IGSO衛星地球敏感器受兩極紅外輻射波動影響分析

常建松 郭建新 李艷華 劉忠漢

1.哈爾濱工業大學衛星技術研究所，哈爾濱150080

2.北京控制工程研究所，北京100190

傾斜地球同步軌道(IGSO，Inclined Geo-Synchronous Orbit)衛星軌道高度為35786km，軌道傾角一般為55°以上，星下點軌跡呈現“8”字特征。IGSO衛星為三軸穩定衛星，采用擺動掃描式紅外地球敏感器(以下簡稱“地敏”)測量滾動俯仰姿態，陀螺和太陽敏感器測量偏航姿態。衛星正常工作時，偏航動態偏置使得衛星+X軸指向太陽以保證能源供應。因此，與GEO衛星標稱姿態時地敏探頭視場沿南、北緯45°附近掃描地平不同，IGSO衛星隨著軌道位置改變，探頭掃描軌跡位置不斷變化，地敏探頭每天均會規律性地掃描經過兩極區域，若此時該地區紅外輻射波動劇烈，干擾地敏探頭測量，則會導致地敏輸出姿態角異常。

文獻［1］介紹印度IRS-1A衛星上使用的靜態地球敏感器在通過南極區域失去地球可見信號，導致姿態基準丟失，文中給出該靜態地敏測量的不同月份時地球紅外輻射強度隨軌道周期變化曲線，數據表明7月份時南極地區輻射強度會明顯降低。文獻［2］詳細分析了地球紅外輻射隨季節和緯度變化對ERBS衛星姿態控制的影響，在軌數據表明紅外地敏測量姿態誤差受地球紅外輻射影響顯著，7月份南極區域俯仰角誤差達到 0.45°。

綜上所述，有必要開展IGSO衛星地敏受兩極紅外輻射波動影響分析工作，解決地敏受擾輸出姿態角誤差增大問題，研究行之有效的地敏探頭干擾保護處理措施。

1 擺動掃描式紅外地球敏感器簡介

IGSO衛星采用單地平穿越擺動掃描式紅外敏感器，其復合視場包含4個紅外探測器探頭，敏感14～16μm紅外波段，每個探頭為1.3°×1.3°方形視場，其對角線分別平行于星體俯仰軸和滾動軸，如圖1所示，圖中A，B，C，D 分別代表地敏探頭1，2，3，4。地敏有2種掃描方式:寬掃描和窄掃描，可由遙控指令選擇。寬掃描方式的掃描范圍為±11°，窄掃描方式的掃描范圍為±5.5°。一般情況下，轉移軌道運行或捕獲地球時使用寬掃描方式，在地球同步軌道時使用窄掃描方式。

地敏探頭對地球和背景空間的紅外輻射進行檢測，輸出類似梯形的地球波，內部處理線路提取代表姿態信息的地平穿越脈沖，即圖1所示測量脈沖，再與零位基準脈沖信號比較，通過姿態處理邏輯單元計算獲得滾動、俯仰角測量值。正常4個探頭工作時，地敏測量輸出滾動俯仰姿態角數學模型公式如式(1)［3］。

圖1 紅外地球敏感器復合視場及測量原理

式中，Δ1，Δ2，Δ3，Δ4 分別為各探頭輸出弦寬測量值，φ為滾動角，θ為俯仰角。

2 兩極紅外輻射波動影響分析

2.1 誤差分析

文獻［4］中指出，溫度是影響地球紅外輻射的最重要因素，大氣溫度隨地理緯度、季節及高度的不同而有較大的變化。紅外輻射的緯度效應可由圖2看出，該圖表示7月份在對地靜止軌道上看到的14～16μm波段地球的等輻亮度曲線。圖中方格形坐標所示的數值為從衛星上觀察地球，觀察點對應的視線與地垂線間的夾角?？梢娤募灸蠘O輻射水平明顯低于北極。文獻［1］的在軌測量數據同樣表明地球紅外輻射強度隨季節和緯度變化顯著。高緯度地區紅外輻射水平季節間差別較大，波動較大，因此對于地敏測量是不利的，可能帶來較大誤差［4］。

由于紅外地平圈附近的紅外輻射亮度由內向外是逐漸減小的，因此地敏測量獲得的原始地球波形狀類似于梯形，并且隨著探頭視場穿越點處的地球紅外輻射亮度的不同，地球波變化的快慢程度也不一樣。對于IGSO衛星，由于工作在大傾角的同步軌道上，4個探頭地平穿越點處的紅外輻射強度不同，每個探頭測量得到的地平穿越位置不再與基準位置重合，就會產生測量誤差，這便是地球敏感器的地球輻射誤差［5］。尤其是當地敏探頭掃描經過紅外輻射波動劇烈的兩極區域時，相應探頭測量的地球輻射強度信號變化顯著，提取地平穿越脈沖會嚴重偏離真實位置，當與基準脈沖比較時出現較大的偏差，最終導致姿態計算誤差增大，地敏輸出姿態角異常。

