LEO衛(wèi)星發(fā)射機功率長期變化分析①

李 強，李會鋒，王 旭，李肖瑛，王 超，程富強，周 軒

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室，西安 710043；2.西安衛(wèi)星測控中心， 西安 710043)

0 引言

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星在軌運行中，會受到復(fù)雜空間環(huán)境的各種影響[1-3]。對于半導體電子元器件，較為關(guān)注的是空間輻射環(huán)境產(chǎn)生的各種效應(yīng)與危害?？臻g高能粒子通過器件例如固態(tài)功放時，會在器件中產(chǎn)生各種復(fù)雜影響，例如電離與非電離作用并釋放能量，進而造成各種輻射損傷[4-6]。

高能粒子輻射效應(yīng)一般分為瞬時輻射與累積輻射兩種。瞬時輻射效應(yīng)主要是高能粒子穿過材料時在其徑跡周圍電離產(chǎn)生的帶電粒子(等離子體)激發(fā)電路薄弱環(huán)節(jié)而出現(xiàn)各種單粒子效應(yīng)，進而對電路工作造成影響或危害[7-9]。累積輻射效應(yīng)主要分為電離與非電離兩種，前者由電離作用下的長期能量累積形成，為總電離劑量效應(yīng)，即電荷的重新分布造成器件參數(shù)與性能的變化；后者是高能粒子在非電離作用下(例如碰撞)對材料形成的損傷，主要表現(xiàn)為位移損傷以及能量累積損傷[10-12]。

對于固態(tài)功放類的功率器件，單粒子效應(yīng)中危害較大的是單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子柵穿等類型，前者一般需要斷電、加電處理才能恢復(fù)器件工作，但其在大電流下的功耗以及溫升等可能帶來的次生影響不可輕視[13-15]；后二者危害甚劇，造成元件直接燒毀或損壞(且事后一般難以在軌檢測)，嚴重時可能使得器件功能喪失、系統(tǒng)性能下降，極端時甚至導致任務(wù)失敗。

累積輻射對功率器件的損傷機理較為復(fù)雜，比如材料在高能粒子作用下可能出現(xiàn)原子位移或晶格破壞而產(chǎn)生缺陷[12,16-17]，這些缺陷可能導致器件暗電流增加、載流子壽命縮短、熱平衡多數(shù)載流子濃度降低、遷移率減慢等事件發(fā)生，進而使得器件性能出現(xiàn)下降或者退化，例如電流放大倍數(shù)降低、電壓閾值漂移、增益下降等。

當前，對于半導體功率器件的相關(guān)工作多集中在開發(fā)、設(shè)計、地面測試等方面；但在空間應(yīng)用驗證方面，一般文獻關(guān)注較少，而長期在軌應(yīng)用案例則提及更少。這里，以某在軌運行超過15年的LEO衛(wèi)星為例，關(guān)注發(fā)射機重要遙測參數(shù)長期變化，著重分析發(fā)射機功率衰減情況，考察空間環(huán)境影響，為航天器長期管理中的遙測診斷與故障檢測[18-19]、器件健康檢查與空間操控等事件提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 衛(wèi)星軌道長期變化

某LEO衛(wèi)星運行在近圓、太陽同步軌道衛(wèi)星軌道，晨昏軌道設(shè)計，降交點地方時(Local Time of Descending Node，LTDN) 在06:00 AM附近，初始軌道高度約600 km，姿控為三軸穩(wěn)定、偏置動量控制。衛(wèi)星入軌以來的半長軸、傾角、光照角(地日矢量與軌道面法線的夾角)、降交點地方時(Local Time of Descending Node，LTDN)變化如圖1所示(圖1中橫軸MJD為積日，自2000年1月1日零時開始的天計數(shù))。

(c)光照角 (d)LTDN

圖2給出了具體的軌道高度衰減的速率變化，為便于反映空間環(huán)境下的太陽活動對衛(wèi)星軌道的影響，圖2中一并給出了表征太陽活動強弱的F10.7數(shù)據(jù)曲線(縱軸單位1sfu=10-22W·m-2·Hz-1)。

(a)半長軸衰減速率

(b)F10.7曲線

軌道數(shù)據(jù)時間的起至段為2004年9月至2020年3月。顯然，衛(wèi)星入軌以來，從未進行過軌道控制。在空間環(huán)境作用下，衛(wèi)星軌道半長軸一直在衰減，這主要是大氣阻尼所致[20-22]：太陽活動越強，軌道衰減越快；反過來，太陽活動越弱，軌道衰減越慢。

