氣對衛(wèi)星正常運(yùn)行的影響。由于“風(fēng)云二號”衛(wèi)星處在地球同步軌道高度，而此高度正好位于外輻射帶中，高能電子對衛(wèi)星的影響不能忽略，因此本文主要研究高能電子和天線消旋失鎖事件的聯(lián)系。為此，必須獲得地球同步軌道高度的電子環(huán)境。由于研究過程中，“風(fēng)云”衛(wèi)星的標(biāo)定工作仍在進(jìn)行，我們采用了同在地球同步軌道的GOES-10衛(wèi)星5 min平均的電子通量數(shù)據(jù)[4]來模擬地球同步軌道高度的電子通量環(huán)境。

1 高能電子通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

1.1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

FY-2C衛(wèi)星40次天線消旋失鎖事件可分為以下幾種類型：

1）事件發(fā)生時(shí)，電子通量處于較高的峰值

圖1反映的是2006年4月17日當(dāng)?shù)貢r(shí)間1時(shí)6分30秒發(fā)生天線消旋失鎖事件時(shí)對應(yīng)的GOES衛(wèi)星電子通量變化。

圖 1 2006-04-17LT01：06：30 GOES-10 衛(wèi)星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.1 Electron flux data from GOES-10 satellite of2006-04-17LT01：06：30 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

從圖中可發(fā)現(xiàn)，事件發(fā)生時(shí)，大于2 MeV的電子通量處于一個(gè)很明顯的峰值，大于0.6 MeV的電子通量變化情況與此相似。

符合這類在天線消旋失鎖事件發(fā)生時(shí)電子通量處于峰值情況的，40次事件中共有6次。

2）事件發(fā)生前后，電子通量各有一個(gè)較高的峰值

然而，并不是所有天線消旋失鎖事件發(fā)生時(shí)都處于電子通量的峰值。在分析40次事件的電子通量變化圖時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，有的事件在發(fā)生前后，電子通量也有一個(gè)較高的峰值。

以2007年5月31日當(dāng)?shù)貢r(shí)間13時(shí)41分44秒發(fā)生的事件為例，對應(yīng)的電子通量見圖2。

圖 2 2007-05-31 LT13：41：44 GOES-10 衛(wèi)星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.2 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-05-31LT13：41：44 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對于＞0.6 MeV和＞2 MeV兩個(gè)能檔的電子通量來說，在事件發(fā)生前，均有一個(gè)很明顯的波峰；而在事件發(fā)生一段時(shí)間之后，電子通量又有一個(gè)波峰，然后有明顯的下降。

在40次事件中，符合這種情況的有29次，其中包括同時(shí)滿足1）、2）兩種情況的事件。

3）事件發(fā)生前后或者事件發(fā)生時(shí)，電子通量均不高

在40次衛(wèi)星天線消旋失鎖事件中，并非每一次事件都伴隨有電子通量的峰值。以2007年7月16日13時(shí)13分00秒發(fā)生的事件為例，對應(yīng)的電子通量如圖3所示。

圖 3 2007-07-16 LT13：13：00 GOES-10 衛(wèi)星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.3 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-07-16LT13：13：00 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

在事件發(fā)生前以及事件發(fā)生時(shí)，＞2 MeV的電子通量一直都在一個(gè)很低的水平，＞0.6 MeV能檔的電子通量也只有1.0×105的量級。在40次事件中，符合這種情況的有10次。

1.2 結(jié)果分析

對于上一節(jié)中情況 3），高能電子的通量處于一個(gè)比較低的水平，可以認(rèn)為衛(wèi)星受到高能電子的影響較小，天線消旋失鎖事件與高能電子通量關(guān)系不大，可能是由其他原因?qū)е隆?/p>

而對于情況 1）、2），即在事件發(fā)生前或者事件發(fā)生時(shí)，高能電子通量處于一個(gè)高于平均值的水平，在這種情況下，高能電子對衛(wèi)星的影響不可忽略。滿足這兩種情況之一的 FY-2C天線消旋失鎖事件一共發(fā)生了30次，占全部40次的75%，所以我們認(rèn)為，F(xiàn)Y-2C天線消旋失鎖事件可能與高能電子的高通量有關(guān)。

