一、引言
衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中廣泛使用的光電姿態(tài)敏感器主要包括太陽敏感器、星敏感器和紅外地球敏感器（或稱紅外地平儀）。一般來說,如果采用星敏感器作為主要定姿敏感器,則將太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份,反之,亦同。太陽敏感器在進入地球陰影區(qū)時無法使用,而星敏感器雖然精度較高,但是,由于器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干擾,并且,造價較高,使用壽命也沒有地球敏感器長。因此,紅外地球敏感器是星上不可缺少的光電姿態(tài)敏感器。
紅外地球敏感器一般通過測量衛(wèi)星相對地球的位置來確定飛行姿態(tài),大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收帶來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓來克服季節(jié)變化、地球表面以及地表輻射差異對地平圓的影響。
二、紅外地球敏感器工作原理
紅外地球敏感器主要由光學頭部、傳感器以及信號處理部分構(gòu)成,有些還包括機械掃描部件。因此,可以按照是否含有機械掃描部件將紅外地球敏感器分成動態(tài)的和靜態(tài)的兩類。
1．動態(tài)紅外地球敏感器
動態(tài)紅外地球敏感器利用運動機械部件帶動一個或少量幾個探測元的瞬時視場掃過地平圓,從而將地球/太空邊界空間分布的輻射圖像
變換為時間分布的近似方波,通過電子學手段檢測地球的寬度或相位計算出地平圓的位置,從而確定兩軸姿態(tài)。動態(tài)地球敏感器包括圓錐掃描和擺動掃描2種方式。由于包含驅(qū)動電路、電機等結(jié)構(gòu),其體積較大。
擺動掃描地球敏感器因其控制較難,且需要不斷施加外力克服慣性,消耗能源較多,工作壽命不長,已逐漸被淘汰。而圓錐掃描地球敏感器的掃描部件只需作圓周運動,掃描過程中,只需克服摩擦力的影響,在目前的工藝條件下,可將摩擦力降低到非常小的程度,因此,得到了長足的發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)十分成熟。
2．靜態(tài)紅外地球敏感器
靜態(tài)紅外地球敏感器的工作方式更加類似于人眼,采用面陣焦平面探測器陣列,將多個探測元放在光學系統(tǒng)的焦平面上,通過探測對投影在焦平面上的地球紅外圖像的響應計算地球的方位。靜態(tài)地球敏感器與動態(tài)地球敏感器相比具有質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點,并可通過適當?shù)乃惴▽Υ髿饽Ｐ偷恼`差進行修正,從而提高姿態(tài)測量的精度和可靠性。
靜態(tài)地球敏感器包括線陣的和面陣的2種。線陣地球敏感器用4個探測器元件卡在圓的4個點上,通過判斷4個點的中心位置來判斷地平圓的中心位置。面陣地球敏感器則要對整個地平圓成像,它通過計算地平圓在整個成像探測器面所成像的中心位置來判斷地平圓的中心。面陣地平儀的精度要高于線陣的靜態(tài)地平儀。
三、國外紅外地球敏感器發(fā)展現(xiàn)狀
1．法國
Sodern公司是法國星敏感器和紅外地球敏感器的知名生產(chǎn)商, STD15和STD16是其兩款典型的動態(tài)雙圓錐掃描的地球敏感器。
STD15從1991 年開始已經(jīng)應用于TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等衛(wèi)星,主要應用于地球靜止軌道衛(wèi)星。STD16主要應用于低地球軌道的各種衛(wèi)星,已應用于SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等衛(wèi)星。
2000年, Sodern為了滿足衛(wèi)星微小化的發(fā)展需要,研制了一種無機械掃描結(jié)構(gòu)的微小型靜態(tài)地球敏感器STS02（主要工作在地球靜止軌道）。STS02與以往的單元掃描敏感器相比結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、造價低。它采用4個交叉的32元焦平面陣列（每個陣列由2 ×16元的陣列組成,長度約為102mm）作為探測元件,并利用硅薄膜技術(shù)實現(xiàn)電子機械控制器件與微機械部件的控制連接。這種設(shè)計使STS02作為一種新型的紅外地球敏感器比以往采用旋轉(zhuǎn)鏡掃描的敏感器尺寸降低了2 /3,質(zhì)量由3.5 kg降到了1.1 kg,功耗也由7.5W降到了3.5W,能夠更好地適應衛(wèi)星微型化、小型化的發(fā)展需要。其準確度可以達到0.07°～0.16°,能夠滿足姿態(tài)控制精度的要求。
