“風云二號”衛星天線消旋失鎖故障原因初步分析

鄭 昊，焦維新，魏彩英

（1.北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871； 2.國家衛星氣象中心，北京 100081）

0 引言

隨著衛星在各行各業的應用越來越廣，人們對衛星在軌運行的安全性以及可靠性也提出了更高的要求。但是，衛星在軌運行會受到復雜多變的空間天氣的影響，而目前對空間天氣與衛星之間的相互作用了解甚少。因此，加強空間天氣探測，加大對空間環境效應研究的力度，是保證衛星在軌長壽命高可靠運行的重要措施。

空間環境效應研究包括機制研究、空間環境效應監測、空間環境模擬試驗、計算機仿真和對衛星異常進行診斷分析等方式。上述研究方式的最后一種投資小、見效快，特別是能針對我國自己的衛星操作數據進行詳盡的分析，不僅有利于獲得一般性的規律，而且對確保我國后續衛星安全運行具有實際應用價值。

以我國第一代地球靜止軌道氣象衛星——“風云二號”衛星為例，其中“風云二號”C星（后簡稱FY-2C） 和“風云二號”D星（后簡稱FY-2D）分別于2004年10月19日和2006年12月8日成功發射并定點[1-2]。這兩顆衛星在軌運行以來出現了一些問題，其中最典型的就是天線消旋失鎖事件。

由于地球同步軌道上的衛星受太陽輻射的壓力和其他宇宙力的作用，使衛星姿態受到擾動。為了克服這些外力的影響而使衛星姿態保持穩定，有的衛星采用自旋穩定方式，有的衛星采用先進的三軸姿態穩定工作方式。采用自旋穩定方式的衛星會使天線的指向也隨之轉動，這是不允許的，因此天線必須要有消旋措施，確保輻射方向一直指向地球。消旋措施是通過把天線安裝在消旋平臺上，消旋平臺相對于星體來說具有與自旋方向相反、轉速相同的消旋運動；此外，也可利用電子掃描的方法使天線波束按自旋速度的反方向旋轉實現消旋[3]。而天線消旋失鎖指的就是由于某種原因導致天線消旋失效，使地面接收不到信號。天線消旋失鎖是影響衛星正常運行的主要原因之一，它會導致星地通信中斷，從而造成衛星觀測資料的丟失。

從2005年1月到2008年12月，FY-2C衛星共發生天線消旋失鎖事件40次。在2007年1月到2008年12月之間，FY-2D衛星共發生天線消旋失鎖事件10次。

本文利用國家衛星氣象中心長期積累的衛星操作數據，對 FY-2C衛星在軌運行時發生的天線消旋失鎖事件進行統計以及個例分析，從中探討空間天氣對衛星正常運行的影響。由于“風云二號”衛星處在地球同步軌道高度，而此高度正好位于外輻射帶中，高能電子對衛星的影響不能忽略，因此本文主要研究高能電子和天線消旋失鎖事件的聯系。為此，必須獲得地球同步軌道高度的電子環境。由于研究過程中，“風云”衛星的標定工作仍在進行，我們采用了同在地球同步軌道的GOES-10衛星5 min平均的電子通量數據[4]來模擬地球同步軌道高度的電子通量環境。

1 高能電子通量統計結果及分析

1.1 統計結果

FY-2C衛星40次天線消旋失鎖事件可分為以下幾種類型：

1）事件發生時，電子通量處于較高的峰值

圖1反映的是2006年4月17日當地時間1時6分30秒發生天線消旋失鎖事件時對應的GOES衛星電子通量變化。

圖 1 2006-04-17LT01：06：30 GOES-10 衛星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.1 Electron flux data from GOES-10 satellite of2006-04-17LT01：06：30 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

