衛(wèi)星表面物體反射光對太陽敏感器的影響分析

梁翠娜 朱位 楊春 郝文宇 譚滄海

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

衛(wèi)星表面物體反射光對太陽敏感器的影響分析

梁翠娜 朱位 楊春 郝文宇 譚滄海

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

太陽敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)確定和控制的關(guān)鍵產(chǎn)品,在軌工作時,可能會受到衛(wèi)星表面物體反射光等雜反光的影響,反射光進入到太陽敏感器視場后,會對敏感器造成干擾,導(dǎo)致控制系統(tǒng)做出誤判。文章在分析衛(wèi)星表面物體對太陽敏感器的遮擋及反射光特性的基礎(chǔ)上,提出了一種定量計算衛(wèi)星表面物體反射光強度的方法;并以某衛(wèi)星為例,計算了衛(wèi)星表面物體反射進入太陽敏感器的太陽光強度;在此基礎(chǔ)上,提出了合理選擇衛(wèi)星外表面熱控材料以降低反射光影響的措施。

太陽敏感器;反射光;視場;熱控材料

1 引言

太陽敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品,用于實現(xiàn)衛(wèi)星在特定坐標(biāo)系中的姿態(tài)穩(wěn)定。太陽敏感器作為常見的光感應(yīng)姿態(tài)敏感器件,在航天器領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-2],特別是數(shù)字太陽敏感器具備視場寬、精度高的優(yōu)勢,自其誕生以來幾乎所有衛(wèi)星都在使用。

數(shù)字太陽敏感器在工作過程中除了能夠接收到正常的能量外,還會受到星光、地球或衛(wèi)星本體的反射光等雜反光的干擾。雜反光進入敏感器視場,會增大圖像的背景噪聲,降低圖像的對比度[3],直接影響敏感器的精度和可靠性,嚴重時甚至?xí)瓜到y(tǒng)失效。

為此,敏感器的消雜光問題一直以來就是研究的熱點,文獻[4]介紹了利用計算機仿真技術(shù)進行消雜散光設(shè)計和評價的原理,結(jié)合CAD軟件建模進行了主鏡內(nèi)遮光罩、外遮光筒、次鏡百葉窗式遮光罩的設(shè)計;文獻[5]提出了使用“擴展窗口相對質(zhì)心法”消除雜反光影響,利用引入擴展窗口的雜反光信息來消除正?？状翱谥械碾s反光分量;文獻[6]和文獻[7]通過仿真,對敏感器的遮擋罩進行優(yōu)化設(shè)計,以提高其雜光抑制能力。

但是通常的雜光抑制研究主要集中在對敏感器內(nèi)部算法及結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化上,較少考慮敏感器周邊環(huán)境的影響。本文在分析敏感器視場及環(huán)境的基礎(chǔ)上,從衛(wèi)星表面物體的反射光特性出發(fā),提出了一種消除反射光影響的方法。

2 數(shù)字太陽敏感器工作原理

數(shù)字式太陽敏感器(簡稱數(shù)字太敏)是一種通過感應(yīng)太陽輻射來測量太陽矢量與衛(wèi)星的相對方位,從而獲取衛(wèi)星姿態(tài)的測量裝置。作為衛(wèi)星常用的姿態(tài)敏感器,幾乎所有的衛(wèi)星都需要安裝太陽敏感器,以便根據(jù)太陽敏感器提供的姿態(tài)反饋信息,完成衛(wèi)星各個階段的姿態(tài)控制任務(wù)[8]。數(shù)字太敏的工作原理如圖1所示,主要是運用小孔成像原理對太陽進行成像,使其光斑投射在圖像傳感器上,然后信息處理電路用某種算法提取像光斑中心位置,并測算出太陽光線入射角[9]。

根據(jù)數(shù)字太敏的工作原理,只要可見光輻射使光敏元件產(chǎn)生的信號值大于其本身所設(shè)定的閾值,太陽敏感器即指示太陽光進入[10]。但在其工作過程中除了能夠接收到正常的太陽光外,還會受到星體反射光等雜反光的影響。當(dāng)其他高強度的雜反光進入太陽敏感器的視場后,光敏元件也將產(chǎn)生信號,這種信號就是干擾信號。干擾信號如果大于太陽敏感器的閾值,將輸出錯誤的指示信號,可能導(dǎo)致系統(tǒng)做出誤判,進而影響到衛(wèi)星的姿態(tài)確定及控制。

為提高系統(tǒng)的魯棒性,太陽敏感器在進行信號處理時,會過濾掉進入其探頭的偶然強光,以及低于設(shè)計閾值的太陽光(太陽光強度一般以太陽常數(shù)S0表示,太陽常數(shù)定義為太陽與地球之間為年平均距離時,地球大氣層上垂直于陽光射線邊界處,單位面積單位時間內(nèi)接收的太陽輻射能量,一般取1 353 W/m2)。

