李一冰，楊 穎，吳 雷

(北京控制工程研究所，北京 100190)

O 引言

紅外地球敏感器［1］(IES，infrared earth sensor)是一種目前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星姿態(tài)敏感器.輻射強(qiáng)度(RI，radiant intensity)則是用于監(jiān)測IES對地球紅外輻射特性靈敏程度的遙測參數(shù)，可作為評估IES性能的參數(shù)使用.此外，輻射強(qiáng)度的波動還會引起IES的測量誤差［2］，所以研究輻射強(qiáng)度的在軌變化規(guī)律是很有意義的.為了能夠及時(shí)有效對該參數(shù)進(jìn)行判讀，需要明確其在軌變化規(guī)律.對該參數(shù)長期在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并給出其變化規(guī)律，可以為IES在軌性能評估提供有效依據(jù).目前罕有相關(guān)研究，由于缺少在軌數(shù)據(jù)的分析，相關(guān)研究主要以數(shù)學(xué)仿真為主.

本文以某衛(wèi)星紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度(IESRI，infrared earth sensor radiant intensity)在軌數(shù)據(jù)為樣本進(jìn)行分析.該衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，至今已在軌正常工作8年多.通過對其IES在軌輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出輻射強(qiáng)度在軌變化規(guī)律，并分析影響紅外輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

1 IES工作原理

IES由紅外光學(xué)頭部和信息處理電路組成［3］.紅外光學(xué)頭部的功能是對地球大氣圈進(jìn)行紅外探測，獲取衛(wèi)星姿態(tài)信息;信息處理電路的功能則是將紅外光學(xué)頭部輸出的模擬信號處理成數(shù)字信號.IES工作機(jī)理為:首先IES的視場相對于地球作掃描運(yùn)動，當(dāng)視場穿越地平線時(shí)，即掃到地球和空間交界時(shí)，IES接收到紅外輻射能量的躍變，經(jīng)過熱敏元件探測器把這種輻射能量的躍變轉(zhuǎn)換成電信號，形成地球方波，然后通過放大和處理電路，把它轉(zhuǎn)換成前沿脈沖和后沿脈沖;最后通過局部通信單元把前后沿脈沖與姿態(tài)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行比較得到姿態(tài)信息.其中探測器是IES的核心器件，用來敏感紅外輻射能量的躍變.輻射強(qiáng)度則是表征地球方波幅值大小的物理量，可以直接監(jiān)測探測器對紅外輻射能量靈敏度的變化.

輻射強(qiáng)度為地球紅外波段14～16.25 μm的輻射亮度經(jīng)過電路處理后得到的遙測量，一般用電壓表示.輻射強(qiáng)度與地球輻射亮度間的關(guān)系可由下式表示［1］:

式中:V為輻射強(qiáng)度;LE1Δλ為Δλ波段地球輻射亮度;A為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;Ω為光學(xué)系統(tǒng)視場角所對應(yīng)的立體角;R為紅外探測器響應(yīng)率;η為光學(xué)系統(tǒng)效率.

2 分析方法

由紅外地球敏感器工作原理可以知道，輻射強(qiáng)度是由探測器進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換得到的電信號，能夠反映地球與空間背景間紅外輻射能量的差異，其中空間背景的紅外輻射能量可以認(rèn)為基本恒定，則輻射強(qiáng)度的變化主要與地球紅外輻射特性有關(guān).文獻(xiàn)［4］對地球紅外輻射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明地球紅外輻射特性主要與太陽輻射和地表地貌有關(guān).針對本文所研究衛(wèi)星，由于其為太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道面與太陽矢量夾角基本固定，且衛(wèi)星在軌運(yùn)行姿態(tài)穩(wěn)定，所以其敏感地球紅外輻射主要與衛(wèi)星的星下點(diǎn)地理位置和季節(jié)相關(guān).

