IGSO衛(wèi)星地球敏感器受兩極紅外輻射波動影響分析

常建松 郭建新 李艷華 劉忠漢

1.哈爾濱工業(yè)大學衛(wèi)星技術研究所，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，采用擺動掃描式紅外地球敏感器(以下簡稱“地敏”)測量滾動俯仰姿態(tài)，陀螺和太陽敏感器測量偏航姿態(tài)。衛(wèi)星正常工作時，偏航動態(tài)偏置使得衛(wèi)星+X軸指向太陽以保證能源供應。因此，與GEO衛(wèi)星標稱姿態(tài)時地敏探頭視場沿南、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，地敏探頭每天均會規(guī)律性地掃描經(jīng)過兩極區(qū)域，若此時該地區(qū)紅外輻射波動劇烈，干擾地敏探頭測量，則會導致地敏輸出姿態(tài)角異常。

文獻［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，導致姿態(tài)基準丟失，文中給出該靜態(tài)地敏測量的不同月份時地球紅外輻射強度隨軌道周期變化曲線，數(shù)據(jù)表明7月份時南極地區(qū)輻射強度會明顯降低。文獻［2］詳細分析了地球紅外輻射隨季節(jié)和緯度變化對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處理措施。

1 擺動掃描式紅外地球敏感器簡介

IGSO衛(wèi)星采用單地平穿越擺動掃描式紅外敏感器，其復合視場包含4個紅外探測器探頭，敏感14～16μm紅外波段，每個探頭為1.3°×1.3°方形視場，其對角線分別平行于星體俯仰軸和滾動軸，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，轉移軌道運行或捕獲地球時使用寬掃描方式，在地球同步軌道時使用窄掃描方式。

地敏探頭對地球和背景空間的紅外輻射進行檢測，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所示測量脈沖，再與零位基準脈沖信號比較，通過姿態(tài)處理邏輯單元計算獲得滾動、俯仰角測量值。正常4個探頭工作時，地敏測量輸出滾動俯仰姿態(tài)角數(shù)學模型公式如式(1)［3］。

圖1 紅外地球敏感器復合視場及測量原理

式中，Δ1，Δ2，Δ3，Δ4 分別為各探頭輸出弦寬測量值，φ為滾動角，θ為俯仰角。

2 兩極紅外輻射波動影響分析

2.1 誤差分析

文獻［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可由圖2看出，該圖表示7月份在對地靜止軌道上看到的14～16μm波段地球的等輻亮度曲線。圖中方格形坐標所示的數(shù)值為從衛(wèi)星上觀察地球，觀察點對應的視線與地垂線間的夾角?？梢娤募灸蠘O輻射水平明顯低于北極。文獻［1］的在軌測量數(shù)據(jù)同樣表明地球紅外輻射強度隨季節(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，波動較大，因此對于地敏測量是不利的，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，因此地敏測量獲得的原始地球波形狀類似于梯形，并且隨著探頭視場穿越點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。對于IGSO衛(wèi)星，由于工作在大傾角的同步軌道上，4個探頭地平穿越點處的紅外輻射強度不同，每個探頭測量得到的地平穿越位置不再與基準位置重合，就會產(chǎn)生測量誤差，這便是地球敏感器的地球輻射誤差［5］。尤其是當?shù)孛籼筋^掃描經(jīng)過紅外輻射波動劇烈的兩極區(qū)域時，相應探頭測量的地球輻射強度信號變化顯著，提取地平穿越脈沖會嚴重偏離真實位置，當與基準脈沖比較時出現(xiàn)較大的偏差，最終導致姿態(tài)計算誤差增大，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景，見圖3，圖中探頭1視場為藍色透視區(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)域用紅色方框標示，范圍設定為西經(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)，用紅色圓圈標出地敏探頭掃描穿越地平位置。

圖3 STK仿真分析場景示意圖

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

圖4 探頭2受擾時掃過地面軌跡

探頭2受擾STK仿真分析場景見圖4，此時探頭2掃描地平穿越點位于異常干擾區(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和俯仰角測量值變化有很強的相關性，即滾動角增大的同時俯仰角也增大，滾動角減小俯仰角隨之減小，且幅值基本相同。進一步由式(1)滾動俯仰角計算公式可知，若探頭2受擾，則會引起姿態(tài)角同增同減變化現(xiàn)象。同理，探頭3受擾時輸出姿態(tài)角也具有相同變化趨勢。

圖5 探頭2受擾時地敏輸出姿態(tài)角

探頭1受擾STK仿真場景見圖6，異常期間地敏輸出姿態(tài)角見圖7，滾動和俯仰角存在明顯的反向對稱變化趨勢，即滾動角增大同時俯仰角減小，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，則地敏輸出的滾動和俯仰姿態(tài)角會表現(xiàn)出反增反減的變化現(xiàn)象。探頭4受擾時輸出姿態(tài)角變化趨勢相同。

圖6 探頭1受擾時掃過地面軌跡

圖7 探頭1受擾時地敏輸出姿態(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)角變化趨勢之間的關系，進一步結合探頭掃過異常區(qū)域時段的預報結果，即可準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)各探頭每天受擾時段基本相同，隨衛(wèi)星軌道攝動而變化。

3 處理措施

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

正常4個探頭工作情況下，地敏輸出姿態(tài)角的測量噪聲為0.06°(3σ)，而3個探頭工作時測量噪聲為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軟件設置異常干擾區(qū)，可以快速有效地預報各探頭受兩極紅外輻射干擾的時段。但是受氣候、溫度等不確定性因素影響，難以對地球紅外輻射異常區(qū)域進行準確建模，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，盡可能提高預報的準確性。

進行探頭干擾保護時，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發(fā)生，并且在不同的探頭上，則當?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，優(yōu)先進行日月干擾保護工作，否則可以參考文獻［6-8］的處理方法，同時進行多個探頭的干擾保護。

每年7～9月份南極地區(qū)紅外輻射波動較大，而12～2月份北極地區(qū)紅外輻射波動較大，這兩個時段內(nèi)需重點關注IGSO衛(wèi)星地敏測量輸出，若發(fā)現(xiàn)明顯的受擾跡象，應及時采取上述處理措施。

4 結論

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，預報各探頭受擾時段，再結合地敏輸出姿態(tài)角變化趨勢，可以準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報干擾時段，進而通過采取禁止受擾探頭工作的保護措施，避免地敏輸出姿態(tài)角異常情況發(fā)生。

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