2．美國
GoodRich公司在20世紀50年代設(shè)計了世界上第一個用于航天器定向的紅外傳感器,并作為NASA航天器的主要生產(chǎn)商生產(chǎn)了大量高性能的紅外裝備。
13- 410是該公司生產(chǎn)的最新一代多任務紅外地球敏感器（multi2mission earth horizon sensor, MMS）,可用于多種類型的航天器,其可應用的軌道包括低地球軌道（low earth or2bit,LEO） 、中地球軌道（medium earth orbit,MEO）以及對地靜止軌道（geostationary orbit, GEO） 。它能夠提供16°×10°的視場,比傳統(tǒng)的紅外地球敏感器更廣闊。其精度也能夠達到±0.05°～±0.08°。在微結(jié)構(gòu)方面,該敏感器也獲得了突破,其尺寸大小為Φ170mm ×120mm。另外,在長壽命方面,該敏感器在MEO軌道可以工作10年,在GEO軌道可以工作15年。該敏感器已被選作美國空軍先進超高頻計劃衛(wèi)星的主要定姿敏感器。
13- 410采用微結(jié)構(gòu)的熱電堆探測器,用于GEO軌道時使用2個探頭,質(zhì)量小于3 kg;用于MEO時使用3個探頭,質(zhì)量小于4.5 kg。它的供電電壓為21～70V的直流電,其每個探頭的功耗均小于3W。13- 410在進行姿態(tài)測量時,其偏差要遠遠小于常規(guī)的動態(tài)掃描敏感器,工作于GEO軌道時,其偏差為傾斜角±0.013°,滾動角±0.03°；工作于MEO軌道時,偏差為±0.05°～±0.08°。
13- 470-RH是一種微小型靜態(tài)地球敏感器,在性能上比13- 410有了進一步的提高,已成功應用于ORBCOMM, I2R ID IUM以及
GLOBALSTAR 等星座及其他超過200 顆衛(wèi)星。它采用雙三角構(gòu)型的紅外熱電堆焦平面陣列作為探測器件,利用適當?shù)墓鈱W處理以及補償算法提高了敏感器的測量精度。由于13- 470 - RH探頭都能夠獨立地測量三軸中一個方向上的姿態(tài),因此,這種雙三角構(gòu)型使得3個探頭之間互為冗余備份,保證了其可靠性和穩(wěn)定性。
13- 470- RH的視場要大于13- 410,每個探頭為20°×14.8°；其尺寸為Φ 40mm ×56mm；每個探頭重約18 g,完全裝備總質(zhì)量約1 kg；每個探頭的功耗小于300mW,準確度為±0.2°。可見,在視場、尺寸、質(zhì)量和功耗等方面, 13 - 470 - RH都比13 - 410有了很大的提高,能夠更好地適應衛(wèi)星微型化、小型化的發(fā)展需求。
3．日本
CES3是日本Astro Research公司生產(chǎn)的一種圓錐掃描地球敏感器,由光學頭部和信息處理電路兩部分組成,并裝有太陽識別探頭。CES3主要應用于中低軌道高度（100～3000 km）的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)中,其掃描半圓錐角為55°,掃描速度為60 r/min,分辨力為2′,視場大小為1.5°×1.5°,可以達到的準確度（3σ）為:隨機誤差小于0.07°、常規(guī)誤差小于0.05 °。它的質(zhì)量為2.7 kg,尺寸為Φ 118mm ×200mm,功耗為2W,正常工作的溫度范圍為- 5～45 ℃,使用壽命大于5 a。
4．意大利
由伽利略公司生產(chǎn)的ESS（earth & sun elevations sen2sor）是用于自旋衛(wèi)星或三軸穩(wěn)定衛(wèi)星調(diào)整軌道旋轉(zhuǎn)階段姿態(tài)控制的仰角探測器,可以用于低軌道到超同步類型的各種衛(wèi)星。該敏感器主要包括2個紅外地球仰角傳感器以及2個狹縫的太陽仰角傳感器,所有傳感器共同工作,并輸出電流脈沖,通過這些包含方位信息的電流脈沖能夠確定航天器旋轉(zhuǎn)速度、太陽和地球仰角等。目前, ESS已成功應用于70多顆電子通信衛(wèi)星、科學實驗衛(wèi)星以及遙感衛(wèi)星,其使用壽命（GEO軌道）長達15年。
