一、引言

卫星姿态控制系统中广泛使用的光电姿态敏感器主要包括太阳敏感器、星敏感器和红外地球敏感器（或称红外地平仪）。一般来说,如果采用星敏感器作为主要定姿敏感器,则将太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份,反之,亦同。太阳敏感器在进入地球阴影区时无法使用,而星敏感器虽然精度较高,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扰,并且,造价较高,使用寿命也没有地球敏感器长。因此,红外地球敏感器是星上不可缺少的光电姿态敏感器。

红外地球敏感器一般通过测量卫星相对地球的位置来确定飞行姿态,大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收带来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆来克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。

二、红外地球敏感器工作原理

红外地球敏感器主要由光学头部、传感器以及信号处理部分构成,有些还包括机械扫描部件。因此,可以按照是否含有机械扫描部件将红外地球敏感器分成动态的和静态的两类。

1．动态红外地球敏感器

动态红外地球敏感器利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆,从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波,通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置,从而确定两轴姿态。动态地球敏感器包括圆锥扫描和摆动扫描2种方式。由于包含驱动电路、电机等结构,其体积较大。

摆动扫描地球敏感器因其控制较难,且需要不断施加外力克服惯性,消耗能源较多,工作寿命不长,已逐渐被淘汰。而圆锥扫描地球敏感器的扫描部件只需作圆周运动,扫描过程中,只需克服摩擦力的影响,在目前的工艺条件下,可将摩擦力降低到非常小的程度,因此,得到了长足的发展,技术已经十分成熟。

2．静态红外地球敏感器

静态红外地球敏感器的工作方式更加类似于人眼,采用面阵焦平面探测器阵列,将多个探测元放在光学系统的焦平面上,通过探测对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的方位。静态地球敏感器与动态地球敏感器相比具有质量轻、功耗低等优点,并可通过适当的算法对大气模型的误差进行修正,从而提高姿态测量的精度和可靠性。

静态地球敏感器包括线阵的和面阵的2种。线阵地球敏感器用4个探测器元件卡在圆的4个点上,通过判断4个点的中心位置来判断地平圆的中心位置。面阵地球敏感器则要对整个地平圆成像,它通过计算地平圆在整个成像探测器面所成像的中心位置来判断地平圆的中心。面阵地平仪的精度要高于线阵的静态地平仪。

三、国外红外地球敏感器发展现状

1．法国　　

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, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等卫星。2种敏感器的性能参数见表1。

表1 STD15与STD16性能指标参数

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。

2．美国

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。

一、引言

卫星姿态控制系统中广泛使用的光电姿态敏感器主要包括太阳敏感器、星敏感器和红外地球敏感器（或称红外地平仪）。一般来说,如果采用星敏感器作为主要定姿敏感器,则将太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份,反之,亦同。太阳敏感器在进入地球阴影区时无法使用,而星敏感器虽然精度较高,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扰,并且,造价较高,使用寿命也没有地球敏感器长。因此,红外地球敏感器是星上不可缺少的光电姿态敏感器。

红外地球敏感器一般通过测量卫星相对地球的位置来确定飞行姿态,大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收带来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆来克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。

二、红外地球敏感器工作原理

红外地球敏感器主要由光学头部、传感器以及信号处理部分构成,有些还包括机械扫描部件。因此,可以按照是否含有机械扫描部件将红外地球敏感器分成动态的和静态的两类。

1．动态红外地球敏感器

动态红外地球敏感器利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆,从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波,通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置,从而确定两轴姿态。动态地球敏感器包括圆锥扫描和摆动扫描2种方式。由于包含驱动电路、电机等结构,其体积较大。

摆动扫描地球敏感器因其控制较难,且需要不断施加外力克服惯性,消耗能源较多,工作寿命不长,已逐渐被淘汰。而圆锥扫描地球敏感器的扫描部件只需作圆周运动,扫描过程中,只需克服摩擦力的影响,在目前的工艺条件下,可将摩擦力降低到非常小的程度,因此,得到了长足的发展,技术已经十分成熟。

2．静态红外地球敏感器

静态红外地球敏感器的工作方式更加类似于人眼,采用面阵焦平面探测器阵列,将多个探测元放在光学系统的焦平面上,通过探测对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的方位。静态地球敏感器与动态地球敏感器相比具有质量轻、功耗低等优点,并可通过适当的算法对大气模型的误差进行修正,从而提高姿态测量的精度和可靠性。

静态地球敏感器包括线阵的和面阵的2种。线阵地球敏感器用4个探测器元件卡在圆的4个点上,通过判断4个点的中心位置来判断地平圆的中心位置。面阵地球敏感器则要对整个地平圆成像,它通过计算地平圆在整个成像探测器面所成像的中心位置来判断地平圆的中心。面阵地平仪的精度要高于线阵的静态地平仪。

三、国外红外地球敏感器发展现状

1．法国　　

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, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等卫星。2种敏感器的性能参数见表1。

表1 STD15与STD16性能指标参数

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。

2．美国

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。