硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王清泉 羅榮蒸 封碩 高英偉 文向陽(yáng) 徐玉朋

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

整星系統(tǒng)級(jí)電性能綜合測(cè)試是衛(wèi)星研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),主要目的是驗(yàn)證衛(wèi)星總體設(shè)計(jì),同時(shí)為總體改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持,檢查衛(wèi)星各分系統(tǒng)間電接口的匹配性,驗(yàn)證各分系統(tǒng)在裝星后的系統(tǒng)電氣性能、指標(biāo)與各級(jí)規(guī)范的一致性,驗(yàn)證衛(wèi)星系統(tǒng)的電磁兼容性,驗(yàn)證衛(wèi)星在軌的工作模式和工作程序的合理性,驗(yàn)證衛(wèi)星在軌飛行任務(wù)的適應(yīng)性,考核星載計(jì)算機(jī)軟件的工作能力,提供整星技術(shù)流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)包支持,并為衛(wèi)星在軌運(yùn)行保障提供數(shù)據(jù)積累[1]。因此,衛(wèi)星發(fā)射前必須進(jìn)行全面和徹底的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試[2]。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星為慣性空間定向的X射線探測(cè)衛(wèi)星,探測(cè)的X射線能區(qū)覆蓋1～250 ke V[3]。這些特點(diǎn)對(duì)整星測(cè)試系統(tǒng)提出了新需求,如慣性空間閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型、X射線探測(cè)器裝星后的系統(tǒng)級(jí)地面驗(yàn)證方法,因此要針對(duì)性設(shè)計(jì)地面測(cè)試系統(tǒng)及方案,以滿足其整星測(cè)試需求。

本文總結(jié)了HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試特點(diǎn),并針對(duì)其特有測(cè)試需求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),有效保障了HXMT衛(wèi)星整星測(cè)試及發(fā)射任務(wù)。

1 整星測(cè)試系統(tǒng)方案

衛(wèi)星綜合測(cè)試設(shè)備稱(chēng)為電器地面支持設(shè)備(EGSE),是一個(gè)兩級(jí)分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主要由總控設(shè)備(OCOE)和分系統(tǒng)專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備(SCOE)組成[4-5]。采用可靠性高、通用性高、集成度高的設(shè)備配置和成熟的測(cè)試軟件,結(jié)合OCOE和SCOE兩級(jí)分布式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)了HXMT衛(wèi)星綜合測(cè)試系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 HXMT衛(wèi)星綜合測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 Integrated test system composition of HXMT satellite

OCOE負(fù)責(zé)完成測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備、測(cè)試過(guò)程管理、數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證、數(shù)據(jù)歸檔與離線數(shù)據(jù)回放等。SCOE包括供配電專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備、測(cè)控專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備、姿態(tài)與軌道控制專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備和有效載荷專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備。供配電專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備模擬太陽(yáng)方陣、蓄電池的各種特性,包括不同負(fù)載下的伏安特性、電壓調(diào)節(jié)范圍、方陣組合及分流,實(shí)現(xiàn)對(duì)HXMT衛(wèi)星的供電和配電。測(cè)控專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備可接收HXMT衛(wèi)星發(fā)送的載波信號(hào),并解調(diào)出遙測(cè)信號(hào),同時(shí)可發(fā)送射頻信號(hào)到衛(wèi)星,對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制。姿態(tài)與軌道控制專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備測(cè)試各種姿態(tài)、軌道參數(shù),提供各種模擬信號(hào)源與仿真程序,完成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)測(cè)試。有效載荷專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備對(duì)HXMT衛(wèi)星有效載荷的工程數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、監(jiān)測(cè),生成直方圖和時(shí)間觀測(cè)曲線,實(shí)時(shí)給出能反映有效載荷功能的統(tǒng)計(jì)信息。OCOE具有較強(qiáng)的通用性,SCOE的規(guī)模、組成和功能因不同衛(wèi)星有較大差異。

與其他對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星相比,HXMT衛(wèi)星在綜合測(cè)試設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)。

