低地球軌道空間環(huán)境與效應(yīng)集成化監(jiān)測裝置設(shè)計

向樹紅，沈自才，丁義剛，劉業(yè)楠，劉宇明，于 錢，馬子良

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

航天器在軌運行過程中將遭受多重空間環(huán)境的作用，包括各種粒子（電子、質(zhì)子、重離子等）輻射、電磁輻射、原子氧、空間碎片以及誘發(fā)的污染環(huán)境等，可引發(fā)單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)、原子氧侵蝕效應(yīng)、空間碎片撞擊效應(yīng)、污染效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)及內(nèi)帶電效應(yīng)等，將導(dǎo)致航天器在軌故障甚至失效，嚴重影響航天器的在軌安全和可靠性[1]。

國外航天大國和機構(gòu)利用以LDEF[2]、POSA[3]和MISSE[4]等為代表的探測裝置在低地球軌道（LEO）開展了大量的空間環(huán)境與效應(yīng)探測，在單個空間環(huán)境或效應(yīng)探測及數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上，已經(jīng)實現(xiàn)空間環(huán)境與效應(yīng)的集成化探測及在軌批量搭載[5-6]。我國自1971年3月發(fā)射“實踐一號”科學(xué)試驗衛(wèi)星開始空間輻射環(huán)境天基探測以來，以星船搭載方式或發(fā)射專門的探測衛(wèi)星，針對LEO空間輻射環(huán)境及效應(yīng)開展了若干飛行試驗，尤其是“實踐”系列衛(wèi)星和“神舟”飛船等開展的搭載探測[7-10]，獲得了寶貴數(shù)據(jù)，促進了對空間輻射環(huán)境及其效應(yīng)的了解。

然而我國的空間環(huán)境及效應(yīng)監(jiān)測器功能相對單一，在軌探測與觀測缺乏系統(tǒng)性，已開展的空間環(huán)境與效應(yīng)探測獲得的數(shù)據(jù)有待加強工程應(yīng)用，空間環(huán)境及效應(yīng)數(shù)據(jù)與航天器在軌故障分析之間的關(guān)聯(lián)性有待進一步探究。

本文提出一種針對LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測的集成化設(shè)計思路，從電子電路、載荷以及結(jié)構(gòu)布局3個維度給出LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測的集成化方法。

1 LEO 空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測對象

LEO空間環(huán)境與效應(yīng)十分復(fù)雜，嚴重影響LEO航天器的在軌安全和可靠性（見圖1[11]）。

除空間碎片引起的物理撞擊外，需要重點關(guān)注的LEO空間環(huán)境與效應(yīng)有：原子氧環(huán)境及其變化；帶電粒子中的主要成分（即電子和質(zhì)子）；與帶電效應(yīng)密切相關(guān)的表面充電電位；與長期在軌相關(guān)的電離總劑量及劑量變化；與探測參數(shù)相關(guān)的溫度；與真空出氣相關(guān)的污染沉積量等。

圖1 LEO空間環(huán)境對航天器的影響Fig.1 Influence of LEOspace environmentson spacecraft

2 LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測的設(shè)計思路

2.1 監(jiān)測裝置功能

基于LEO空間環(huán)境及其對航天器的效應(yīng)，開展LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測裝置設(shè)計的目的主要是實現(xiàn)對不同空間環(huán)境與效應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)的探測與監(jiān)測，見表1。

表1 載荷分系統(tǒng)及功能Table 1 Function of the payload subsystems

2.2 設(shè)計思路

為實現(xiàn)同一套裝置對多個空間環(huán)境與效應(yīng)的探測與監(jiān)測，主要從以下角度開展監(jiān)測裝置設(shè)計：

1）繼承性。繼承已有的成熟的空間環(huán)境與效應(yīng)的探測與監(jiān)測方法。

2）集成化。將不同監(jiān)測載荷之功能相似的部分進行集成，如對監(jiān)測電路按照不同的功能進行相似功能集成。

3）小型化。在對監(jiān)測電路進行相似功能集成的基礎(chǔ)上，對各傳感器根據(jù)其基本功能進行空間布局，統(tǒng)籌規(guī)劃每種監(jiān)測載荷的安裝位置，以實現(xiàn)監(jiān)測裝置的整體小型化。

