星載電場探測儀的傳感器空間布局研究

朱興鴻 王建岡 袁仕耿

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星空間電磁監(jiān)測的重要性越發(fā)突出，空間天氣監(jiān)測、電離層擾動(dòng)監(jiān)測等天基觀測已應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、電磁波傳播特性預(yù)估、地震短臨前兆研究等諸多方面。尤其是低頻的電場監(jiān)測，在電離層背景及擾動(dòng)監(jiān)測的科學(xué)研究中占有非常重要的地位［1-2］。電場探測儀作為衛(wèi)星上的高精度電場探測設(shè)備，用于進(jìn)行電離層連續(xù)動(dòng)態(tài)電場信息的高精度獲取。目前，已成熟應(yīng)用的空間電場測量技術(shù)有雙探針式電場測量法和電子漂移式電場測量法，而電子漂移式主要應(yīng)用于等離子體密度特別稀薄、電場特別小、頻率低于10 Hz的環(huán)境，因此雙探針電場探測儀成為國際上電離層電場探測的首選設(shè)備。使用雙探針電場探測儀對空間的三分量電場進(jìn)行測量時(shí)，至少需要使用4個(gè)原位探測傳感器，而對于一顆進(jìn)行高精度電場測量的衛(wèi)星，在進(jìn)行電場探測儀4個(gè)傳感器的構(gòu)型布局選擇設(shè)計(jì)時(shí)，須要對多個(gè)方面的關(guān)鍵影響進(jìn)行研究。

（1）從雙探針電場探測儀的等離子體耦合測量原理來說，必須要考慮光電子電流不平衡的影響，并利用傳感器端部的保護(hù)短桿設(shè)計(jì)，以及伸桿的空間布局來消除虛假光電場的影響。

（2）為了在保證電場探測儀4個(gè)傳感器探測靈敏度的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)處理時(shí)能夠?qū)Σ罘终`差進(jìn)行較好的分配和控制，必須控制4根伸桿在空間的分布。分布的空間尺度越大，傳感器的探測靈敏度越好；分布越接近正四面體，誤差分配越理想。

（3）從衛(wèi)星總體方面考慮，不允許伸桿對衛(wèi)星太陽翼上的光照造成遮擋。

（4）為了進(jìn)一步避免星體遮擋造成的傳感器間光電流不平衡現(xiàn)象所帶來的誤差，須要在設(shè)計(jì)階段避免衛(wèi)星星體，特別是太陽翼對傳感器的光照遮擋。

綜上所述，在進(jìn)行星載電場探測儀傳感器的空間構(gòu)型布局設(shè)計(jì)時(shí)，須要對探測過程中產(chǎn)生影響的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以保障探測數(shù)據(jù)的有效性。本文以運(yùn)行在500km 高的太陽同步軌道衛(wèi)星為例，分析了其傳感器空間布局中存在的關(guān)鍵點(diǎn)，并對布局設(shè)計(jì)的基本方法和原理進(jìn)行了闡述，可為采用此類電場探測儀的衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 雙探針電場探測儀測量系統(tǒng)

2．1 基本測量原理

雙探針式電場測量法的基本原理是，探針安裝在從衛(wèi)星本體伸展出的伸桿末端，浸沒在空間等離子環(huán)境中的探針將耦合和感應(yīng)一定的相對電勢，之后利用空間兩點(diǎn)的電勢差反推電場強(qiáng)度。傳感器的電流耦合作用包括離子電流、電子電流和光電子電流三部分，主動(dòng)式探測會(huì)給傳感器外加一個(gè)極化偏置電流，總電流效應(yīng)示意如圖1所示［3］。

結(jié)合衛(wèi)星速度和地磁場，可以得到地球坐標(biāo)系下的兩點(diǎn)間的電場為

式中：U1和U2分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的原位電勢；d為從點(diǎn)1到點(diǎn)2的矢量；v為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度矢量；B為系統(tǒng)所在位置的磁場矢量。

