靜止軌道衛(wèi)星在軌溫度參數(shù)變化規(guī)律研究

郭永富

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

衛(wèi)星的溫度參數(shù)反映了其工作環(huán)境及工作狀況,是一類非常重要的遙測參數(shù)。在軌衛(wèi)星溫度參數(shù)的變化能夠表征外熱流大小、設(shè)備工作狀態(tài)、溫度控制材料的性能等,是在軌性能分析的重要內(nèi)容。研究衛(wèi)星溫度參數(shù)的變化規(guī)律,建立變化模型,這對衛(wèi)星溫度參數(shù)的預(yù)測以及衛(wèi)星故障的及早發(fā)現(xiàn)具有重要的意義[1-2]。

本文針對靜止軌道在軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星選取具有代表性的溫度參數(shù),繪制了溫度參數(shù)變化的曲線,對于其中的變化規(guī)律進(jìn)行了分析;太陽光照是靜止軌道在軌衛(wèi)星最主要的外熱源,而太陽光強(qiáng)受太陽照射方向和日地距離等因素的影響,相應(yīng)地在軌衛(wèi)星溫度會呈周期性變化[3-8];采用線性模型,用太陽光強(qiáng)對溫度參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合,基于此提出了靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星溫度參數(shù)變化模型建立的方法。

2 溫度參數(shù)變化規(guī)律分析

以一顆靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星為例進(jìn)行溫度參數(shù)變化規(guī)律的分析。靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星有北、南、東、西、對地、背地6個(gè)面,經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)其上的溫度參數(shù)具有不同的變化規(guī)律,繪制了各面上溫度參數(shù)[2]一年的變化曲線,衛(wèi)星北面、南面、西面上溫度參數(shù)的變化分別如圖1至圖3所示,衛(wèi)星東面、對地面、背地面上溫度參數(shù)的變化曲線與西面上較為相似。

圖1 靜止軌道衛(wèi)星北面上測溫點(diǎn)溫度參數(shù)年變化曲線Fig.1 Temperature curve of the geostationary satellite(north board)

圖2 靜止軌道衛(wèi)星南面上測溫點(diǎn)溫度參數(shù)年變化曲線Fig.2 Temperature curve of the geostationary satellite(south board)

2.1 年周期

根據(jù)以上采集的數(shù)據(jù),從圖1～圖3可知,位于衛(wèi)星南北板上的溫度具有年周期的變化規(guī)律,即:北板上的溫度在夏至左右達(dá)到最大值,秋分至次年春分期間由于衛(wèi)星上有自動控溫措施,溫度穩(wěn)定在某一特定值附近,未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律;南板上的溫度在冬至左右達(dá)到最大值,春分至秋分期間由于衛(wèi)星上有自動控溫措施,溫度穩(wěn)定在某一特定值附近,未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律;東、西、對地、背地面上的溫度在一天內(nèi)的變化較為劇烈,不具有年周期的變化規(guī)律[9]。

2.2 日周期

靜止軌道在軌衛(wèi)星東、西、對地、背地4個(gè)面上的溫度一天之內(nèi)有較大幅度的變化,不具有明顯的年周期變化規(guī)律。不受地影影響的時(shí)段(如4月30日、10月30日、6月21日、12月21日附近)內(nèi)溫度參數(shù)短期內(nèi)(數(shù)日)的變化能夠較準(zhǔn)確地體現(xiàn)出其變化規(guī)律,圖4為靜止軌道在軌衛(wèi)星西面上的溫度參數(shù)在2008年4月30日至5月2日的變化曲線。

圖3 靜止軌道衛(wèi)星西面上測溫點(diǎn)溫度參數(shù)年變化曲線Fig.3 Temperature curve of the geostationary satellite(west board)

圖4 靜止軌道衛(wèi)星西面上測溫點(diǎn)溫度參數(shù)變化曲線(2008年4月30日至5月2日)Fig.4 Temperature curve of the geostationary satellite(west board,from Apr 30th to May 2nd,2008)

根據(jù)圖4可知:靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星西面上的測溫點(diǎn)都具有明顯的日周期性,在一天之內(nèi)某個(gè)時(shí)刻達(dá)到最大值,呈現(xiàn)類似正弦曲線的變化規(guī)律,其它東面、對地面以及背地面上的溫度參數(shù)亦呈現(xiàn)與西面上溫度參數(shù)非常相似的變化規(guī)律。

3 太陽光強(qiáng)變化規(guī)律分析

在t0為2009年1月1日0時(shí)0分0秒(北京時(shí)間)時(shí)刻,地球繞太陽運(yùn)動的軌道參數(shù)為:

計(jì)算t時(shí)刻的太陽赤緯δS、日地距離rS,其中t為距t0的天數(shù)(小時(shí)要轉(zhuǎn)化為天數(shù)),求得太陽光線與衛(wèi)星6個(gè)面的夾角,據(jù)此可以得到衛(wèi)星6個(gè)面上的太陽光強(qiáng)。

計(jì)算結(jié)果顯示:靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星北面、南面上的太陽光強(qiáng)具有年周期性的變化規(guī)律,如圖5、圖6所示,西面上太陽光強(qiáng)年周期性不明顯,但具有顯著的日周期性,東面、對地面、背地面上太陽光強(qiáng)的變化與西面上太陽光強(qiáng)的變化規(guī)律非常相似,靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星西面上對應(yīng)光強(qiáng)的變化規(guī)律如圖7所示。

圖5 靜止軌道衛(wèi)星北面理論太陽光強(qiáng)(2008年)Fig.5 Theory light intense on the north board of the geostationary satellite(2008)

圖6 靜止軌道衛(wèi)星南面理論太陽光強(qiáng)(2008年)Fig.6 Theory light intense on the south board of the geostationary satellite(2008)

圖7 靜止軌道衛(wèi)星西面理論太陽光強(qiáng)(2008年4月28日至5月3日)Fig.7 Theory light intense on the w est board of the geostationary satellite(f rom Apr 28th to May 3rd,2008)

3.1 年變化

根據(jù)以上衛(wèi)星各個(gè)面上太陽光強(qiáng)的變化曲線可知,靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星南、北面上的太陽光強(qiáng)具有年周期性的變化規(guī)律,2008年度衛(wèi)星北面上的太陽光強(qiáng)最大值出現(xiàn)在2008年7月20日附近,秋分至次年春分期間光強(qiáng)為0;南面最大光強(qiáng)出現(xiàn)在2008年12月22日附近,春分至秋分期間光強(qiáng)為0。

3.2 日變化

靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星東、西、對地、背地4個(gè)面上的太陽光強(qiáng)日周期性的變化規(guī)律很明顯,一天之內(nèi)可分為日照期和背光期,光強(qiáng)在光照期某一時(shí)刻達(dá)到最大值,背光期光強(qiáng)為0。各面上最大光強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)刻是在太陽光垂直照射對應(yīng)面時(shí)。

4 溫度-光強(qiáng)模型分析

根據(jù)第1 節(jié)、第2 節(jié)的內(nèi)容可知:

1)靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星南北板上的溫度參數(shù)具有年周期的變化規(guī)律;其它4個(gè)面的溫度在一天之內(nèi)的變化較為劇烈,上下幅度與全年的變化幅度接近,具有日周期性的變化規(guī)律。

2)衛(wèi)星南、北面上的光強(qiáng)具有年周期性的變化規(guī)律,衛(wèi)星東、西、對地、背地4個(gè)面上的太陽光強(qiáng)具有日周期性的變化規(guī)律。

太陽光照是靜止軌道在軌衛(wèi)星的最重要的外熱源,若無星上加熱器工作,太陽光照將在很大程度上影響相關(guān)溫度參數(shù)的變化,而衛(wèi)星各面上溫度參數(shù)的變化規(guī)律與對應(yīng)面上光強(qiáng)的變化規(guī)律具有很大的相似性。因此可根據(jù)靜止軌道衛(wèi)星溫度參數(shù)變化體現(xiàn)出來的規(guī)律,分析其與相應(yīng)面上太陽光強(qiáng)的關(guān)系,基于測溫點(diǎn)所在面上光強(qiáng)建立衛(wèi)星溫度參數(shù)變化的模型。

用光強(qiáng)的線性模型對溫度參數(shù)進(jìn)行擬合,公式如下:

其中Top代表衛(wèi)星的溫度參數(shù),S為太陽光強(qiáng),a、b為系數(shù);擬合的性能用擬合均方誤差和最大誤差衡量。以衛(wèi)星北面和西面上溫度參數(shù)為例,對光強(qiáng)模型的性能進(jìn)行分析。

4.1 衛(wèi)星北面溫度參數(shù)的擬合情況(年周期性)

對圖1所示的溫度參數(shù)進(jìn)行采樣,每一天取一個(gè)點(diǎn)(對數(shù)據(jù)進(jìn)行剔野后取平均)可得到較為平滑的曲線。其與衛(wèi)星北板太陽光照強(qiáng)度的理論曲線的對比如圖8所示,可見兩者的變化規(guī)律具有很大的相似性,尤其衛(wèi)星北面處于光照期的時(shí)候。按照(1)式在光照期用光強(qiáng)對溫度進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖9所示,最大擬合誤差為3.160 7,擬合均方誤差為1.276 7。

