基于地球敏感器的地影下自旋衛(wèi)星起旋轉(zhuǎn)速確定

陶景橋

北京控制工程研究所,北京 100090.

0 引 言

風(fēng)云二號(hào)是我國(guó)第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，姿態(tài)控制采用自旋穩(wěn)定方式.衛(wèi)星采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，燃料儲(chǔ)存裝置分為“皮囊貯箱”和“錐形貯箱”兩種.“皮囊貯箱”的工作不依賴自旋離心力，僅依靠自身皮囊壓力就可將燃料“擠”至出口，但容量有限，僅供衛(wèi)星起旋使用；“錐形貯箱”必須依靠衛(wèi)星自旋離心力才能將燃料“甩”至出口，容量相對(duì)較大，用于衛(wèi)星起旋后的姿態(tài)與軌道控制，但在起旋之前是無(wú)法使用的[1].

在星箭分離后，由星箭分離信號(hào)啟動(dòng)推力器噴氣，使用“皮囊貯箱”中的燃料控制衛(wèi)星繞自旋軸旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速，建立自旋穩(wěn)定狀態(tài)，然后就可以切換到使用“錐形貯箱”的正常狀態(tài).由此可見(jiàn)，星箭分離后衛(wèi)星可靠起旋至關(guān)重要，星箭分離后的起旋轉(zhuǎn)速判斷也是非常重要的.

計(jì)算起旋轉(zhuǎn)速就是測(cè)量自旋周期，屬于姿態(tài)測(cè)量的一部分，一般是利用每旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)結(jié)合濾波技術(shù)可以得到更加精確的轉(zhuǎn)速[2-3].在星箭分離時(shí)的轉(zhuǎn)速測(cè)量主要用于起旋判斷，其要求主要是及時(shí)和可靠，精度沒(méi)有過(guò)高的要求，最直接的方式就是通過(guò)太敏，其輸出的脈沖周期與衛(wèi)星的自旋周期相同，而且空間的太陽(yáng)輻射相對(duì)強(qiáng)烈穩(wěn)定，太敏的輸出能夠確保穩(wěn)定可靠.但在某些情況下，受到發(fā)射窗口的限制，星箭分離時(shí)處于地影，太敏不可用，給起旋轉(zhuǎn)速確定帶來(lái)了新的問(wèn)題.

本文以風(fēng)云二號(hào)09星為背景，分析了地影下起旋轉(zhuǎn)速的各種計(jì)算方法，最終以地敏來(lái)確定起旋轉(zhuǎn)速.但地敏的設(shè)計(jì)狀態(tài)是基于同步軌道高度，而星箭分離時(shí)刻的軌道高度僅有幾百公里，本文分析了軌道高度對(duì)地敏的影響，在不改變星上狀態(tài)的情況下，提出了一種起旋轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，解決了地影下的轉(zhuǎn)速確定問(wèn)題，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中.

1 系統(tǒng)介紹

在星箭分離后，與控制相關(guān)的控制回路有兩個(gè).

轉(zhuǎn)速控制回路中，采用太敏或地敏為敏感器，其輸出的脈沖周期與自旋轉(zhuǎn)速周期相同；采用星地大回路控制，由地面根據(jù)敏感器輸出和目標(biāo)轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算控制量；最終的控制量由切向推力器完成.

主動(dòng)章控回路中，沿自旋軸方向安裝的加速度計(jì)輸出的正弦信號(hào)代表了衛(wèi)星的章動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以作為主動(dòng)章控控制敏感器；控制計(jì)算由星上的主動(dòng)章控控制線路完成；最終的控制量由軸向推力器完成,如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Chart of the control system

衛(wèi)星利用星箭分離信號(hào)啟動(dòng)程控，控制衛(wèi)星起旋，使衛(wèi)星建立自旋狀態(tài).一般情況下，星箭分離后太陽(yáng)是可見(jiàn)的，利用太陽(yáng)敏感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，用于判斷衛(wèi)星是否起旋成功，如果起旋失敗，需要迅速發(fā)起星地大回路應(yīng)急起旋.確認(rèn)起旋成功后，啟動(dòng)主動(dòng)章動(dòng)控制，利用加速度計(jì)輸出的正弦信號(hào)作為反饋信號(hào)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行主動(dòng)章動(dòng)控制.