由于電場矢量的3個(gè)空間維度存在3個(gè)變量，因此對于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星來說，至少需要不全在相同平面上的4 個(gè)探針進(jìn)行測量，這樣才能通過式（1）獲得3個(gè)獨(dú)立的方程［4］，并通過求解得到電場測量結(jié)果。圖2為星上雙探針測量的基本原理示意圖。

圖1 傳感器電流耦合效應(yīng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of current coupling effect on sensors

圖2 三維雙探針測量的基本原理示意圖Fig．2 Schematic diagram of 3-D dual-probe detection

2．2 虛假光電場問題及α 角的引入

采用雙探針系統(tǒng)測量空間電場時(shí)，當(dāng)太陽、衛(wèi)星、探針在一條直線上或者接近同一直線時(shí)，會(huì)使2個(gè)探針的光電子發(fā)射和收集完全不對稱，從而產(chǎn)生“虛假光電場”。這種現(xiàn)象在歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星-1、2（GEOS-1、2）、美歐聯(lián)合研制的國際日地探測者-1（ISEE-1）衛(wèi)星和歐洲磁層觀測衛(wèi)星星座“星團(tuán)”（Cluster）等的雙探針電場探測儀測量過程中均出現(xiàn)過［5］。虛假光電場的產(chǎn)生，本質(zhì)上源于在特定太陽輻照方向范圍內(nèi)空間電場探測系統(tǒng)的雙探針對光電子發(fā)射和收集的明顯不對稱性，如圖3所示。

圖3 虛假光電場產(chǎn)生示意圖Fig．3 Schematic diagram of false photo-electric field generation

當(dāng)雙探針連線方向與太陽光線入射方向接近時(shí)，朝向太陽一側(cè)的探針?biāo)l(fā)射的光電子大部分向深空逃逸，僅有小部分向伸桿方向漂移而被伸桿收集到；遠(yuǎn)離太陽一側(cè)的探針?biāo)l(fā)射的光電子大部分則向伸桿方向漂移而被伸桿收集到。這就會(huì)造成衛(wèi)星在朝向太陽時(shí)電位升高，進(jìn)而導(dǎo)致朝向太陽一側(cè)的探針吸引、收集更多的光電子，形成具有梯度的“光電子云”。雙探針對光電子發(fā)射和收集的不對稱性，導(dǎo)致了朝向太陽方向的虛假光電場的產(chǎn)生。為能在工程中控制這種虛假光電場現(xiàn)象，特別引入了α角的概念，如圖4所示。α角的物理意義是，太陽的入射光線與伸桿方向的夾角，其值可以直接反映伸桿對光電子收集效應(yīng)的強(qiáng)弱，因此，只要對任務(wù)周期中所有4根伸桿α角的變化范圍進(jìn)行控制，就可以達(dá)到控制虛假光電場的目的。

圖4 α角示意圖Fig．4 Demonstration ofαangle

3 電場探測儀傳感器空間布局

3．1 衛(wèi)星場景仿真

由于星載電場探測儀利用等離子體耦合原理進(jìn)行探測，因此一般運(yùn)行在高度為300～900km 的電離層進(jìn)行探測［6］。在仿真場景設(shè)計(jì)中，設(shè)定衛(wèi)星運(yùn)行在500km 高的太陽同步軌道，衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)為14：00，衛(wèi)星和軌道場景如圖5所示（衛(wèi)星尺寸進(jìn)行了放大）。仿真場景為進(jìn)行三維電場的高精度測量，衛(wèi)星采用三軸零動(dòng)量穩(wěn)定方式，裝有單太陽翼，配置高精度電場探測儀，用4個(gè)球形傳感器通過電勢測量后互相差分的方式來探測空間的三維電場。為消除星表等離子體鞘層的影響，4 個(gè)傳感器分別處于4根4m 長伸桿的末端［7］。下面就以此類衛(wèi)星為例，從不同的角度逐步進(jìn)行電場探測儀的傳感器空間布局分析。