軌道傾角主要受到日月攝動的影響[23-25]，呈振蕩變化，振蕩周期為1年。降交點地方時變化呈現(xiàn)出年周期與長期兩種變化規(guī)律。光照角在0.1°～33.4°之間變化，同樣具有年周期與長期變化規(guī)律。

2 發(fā)射機功率衰減估計模型

衛(wèi)星測控系統(tǒng)的應(yīng)答機中有發(fā)射機，其信號放大鏈路的末級由固態(tài)功放組成(無真空器件)。發(fā)射機在軌期間的溫度變化如圖3所示(圖中Js為積秒，為某日的秒計數(shù)，起點為當日零點，終點為次日零點，在0 s～86 400 s之間)，分別給出2018年分至日、整個在軌期間某些年份的冬至日的數(shù)據(jù)。

(a)2018溫度

(b)多年冬至溫度

可以看出，發(fā)射機溫度變化具有軌道周期、年周期、長期共三種規(guī)律。

軌道周期表現(xiàn)為在衛(wèi)星運行的一軌之中，溫度呈現(xiàn)規(guī)律變化，以6月數(shù)據(jù)為例，衛(wèi)星在陰影區(qū)時發(fā)射機溫度最高，而在軌道的另一側(cè)對應(yīng)位置時溫度最低，其它時段的溫度則在這兩個值之間變化。

年周期表現(xiàn)為冬至前后溫度為全年最高，夏至期間為全年最低。另外，在冬至與夏至期間，每一軌的溫度起伏相對較大，振幅大于春分與秋分的情形。

長期變化變化表現(xiàn)為入軌初期溫度整體水平較低，隨著在軌時間延長，溫度逐漸升高。此外，溫升速度在早期要快，后期則減慢。

溫度的軌道周期變化與整星熱控系統(tǒng)的溫控有關(guān)，而整星溫控與太陽輻照、器件工作散熱需求等有關(guān)；年周期變化與軌道光照、日地距離遠近變化有關(guān)，夏至前后距離太陽較遠，光照也較差，整星溫度水平較低；冬至前后，情形正好相反，整星溫度水平最高，發(fā)射機溫度也處于全年最高水平。長期變化則與太陽輻照下的整星熱控涂層、絕緣材料等性能下降有關(guān)，在太陽輻照特別是紫外輻照影響下，衛(wèi)星熱控涂層、材料可能出現(xiàn)降解或裂解，材料隔熱性能下降[26-28]，整星溫度水平逐年升高。

由此可見，發(fā)射機溫度的軌道周期、年周期、長期變化都與空間環(huán)境特別是太陽輻照有很大關(guān)系。

在軌期間，衛(wèi)星應(yīng)答機的發(fā)射機輸出功率存在衰減，其早期的遙測變化如圖4所示。

圖4 發(fā)射機功率遙測

圖4數(shù)據(jù)表明，雖然在單軌、多軌甚至多天的時長內(nèi)，發(fā)射機輸出功率為定值；但從更長時間范圍看(例如分至點之間的時長)，則功率輸出存在明顯下降。

以2005年與2006年各自的年內(nèi)春夏數(shù)據(jù)變化看，第一年的衰減幅度為1.1 mW，第二年情形則為3.4 mW，后者顯著高于前者，這里存在衰減增強現(xiàn)象。

針對發(fā)射機輸出功率變化，多使用Arrhenius模型(即為指數(shù)模型)、Eyring模型、逆冪律模型等[29]。為了便于進行比較，這里還同時進行對數(shù)擬合。其中，對數(shù)擬合公式為：

y=aln(x+b)+c

(1)

式中，y為發(fā)射機輸出功率，mW；a為零值，mW；x為以d為單位的積日的數(shù)值，無量綱；b為時間偏移量，同樣是以d為單位的時間數(shù)值，無量綱；c為截距，mW。

指數(shù)擬合公式為：

y=aebx+c

(2)

式中，y為發(fā)射機輸出功率，mW；a為零值，mW；x為積日，d；b為時間系數(shù)，d-1；c為截距， mW。顯然，這里b<0。

對于式(1)和式(2)，可采用LM算法[30-31]進行求解。根據(jù)估計得到的結(jié)果，可以進行功率衰減分析，還可以在此基礎(chǔ)上進行功率在軌漂移下的預(yù)測與故障診斷、器件健康狀態(tài)評估[18-19]。