為了更好地對在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先對其進(jìn)行剔野.文獻(xiàn)［5］對太陽、月亮如何影響IES工作及紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行了分析，這種影響具體表現(xiàn)為輻射強(qiáng)度數(shù)值的跳變，并結(jié)合IES見太陽標(biāo)志和見月亮標(biāo)志(大多IES沒有此標(biāo)志，可結(jié)合衛(wèi)星所處位置分析得出是否見月亮)作為剔野依據(jù)，在此基礎(chǔ)上將遙測數(shù)據(jù)中因紅外敏感器受太陽和月亮干擾造成的異常數(shù)據(jù)剔除.在分析輻射強(qiáng)度變化規(guī)律時(shí)，結(jié)合在軌數(shù)據(jù)常用分析方法，從在軌運(yùn)行時(shí)間的角度將輻射強(qiáng)度變化規(guī)律分為短期、中期和長期3個(gè)方面.在研究中、長期變化規(guī)律時(shí)，為了排除地理位置的影響，通過采用星下點(diǎn)地理經(jīng)度和緯度基本一致的數(shù)據(jù)，以此分析紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度隨在軌時(shí)間的變化規(guī)律.統(tǒng)計(jì)分析方法如下:

1)短期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過對一個(gè)軌道周期內(nèi)輻射強(qiáng)度的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

2)中期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過對一年中春分、夏至、秋分和冬至附近的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

3)長期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過對幾年中相同地理位置和月份的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

3 分析過程

3.1 輻射強(qiáng)度短期變化規(guī)律

對在軌多個(gè)軌道周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知紅外輻射強(qiáng)度的變化具有明顯周期特性，其在連續(xù)3個(gè)軌道圈次內(nèi)的變化規(guī)律如圖1所示.

圖1 輻射強(qiáng)度短期變化規(guī)律Fig.1 Short-term changing law of IESRI

由于本文所研究衛(wèi)星為低軌太陽同步軌道衛(wèi)星，一個(gè)軌道周期約為5200 s，此短時(shí)間內(nèi)太陽輻射對地球紅外輻射特性影響變化較小，可以忽略，所以短期影響紅外輻射強(qiáng)度的主要因素為衛(wèi)星所處地理位置.

通過對連續(xù)幾天內(nèi)紅外輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取相近緯度(10°以內(nèi))不同經(jīng)度和相近經(jīng)度(10°以內(nèi))不同緯度的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明輻射強(qiáng)度在相近緯度內(nèi)的變化幅度為0.25 V，在相近經(jīng)度內(nèi)的變化幅度為1.26 V，顯然輻射強(qiáng)度主要受星下點(diǎn)地理緯度的影響.

紅外輻射強(qiáng)度與星下點(diǎn)地理緯度的關(guān)系如圖2所示.

圖2 6月份輻射強(qiáng)度與地理緯度關(guān)系Fig.2 Relationship between IESRI and latitude in Jun

由于所選取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為6月份數(shù)據(jù)，此時(shí)太陽星下點(diǎn)在北半球，所以在北半球的輻射強(qiáng)度明顯高于南半球，且在接近兩極處達(dá)到峰值，峰峰值之比為2.42.再考察12月份數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 12月份輻射強(qiáng)度與地理緯度關(guān)系Fig.3 Relationship between IESRI and latitude in Dec

從圖3中可以看出，此時(shí)輻射強(qiáng)度相對地理緯度也呈周期變化，只是變化趨勢與6月情況相反，南半球數(shù)據(jù)要高于北半球.可見，輻射強(qiáng)度短期內(nèi)的變化規(guī)律主要與衛(wèi)星星下點(diǎn)緯度相關(guān)，中長期則需要考慮季節(jié)的變化.

3.2 輻射強(qiáng)度中期變化規(guī)律

由前面分析結(jié)果可知輻射強(qiáng)度隨地理位置不同會有較大變化，且主要與緯度相關(guān)，所以在對中長期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)需選擇相近地理緯度處的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).圖4給出2006年度北緯50°附近IESRI的變化規(guī)律.

為了更全面分析IESRI的中期變化規(guī)律，選取北半球、赤道和南半球相近緯度處一年內(nèi)春分、夏至、秋分和冬至所在月份輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

圖4 北緯50°處IESRI年變化規(guī)律Fig.4 Changing law of IESRI at 50°N

表1 中期輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of medium-term IESRI data V

表1中第1、2、3組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別代表北半球北緯50°、赤道和南半球南緯50°處的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

從圖4中可以看出，在一年內(nèi)相近緯度處的輻射強(qiáng)度隨季節(jié)有明顯變化，北半球輻射強(qiáng)度在夏季達(dá)到最大值，冬季最小.參照表1可知，南半球也有相同結(jié)果.赤道處輻射強(qiáng)度基本相當(dāng)，在夏、冬兩季略有減小.

上述結(jié)果均符合地球紅外輻射特性，即與太陽輻射相關(guān).隨著季節(jié)不同，太陽星下點(diǎn)在南北回歸線間移動，造成相同地理位置處紅外輻射特性呈與季節(jié)相關(guān)的周期變化.