圖2 地球紅外輻射的緯度效應圖

2.2 仿真分析

利用STK軟件建立IGSO衛星地敏受兩極紅外輻射干擾分析仿真場景，見圖3，圖中探頭1視場為藍色透視區域，探頭2為綠色，探頭3為白色，探頭4為粉色，分布位置同圖1。異常干擾區域用紅色方框標示，范圍設定為西經10°～70°，南緯55°～80°之間的方形區域，探頭掃描區域在地面投影用相應顏色突出顯示，二維顯示界面以黃色透視區域表示陽照區，用紅色圓圈標出地敏探頭掃描穿越地平位置。

圖3 STK仿真分析場景示意圖

可以利用STK仿真預報各探頭掃描經過紅外輻射異常區域時段，在仿真設置的衛星初始軌道條件下，探頭2每天08:20～10:30(北京時)掃描經過異常區域，探頭1每天13:00～13:30(北京時)掃描經過異常區域。

圖4 探頭2受擾時掃過地面軌跡

探頭2受擾STK仿真分析場景見圖4，此時探頭2掃描地平穿越點位于異常干擾區，地敏輸出姿態角仿真曲線見圖5，從圖中可以看出滾動和俯仰角測量值變化有很強的相關性，即滾動角增大的同時俯仰角也增大，滾動角減小俯仰角隨之減小，且幅值基本相同。進一步由式(1)滾動俯仰角計算公式可知，若探頭2受擾，則會引起姿態角同增同減變化現象。同理，探頭3受擾時輸出姿態角也具有相同變化趨勢。

圖5 探頭2受擾時地敏輸出姿態角

探頭1受擾STK仿真場景見圖6，異常期間地敏輸出姿態角見圖7，滾動和俯仰角存在明顯的反向對稱變化趨勢，即滾動角增大同時俯仰角減小，且幅值基本相同。再由地敏姿態角求解公式分析可知，若探頭1受擾，則地敏輸出的滾動和俯仰姿態角會表現出反增反減的變化現象。探頭4受擾時輸出姿態角變化趨勢相同。

圖6 探頭1受擾時掃過地面軌跡

圖7 探頭1受擾時地敏輸出姿態角

通過上述2種典型異常情況的仿真分析，明確了受擾探頭與地敏輸出姿態角變化趨勢之間的關系，進一步結合探頭掃過異常區域時段的預報結果，即可準確地判斷出受擾探頭。地敏探頭掃描經過異常干擾區具有一定的周期性，與衛星軌道周期相吻合，短期內各探頭每天受擾時段基本相同，隨衛星軌道攝動而變化。

3 處理措施

根據地敏的測量原理可知，只要3個探頭輸出正常測量信息即可計算出滾動角和俯仰角，因此當某個探頭被干擾時，在軌一般采取干擾保護的處理措施，地面根據探頭受擾時段注入探頭干擾保護時間，在保護時間段內禁止使用該探頭，利用其余3個探頭信息輸出正確的姿態角測量值。此時姿態計算公式為:

正常4個探頭工作情況下，地敏輸出姿態角的測量噪聲為0.06°(3σ)，而3個探頭工作時測量噪聲為0.09°(3σ)，精度略有降低，但不影響地敏正常使用。

采用本文的仿真分析方法，利用STK軟件設置異常干擾區，可以快速有效地預報各探頭受兩極紅外輻射干擾的時段。但是受氣候、溫度等不確定性因素影響，難以對地球紅外輻射異常區域進行準確建模，只能根據在軌數據規劃異常干擾區大小和位置，再通過不斷的反饋修正，盡可能提高預報的準確性。

進行探頭干擾保護時，還需要綜合考慮日月干擾影響，若地球輻射干擾和日月干擾同時發生，并且在不同的探頭上，則當地球輻射干擾引起地敏輸出姿態角誤差較小，衛星姿態控制能夠滿足正常工作要求時，優先進行日月干擾保護工作，否則可以參考文獻［6-8］的處理方法，同時進行多個探頭的干擾保護。

每年7～9月份南極地區紅外輻射波動較大，而12～2月份北極地區紅外輻射波動較大，這兩個時段內需重點關注IGSO衛星地敏測量輸出，若發現明顯的受擾跡象，應及時采取上述處理措施。

4 結論

本文給出了地敏受兩極紅外輻射干擾分析方法，建立基于STK軟件仿真工程，預報各探頭受擾時段，再結合地敏輸出姿態角變化趨勢，可以準確地判斷出受擾探頭。若在軌衛星遇到此類問題，可以采用本文方法預報干擾時段，進而通過采取禁止受擾探頭工作的保護措施，避免地敏輸出姿態角異常情況發生。

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