3 結(jié)果與討論

在軌期間的發(fā)射機功率數(shù)據(jù)如圖5所示，時間從2005年春分開始，至2020年春分截止；同樣，采用分至日的采樣方式，但中間存在8個分至點數(shù)據(jù)缺失(2013年與2014年)。為便于比較，圖5同時給出了功率衰減的動態(tài)平均數(shù)據(jù)：假定原始數(shù)據(jù)為N個，按序進行后項減前項，得到N-1個差值數(shù)據(jù)(衰減數(shù)據(jù))；在差值數(shù)據(jù)最前面補上一項，其值為0，得到N個新數(shù)據(jù)；針對新數(shù)據(jù)，進行逐項累加下的均值計算，得到動態(tài)平均數(shù)據(jù)。

(a)在軌功率遙測

(b)功率衰減下的動態(tài)平均

顯然，在入軌后的最初約兩年的時間里，功率衰減速度較快，功率下降15.0 mW共用641 d；隨后功率下降速度減慢，再次下降15.0 mW共用2192 d(未考慮第一個490.4 mW數(shù)據(jù)點)；最后，功率基本進入穩(wěn)定階段，輸出幾乎不發(fā)生變化。

從動態(tài)平均數(shù)據(jù)來看，初期，衰減速度一路下行振蕩變大，至2006年冬至達到最大；隨后，一路上行逐漸變小，振蕩情形趨緩。衰減速度變化基本為初期快、后期慢的規(guī)律。若將衰減速度對橫軸進行對稱上翻，則極大值成為峰值，曲線中出現(xiàn)波峰。這個入軌2年后出現(xiàn)的波峰正好可以說明衰減具有加速與減速特征。

還有，除了圖4中的2005年與2006年的春夏數(shù)據(jù)的衰減增強外，2005年與2006年的年秋冬數(shù)據(jù)也存在同樣情況：前者下降約6.2 mW，后者下降超過7.4 mW，后者衰減幅度大于前者。

綜上可知，2006年以前的數(shù)據(jù)(峰值之前)表現(xiàn)出明顯的衰減增強特征，這可能是低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)[32-33]所致，即半導體器件在低劑量率輻照下的損傷比高劑量率的明顯：結(jié)合圖2與圖5，在太陽活動最低的時段，功率衰減明顯高于其它時段。文獻[34-36]的地面測試表明，在長期累積的低劑量率輻射下，半導體器件可能出現(xiàn)閾值漂移加大、電流降幅增加等現(xiàn)象，器件性能老化、衰退可能比高劑量率輻射下的情形更甚。而入軌2年的時段適逢第23個太陽周期的末程，太陽輻射強度在逐漸減小至最低水平(參見圖2)，也符合低劑量率的時機和條件。

利用LM算法，結(jié)合圖5中的數(shù)據(jù)，求解的擬合結(jié)果對應(yīng)為：

對數(shù)：a為-9.71，b為-1698.34，c為573.39；相關(guān)系數(shù)0.9731；

指數(shù)：a為103.01，b為-6.60×10-4，c為489.93；相關(guān)系數(shù)0.9773。

顯然，指數(shù)擬合結(jié)果更優(yōu)。擬合后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 衰減擬合

在圖6中：在5463 d內(nèi)，原始遙測數(shù)據(jù)從519.7 mW下降到491.4 mW，減少28.3 mW，衰減率為5.45%，年均衰減率為0.36%；對數(shù)擬合值從521.5 mW變化至489.4 mW，減少32.1 mW，衰減率達到6.16%，年均衰減率約0.41%；指數(shù)情形下，由519.2 mW降至490.7 mW，減少28.5 mW，衰減率達到5.49%，年均衰減率不足0.37%。雖然指數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)僅比對數(shù)擬合的高約0.44%，但從以上數(shù)據(jù)比較可看出，指數(shù)擬合結(jié)果更接近于實測數(shù)據(jù)，效果更優(yōu)。

利用擬合數(shù)據(jù)，可進行后期功率預(yù)測。在圖6數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，向后延續(xù)10年，得到的預(yù)測結(jié)果如圖7所示。

