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地球敏感器

一种光学姿态敏感器,又称地平仪。分为地球反照敏感器和红外地球敏感器两类。前者在航天器控制系统中用得很少,而后者得到广泛应用。

地球敏感器

一种光学姿态敏感器,又称地平仪。分为地球反照敏感器和红外地球敏感器两类。前者在航天器控制系统中用得很少,而后者得到广泛应用。

地球反照敏感器

对地球反射的太阳光敏感,并借此获得航天器相对于地球的姿态信息的光学敏感器。其工作波段为可见光或近红外波段。地球反照敏感器的主要优点是简单。但因反照表现的地球形状随时间变化(与月球的圆、缺变化相似),因此其性能的提高受到限制。

红外地球敏感器

对地球的红外辐射敏感,并借此获取航天器相对于地球的姿态信息的光学敏感器,常称红外地平仪。它广泛采用二氧化碳吸收带(14~16微米)作为工作波段,可以较为稳定地确定地球轮廓和辐射强度。红外地球敏感器由光学系统、探测器和处理电路组成。可分为地平穿越式和辐射平衡式两种基本类型。


  ①地平穿越式红外地平仪:简称穿越式红外地平仪,它的视场对地球作扫描运动。当视场扫过地平时,感受到的红外辐射功率发生急剧变化,发生变化时的扫描角(运动部分绕扫描轴的转角)是姿态的函数。

在自旋稳定卫星(见人造卫星自旋稳定)上安装一种借助于星体自旋对地球进行扫描的穿越式红外地平仪。它输出两个电信号,分别对应于敏感轴进入和离开地球的扫描角。二者之差是姿态的函数。

装在三轴稳定卫星上的穿越式红外地平仪靠自己的扫描机构对地球进行扫描,常称为圆锥扫描地平仪。它有一个可逆计数器,计数累积值正比于敏感轴、扫描轴和当地垂线三者共面的扫描角。

②辐射平衡式红外地平仪:对地球边缘某些区域的辐射敏感并加以比较,以获取姿态信息。它没有活动部件,因此常称为静态地平仪。有一种最简单的静态地平仪,能同时感受地球边缘4个区域的红外辐射。当卫星的姿态变化时,各探测器感测地球的面积随之变化,从而电信号也发生相应的变化。将这些电信号加以处理,即可得到与偏差角(敏感轴与当地垂线的夹角)的两个分量分别成函数关系的两个输出。

静态地平仪由于没有活动部件特别适用于长寿命卫星,但它必须感受地球边缘的红外辐射,对轨道高度的适应性很差。
  红外地球敏感器的精度在高轨道时达0.03°,低轨道时约为0.1°。


  Sodern公司是法国星敏感器和红外地球敏感器的知名生产商, STD15和STD16是其两款典型的动态双圆锥扫描的地球敏感器。
  STD15从1991 年开始已经应用于TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等卫星,主要应用于地球静止轨道卫星。STD16主要应用于低地球轨道的各种卫星,已应用于SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT,HELIOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等卫星。


  2000年, Sodern为了满足卫星微小化的发展需要,研制了一种无机械扫描结构的微小型静态地球敏感器STS02(主要工作在地球静止轨道)。STS02与以往的单元扫描敏感器相比结构紧凑、体积小、质量轻、造价低。它采用4个交叉的32元焦平面阵列(每个阵列由2 ×16元的阵列组成,长度约为102mm)作为探测元件,并利用硅薄膜技术实现电子机械控制器件与微机械部件的控制连接。这种设计使STS02作为一种新型的红外地球敏感器比以往采用旋转镜扫描的敏感器尺寸降低了2 /3,质量由3.5 kg降到了1.1 kg,功耗也由7.5W降到了3.5W,能够更好地适应卫星微型化、小型化的发展需要。其准确度可以达到0.07°~0.16°,能够满足姿态控制精度的要求。


  GoodRich公司在20世纪50年代设计了世界上第一个用于航天器定向的红外传感器,并作为NASA航天器的主要生产商生产了大量高性能的红外装备。


  13- 410是该公司生产的最新一代多任务红外地球敏感器(multi2mission earth horizon sensor, MMS),可用于多种类型的航天器,其可应用的轨道包括低地球轨道(low earth or2bit,LEO) 、中地球轨道(medium earth orbit,MEO)以及对地静止轨道(geostationary orbit, GEO) 。它能够提供16°×10°的视场,比传统的红外地球敏感器更广阔。其精度也能够达到±0.05°~±0.08°。在微结构方面,该敏感器也获得了突破,其尺寸大小为Φ170mm ×120mm。另外,在长寿命方面,该敏感器在MEO轨道可以工作10年,在GEO轨道可以工作15年。该敏感器已被选作美国空军先进超高频计划卫星的主要定姿敏感器。

13- 410采用微结构的热电堆探测器,用于GEO轨道时使用2个探头,质量小于3 kg;用于MEO时使用3个探头,质量小于4.5 kg。它的供电电压为21~70V的直流电,其每个探头的功耗均小于3W。13- 410在进行姿态测量时,其偏差要远远小于常规的动态扫描敏感器,工作于GEO轨道时,其偏差为倾斜角±0.013°,滚动角±0.03°;工作于MEO轨道时,偏差为±0.05°~±0.08°。