3 LEO 空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測的集成化設(shè)計方法

3.1 電子電路設(shè)計

LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測裝置中的探測器部分主要由電子傳感器、質(zhì)子傳感器、原子氧監(jiān)測器、污染監(jiān)測器（石英晶體微量天平）、溫度傳感器、總劑量監(jiān)測器、表面電位監(jiān)測器等組成。不同的探測器均包含電源、電路控制、信號處理與采集模塊。因此，可以將其通用部分進行技術(shù)整合，將電路部分分別設(shè)計為電源板、控制板以及信號處理和采集板，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置組成Fig.2 Block diagram of the monitoring device

電源板將一次電源（即航天器提供的母線電壓）經(jīng)過不同的變壓處理后，獲得不同電壓值的二次電源，分別向具有不同供電要求的傳感器供電。

信號處理和采集板主要對傳感器的前端信號進行處理，給出合理的模擬信號，再經(jīng)過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換進行采集。其中信號處理方面主要針對電子/質(zhì)子傳感器——電子傳感器或質(zhì)子傳感器分別由多個不同的半導(dǎo)體監(jiān)測器構(gòu)成，對所有這些監(jiān)測器的信號進行前置放大、主放大（極零調(diào)節(jié)和基線恢復(fù)等），并用峰保電路對主放大器給出的模擬信號的峰值進行保持。

控制板主要完成數(shù)據(jù)采集、控制、通信功能。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）控制ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）對信號處理板給出的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)與外部的通信等。其中，采集模塊采集傳感器探測的科學(xué)數(shù)據(jù)和儀器的工程參數(shù)；控制模塊將采集模塊得到的科學(xué)數(shù)據(jù)和工程參數(shù)加入同步標識、時間碼、信號分類等信息，進行數(shù)據(jù)的打包和存儲，完成對儀器各種工作模式的控制。通信模塊主要實現(xiàn)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的通信。

不同傳感器的電子學(xué)功能集成原理如圖3所示。將需要經(jīng)過前放和主放之后進行比較的數(shù)據(jù)用比較器進行統(tǒng)一集成，將需要經(jīng)過放大、跟隨的數(shù)據(jù)利用ADC進行集成，最終統(tǒng)一利用FPGA 進行集成。

圖3 不同傳感器的電子學(xué)功能集成原理框圖Fig.3 Principle of functional integration of electronics for different sensors

3.2 監(jiān)測方法設(shè)計

分別對LEO帶電粒子（電子和質(zhì)子）、原子氧、溫度、總劑量（和劑量率）、表面電位、污染等不同空間環(huán)境與效應(yīng)的監(jiān)測方法進行闡述。

3.2.1 帶電粒子監(jiān)測方法

帶電粒子的監(jiān)測方法有半導(dǎo)體望遠鏡測量法、電場加速和飛行時間法、排除法、磁偏轉(zhuǎn)法、微波傳輸帶法以及成像譜儀等。其中，基于半導(dǎo)體傳感器的望遠鏡測量法是目前較為常用的一種高能帶電粒子探測技術(shù)，具有較高的能量分辨率，非常適合于帶電粒子的探測。

半導(dǎo)體望遠鏡測量帶電粒子的原理是：當(dāng)高能粒子通過準直器射入傳感器時，在各半導(dǎo)體傳感器內(nèi)沉積能量，以電離方式產(chǎn)生相應(yīng)的電子?空穴對；這些電子?空穴對在高壓電場的作用下，匯集到輸出端并產(chǎn)生電荷脈沖，該電荷脈沖幅度與粒子在該半導(dǎo)體監(jiān)測器中沉積的能量成正比；根據(jù)半導(dǎo)體傳感器的脈沖幅度，對信號進行鑒別閾分析和符合/反符合處理，即可得到粒子能譜信息。

電子/質(zhì)子能譜測量由探測粒子的望遠鏡系統(tǒng)和信號處理電路2部分組成，望遠鏡系統(tǒng)用于探測粒子，信號處理電路對望遠鏡系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖信號進行處理、分析和計數(shù)。