在圖7中，以最后數(shù)據(jù)為參考，10年之后，指數(shù)預(yù)測值為490.0 mW，對數(shù)預(yù)測結(jié)果為484.6 mW，兩者間的差值變大至5.4 mW。從圖6的在軌數(shù)據(jù)看，后期功率基本進入穩(wěn)定期，繼續(xù)衰減下降的空間不大，因此可考慮以指數(shù)預(yù)測結(jié)果作為后期器件健康狀態(tài)或者輸出功率評估的參考(畢竟，指數(shù)擬合下的相關(guān)系數(shù)更優(yōu))。

圖7 衰減預(yù)測

整體上，發(fā)射機功率年均衰減率低于0.37%，即使與當前太陽電池陣功率衰減數(shù)據(jù)相比，前者也不遜于后者，而且后者已基本能滿足多數(shù)長壽命應(yīng)用場合的需求。因此，前者同樣能夠滿足這一需求甚至年限更長。所以，國產(chǎn)LEO衛(wèi)星發(fā)射機固態(tài)功放器件性能較優(yōu)，適合于低軌空間的長期、穩(wěn)定應(yīng)用。

文獻[37]在檢驗星用C頻段固態(tài)功率放大器時，在地面使用熱考核方法，在0 ℃～350 ℃范圍內(nèi)，器件輸出功率波動小于0.2 dB；文獻[29]對X頻段固態(tài)功率放大器的壽命考核也是采用熱試驗方法，用不同溫度進行檢驗。這里，因為數(shù)據(jù)存在缺失，未能采集得到完整的溫度遙測數(shù)據(jù)，因此使用時間變量直接進行擬合分析。實際上，衛(wèi)星入軌后，隨著時間延長，溫度逐漸升高，即時間、溫度、功率之間具有相關(guān)性，本例中0.97以上的相關(guān)系數(shù)也可以說明這一點。

另外，地面測試中，一般較少關(guān)注輻射影響因素，而對于固放長期在軌運行情形，可能需考慮低劑量率輻射下的損傷增強效應(yīng)的影響。在本例中的早期時間段表現(xiàn)較為明顯，而在后期的時間段并不明顯，將來還需繼續(xù)積累數(shù)據(jù)與其它案例觀察、分析。例如，考慮使用衰減速度峰值之后的數(shù)據(jù)進行擬合得到新曲線，然后計算新、舊曲線之間的積分差值，嘗試用差值對低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)進行量化、評估。

此外，后續(xù)若進一步提高器件性能，可考慮針對緩解、減輕低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)的影響展開工作。還有，在太陽活動高年，功率下降并不明顯，但也沒有反彈或者升高跡象，太陽活動高年(或者太陽活動增強)與功率下降之間的長期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，還需持續(xù)關(guān)注。

在空間操控中，需加強超長壽命運行衛(wèi)星健康狀態(tài)檢查與維護，對于半導體功率器件，需重點關(guān)注其在太陽活動低年時期的功率衰減，定期進行功率預(yù)測與分析、評估等工作。

4 結(jié)論

對于在軌運行超15年的LEO衛(wèi)星，重點分析其發(fā)射機固態(tài)功放輸出功率變化情況，得到的結(jié)果如下：

發(fā)射機溫度呈現(xiàn)三種類型的時間變化規(guī)律，即軌道周期、年周期與長期；在軌道周期內(nèi)，衛(wèi)星位于地影區(qū)中間位置時溫度最高，在另一側(cè)相對的陽照區(qū)位置時溫度最低；在年周期內(nèi)，冬至前后溫度最高，夏至前后最低；長期下，溫度逐年升高，且升速逐漸變慢；溫度變化與空間環(huán)境影響特別是太陽影響關(guān)聯(lián)密切。

發(fā)射機固態(tài)功放輸出功率在軌呈現(xiàn)長期下降趨勢，從519.7 mW減至491.4 mW，減少28.3 mW，衰減率5.45%，年均衰減率0.36%；功率衰減基本符合指數(shù)變化規(guī)律，相應(yīng)指數(shù)擬合下的功率衰減率約為5.49%，年均衰減率不足0.37%，相關(guān)系數(shù)值接近于0.98。

功率衰減存在低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)，其在入軌后的早期出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為后期衰減相對于前期衰減加劇。

國產(chǎn)發(fā)射機功率器件性能較優(yōu)，適合于LEO衛(wèi)星長壽命在軌運行下的空間應(yīng)用。