圖5 衛(wèi)星和軌道仿真場景Fig．5 Satellite and orbit simulation scenario

3．2 α 角的仿真分析

由于在對衛(wèi)星周圍空間進(jìn)行仿真分析的過程中很難覆蓋全空間所有角度，因此，在仿真中伸桿的空間指向選取了更具代表性［8］的26 個(gè)方向（6 個(gè)軸向，12個(gè)兩軸45°角方向，8 個(gè)三軸45°角方向，如圖6所示）。由于26個(gè)典型方向已經(jīng)以近似45°的分辨率覆蓋了全空間，因此對于其他方向，可以根據(jù)周圍的典型方向數(shù)據(jù)分析趨勢在需要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充仿真。在進(jìn)行傳感器的布局選擇時(shí)，首先對1 年中26 個(gè)方向的α角變化情況進(jìn)行分析。

圖6 26個(gè)伸桿方向仿真示意圖Fig．6 Schematic diagram of simulation for 26boom orientations

通過使用STK 軟件進(jìn)行實(shí)際飛行軌道的任務(wù)仿真，可以獲得全周期任意時(shí)刻的太陽方向矢量S，結(jié)合伸桿方向矢量D，可用式（2）求得此時(shí)的α角。

以衛(wèi)星本體坐標(biāo)系＋X軸向?yàn)槔?，?天之內(nèi)和1年內(nèi)的α角變化情況如圖7所示（地影區(qū)不受光電子影響，因此圖中已去除地影區(qū)的數(shù)據(jù)）。由圖7可知，＋X軸向伸桿的α角變化范圍為［22．46°，157．54°］。進(jìn)一步分析在26個(gè)不同方向的α角變化分布情況，如圖8所示。

圖7 ＋X 軸向伸桿在1天和1年內(nèi)的α角變化情況Fig．7 αangle change in one day／year in ＋Xdirection

圖8 在26個(gè)不同方向的α角變化情況Fig．8 αangle change in 26different orientations

從圖8可以看出，在不同方向α角的變化范圍差異較大。由于星上電場探測儀的短桿是為了平衡太陽光照的不對稱性，因此，α角允許的極值與短桿、傳感器間的關(guān)系可由圖9示出。

圖9 電場探測儀的短桿與α角的關(guān)系Fig．9 Relationship betweenαangle and guarding pole

根據(jù)幾何關(guān)系可得式中：αmin和αmax為α角的最小值和最大值；l為傳感器短桿長度；r為傳感器半徑。

根據(jù)場景設(shè)計(jì)，l取5cm，r取3cm，代入式（3），可得α角的范圍為［22°，158°］（見圖8中紅色虛線）。因此，從控制虛假光電場現(xiàn)象的角度出發(fā)，可選擇的伸桿指向范圍如表1所示（為直觀表示，伸桿方向矢量未作歸一化處理）。

表1 伸桿可選的指向范圍Table 1 Available orientation range for booms

3．3 伸桿對太陽翼的遮擋關(guān)系分析

由于太陽翼表面的電池片均采用分組串聯(lián)的聯(lián)結(jié)方式，當(dāng)伸桿對太陽翼上的部分電池片產(chǎn)生遮擋時(shí)，將造成比實(shí)際遮擋陰影區(qū)范圍大得多的電源損失，因此從能源的角度考慮，必須在設(shè)計(jì)上避免伸桿對太陽翼的遮擋。當(dāng)衛(wèi)星的一側(cè)放置太陽翼時(shí)，不產(chǎn)生遮擋的最好方式是不在同側(cè)放置任何伸桿；但根據(jù)式（1），增大空間分布的尺度（d）可以有效地提高系統(tǒng)的靈敏度，因此從幾何構(gòu)型角度出發(fā)，對太陽翼所在側(cè)的空間進(jìn)行有效利用，能夠很好地提升電場探測儀布局的空間尺度，這就要進(jìn)行詳細(xì)的可用性分析。