2 現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量方法局限性分析

在控制回路中配備的敏感器有地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、加速度計(jì).地球敏感器用于測(cè)量自旋軸與星地矢量的夾角，太陽(yáng)敏感器用于測(cè)量自旋軸與星日矢量的夾角，加速度計(jì)用于衛(wèi)星章動(dòng)和搖擺測(cè)量.以上每種敏感器輸出的信號(hào)都是周期信號(hào)，信號(hào)周期與自旋周期相關(guān)，也就是都包含有轉(zhuǎn)速信息，但是每種敏感器在使用上都有一定的局限性.

地球敏感器的使用條件是地球可見(jiàn)，而且地球圓盤弦寬在采集系統(tǒng)的范圍之內(nèi)，一般用于同步軌道的自旋軸姿態(tài)測(cè)量.

太陽(yáng)敏感器的使用條件是太陽(yáng)可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道都可以使用.一般情況下，可以結(jié)合地球敏感器的測(cè)量信息計(jì)算自旋軸姿態(tài).

加速度計(jì)的使用條件是衛(wèi)星有章動(dòng)或搖擺運(yùn)動(dòng).搖擺運(yùn)動(dòng)在加速度計(jì)上的分量是常值，沒(méi)有轉(zhuǎn)速信息，無(wú)法用于轉(zhuǎn)速測(cè)量.章動(dòng)運(yùn)動(dòng)在加速度計(jì)上的分量是正弦信號(hào)，其幅度代表了章動(dòng)的大小，其周期代表了章動(dòng)的周期，并且與自旋周期有固定的比例關(guān)系[4-5].

地影下星箭分離后，以上敏感器的使用均受到一定的限制.首先，地影下太陽(yáng)不可見(jiàn)，太陽(yáng)敏感器沒(méi)有輸出，無(wú)法使用.其次，星箭分離直至起旋初期，衛(wèi)星的章動(dòng)運(yùn)動(dòng)很微弱，加計(jì)的輸出也很微弱，很難獲取規(guī)則的周期信號(hào).最后，地球敏感器的輸出也受到一定的限制，較低的軌道高度決定了衛(wèi)星掃到地球的概率極大，幾乎可以認(rèn)為地球是可見(jiàn)的，但同時(shí)也就意味著較大的地球弦寬，有可能超出采集線路的范圍.

相對(duì)而言，只有地球敏感器有可能用于轉(zhuǎn)速測(cè)量，但需要對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量方法進(jìn)行改造，以適應(yīng)大弦寬的情況.

3 基于地球敏感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及改進(jìn)

3.1 測(cè)量原理

地球敏感器本體沒(méi)有活動(dòng)部件，其探頭光軸向外安裝，依靠衛(wèi)星的自旋轉(zhuǎn)動(dòng)掃過(guò)地球圓盤.為了避免受到太陽(yáng)干擾，采用南北兩臺(tái)地球敏感器，分別在自旋軸垂直位置向南北偏離5°安裝，保證兩臺(tái)地球敏感器不會(huì)同時(shí)受到太陽(yáng)干擾，如圖2所示.

圖2 地球敏感器安裝示意圖Fig.2 Chart of the earth sensor installation

地球敏感器測(cè)量軸從地球紅外圓盤掃過(guò)，分別得到近似為“梯形”的輻射強(qiáng)度曲線，經(jīng)過(guò)處理得到紅外圓盤的穿入和穿出脈沖，分別對(duì)應(yīng)地入和地出時(shí)刻，如圖3所示.

圖3 地敏掃描示意圖Fig.3 Scan of earth sensor

在衛(wèi)星自旋的某一周內(nèi)，假設(shè)地球敏感器的測(cè)量軸掃入和掃出地球圓盤的時(shí)間分別為ti和to,自旋轉(zhuǎn)速為ω,用角度表示的掃描弦寬為：

μ=ω(to-ti)(1)

根據(jù)空間立體幾何關(guān)系，由掃描弦寬可以得到地星矢量和自旋軸之間的夾角.在下圖球面三角EiEmE中，可以列出算式[6]：

cos(ρ/2)=cos(μ/2)cosθe(2)

式中：ρ/2為地球圓盤半張角；μ/2為地球敏感器掃描半弦寬；θe為地球敏感器掃描軸與自旋軸夾角，減去地球敏感器安裝角后就得到地星矢量與自旋軸夾角，也就是待求量.

圖4 地敏掃描幾何關(guān)系Fig.4 Geometry relationship of earth sensor scan

在本文中主要討論自旋轉(zhuǎn)速的確定，穿入和穿出信號(hào)的周期與自旋周期相同，因此自旋周期的測(cè)定就是穿入或穿出信號(hào)周期的測(cè)定.

3.2 工程實(shí)現(xiàn)

地球敏感器內(nèi)部工程實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5所示.