半導(dǎo)體能譜望遠鏡主要由3片（或多片）半導(dǎo)體傳感器、準直器和擋光膜等組成，分別構(gòu)成一定角度的視場角，用于測量高能電子能譜和質(zhì)子及重離子能譜，如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體能譜望遠鏡結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of energy spectrum probe for monitoring energetic particles

高能電子/質(zhì)子望遠鏡譜儀的信號處理電路如圖5所示。半導(dǎo)體傳感器測量到由粒子能量沉積而產(chǎn)生的電荷，經(jīng)電荷靈敏前置放大器放大得到一個電壓脈沖信號；此脈沖信號經(jīng)過成形放大器處理成為具有一定形狀的脈沖信號，可用于進一步分析處理。對于望遠鏡能譜儀系統(tǒng)，經(jīng)過成形的D1、D2和D3慢信號分別進入峰保電路，以保持脈沖峰值電壓；經(jīng)過峰保電路的信號送入ADC。在此之前，由各自的前放產(chǎn)生2路快信號進行符合，符合電路輸出的信號作為ADC的開門信號，門信號寬度代表不同沉積能量，可以測量不同傳感器的能譜。經(jīng)過甄別和符合后的信號送入FPGA 單元，由存儲器控制部件控制存入一定的存儲區(qū)域，由中央處理器（CPU）根據(jù)這些數(shù)據(jù)判定和記錄各個邏輯格子（即各能段粒子）的事件。

圖5 望遠鏡譜儀信號處理電路框圖Fig.5 Circuit diagram of signal processing for telescope spectrometer

3.2.2 原子氧監(jiān)測方法

目前，對原子氧密度的測量有多種方法，如質(zhì)譜儀測量、實物樣品法、石英晶體微量天平法、曝光表法、接觸反應(yīng)監(jiān)測器、化學(xué)發(fā)光法、氣輝研究、共振熒光法、共振吸收法、電子轟擊激勵法、反射率或傳導(dǎo)率研究等。其中電阻型曝光表是通過測量暴露在原子氧下的介質(zhì)的阻抗變化來測量原子氧密度，具有時間分辨率高、采樣周期短、實時響應(yīng)性好等優(yōu)點。電阻型原子氧密度探測的原理是：將對原子氧敏感的金屬/介質(zhì)膜淀積到絕緣基底上形成電阻膜，電阻膜暴露在原子氧環(huán)境下將受到氧化剝蝕不斷變薄，電阻值隨之增大，通過電阻值的變化可以算出膜的厚度損失；利用電阻膜所選用金屬的原子氧反應(yīng)率即可算出采樣周期內(nèi)原子氧通量的平均值和通量隨時間的變化情況。

電阻傳感器單元主要由電阻傳感器片組成。原子氧環(huán)境監(jiān)測器電子學(xué)電路負責(zé)電阻值采集、溫度值采集、信號放大及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。溫度傳感器安裝在電阻傳感器片上，用于監(jiān)測傳感器片的溫度。溫度數(shù)據(jù)與傳感器電阻變化值同時傳回地面，用于對傳感器片電阻值在標準溫度下的數(shù)據(jù)修訂處理。

為檢測傳感器電阻值變化量，在電阻傳感器上施加電流偏置，傳感器上的電阻值變化將導(dǎo)致其兩端電位差發(fā)生相應(yīng)變化。檢測出這一電位差的變化，即可表征傳感器電阻值的變化，從而得到軌道原子氧的通量密度。

膜電阻原子氧監(jiān)測器采樣前的電阻值為

1次采樣周期后膜電阻的變化值為

式中：ρ為膜電阻率，鋨膜的電阻率為8.8×10-8Ω·m；L為膜電阻的長度，m；τ0為采樣前膜厚度，m；δ為膜寬度，m；τ1為采樣后膜厚度，m；Δτ為1次采樣后膜厚度的變化值，m。

由式(2)可以看出，1次采樣周期后膜電阻的變化量ΔR與采樣前的膜電阻R0及采樣后的膜厚度變化值Δτ成正比，而為了能比較容易地測量出ΔR，希望它越大越好。由式(1)可知，若要通過提高R0值來增大ΔR，應(yīng)該增加電阻膜的長度，減小其寬度和厚度，這可以通過在一定尺寸的電阻膜上刻成電阻線來實現(xiàn)。