在進(jìn)行遮擋關(guān)系分析中，最直觀的方法是在采用三維矢量建模的基礎(chǔ)上，對三維圖的干涉情況進(jìn)行直接觀察，本文也將采用此方法。如前所述，本文選擇降交點(diǎn)地方時(shí)為14：00的單太陽翼衛(wèi)星作為研究對象，因此太陽翼在＋Y面。首先，利用STK 軟件獲得衛(wèi)星一個(gè)軌道周期中所有射向衛(wèi)星光線的矢量數(shù)據(jù)；然后，使用光線數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)太陽入射錐，由于地影的存在，入射錐會(huì)存在一個(gè)缺口，如圖10所示。

圖10 地影造成光線入射錐缺口示意圖Fig．10 Demonstration of sunlight cone gap caused by umbra

由于軌道的光照特性在一年中有變化，因此取春分、秋分、夏至、冬至共4軌數(shù)據(jù)，分別給出太陽入射光線在衛(wèi)星XOZ面上的投影，如圖11所示。

圖11 太陽入射光線在衛(wèi)星XOZ 面上的投影Fig．11 Sunlight projection on satellite XOZplane

在獲得入射錐后，就可以看出是否存在遮擋。由于地影的存在，始終沒有從＋Z方向射向衛(wèi)星的光線，因此，在能避開太陽翼產(chǎn)生的等離子體擾動(dòng)的前提下，衛(wèi)星的＋Y＋Z角分線方向可以放置伸桿，而衛(wèi)星的＋Y側(cè)其他方向均會(huì)造成對入射光線的遮擋，不能放置伸桿。

3．4 太陽翼對傳感器的遮擋關(guān)系分析

在上文選擇了＋Y＋Z角分線方向的伸桿之后，為防止因太陽翼對電場探測儀的傳感器遮擋造成差分傳感器光電流異常問題，要求太陽翼不能遮擋電場探測儀的傳感器。在實(shí)際分析中，仍然采用在三維矢量建模的基礎(chǔ)上對三維圖干涉情況進(jìn)行直接觀察的方式。

首先，使用圓柱來表征衛(wèi)星太陽翼的旋轉(zhuǎn)，按照全年的最大角度建立表征太陽光線的入射錐；然后，按照實(shí)際的幾何關(guān)系，在三維圖中放置衛(wèi)星側(cè)板、伸桿、傳感器等。通過如圖12所示的建模分析可以發(fā)現(xiàn)，太陽光線的入射錐與太陽翼的旋轉(zhuǎn)柱不存在干涉現(xiàn)象，因此＋Y＋Z角分線方向放置伸桿的方案可行。

圖12 太陽翼對電場探測儀傳感器的遮擋分析Fig．12 Solar panel shadow analysis for EFD sensors

3．5 傳感器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使4個(gè)傳感器的電勢在進(jìn)行差分時(shí)能獲得比較好的三軸誤差分配結(jié)果，在選擇伸桿指向時(shí)必須考慮4根伸桿在空間分布的情況，分布越接近正四面體，空間覆蓋尺度越大，傳感器的探測效果越好。進(jìn)一步考慮傳感器布局的時(shí)候，從最優(yōu)化α角和空間布局兩方面可以確定電場探測儀4根伸桿的方向，以及在這4個(gè)方向上α角的范圍，如表2所示。

表2 電場探測儀4根伸桿的方向設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Boom orientation design results for EFD

4 結(jié)束語

在分析雙探針電場探測儀探測原理的基礎(chǔ)上，研究了通過對α角控制、傳感器伸桿對太陽翼遮擋控制、太陽翼對傳感器的光照影響、傳感器空間的幾何分布情況進(jìn)行電場探測儀4個(gè)傳感器空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了低軌衛(wèi)星仿真場景，給出了逐步優(yōu)化的結(jié)果。在實(shí)際的布局設(shè)計(jì)中，除了考慮上述幾個(gè)方面外，還要考慮衛(wèi)星上星敏感器、天線等多個(gè)設(shè)備的視場干涉和信號(hào)多徑影響等問題。在后續(xù)的研究中，要進(jìn)一步對傳感器的幾何分布情況提出實(shí)際可量化的評價(jià)準(zhǔn)則，具體分析傳感器受星體等離子體預(yù)鞘層（Pre-sheath）的影響等。

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