圖5 地球敏感器功能框圖Fig.5 Chart of the earth sensor’ function

紅外輻射經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，在紅外探測(cè)器上產(chǎn)生微弱的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和沿口提取得到掃描信號(hào)的前沿和后沿信號(hào)，分別代表掃入和掃出時(shí)刻.取中及月球鑒別電路為數(shù)字電路，其功能是通過(guò)弦寬寬度鑒別是否掃到月球，在確認(rèn)掃地球的情況下給出地中脈沖和地出脈沖，分別代表了掃到地心和掃出圓盤的時(shí)刻(圖6).

地中和地出脈沖信號(hào)連同其他敏感器輸出脈沖均遙測(cè)至地面，由地面處理計(jì)算出衛(wèi)星姿態(tài).由于遙測(cè)通道資源的限制，3個(gè)脈沖共用一個(gè)遙測(cè)通道下傳，在同一通道中由脈沖寬度來(lái)區(qū)分不同的脈沖.工程實(shí)現(xiàn)中，控制分系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖均是5 ms定寬脈沖，經(jīng)過(guò)星上遙測(cè)系統(tǒng)后，分別調(diào)制成5 ms、10 ms、20 ms寬度的脈沖，并分配至不同的遙測(cè)通道下傳.在地面再進(jìn)行寬度鑒別來(lái)識(shí)別不同的脈沖，采集各脈沖的時(shí)刻，由軟件進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算和處理，如圖7所示.

圖6 地敏輸出脈沖信號(hào)Fig.6 Pulse signal of earth sensor

圖7 轉(zhuǎn)速計(jì)算鏈路Fig.7 Chain of spin rate calculation

地面軟件在計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)，首先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)脈沖，作為衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)一周的起點(diǎn)，再計(jì)算其他脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)脈沖的時(shí)間差，用于自旋軸姿態(tài)計(jì)算.基準(zhǔn)脈沖的周期就是自旋周期，也就說(shuō)必須通過(guò)選擇的基準(zhǔn)脈沖來(lái)計(jì)算自旋周期.

基準(zhǔn)脈沖的選取有三種狀態(tài)：太陽(yáng)敏感器脈沖、南地球敏感器地中脈沖、北地球敏感器地中脈沖，下面以南地球敏感器地中脈沖為基準(zhǔn)脈沖作為示例，給出時(shí)序關(guān)系圖8.

圖8 脈沖序列Fig.8 List of pulse

3.3 測(cè)量方法的可用性分析

首先需要確認(rèn)星箭分離時(shí)的姿態(tài)是否保證紅外能夠掃到地球圓盤.星箭分離時(shí)的軌道高度約250 km，此時(shí)地球圓盤對(duì)應(yīng)的半張角接近直角，掃到地球圓盤的概率極大.根據(jù)分離姿態(tài)測(cè)算，地敏掃描地球圓盤弦寬約150°，能夠可靠的掃描地球圓盤，并能確保在星箭分離后一段時(shí)間內(nèi)能夠持續(xù)掃描地球圓盤.

其次需要確認(rèn)此軌道高度下的紅外輻射是否能夠觸發(fā)地敏正常輸出.不同軌道高度下的地球圓盤紅外輻射波段和強(qiáng)度相當(dāng)，對(duì)于紅外探測(cè)器的工作頻段14～16 μm，不同軌道高度探測(cè)器均能正常響應(yīng)[7].只要確保掃描到地球圓盤，同時(shí)也就意味著能夠掃到圓盤的邊沿，就能確保處理線路能夠輸出圓盤邊沿對(duì)應(yīng)的脈沖.

最后需要確認(rèn)大弦寬是否滿足處理線路的采集條件.經(jīng)過(guò)分析，這種情況下可能導(dǎo)致取中及月球鑒別線路溢出.取中及月球鑒別采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量掃描地球圓盤的時(shí)間.對(duì)于較大地球圓盤和較低的轉(zhuǎn)速，掃描地球圓盤的時(shí)間將變得很長(zhǎng)，可能導(dǎo)致計(jì)數(shù)器溢出，產(chǎn)生預(yù)期之外的結(jié)果.

經(jīng)過(guò)確認(rèn)，取中線路計(jì)數(shù)器采用36.5 kHz頻率的12位計(jì)數(shù)器，溢出對(duì)應(yīng)最大地球圓盤時(shí)間(地出-地入)約為224 ms.預(yù)報(bào)的地球弦寬約為150°，在25 r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的掃描圓盤時(shí)間約為1 s，將導(dǎo)致溢出.經(jīng)過(guò)數(shù)字電路邏輯分析，以及試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)，輸出時(shí)序如圖9所示.其中，地入至地中1時(shí)間間隔224 ms是由計(jì)數(shù)器的溢出時(shí)間決定的，地出至地中2的時(shí)間間隔9.6 ms是線路的固有時(shí)間常數(shù).溢出導(dǎo)致的多中脈沖將導(dǎo)致地面采集系統(tǒng)時(shí)序混亂.