本文以某衛(wèi)星使用的數(shù)字太陽敏感器為例,綜合考慮壽命末期電池片的退化,以及地氣光等的影響,該閾值設(shè)定為0.1個太陽常數(shù)(即若數(shù)字太陽敏感器接收到的太陽光強低于0.1個太陽常數(shù),認為光照太陽電池片輸出的信號無效,不會干擾到敏感器正常工作)。

3 敏感器視場分析

如圖2所示,若敏感器視場范圍內(nèi)不存在物體的遮擋,則視場外物體的反射光線也不可能進入到敏感器的視場中,不會對敏感器造成影響;反之,若敏感器視場范圍內(nèi)存在物體對其造成遮擋,則該物體可能會反射太陽光線進入到敏感器的視場中,對正常進入視場的太陽光線形成干擾,進而影響到敏感器的測量輸出。

盡管衛(wèi)星在布局設(shè)計時,會盡量避免敏感器視場的遮擋,但由于敏感器視場較大,且受衛(wèi)星平臺選型、有效載荷布局等限制,經(jīng)常會存在視場遮擋的情況。這種情況下的視場遮擋,通過分析有效視場、提前規(guī)避,不會影響敏感器的探測范圍,但其引起的反射光特性尚不明確。

以某衛(wèi)星為例,所使用的數(shù)字太陽敏感器的視場為(±60°)×(±60°)。根據(jù)衛(wèi)星布局設(shè)計,數(shù)字太陽敏感器被展開狀態(tài)的導(dǎo)航天線遮擋,在軸視場被遮擋范圍約為15°,不受遮擋視場范圍為(-60°～+45°)×(±60°),如圖3所示。

另外,為滿足衛(wèi)星星體外部件的熱控要求,艙外部件包覆有熱控材料,考慮到在軌環(huán)境,若遇空間碎片或熱控材料本身粘貼不牢導(dǎo)致脫落,熱控材料很可能會進入到敏感器的視場中,進而產(chǎn)生雜反光。

4 衛(wèi)星表面物體反射光強度計算方法

太陽光投射到物體表面后的反射現(xiàn)象,有鏡面反射和漫反射的區(qū)分。本文考慮反射的太陽光強度,即單位時間內(nèi)、單位可見面積輻射出去的落在單位立體角內(nèi)的輻射能量,分別分析衛(wèi)星表面物體的鏡面反射強度和漫反射強度。

4.1 鏡面反射強度分析

鏡面反射強度主要取決于被反射材料的性能,包括材料的發(fā)射率、該材料鏡面反射占全部反射強度的比率,并與反射光進入敏感器的角度相關(guān),可簡化為

式中:S1為衛(wèi)星表面物體到敏感器的鏡面反射強度,以太陽常數(shù)的倍數(shù)表示;ε為熱控材料的發(fā)射率(表1列出了常見材料的太陽吸收比和發(fā)射率);λ1為鏡面反射占比。

表1 常見熱控材料的太陽吸收比/發(fā)射率Table 1 Solar absorptance/emissivity of common materials

4.2 漫反射強度分析

漫反射與輻射發(fā)出面(表面1)和輻射接收面(表面2)間的角系數(shù)密切相關(guān)。表面1對表面2的角系數(shù)定義為表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的百分數(shù),記為。

式中:A1為輻射發(fā)出面的面積,A2為輻射接收面的面積,r為兩個表面間的距離,φ1、φ2為輻射能與物體表面法向的夾角[13]。

角系數(shù)純是一個幾何因子,與兩個表面的溫度及發(fā)射率沒有關(guān)系,因為物體的表面溫度及發(fā)射率的改變,只影響到該物體向外發(fā)射的輻射能大小,而不影響在空間的相對分布,因而不影響輻射到其他表面上的百分數(shù)。

衛(wèi)星表面物體到太陽敏感器的漫反射強度,與角系數(shù)及材料的發(fā)射率成正比,即

式中:S2為衛(wèi)星表面物體到敏感器的漫反射強度,以太陽常數(shù)的倍數(shù)表示;λ2為漫反射占比。

5 計算結(jié)果及消除措施

鏡面反射由于反射光的方向是固定的,因此與太陽光入射方向及衛(wèi)星姿態(tài)密切相關(guān),由于衛(wèi)星在軌會運行在不同的工況下,太陽光可能會來自各個方位,不能一一列舉。為充分說明問題,本文以最惡劣情況,即太陽光線經(jīng)過鏡面反射恰好進入到敏感器視場為例進行分析。