1)慣性定向動(dòng)中探測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)測(cè)試

與其他對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星不同,面向天文觀測(cè)的空間科學(xué)衛(wèi)星為慣性空間定向。為實(shí)現(xiàn)小天區(qū)掃描任務(wù),HXMT衛(wèi)星采用動(dòng)中探測(cè)工作模式(如圖2所示),即在現(xiàn)有衛(wèi)星高精度控制的基礎(chǔ)上,在姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中開(kāi)啟有效載荷進(jìn)行工作,也就是衛(wèi)星在望遠(yuǎn)鏡工作過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整光軸對(duì)慣性空間的指向,從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)對(duì)天區(qū)指向不斷變化的X射線探測(cè)?，F(xiàn)有的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試用例已不能滿足動(dòng)中探測(cè)模式的測(cè)試需求[3-4],需要針對(duì)這種模式的新特點(diǎn)開(kāi)展測(cè)試方案的設(shè)計(jì)研究。

2)寬譜段X射線探測(cè)性能測(cè)試

HXMT衛(wèi)星的探測(cè)目標(biāo)為宇宙間波長(zhǎng)在0.01～0.10 nm的硬X射線,通過(guò)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合觀測(cè),實(shí)現(xiàn)1～250 keV的X射線巡天和定點(diǎn)觀測(cè)。高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的能區(qū)有相互重疊部分,總共覆蓋1～250 ke V能區(qū)。整星綜合測(cè)試需要對(duì)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)功能進(jìn)行定性檢查,以驗(yàn)證載荷分系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺(tái)接口的正確性,并檢查經(jīng)歷大型試驗(yàn)后望遠(yuǎn)鏡功能、性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。天體的X射線無(wú)法到達(dá)地面,人們所熟知的具有很強(qiáng)穿透力的X射線,僅僅是整個(gè)X射線譜中的一部分。因此,需要設(shè)計(jì)X射線源及打靶裝置,進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡性能測(cè)試。

圖2 小天區(qū)深度掃描原理示意Fig.2 Depth scan schematic of small sky coverage

2 測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試需求,設(shè)計(jì)了動(dòng)中探測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及X射線光管打靶測(cè)試系統(tǒng),并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),以有效保證HXMT衛(wèi)星開(kāi)展整星測(cè)試及望遠(yuǎn)鏡性能測(cè)試。

2.1 動(dòng)中探測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)測(cè)試

傳統(tǒng)整星測(cè)試環(huán)境多針對(duì)靜態(tài)對(duì)地成像方式設(shè)計(jì),地面注入指令設(shè)定衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)角度,通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)判讀驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和指標(biāo)符合情況。應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行空間科學(xué)衛(wèi)星的動(dòng)中探測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式測(cè)試存在如下問(wèn)題。

(1)地面閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)采用以地固坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)模型,不適用于慣性空間定向衛(wèi)星的星地閉環(huán)測(cè)試。

(2)機(jī)動(dòng)時(shí)間與望遠(yuǎn)鏡任務(wù)時(shí)間相對(duì)獨(dú)立,不能滿足動(dòng)中探測(cè)過(guò)程中姿態(tài)機(jī)動(dòng)與掃描任務(wù)之間嚴(yán)格的時(shí)間約束關(guān)系。

為解決上述問(wèn)題,對(duì)整星測(cè)試環(huán)境中的自動(dòng)測(cè)試用例、動(dòng)力學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)。整星姿態(tài)機(jī)動(dòng)測(cè)試環(huán)境主要由星上平臺(tái)產(chǎn)品、控制分系統(tǒng)產(chǎn)品、地面閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)和地面平臺(tái)服務(wù)測(cè)試系統(tǒng)組成(如圖3所示),各部分功能如下。

(1)星上平臺(tái)產(chǎn)品:為控制分系統(tǒng)提供遙測(cè)、遙控、時(shí)間等信息交互通道,同時(shí)與地面平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)建立遙測(cè)遙控通道。

(2)星上控制分系統(tǒng)產(chǎn)品:根據(jù)星上指令完成姿態(tài)機(jī)動(dòng)任務(wù)規(guī)劃,接收閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送的敏感器信息,并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息傳輸至閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

(3)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)軌道動(dòng)力學(xué)模型,并采集星上產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào),通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算輸出信號(hào)至敏感器產(chǎn)品;建立星地統(tǒng)一時(shí)間信息,實(shí)現(xiàn)星地閉環(huán)時(shí)序統(tǒng)一。