高通量的高能電子是航天器內(nèi)部充電的主要原因。能量范圍為0.1～10 MeV的高能電子可穿透航天器的屏蔽層，沉積在電介質(zhì)內(nèi)，引起航天器內(nèi)部充電。當(dāng)電荷的積累速率高于其泄漏速率時(shí)，產(chǎn)生的電場會不斷增加，有可能超過介質(zhì)的擊穿閾值，引起靜電放電。這種放電若直接或間接地耦合到衛(wèi)星其他靈敏的或未加防護(hù)的電路，將引起不同程度的損壞，特別易受損壞的是屏蔽比較差的電纜、印刷電路板和熱防護(hù)層，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致衛(wèi)星完全失效。

關(guān)于衛(wèi)星內(nèi)部充電問題，有兩個(gè)因素特別重要，一是輻射誘導(dǎo)的電導(dǎo)率（RIC），二是電子在介質(zhì)內(nèi)沉積而產(chǎn)生的電場。在高能電子作用下，介質(zhì)內(nèi)最大電場取決于材料性質(zhì)、厚度以及電子的能譜。在RIC遠(yuǎn)大于暗電導(dǎo)率情況下，最大電場與高能電子在一段時(shí)間內(nèi)的通量有密切關(guān)系，而與入射電子的瞬時(shí)通量無關(guān)。盡管RIC使電介質(zhì)內(nèi)部最大電場值降低，但由于達(dá)到飽和電場所需的時(shí)間大大縮短，因此在空間可能出現(xiàn)內(nèi)部充電使介質(zhì)電場超過擊穿閾值的條件。

通過對FY-2C衛(wèi)星40次天線消旋失鎖事件的統(tǒng)計(jì)分析，我們初步認(rèn)為，高通量的高能電子引起的內(nèi)部充電可能和天線消旋失鎖事件有關(guān)。在衛(wèi)星發(fā)生異常之前，往往會出現(xiàn)電子通量短暫減小的情況，這是否是發(fā)生異常的觸發(fā)因素還需進(jìn)一步研究[5]。

2 天線消旋失鎖事件個(gè)例分析

DICTAT[6]（DERA Internal Charging Thread Assessment Tool）是歐空局開發(fā)的對衛(wèi)星介質(zhì)深層充電的放電危險(xiǎn)性分析和評估的軟件，它能根據(jù)衛(wèi)星所處的空間高能電子環(huán)境以及介質(zhì)構(gòu)件的參數(shù)計(jì)算出介質(zhì)中深層充電所致的最大電場。

在這里，我們利用DICTAT軟件，結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算了在一次天線消旋失鎖事件中，高通量的高能電子可能引發(fā)的最大電場。

2.1 計(jì)算原理[7-9]

對于介質(zhì)材料中累積的靜電荷，可由高斯定律計(jì)算得到內(nèi)部電場；而在空間環(huán)境中，帶電粒子連續(xù)地流進(jìn)和流出介質(zhì)材料，所以用歐姆定律計(jì)算內(nèi)部電場強(qiáng)度是比較合適的辦法。

其中，J為電流密度；σ為介質(zhì)材料的電導(dǎo)率。

電導(dǎo)率σ由暗電導(dǎo)率和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率兩部分組成，

其中：σ0為暗電導(dǎo)率；D˙為輻射劑量率；kp是與介質(zhì)材料有關(guān)的系數(shù)；Δ是一個(gè)依賴于介質(zhì)材料性能的無量綱指數(shù)，取0.6～1之間。

介質(zhì)電導(dǎo)率隨溫度T的變化關(guān)系可以表示為

其中：Ea為活化能，J；k為玻耳茲曼常量；常數(shù)C由室溫下介質(zhì)的電導(dǎo)率確定。

電導(dǎo)率隨電場強(qiáng)度E和溫度T的變化關(guān)系為

2.2 計(jì)算過程

以2006年4月17日FY-2C衛(wèi)星發(fā)生的天線消旋失鎖事件為例，我們利用事件發(fā)生時(shí)的電子通量，針對衛(wèi)星上3種常見材料——聚乙烯、聚四氟乙烯和環(huán)氧樹脂的平板和圓柱模型，分別計(jì)算其內(nèi)部帶電所能產(chǎn)生的最大電場。表1給出了3種電介質(zhì)的參數(shù)。kp/ (S·Ω-1·cm-1·rad-1)Δ1.0×10-140.8 6.5×10-141.0 2.0×10-140.7