13- 470-RH是一种微小型静态地球敏感器,在性能上比13- 410有了进一步的提高,已成功应用于ORBCOMM, I2R ID IUM以及GLOBALSTAR 等星座及其他超过200 颗卫星。它采用双三角构型的红外热电堆焦平面阵列作为探测器件,利用适当的光学处理以及补偿算法提高了敏感器的测量精度。由于13- 470 - RH探头都能够独立地测量三轴中一个方向上的姿态,因此,这种双三角构型使得3个探头之间互为冗余备份,保证了其可靠性和稳定性。

13- 470- RH的视场要大于13- 410,每个探头为20°×14.8°;其尺寸为Φ 40mm ×56mm;每个探头重约18 g,完全装备总质量约1 kg;每个探头的功耗小于300mW,准确度为±0.2°。可见,在视场、尺寸、质量和功耗等方面, 13 - 470 - RH都比13 - 410有了很大的提高,能够更好地适应卫星微型化、小型化的发展需求。


  CES3是日本Astro Research公司生产的一种圆锥扫描地球敏感器,由光学头部和信息处理电路两部分组成,并装有太阳识别探头。CES3主要应用于中低轨道高度(100~3000 km)的三轴稳定卫星的姿态控制系统中,其扫描半圆锥角为55°,扫描速度为60 r/min,分辨力为2′,视场大小为1.5°×1.5°,可以达到的准确度(3σ)为:随机误差小于0.07°、常规误差小于0.05 °。它的质量为2.7 kg,尺寸为Φ 118mm ×200mm,功耗为2W,正常工作的温度范围为- 5~45 ℃,使用寿命大于5 a。

由伽利略公司生产的ESS(earth & sun elevations sen2sor)是用于自旋卫星或三轴稳定卫星调整轨道旋转阶段姿态控制的仰角探测器,可以用于低轨道到超同步类型的各种卫星。该敏感器主要包括2个红外地球仰角传感器以及2个狭缝的太阳仰角传感器,所有传感器共同工作,并输出电流脉冲,通过这些包含方位信息的电流脉冲能够确定航天器旋转速度、太阳和地球仰角等。目前, ESS已成功应用于70多颗电子通信卫星、科学实验卫星以及遥感卫星,其使用寿命(GEO轨道)长达15年。

ESS地球敏感器主要由地球敏感器、太阳敏感器、机械接口、电子线路和数据接口几部分构成,其各部分的性能参数如下:地球敏感器:工作波段为14~16.25μm,视场为1.5°×1.5°,随机误差(3σ)小于0.15°,系统误差(3σ)小于0.20°;太阳敏感器:工作波段为0.4~1.1μm,视场为±80°,随机误差(3σ)小于0.01°,系统误差(3σ)小于0.035°;机械部分:尺寸为166mm ×150mm ×127mm,质量小于1.4 kg;电子线路部分:输入电压为±15V,功耗

为了促进卫星的小型化并降低卫星的造价,采用新型的微技术是十分必要的。在过去的30多年里,基于硅及其相关技术的微传感器得到了迅速发展,这也使得应用于太空的各种敏感器不断向着智能化、综合化、小型化的方向发展。对于红外地球敏感器来说,其发展方向为小型化、智能化、高精度、高稳定性、低功耗和长寿命。

动态扫描型的红外地球敏感器由于存在扫描机构,其质量大、功耗多,并且,扫描机构长时间运动会使敏感器产生振动偏差,因此,其测量精度不能得到进一步提高,且这一类型的地球敏感器的技术已经十分成熟,继续发展的空间很小。而静态红外地球敏感器由于采用凝视型成像,不需要扫描机械的运动,在质量、功耗、精度以及使用寿命等方面都比动态地球敏感器存在优势,尤其是面阵地球敏感器,精度要比线阵地球敏感器更高。并且,静态地球敏感器的发展起步相对较晚,其发展空间仍十分巨大。然而,静态红外地球敏感器在研发的过程中需要解决大视场的要求。

可以说2种类型的敏感器各有利弊,但是,总体说来,静态地球敏感器已经成为了一种发展趋势, 尤其是微机电(MEMS)技术的发展将促进静态红外地球敏感器的性能得到进一步提高。

目前,单一种类的敏感器已不能满足卫星姿态控制系统高精度以及高稳定性的要求,实际应用中,大多采用多种敏感器的组合方式,用来提高姿态控制的精度和稳定性。

例如:使用星敏感器作为主要定姿装置,则将高精度太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份,或反之。各种敏感器互为备份,甚至还有一些组合模式的敏感器出现,如意大利伽利略公司的ESS,这些新型敏感器将为航天器的稳定运行提供更加稳定的姿态保障。

红外地球敏感器作为卫星姿态控制系统的重要组成部分,必须适应卫星的发展需求而不断地提高其性能。国外地球敏感器在满足卫星小型化、低造价等要求方面,不断向着小型化、智能化、高精度、高稳定性、低功耗和长寿命的方向发展,甚至出现组合方式的敏感器以更好地适应卫星小型化、微型化的应用需求,十分值得国内的生产和研制单位借鉴。 [1]


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