3.4 測(cè)量方法的改進(jìn)

由以上分析可知，整個(gè)轉(zhuǎn)速確定鏈路涉及星上和地面，轉(zhuǎn)速確定只是姿態(tài)測(cè)定中的部分功能，不能改變姿態(tài)測(cè)量原理，也不能對(duì)星上及地面狀態(tài)進(jìn)行大的調(diào)整，只能在地面處理環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào)或不調(diào)整.

利用地球敏感器測(cè)量起旋轉(zhuǎn)速的主要問(wèn)題是計(jì)數(shù)器溢出導(dǎo)致多中脈沖，從而導(dǎo)致地面采集系統(tǒng)的時(shí)序混亂.地面在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須選定一個(gè)基準(zhǔn)脈沖作為一個(gè)自旋周期的起始位置，基準(zhǔn)脈沖的周期就是自旋周期.

目前的地面軟件狀態(tài)決定了基準(zhǔn)脈沖只能選擇太陽(yáng)敏感器脈沖、南地球敏感器地中脈沖、北地球敏感器地中脈沖，在太陽(yáng)敏感器不可用情況下，只能采用地中脈沖作為基準(zhǔn)脈沖.根據(jù)上述分析，在計(jì)數(shù)器溢出的情況下，每個(gè)周期將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)地中，且地中不再代表指向地心的位置.

對(duì)于轉(zhuǎn)速計(jì)算來(lái)說(shuō)，只需要脈沖的周期，此時(shí)將交替出現(xiàn)兩種周期，實(shí)際代表了地中1至地中2、地中2至地中1的時(shí)間間隔，將這兩個(gè)時(shí)間相加就可以得到地中1至下一個(gè)地中1的時(shí)間，也就是真正的自旋周期.

圖9 溢出輸出時(shí)序Fig.9 Output of overflow

圖10 自旋周期合成Fig.10 Integration of spin cycle

總結(jié)測(cè)量方法的改進(jìn)主要有兩點(diǎn)：

1) 需要切換姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)為地中脈沖.

2) 在自旋周期的測(cè)量結(jié)果中會(huì)交替出現(xiàn)兩種周期，相加和即為自旋周期.

這種方法改進(jìn)幾乎不改變星上及地面狀態(tài)，簡(jiǎn)單可行，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)小，最終的測(cè)試結(jié)果可信度高.

4 工程實(shí)踐驗(yàn)證

在風(fēng)云二號(hào)09星的飛控中，衛(wèi)星在地影期星箭分離.分離后的遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)地中信號(hào)測(cè)量的自旋周期為1.42 s和0.65 s兩個(gè)值交替變化，由以上分析可知，這兩個(gè)值分別對(duì)應(yīng)地中1至地中2、地中2至地中1的時(shí)間間隔，相加就可以得到真正的自旋周期2.07 s，與預(yù)期起旋轉(zhuǎn)速一致.正是基于這一判斷，判定衛(wèi)星起旋正常.

由以上分析可知，由地中1至地中2的時(shí)間間隔可以計(jì)算掃描到的地球弦寬.從圖9中可以看出地球弦寬為：650 ms+224 ms-9.6 ms=864.4 ms，對(duì)應(yīng)的角度為：(864.4 ms/2 070 ms)×360°≈150.3°，與預(yù)報(bào)結(jié)果接近，驗(yàn)證了測(cè)量方法.

約10 min后，衛(wèi)星出地影，通過(guò)太敏對(duì)自旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明自旋周期為2.083 s，地敏計(jì)算結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)速很接近，本方法得到最終驗(yàn)證.

5 結(jié) 論

自旋衛(wèi)星的轉(zhuǎn)速確定屬于姿態(tài)測(cè)量技術(shù)，是多種工程技術(shù)的綜合，在工程實(shí)踐中具有重要意義.本文提出的地影下采用地敏測(cè)量轉(zhuǎn)速方法，解決了地影下星箭分離轉(zhuǎn)速確定問(wèn)題，提高了對(duì)發(fā)射窗口的適應(yīng)性，減輕了發(fā)射窗口設(shè)計(jì)壓力.本文提出的測(cè)量方法可以對(duì)地敏在不同軌道條件下的應(yīng)用提供一定的參考.