4.2 衛(wèi)星西面溫度參數(shù)的擬合情況(日周期性)

對圖4所示的靜止軌道衛(wèi)星西面上的溫度參數(shù)用光強(qiáng)進(jìn)行擬合,考慮到衛(wèi)星各個(gè)面之間熱輻射而產(chǎn)生的熱交換,在短期(數(shù)日)內(nèi)西面上的溫度參數(shù)變化會呈現(xiàn)北面、南面、東面、對地面和背地面上的光強(qiáng)較大的影響,因此在擬合時(shí)用多面上的光強(qiáng),公式如式(2),其中Si(i=1,2,…6)表示衛(wèi)星6個(gè)面上的光強(qiáng)。擬合曲線如圖10所示,最大擬合誤差為5.396 1,均方擬合誤差為2.570 1。

圖8 靜止軌道衛(wèi)星北面上溫度參數(shù)與對應(yīng)光強(qiáng)對比圖Fig.8 Curve of temperature and light intense on the north board of geostationary satellite

圖9 靜止軌道衛(wèi)星北面上溫度參數(shù)擬合圖Fig.9 Curve-fitting of tem perature on north board of geostationary satellite

可以根據(jù)靜止軌道在軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星溫度參數(shù)歷史數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果,按照式(1)或(2)建立其變化的模型,通過計(jì)算衛(wèi)星各面上太陽光強(qiáng)就可以得到衛(wèi)星溫度參數(shù)的變化曲線,這樣就可以通過理論計(jì)算預(yù)測出未來衛(wèi)星溫度參數(shù)的值,對故障預(yù)測具有重要意義[10-11]。

5 結(jié)束語

本文對靜止軌道在軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星溫度參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,同時(shí)研究了衛(wèi)星6個(gè)面上光強(qiáng)的變化,發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星溫度參數(shù)的變化與光強(qiáng)的變化具有很大的相似性;在此基礎(chǔ)上采用線性模型用光強(qiáng)對溫度參數(shù)進(jìn)行了擬合,并取得了很好的擬合效果。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合得到的系數(shù)以及理論計(jì)算得到的光強(qiáng),可以對靜止軌道衛(wèi)星各面上的溫度參數(shù)變化進(jìn)行預(yù)測,如果實(shí)際數(shù)值與理論預(yù)測值存在較大的偏差或變化規(guī)律不符,可以由人工根據(jù)此征兆判斷在軌衛(wèi)星是否出現(xiàn)了故障,這對及早發(fā)現(xiàn)異常、維持在軌衛(wèi)星的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

圖10 靜止軌道衛(wèi)星西面上溫度參數(shù)、光照擬合圖Fig.10 Curve-fitting of temperature with ligh t intense on the w est board of geostationary satellite

References)

[1]徐福祥.衛(wèi)星工程概論[M].北京:中國宇航出版社,2004

[2]彭芝生.東方紅三號衛(wèi)星在軌三年飛行的熱控性能分析[C]//黃山:第五屆空間熱物理會議,2000

[3]劉忠祥,鄭飛,白院生.空間反射面天線在軌熱分析[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2009,36(5)

[4]李運(yùn)澤,寧獻(xiàn)文,王曉明,等.納衛(wèi)星熱系統(tǒng)的在軌動態(tài)特性分析與建模[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(3)

[5]魏傳鋒,李運(yùn)澤,袁領(lǐng)雙,等.太陽同步軌道衛(wèi)星在軌運(yùn)行溫度預(yù)測[J].中國工程科學(xué),2005,7(2)

[6]馬偉,宣益民,韓玉閣.衛(wèi)星系統(tǒng)熱特性分析[J].航天器工程,2009,18(2)

[7]李國強(qiáng).資源-1 衛(wèi)星多層隔熱材料在軌溫度數(shù)據(jù)分析[J].航天器工程,2008,17(5)

[8]王曉明,李運(yùn)澤,王浚.衛(wèi)星熱控系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007(10)

[9]周佐新.中星22 號通信衛(wèi)星試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在軌飛行溫度比較分析[C]//黃山:第五屆空間熱物理會議,2000

[10]張旭東,李運(yùn)澤.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的納衛(wèi)星軌道溫度預(yù)測[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(12)

[11]秦巍,郭永富.一種基于歷史遙測數(shù)據(jù)的在軌衛(wèi)星預(yù)警系統(tǒng)[J].航天器工程.2010,19(6)