3.2.3 溫度監(jiān)測方法

目前星上使用成熟的溫度傳感器是熱敏電阻，其溫度測量計算式為

其中R0、B、T0的值根據(jù)不同熱敏電阻的實際標定值確定。

可以采用橋式測溫電路或恒流源式測溫電路：橋式測溫由基準源、電阻及熱敏電阻構(gòu)成測溫電橋，溫度變化引起的電橋不平衡輸出壓差信號，放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳給FPGA，對各測點溫度進行監(jiān)測。恒流源式測溫電路則由恒定電流流過熱敏電阻產(chǎn)生壓降，經(jīng)放大后給出的信號直接進行A/D轉(zhuǎn)換，傳給FPGA。

3.2.4 總劑量監(jiān)測方法

工程上常采用PMOS場效應(yīng)晶體管進行總劑量監(jiān)測，其基本原理是利用輻射敏感PMOS場效應(yīng)晶體管的閾電壓漂移為輻射總劑量的敏感參量——當(dāng)PMOS場效應(yīng)晶體管受空間帶電粒子輻照后，在其敏感區(qū)?柵氧化層和Si/SiO2界面感生氧化物電荷和界面電荷，從而引起PMOSFET 的閾電壓漂移，這一閾電壓的變化能夠通過簡單的電路進行實時測量，因此基于PMOS場效應(yīng)晶體管的總劑量監(jiān)測具備可實時的特點；同時，由于MOS的低功耗、尺寸微小等特征，PMOS劑量計又具備低能耗和可近似點測的特點。由多個PMOS探頭、電源、控制開關(guān)電路、恒流源電路、輸出閾電壓處理電路可組成星用多點PMOS劑量計。

根據(jù)PMOS劑量計的測量原理，隨著輻射劑量的增加，其開端電壓變化量ΔV和輻照劑量D近似符合ΔV=a×Db，(b＜1)的關(guān)系。

為了實現(xiàn)對輻射總劑量的測量，需要通過恒流源實現(xiàn)對傳感器阻抗的測量，而傳感器的電阻值往往較大，故測量通常需要采用高壓方式實現(xiàn)——輸出電壓在4～250 V 之間，因此需采用逆變電源的方式實現(xiàn)高壓電源供電。

3.2.5 表面電位監(jiān)測方法

表面電位監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖6所示，其基本功能是測量航天器結(jié)構(gòu)與表面材料之間的不等量充電電位。其中，表面電位探頭由傳感器和分壓網(wǎng)絡(luò)組成——由傳感器輸出的表面電位經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)將電壓信號輸送給信號采集處理系統(tǒng)，如圖7所示。

圖6 表面電位監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖Fig.6 Design of the surface potential monitoring system

圖7 表面電位探頭工作原理示意Fig.7 Schematic diagram of the surface potential probe

該探測方法采集和測量一定能量閾值之上的電子形成的表面充電電流及電位，推測航天器遭遇的高能電子的能量、通量、注量及可能導(dǎo)致的表面充電的程度?？臻g中表面充電電流為pA 量級，采用電流放大器將電流信號變換成電壓信號，并進行A/D轉(zhuǎn)換后，送給FPGA。利用測量電路來判斷收集板上的充電電位，根據(jù)充電電位大小推斷空間中介質(zhì)材料的表面充電程度。

3.2.6 污染監(jiān)測方法

污染量的監(jiān)測通常使用石英晶體微量天平傳感器，其原理是基于石英晶體壓電效應(yīng)——石英晶體振蕩頻率與石英晶體自身因數(shù)及沉積在其表面上的物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)。通過暴露于污染物中的傳感晶體和參考晶體之間的差頻可以實現(xiàn)污染沉積量的測量。

監(jiān)測器頻率變化與沉積質(zhì)量之間的關(guān)系可以表述為

式中：Δf為監(jiān)測器頻率變化，Hz；Δm為監(jiān)測器表面沉積質(zhì)量的變化，g；A為監(jiān)測器的沉積表面面積，cm2；Cf為一僅與石英晶體的基本物理特性相關(guān)的常數(shù)，

