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(yáng)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(yáng)敏感器和紅外地球敏感器作為備份,反之,亦同。太陽(yáng)敏感器在進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)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(jià)較高,使用壽命也沒有地球敏感器長(zhǎng)。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(cè)量衛(wèi)星相對(duì)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(cè)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(duì)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(xué)頭部、傳感器以及信號(hào)處理部分構(gòu)成,有些還包括機(jī)械掃描部件。因此,可以按照是否含有機(jī)械掃描部件將紅外地球敏感器分成動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的兩類。
1．動(dòng)態(tài)紅外地球敏感器
動(dòng)態(tài)紅外地球敏感器利用運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件帶動(dòng)一個(gè)或少量幾個(gè)探測(cè)元的瞬時(shí)視場(chǎng)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(shí)間分布的近似方波,通過電子學(xué)手段檢測(cè)地球的寬度或相位計(jì)算出地平圓的位置,從而確定兩軸姿態(tài)。動(dòng)態(tài)地球敏感器包括圓錐掃描和擺動(dòng)掃描2種方式。由于包含驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)等結(jié)構(gòu),其體積較大。
擺動(dòng)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(zhǎng),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(yùn)動(dòng),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(zhǎng)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(cè)器陣列,將多個(gè)探測(cè)元放在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上,通過探測(cè)對(duì)投影在焦平面上的地球紅外圖像的響應(yīng)計(jì)算地球的方位。靜態(tài)地球敏感器與動(dòng)態(tài)地球敏感器相比具有質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn),并可通過適當(dāng)?shù)乃惴▽?duì)大氣模型的誤差進(jìn)行修正,從而提高姿態(tài)測(cè)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(gè)探測(cè)器元件卡在圓的4個(gè)點(diǎn)上,通過判斷4個(gè)點(diǎn)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(duì)整個(gè)地平圓成像,它通過計(jì)算地平圓在整個(gè)成像探測(cè)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(guó)外紅外地球敏感器發(fā)展現(xiàn)狀
1．法國(guó)
Sodern公司是法國(guó)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(dòng)態(tài)雙圓錐掃描的地球敏感器。
STD15從1991 年開始已經(jīng)應(yīng)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(yīng)用于地球靜止軌道衛(wèi)星。STD16主要應(yīng)用于低地球軌道的各種衛(wèi)星,已應(yīng)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(jī)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(jià)低。它采用4個(gè)交叉的32元焦平面陣列（每個(gè)陣列由2 ×16元的陣列組成,長(zhǎng)度約為102mm）作為探測(cè)元件,并利用硅薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子機(jī)械控制器件與微機(jī)械部件的控制連接。這種設(shè)計(jì)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(yīng)衛(wèi)星微型化、小型化的發(fā)展需要。其準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.07°～0.16°,能夠滿足姿態(tài)控制精度的要求。
2．美國(guó)
GoodRich公司在20世紀(jì)50年代設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)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(wù)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(yīng)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(duì)地靜止軌道（geostationary orbit, GEO） 。它能夠提供16°×10°的視場(chǎng),比傳統(tǒng)的紅外地球敏感器更廣闊。其精度也能夠達(dá)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(zhǎng)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(guó)空軍先進(jìn)超高頻計(jì)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(cè)器,用于GEO軌道時(shí)使用2個(gè)探頭,質(zhì)量小于3 kg;用于MEO時(shí)使用3個(gè)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(gè)探頭的功耗均小于3W。13- 410在進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量時(shí),其偏差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的動(dòng)態(tài)掃描敏感器,工作于GEO軌道時(shí),其偏差為傾斜角±0.013°,滾動(dòng)角±0.03°；工作于MEO軌道時(shí),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(jìn)一步的提高,已成功應(yīng)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(cè)器件,利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)處理以及補(bǔ)償算法提高了敏感器的測(cè)量精度。由于13- 470 - RH探頭都能夠獨(dú)立地測(cè)量三軸中一個(gè)方向上的姿態(tài),因此,這種雙三角構(gòu)型使得3個(gè)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(chǎng)要大于13- 410,每個(gè)探頭為20°×14.8°；其尺寸為Φ 40mm ×56mm；每個(gè)探頭重約18 g,完全裝備總質(zhì)量約1 kg；每個(gè)探頭的功耗小于300mW,準(zhǔn)確度為±0.2°。可見,在視場(chǎng)、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(yīng)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(xué)頭部和信息處理電路兩部分組成,并裝有太陽(yáng)識(shí)別探頭。CES3主要應(yīng)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(chǎng)大小為1.5°×1.5°,可以達(dá)到的準(zhǔn)確度（3σ）為:隨機(jī)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(cè)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(gè)紅外地球仰角傳感器以及2個(gè)狹縫的太陽(yáng)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(yáng)和地球仰角等。目前, ESS已成功應(yīng)用于70多顆電子通信衛(wèi)星、科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及遙感衛(wèi)星,其使用壽命（GEO軌道）長(zhǎng)達(dá)15年。
ESS地球敏感器主要由地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、機(jī)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(chǎng)為1.5°×1.5°,隨機(jī)誤差（3σ）小于0.15°,系統(tǒng)誤差（3σ）小于0.20°；太陽(yáng)敏感器:工作波段為0.4～1.1μm,視場(chǎng)為±80°,隨機(jī)誤差（3σ）小于0.01°,系統(tǒng)誤差（3σ）小于0.035°；機(jī)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(hào)脈沖寬度為（200 ±20）μs,太陽(yáng)信號(hào)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(chǔ)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(zhǔn)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(shì)分析
為了促進(jìn)衛(wèi)星的小型化并降低衛(wèi)星的造價(jià),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(yīng)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(duì)于紅外地球敏感器來說,其發(fā)展方向?yàn)樾⌒突⒅悄芑?、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長(zhǎng)壽命。
動(dòng)態(tài)掃描型的紅外地球敏感器由于存在掃描機(jī)構(gòu),其質(zhì)量大、功耗多,并且,掃描機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)會(huì)使敏感器產(chǎn)生振動(dòng)偏差,因此,其測(cè)量精度不能得到進(jìn)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(jī)械的運(yùn)動(dòng),在質(zhì)量、功耗、精度以及使用壽命等方面都比動(dòng)態(tài)地球敏感器存在優(yōu)勢(shì),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(duì)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(chǎng)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(shì), 尤其是微機(jī)電（MEMS）技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)靜態(tài)紅外地球敏感器的性能得到進(jìn)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(shí)際應(yīng)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(yáng)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(yùn)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(yīng)衛(wèi)星的發(fā)展需求而不斷地提高其性能。國(guó)外地球敏感器在滿足衛(wèi)星小型化、低造價(jià)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(zhǎng)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(yīng)衛(wèi)星小型化、微型化的應(yīng)用需求,十分值得國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)和研制單位借鑒。