(4)平臺(tái)服務(wù)測(cè)試系統(tǒng):由總控服務(wù)系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試軟件和平臺(tái)分系統(tǒng)設(shè)備組成,主要任務(wù)是仿真測(cè)試平臺(tái)與總控?cái)?shù)據(jù)的交互,同時(shí)可進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的監(jiān)視與判讀。

圖3 整星姿態(tài)機(jī)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of system-level attitude maneuver test system

為滿足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及動(dòng)力學(xué)閉環(huán)測(cè)試星地時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的一致測(cè)試需求,設(shè)計(jì)雙頻GPS高動(dòng)態(tài)信號(hào)模擬源。模擬源可以模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),通過(guò)高頻電纜發(fā)送給星上導(dǎo)航接收機(jī),導(dǎo)航接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)計(jì)算時(shí)間信息,為星上設(shè)備提供時(shí)間基準(zhǔn)。同時(shí),模擬預(yù)案通過(guò)422接口與主控計(jì)算機(jī)通信,將參考時(shí)鐘與校時(shí)信息發(fā)送給動(dòng)力學(xué)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),完成星地時(shí)間統(tǒng)一。

高動(dòng)態(tài)信號(hào)模擬源由數(shù)學(xué)仿真模塊、中頻信號(hào)生成模塊、射頻模塊和對(duì)外接口組成,如圖4所示。

(1)數(shù)學(xué)仿真模塊:完成GPS星座衛(wèi)星軌道計(jì)算、空間環(huán)境仿真、用戶軌跡仿真、導(dǎo)航電文生成、系統(tǒng)完好性信息生成及觀測(cè)數(shù)據(jù)生成等,具備衛(wèi)星事件仿真能力。

(2)中頻信號(hào)生成模塊:能夠產(chǎn)生獨(dú)立的GPS L1,L2頻點(diǎn)的中頻信號(hào)。

(3)射頻模塊:主要完成將中頻輸入的GPS L1,L2頻點(diǎn)QPSK信號(hào)進(jìn)行上變頻處理、功率調(diào)整,最終得到相應(yīng)的射頻信號(hào)。

(4)對(duì)外接口:包括射頻輸出(RFout)端口和422端口。其中:RFout端口通過(guò)高頻電纜將導(dǎo)航信息傳輸至星上設(shè)備;422接口通過(guò)電纜將時(shí)間信息傳輸至主控計(jì)算機(jī)。

圖4 GPS信號(hào)模擬源邏輯框圖Fig.4 Logic diagram of GPS signal simulation source

2.2 X射線光管打靶測(cè)試

射線源有放射源和X射線光管2種選擇,其中X射線光管斷電后就不會(huì)再產(chǎn)生X射線。從輻射防護(hù)安全考慮,在整星正樣階段測(cè)試中,以X射線光管作為性能測(cè)試的射線源。在望遠(yuǎn)鏡上方放置1個(gè)靶,基于不同金屬的二次熒光發(fā)射產(chǎn)生單能X射線[6],進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡性能測(cè)試。3個(gè)X射線光管同時(shí)照射,產(chǎn)生的X射線覆蓋高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡,可以同時(shí)進(jìn)行性能測(cè)試。

1)二次打靶方案

X射線光管發(fā)射的光子譜呈現(xiàn)比較典型的三角形(韌致輻射光子主導(dǎo)),見(jiàn)圖5。性能測(cè)試時(shí)利用該特征譜線,為減小連續(xù)譜的影響,采用二次打靶方案(見(jiàn)圖6)。X射線光管發(fā)射連續(xù)譜段X射線至靶板,經(jīng)靶板上不同金屬材料產(chǎn)生的熒光效應(yīng),獲得不同譜段的特征X射線,反射至相應(yīng)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡接收區(qū)域,滿足高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡性能測(cè)試所需能譜范圍的X射線需求。不同望遠(yuǎn)鏡接收區(qū)域所使用的靶板材料和對(duì)應(yīng)的特征X射線,如表1所示。

圖5 X射線光管出射光子譜Fig.5 Photon emission spectrum of X-ray tube

圖6 X射線光管二次打靶示意Fig.6 Schematic diagram of X-ray tube two shooting

表1 靶板材料及對(duì)應(yīng)特征X射線Table 1 Target plate materials and corresponding characteristics X-ray