從圖中可發現，事件發生時，大于2 MeV的電子通量處于一個很明顯的峰值，大于0.6 MeV的電子通量變化情況與此相似。

符合這類在天線消旋失鎖事件發生時電子通量處于峰值情況的，40次事件中共有6次。

2）事件發生前后，電子通量各有一個較高的峰值

然而，并不是所有天線消旋失鎖事件發生時都處于電子通量的峰值。在分析40次事件的電子通量變化圖時，我們發現，有的事件在發生前后，電子通量也有一個較高的峰值。

以2007年5月31日當地時間13時41分44秒發生的事件為例，對應的電子通量見圖2。

圖 2 2007-05-31 LT13：41：44 GOES-10 衛星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.2 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-05-31LT13：41：44 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

從圖中可以發現，對于＞0.6 MeV和＞2 MeV兩個能檔的電子通量來說，在事件發生前，均有一個很明顯的波峰；而在事件發生一段時間之后，電子通量又有一個波峰，然后有明顯的下降。

在40次事件中，符合這種情況的有29次，其中包括同時滿足1）、2）兩種情況的事件。

3）事件發生前后或者事件發生時，電子通量均不高

在40次衛星天線消旋失鎖事件中，并非每一次事件都伴隨有電子通量的峰值。以2007年7月16日13時13分00秒發生的事件為例，對應的電子通量如圖3所示。

圖 3 2007-07-16 LT13：13：00 GOES-10 衛星電子通量圖（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.3 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-07-16LT13：13：00 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

在事件發生前以及事件發生時，＞2 MeV的電子通量一直都在一個很低的水平，＞0.6 MeV能檔的電子通量也只有1.0×105的量級。在40次事件中，符合這種情況的有10次。

1.2 結果分析

對于上一節中情況 3），高能電子的通量處于一個比較低的水平，可以認為衛星受到高能電子的影響較小，天線消旋失鎖事件與高能電子通量關系不大，可能是由其他原因導致。

而對于情況 1）、2），即在事件發生前或者事件發生時，高能電子通量處于一個高于平均值的水平，在這種情況下，高能電子對衛星的影響不可忽略。滿足這兩種情況之一的 FY-2C天線消旋失鎖事件一共發生了30次，占全部40次的75%，所以我們認為，FY-2C天線消旋失鎖事件可能與高能電子的高通量有關。

高通量的高能電子是航天器內部充電的主要原因。能量范圍為0.1～10 MeV的高能電子可穿透航天器的屏蔽層，沉積在電介質內，引起航天器內部充電。當電荷的積累速率高于其泄漏速率時，產生的電場會不斷增加，有可能超過介質的擊穿閾值，引起靜電放電。這種放電若直接或間接地耦合到衛星其他靈敏的或未加防護的電路，將引起不同程度的損壞，特別易受損壞的是屏蔽比較差的電纜、印刷電路板和熱防護層，嚴重時甚至導致衛星完全失效。

關于衛星內部充電問題，有兩個因素特別重要，一是輻射誘導的電導率（RIC），二是電子在介質內沉積而產生的電場。在高能電子作用下，介質內最大電場取決于材料性質、厚度以及電子的能譜。在RIC遠大于暗電導率情況下，最大電場與高能電子在一段時間內的通量有密切關系，而與入射電子的瞬時通量無關。盡管RIC使電介質內部最大電場值降低，但由于達到飽和電場所需的時間大大縮短，因此在空間可能出現內部充電使介質電場超過擊穿閾值的條件。

通過對FY-2C衛星40次天線消旋失鎖事件的統計分析，我們初步認為，高通量的高能電子引起的內部充電可能和天線消旋失鎖事件有關。在衛星發生異常之前，往往會出現電子通量短暫減小的情況，這是否是發生異常的觸發因素還需進一步研究[5]。

2 天線消旋失鎖事件個例分析

DICTAT[6]（DERA Internal Charging Thread Assessment Tool）是歐空局開發的對衛星介質深層充電的放電危險性分析和評估的軟件，它能根據衛星所處的空間高能電子環境以及介質構件的參數計算出介質中深層充電所致的最大電場。

在這里，我們利用DICTAT軟件，結合實際情況計算了在一次天線消旋失鎖事件中，高通量的高能電子可能引發的最大電場。

2.1 計算原理[7-9]