ESS地球敏感器主要由地球敏感器、太陽敏感器、機械接口、電子線路和數(shù)據(jù)接口幾部分構(gòu)成,其各部分的性能參數(shù)如下:地球敏感器:工作波段為14～16.25μm,視場為1.5°×1.5°,隨機誤差（3σ）小于0.15°,系統(tǒng)誤差（3σ）小于0.20°；太陽敏感器:工作波段為0.4～1.1μm,視場為±80°,隨機誤差（3σ）小于0.01°,系統(tǒng)誤差（3σ）小于0.035°；機械部分:尺寸為166mm ×150mm ×127mm,質(zhì)量小于1.4 kg；電子線路部分:輸入電壓為±15V,功耗< 1W；數(shù)據(jù)接口部分:輸入電壓為（14 ±1.5）V,地球信號脈沖寬度為（200 ±20）μs,太陽信號脈沖寬度為10ms , 60 r/min。
另外, ESS的工作環(huán)境條件為:轉(zhuǎn)速為10～100 r/min,工作溫度為- 20～50 ℃,存儲溫度為- 30～60 ℃。
可見,單一種類的敏感器已經(jīng)不能很好地滿足高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求,從而出現(xiàn)了組合類型的敏感器。組合類型的敏感器在準確度、質(zhì)量、體積、功耗等方面的性能都有一定程度的提高。
四、紅外地球敏感器發(fā)展趨勢分析
為了促進衛(wèi)星的小型化并降低衛(wèi)星的造價,采用新型的微技術(shù)是十分必要的。在過去的30多年里,基于硅及其相關(guān)技術(shù)的微傳感器得到了迅速發(fā)展,這也使得應用于太空的各種敏感器不斷向著智能化、綜合化、小型化的方向發(fā)展。對于紅外地球敏感器來說,其發(fā)展方向為小型化、智能化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長壽命。
動態(tài)掃描型的紅外地球敏感器由于存在掃描機構(gòu),其質(zhì)量大、功耗多,并且,掃描機構(gòu)長時間運動會使敏感器產(chǎn)生振動偏差,因此,其測量精度不能得到進一步提高,且這一類型的地球敏感器的技術(shù)已經(jīng)十分成熟,繼續(xù)發(fā)展的空間很小。而靜態(tài)紅外地球敏感器由于采用凝視型成像,不需要掃描機械的運動,在質(zhì)量、功耗、精度以及使用壽命等方面都比動態(tài)地球敏感器存在優(yōu)勢,尤其是面陣地球敏感器,精度要比線陣地球敏感器更高。并且,靜態(tài)地球敏感器的發(fā)展起步相對較晚,其發(fā)展空間仍十分巨大。然而,靜態(tài)紅外地球敏感器在研發(fā)的過程中需要解決大視場的要求。
可以說2種類型的敏感器各有利弊,但是,總體說來,靜態(tài)地球敏感器已經(jīng)成為了一種發(fā)展趨勢, 尤其是微機電（MEMS）技術(shù)的發(fā)展將促進靜態(tài)紅外地球敏感器的性能得到進一步提高。
目前,單一種類的敏感
器已不能滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)高精度以及高穩(wěn)定性的要求,實際應用中,大多采用多種敏感器的組合方式,用來提高姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定性。
例如:使用星敏感器作為主要定姿裝置,則將高精度太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份,或反之。各種敏感器互為備份,甚至還有一些組合模式的敏感器出現(xiàn),如意大利伽利略公司的ESS,這些新型敏感器將為航天器的穩(wěn)定運行提供更加穩(wěn)定的姿態(tài)保障。
五、結(jié)束語
紅外地球敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要組成部分,必須適應衛(wèi)星的發(fā)展需求而不斷地提高其性能。國外地球敏感器在滿足衛(wèi)星小型化、低造價等要求方面,不斷向著小型化、智能化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長壽命的方向發(fā)展,甚至出現(xiàn)組合方式的敏感器以更好地適應衛(wèi)星小型化、微型化的應用需求,十分值得國內(nèi)的生產(chǎn)和研制單位借鑒。