以2006年4月17日FY-2C衛(wèi)星發(fā)生的天線消旋失鎖事件為例，在這里，我們將事件發(fā)生時(shí)的電子通量數(shù)據(jù)取1 h平均，暴露時(shí)間則對應(yīng)為1 h。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的計(jì)算結(jié)果，內(nèi)部最大電場強(qiáng)度隨介質(zhì)厚度的增加而增大；到達(dá)一定厚度（8 mm）時(shí)，最大電場基本保持一個(gè)定值不變。而關(guān)于屏蔽厚度的選取，從文獻(xiàn)[8]可知，內(nèi)部最大電場并不是一直隨著屏蔽厚度的增加而減小的：在屏蔽比較薄時(shí)，最大電場隨屏蔽厚度增加而增大；在某一厚度（1.5 mm）時(shí)內(nèi)部最大電場達(dá)到峰值；之后隨著屏蔽厚度的增加，內(nèi)部最大電場反而變小。本文的計(jì)算中，將電介質(zhì)的厚度設(shè)為4 mm，屏蔽鋁厚度設(shè)為1.5 mm，利用DICTAT軟件計(jì)算出內(nèi)部帶電引起的最大電場強(qiáng)度。表2和表3給出了有關(guān)計(jì)算結(jié)果。

表 2 平板型電介質(zhì)的最大電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of maximal electric field for planar materials

表3 圓柱型電介質(zhì)的最大電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of maximal electric field for cylindrical materials

2.3 結(jié)果分析

從表2、表3可以看出，平衡時(shí)的最大電場大于1 h后的最大電場，這說明高通量的高能電子在電介質(zhì)中的積累效應(yīng)大于瞬時(shí)效應(yīng)。而在相同的電子環(huán)境下，圓柱形的電介質(zhì)內(nèi)部最大電場大于平板電介質(zhì)的內(nèi)部最大電場。

根據(jù) DICTAT軟件提供的電介質(zhì)擊穿閾值可以看出，2006年4月17日FY-2C衛(wèi)星天線消旋失鎖事件時(shí)的高通量高能電子在 3種電介質(zhì)材料深層帶電產(chǎn)生的最大電場已經(jīng)接近或者超出擊穿閾值1.0×107V/m。但是，考慮到在計(jì)算最大電場時(shí)電介質(zhì)厚度和屏蔽鋁的厚度均采用了假設(shè)值，我們只能認(rèn)為，高通量的高能電子引起的內(nèi)部帶電效應(yīng)已經(jīng)不能忽視。FY-2C衛(wèi)星天線消旋失鎖事件有很大可能是由高能電子導(dǎo)致的介質(zhì)深層充電引起。

3 結(jié)論

本文通過對 FY-2C衛(wèi)星天線消旋失鎖事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為天線消旋失鎖事件可能和高通量的高能電子有關(guān)。結(jié)合3種常用于衛(wèi)星的電介質(zhì)材料，利用歐空局的 DICTAT軟件進(jìn)行個(gè)例分析計(jì)算，模擬出高通量的高能電子導(dǎo)致介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的最大電場。計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)Y-2C衛(wèi)星天線消旋失鎖事件有很大可能是由高能電子導(dǎo)致的介質(zhì)深層充電引起。但是，介質(zhì)深層充電并不是所有天線消旋失鎖事件的觸發(fā)原因。在研究過程中發(fā)現(xiàn)天線消旋失鎖事件在電子通量水平很低的時(shí)候也有發(fā)生，這需要進(jìn)一步考慮其他因素的影響。

（References）

[1]徐建平.風(fēng)云-2C靜止氣象衛(wèi)星升空[J].國際太空,2004(12)： 1-3

[2]楊振榮.風(fēng)云二號D星成功定點(diǎn)[J].中國航天, 2007(1)： 14

[3]關(guān)曉紅.淺談星載天線技術(shù)[J].電子世界, 2003(1)： 80-81

[4]Denig W F.GOES I-M Databook[EB/OL].[2009-06-11].ftp：//goes.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/avg

[5]焦維新.空間天氣學(xué)[M].北京： 氣象出版社, 2003

[6]Evans H.The space environment information system[EB/OL].[2009-06-11].http：//www.spenvis.oma.be

[7]Fowler J F.X-ray induced conductivity in insulating materials[C]∥ Proceedings of the Royal Society of London.Series A, Mathematical and Physical Sciences,1956： 236; 464-480

[8]黃建國, 陳東.衛(wèi)星介質(zhì)深層充電的計(jì)算機(jī)模擬研究[J].地球物理學(xué)報(bào), 2004, 47： 392-397

[9]高柄榮, 郝永強(qiáng), 焦維新.用蒙特卡羅方法研究衛(wèi)星內(nèi)部帶電問題[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24： 289-294

[10]Adamec V, Calderwood J H, et al.Electric conduction in dielectrics at high fields[J].J Phys D, 1975, 8： 551-560