3.3 輻射強(qiáng)度長期變化規(guī)律

選取2006年、2008年、2010年和2012年相同地理位置、相同月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為了便于觀察輻射強(qiáng)度變化趨勢，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

從表2中可以看出，輻射強(qiáng)度呈逐漸衰減的趨勢，且后期衰減程度明顯大于初期.由于通過選取特定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，排除了地理位置和季節(jié)因素對輻射強(qiáng)度的影響.此外，再考察太陽活動對輻射強(qiáng)度長期變化是否會產(chǎn)生影響.文獻(xiàn)［6］中數(shù)據(jù)表明，太陽對地球總輻射變化規(guī)律約為每年0.03%遞減，而1%的變化大約引起地球溫度發(fā)生1 K的變化.太陽黑子的大規(guī)模爆發(fā)也會造成短期內(nèi)總輻射發(fā)生較大衰減，最大約為0.22%.而1 K的溫差對輻射強(qiáng)度引起的變化可以忽略不計(jì)，可見太陽活動對于輻射強(qiáng)度的影響可以忽略.所以引起輻射強(qiáng)度衰減的主要因素為紅外地球敏感器自身性能的變化.

表2 長期輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of long-term IESRI data

由式(1)可知，通過選取特定數(shù)據(jù)使得LE1Δλ基本不變，A、Ω可以認(rèn)定為常值，則輻射強(qiáng)度主要與紅外探測器響應(yīng)率R和光學(xué)系統(tǒng)效率η有關(guān).通過IES工作原理可以知道，輻射強(qiáng)度由光學(xué)頭部和處理電路產(chǎn)生.光學(xué)鏡片長期在軌會受到空間輻照作用導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)敏感地球紅外輻射的能力下降.此外，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的探測器熱敏電阻、各級放大和處理電路中的元器件長期工作后都會在允許范圍內(nèi)出現(xiàn)性能衰退，可見輻射強(qiáng)度長期變化規(guī)律表現(xiàn)出的緩慢衰減現(xiàn)象是與紅外地球敏感器自身相關(guān)的正?，F(xiàn)象.

4 結(jié)論

本文以某太陽同步軌道衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)為樣本，對紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析短期、中期和長期輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律和影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素，結(jié)果表明:

1)短期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為地理緯度，且呈周期變化.

2)中期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為季節(jié)變化，且呈周期變化.

3)長期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為紅外地球敏感器自身性能變化，為緩慢變化過程.

本文所采用數(shù)據(jù)為一特定類型紅外地球敏感器數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)本身不具有普遍意義，但通過分析給出的輻射強(qiáng)度變化規(guī)律是具有普遍意義的，可以為在軌其他衛(wèi)星的紅外輻射強(qiáng)度參數(shù)判讀提供有效依據(jù).

［1］ 屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與控制(3)［M］.北京:中國宇航出版社，2003:61-89.

［2］ 王韜，王平，劉旭力.地球輻射波動對擺動掃描式紅外地球敏感器測量誤差的影響分析［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2008，34(2):37-43.WANG T，WANG P，LIU X L.Influence of earth radiance fluctuation on the measurement error of swing-scanning infrared earth sensor［J］.Aerospace Control and Application，2008，34(2):37-43.

［3］ 涂智軍，梅志武，袁軍.一種利用CES軟件鑒別月球干擾的方法［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009，35(5):31-37.TU Z J，MEI Z W，YUAN J.A new method for discriminating moon interference based on CES software［J］.Aerospace Control and Application，2009，35(5):31-37.

［4］ 李番，鄭永超，韓春生，等.紅外波段地球輻射特性的試驗(yàn)研究［J］.紅外與激光工程，2006，35(增刊 1):408-414.LI F，ZHENG Y C，HAN C S，et al.Experimental research on earth radiation in IR wave band［J］.Infrared and Laser Engineering，2006，35(Sup1):408-414.

［5］ 李于衡，李建勇.天體對衛(wèi)星紅外地球敏感器干擾的研究［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(1):58-65.LI Y H，LI J Y.The study of interferences from celestial bodies and solutions for the infrared earth sensor applied in satellites［J］.Chinese Journal of Space Science，2004，24(1):58-65.

［6］ 王家龍，孫靜蘭.太陽活動及其對地球環(huán)境的影響［J］.第四紀(jì)研究，2002，22(6):510-524.WANG J L，SUN J L.Solar activities and their effects on terrestrial environments［J］.Quaternary Sciences，2002，22(6):510-524.