對于介質材料中累積的靜電荷，可由高斯定律計算得到內部電場；而在空間環境中，帶電粒子連續地流進和流出介質材料，所以用歐姆定律計算內部電場強度是比較合適的辦法。

其中，J為電流密度；σ為介質材料的電導率。

電導率σ由暗電導率和輻射誘導電導率兩部分組成，

其中：σ0為暗電導率；D˙為輻射劑量率；kp是與介質材料有關的系數；Δ是一個依賴于介質材料性能的無量綱指數，取0.6～1之間。

介質電導率隨溫度T的變化關系可以表示為

其中：Ea為活化能，J；k為玻耳茲曼常量；常數C由室溫下介質的電導率確定。

電導率隨電場強度E和溫度T的變化關系為

2.2 計算過程

以2006年4月17日FY-2C衛星發生的天線消旋失鎖事件為例，我們利用事件發生時的電子通量，針對衛星上3種常見材料——聚乙烯、聚四氟乙烯和環氧樹脂的平板和圓柱模型，分別計算其內部帶電所能產生的最大電場。表1給出了3種電介質的參數。kp/ (S·Ω-1·cm-1·rad-1)Δ1.0×10-140.8 6.5×10-141.0 2.0×10-140.7

以2006年4月17日FY-2C衛星發生的天線消旋失鎖事件為例，在這里，我們將事件發生時的電子通量數據取1 h平均，暴露時間則對應為1 h。根據文獻[8]的計算結果，內部最大電場強度隨介質厚度的增加而增大；到達一定厚度（8 mm）時，最大電場基本保持一個定值不變。而關于屏蔽厚度的選取，從文獻[8]可知，內部最大電場并不是一直隨著屏蔽厚度的增加而減小的：在屏蔽比較薄時，最大電場隨屏蔽厚度增加而增大；在某一厚度（1.5 mm）時內部最大電場達到峰值；之后隨著屏蔽厚度的增加，內部最大電場反而變小。本文的計算中，將電介質的厚度設為4 mm，屏蔽鋁厚度設為1.5 mm，利用DICTAT軟件計算出內部帶電引起的最大電場強度。表2和表3給出了有關計算結果。

表 2 平板型電介質的最大電場強度計算結果Table 2 Calculation results of maximal electric field for planar materials

表3 圓柱型電介質的最大電場強度計算結果Table 3 Calculation results of maximal electric field for cylindrical materials

2.3 結果分析

從表2、表3可以看出，平衡時的最大電場大于1 h后的最大電場，這說明高通量的高能電子在電介質中的積累效應大于瞬時效應。而在相同的電子環境下，圓柱形的電介質內部最大電場大于平板電介質的內部最大電場。

根據 DICTAT軟件提供的電介質擊穿閾值可以看出，2006年4月17日FY-2C衛星天線消旋失鎖事件時的高通量高能電子在 3種電介質材料深層帶電產生的最大電場已經接近或者超出擊穿閾值1.0×107V/m。但是，考慮到在計算最大電場時電介質厚度和屏蔽鋁的厚度均采用了假設值，我們只能認為，高通量的高能電子引起的內部帶電效應已經不能忽視。FY-2C衛星天線消旋失鎖事件有很大可能是由高能電子導致的介質深層充電引起。

3 結論

本文通過對 FY-2C衛星天線消旋失鎖事件進行統計分析，認為天線消旋失鎖事件可能和高通量的高能電子有關。結合3種常用于衛星的電介質材料，利用歐空局的 DICTAT軟件進行個例分析計算，模擬出高通量的高能電子導致介質深層充電產生的最大電場。計算結果表明，FY-2C衛星天線消旋失鎖事件有很大可能是由高能電子導致的介質深層充電引起。但是，介質深層充電并不是所有天線消旋失鎖事件的觸發原因。在研究過程中發現天線消旋失鎖事件在電子通量水平很低的時候也有發生，這需要進一步考慮其他因素的影響。

（References）

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