2)靶板安裝結(jié)構(gòu)

測(cè)試架主要由靶板、支撐環(huán)、支撐桿及X射線光管組成,靶板安裝如圖7所示。靶板選用鋁蜂窩板材,板面外形尺寸約為1900 mm×1650 mm,板厚15 mm,面向望遠(yuǎn)鏡的一側(cè)貼覆金屬膜,高能區(qū)域貼錫膜,中能區(qū)域貼鉬膜,低能區(qū)域貼銅膜。

圖7 靶板安裝示意Fig.7 Target plate assembly

3)X射線光管控制

X射線光管采用12 V直流電源供電,斷電后不保存工作狀態(tài),每次上電需要通過(guò)USB接口設(shè)置高壓和電流參數(shù),然后開(kāi)啟X射線光管?？刂朴?jì)算機(jī)及電源放在地面,電纜由地面到望遠(yuǎn)鏡支撐桿再引向X射線光管。X射線光管在測(cè)試間通過(guò)網(wǎng)線遠(yuǎn)程控制。

4)熱試驗(yàn)測(cè)試打靶方案

在熱真空罐內(nèi),望遠(yuǎn)鏡需要使用X射線光管產(chǎn)生熒光信號(hào)進(jìn)行性能測(cè)試。在熱真空罐側(cè)壁通過(guò)非標(biāo)法蘭安裝小型X射線光管,利用其在熱沉內(nèi)壁上激發(fā)的特征X射線對(duì)望遠(yuǎn)鏡性能進(jìn)行監(jiān)測(cè);設(shè)計(jì)X射線發(fā)射角度,保證其軸線指向望遠(yuǎn)鏡軸線與熱沉交點(diǎn),并覆蓋望遠(yuǎn)鏡上方區(qū)域;X射線發(fā)射后,能夠照射至罐內(nèi)頂部,以便產(chǎn)生的熒光可以照射到望遠(yuǎn)鏡。另外,中能望遠(yuǎn)鏡還需要懸掛鉬靶,在中能探測(cè)器機(jī)箱正上方,距離整星遮陽(yáng)板高度需要大于756 mm。熱試驗(yàn)打靶方案如圖8所示。

圖8 熱試驗(yàn)打靶方案Fig.8 Shooting scheme in thermal test

3 整星測(cè)試應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)完成了HXMT衛(wèi)星初樣電測(cè)、正樣電測(cè)和發(fā)射場(chǎng)測(cè)試,為衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)提供了依據(jù),為衛(wèi)星成功發(fā)射提供了保障,為衛(wèi)星在軌應(yīng)用積累了試驗(yàn)案例與數(shù)據(jù)。

(1)應(yīng)用星地時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),完成整星模擬飛行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:慣性空間定向衛(wèi)星在軌飛行流程,可滿足各分系統(tǒng)正常狀態(tài)建立及望遠(yuǎn)鏡在軌測(cè)試任務(wù),飛行程序方案可行。

(2)驗(yàn)證小天區(qū)、巡天、定點(diǎn)等慣性空間定向多模式靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿態(tài)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,模式切換滿足在軌使用要求。

(3)通過(guò)X射線光管打靶試驗(yàn),驗(yàn)證望遠(yuǎn)鏡在整星測(cè)試各階段性能正常穩(wěn)定,功能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析總結(jié)了HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試特點(diǎn),介紹了適應(yīng)其整星測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上,本文著重設(shè)計(jì)了動(dòng)中探測(cè)姿態(tài)機(jī)動(dòng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)星地時(shí)間統(tǒng)一裝置保證動(dòng)中探測(cè)實(shí)時(shí)性要求;采用X射線光管打靶設(shè)計(jì)了望遠(yuǎn)鏡性能測(cè)試系統(tǒng),在整星各階段完成對(duì)望遠(yuǎn)鏡的性能功能驗(yàn)證。衛(wèi)星的初樣和正樣電綜合測(cè)試、力學(xué)試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、出廠試驗(yàn),以及發(fā)射場(chǎng)測(cè)試和發(fā)射任務(wù)表明,該地面測(cè)試系統(tǒng)滿足測(cè)試需求,有力支撐了HXMT衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行。本文的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,可為未來(lái)空間科學(xué)衛(wèi)星的測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供參考。

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