數(shù)字太敏的視場受導(dǎo)航天線遮擋,如圖4所示,當(dāng)太陽光經(jīng)鏡面反射進入數(shù)字太敏時,對應(yīng)的入射角θ為45°～60°(見圖3);當(dāng)反射光進入數(shù)字太敏的入射角最小,即θ=45°時,此時鏡面反射強度最大。

導(dǎo)航天線包覆有黃色多層隔熱組件膜,按表1黃膜的發(fā)射率為0.64、鏡反射所占比率為33%;導(dǎo)航天線進入敏感器視場的面積為A1=11572 mm2,數(shù)字太敏的面積A2=1750 mm2,兩者之間的距離r=3.2 m。隨著天線轉(zhuǎn)動,極限情況下天線與數(shù)字太敏正對,即cosφ1=cosφ2=1,兩個表面之間的角系數(shù)為

經(jīng)導(dǎo)航天線反射到數(shù)字太敏的鏡面反射強度為

由式(5)、(6)可知,漫反射計算時角系數(shù)的量級在10-5,到達數(shù)字太敏的太陽光強度遠低于其設(shè)計閾值。其他情況下的漫反射類似,因此認為漫反射不會影響太陽敏感器的使用。但是衛(wèi)星表面物體到太陽敏感器的鏡面反射強度,存在大于敏感器工作閾值的情況,可能會影響敏感器的輸出,必須采取措施消除這種干擾。

根據(jù)式(1),鏡面反射的強度與材料的發(fā)射率、該材料鏡面反射占全部反射強度的比率、反射光進入敏感器的角度成正比。

其中,反射光進入敏感器的角度與衛(wèi)星布局及在軌姿態(tài)密切相關(guān),因此在布局時應(yīng)盡量確保敏感器視場內(nèi)無遮擋物或遮擋角度盡可能小;材料的發(fā)射率、該材料鏡面反射占全部反射強度的比率是由所選用材料的特性決定的,應(yīng)選擇以漫反射為主且發(fā)射率低的材料。

根據(jù)表1,黑膜的發(fā)射率遠遠低于黃膜,且黑膜全部為漫反射,若將艙外天線的熱控材料更換為黑膜,材料的鏡面反射可以忽略,只考慮漫反射(即λ1=0,λ2=1)。則漫反射強度為

可見將材料更換為發(fā)射率低的黑膜將大大降低太陽光反射強度,某衛(wèi)星將導(dǎo)航天線的多層隔熱組件更換為黑膜,目前已在軌工作超過2年,受遮擋的太陽敏感器工作正常。

因此,在不影響衛(wèi)星熱控的前提下,可將敏感器視場內(nèi)所有的熱控多層更換為黑色多層隔熱組件膜。另外,考慮到在軌環(huán)境,若遇空間碎片或熱控材料本身粘貼不牢導(dǎo)致脫落,其他熱控材料也有可能會進入到敏感器的視場中,建議在選擇熱控材料時,靠近敏感器視場的應(yīng)選擇發(fā)射率低的材料。

6 結(jié)束語

本文對衛(wèi)星表面物體反射光對太陽敏感器的影響進行了分析,結(jié)果表明:對于遮擋物體產(chǎn)生的反射光,漫反射的強度很小,不會影響太陽敏感器正常工作,可以不予考慮;在某些特殊情況下,物體鏡面反射的強度會超過太陽敏感器工作的閾值,進而影響到敏感器工作。為消除反射光干擾的風(fēng)險,在不影響衛(wèi)星熱控的前提下,建議敏感器視場內(nèi)以及靠近敏感器的物體,選擇發(fā)射率低的熱控材料,如黑色多層隔熱組件膜。

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Analysis for Effect of Satellite’s External Object Reflected Light on Sun Sensor

LIANG Cuina ZHU Wei YANG Chun HAO Wenyu TAN Canghai
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Sun sensor is the critical equipment of satellite attitude determination and control system,it may be affected by stray light such as satellite’s external object reflected light.When the inflected light enters the field of view of the sun sensor,it may cause interference to the sensor and then causes the attitude control system to make a false judgment.Based on the analysis of overshadow by satellite and the characteristics of the reflected light,a quantitative method of calculating the intensity of reflected light is proposed in the paper.Taking a certain type of satellites as an example,reflectied light of satellite’s external object into sun sensor is calculated,the measures to reduce the influence of reflected light by reasonably choosing thermal control materials are proposed.

sun sensor;reflected light;field of view;thermal control materials

V423.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.008

2017-08-31;

2017-09-14

國家重大科技專項工程

梁翠娜,女,碩士,工程師,研究方向為航天器總體設(shè)計。Email:liangcn123@126.com。

(編輯:李多)