其中，ρq為石英晶體的密度，g/cm3；c為石英晶體的剪切波速，cm/s；f為石英晶體的基頻，Hz。

污染監(jiān)測器組成如圖8所示，主要包括傳感晶片、參考晶片、振蕩激勵電路、混差頻電路和測溫?zé)崦綦娮?，并分為前艙和后?部分：前艙內(nèi)依次排列傳感晶片、測溫?zé)崦綦娮韬蛥⒖季?；后艙主要為由傳感晶片振蕩激勵電路、參考晶片振蕩激勵電路和混差頻電路組成的線路板。

圖8 污染監(jiān)測器組成框圖Fig.8 Block diagram of the contamination sensor

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

LEO空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測裝置主要結(jié)構(gòu)為電子線路板（電源板、控制板以及信號處理和采集板）和不同功能的探頭（電子傳感器、質(zhì)子傳感器、表面電位監(jiān)測器、污染監(jiān)測器、原子氧監(jiān)測器、總劑量監(jiān)測器和溫度傳感器），其中，總劑量監(jiān)測器和部分溫度傳感器可以與電子線路板制作在一起?？傮w結(jié)構(gòu)規(guī)劃遵從以下原則：

1）電源板放到最底部并與結(jié)構(gòu)體導(dǎo)熱連接。

2）根據(jù)傳感器的功能進行空間布局。其中，表面電位監(jiān)測器放在迎風(fēng)面或者向陽面，原子氧監(jiān)測器放在迎風(fēng)面，電子傳感器和質(zhì)子傳感器根據(jù)設(shè)計需求可以放在3個方向（指向陽面、迎風(fēng)面和側(cè)面）或其中1個方向上，總劑量監(jiān)測器、原子氧監(jiān)測器和石英晶體微量天平均需要有溫度傳感器配合，總劑量監(jiān)測器可以放置在電子線路板上或根據(jù)設(shè)計需要放在裝置外表面上。

3）結(jié)構(gòu)在滿足力、熱等空間環(huán)境可靠性設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡量做得緊湊、質(zhì)量小。

以放在航天器頂部向陽面和開展3個方向的帶電粒子探測為例，LEO空間環(huán)境與效應(yīng)集成化監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)布局如圖9所示。

圖9 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)布局示意Fig.9 Schematic diagram of the monitoring device

4 結(jié)束語

本文給出了LEO空間環(huán)境與效應(yīng)集成化監(jiān)測裝置的設(shè)計思路和設(shè)計方法，可以實現(xiàn)LEO電子通量與注量、質(zhì)子通量與注量、原子氧通量與累積通量、溫度、總劑量與劑量率、表面電位、污染總量與污染沉積速率的監(jiān)測。通過將不同傳感器或載荷的相似功能的電子學(xué)系統(tǒng)進行集成，以及根據(jù)不同環(huán)境及效應(yīng)的監(jiān)測需求設(shè)計專用載荷，并對裝置整體結(jié)構(gòu)布局進行優(yōu)化，可以實現(xiàn)不同空間環(huán)境與效應(yīng)監(jiān)測的一體化集成。

利用研制的通用輕小型集成化空間環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測裝置，通過在軌航天器的批量搭載采集數(shù)據(jù)，進行探測數(shù)據(jù)開發(fā)與利用研究，實現(xiàn)航天器在軌環(huán)境及效應(yīng)的實時同步觀測與監(jiān)測具有重要意義：一是獲取航天器在軌環(huán)境與效應(yīng)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，可作為航天器設(shè)計與研制的重要參考；二是可為航天器在軌故障診斷提供第一手的資料和支持，是航天器的“黑匣子”；三是可為空間環(huán)境模型改進和建立空間環(huán)境動態(tài)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；四是對地面模擬試驗方法的改進具有重要參考價值；五是利用空間飛行試驗數(shù)據(jù)，可建立航天器空間環(huán)境效應(yīng)的性能演化模型，進行長壽命性能退化預(yù)示。