陶景橋

北京控制工程研究所,北京 100090.

0 引 言

風(fēng)云二號是我國第一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，姿態(tài)控制采用自旋穩(wěn)定方式.衛(wèi)星采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，燃料儲存裝置分為“皮囊貯箱”和“錐形貯箱”兩種.“皮囊貯箱”的工作不依賴自旋離心力，僅依靠自身皮囊壓力就可將燃料“擠”至出口，但容量有限，僅供衛(wèi)星起旋使用；“錐形貯箱”必須依靠衛(wèi)星自旋離心力才能將燃料“甩”至出口，容量相對較大，用于衛(wèi)星起旋后的姿態(tài)與軌道控制，但在起旋之前是無法使用的[1].

在星箭分離后，由星箭分離信號啟動推力器噴氣，使用“皮囊貯箱”中的燃料控制衛(wèi)星繞自旋軸旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速，建立自旋穩(wěn)定狀態(tài)，然后就可以切換到使用“錐形貯箱”的正常狀態(tài).由此可見，星箭分離后衛(wèi)星可靠起旋至關(guān)重要，星箭分離后的起旋轉(zhuǎn)速判斷也是非常重要的.

計算起旋轉(zhuǎn)速就是測量自旋周期，屬于姿態(tài)測量的一部分，一般是利用每旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次的信號進(jìn)行測量，同時結(jié)合濾波技術(shù)可以得到更加精確的轉(zhuǎn)速[2-3].在星箭分離時的轉(zhuǎn)速測量主要用于起旋判斷，其要求主要是及時和可靠，精度沒有過高的要求，最直接的方式就是通過太敏，其輸出的脈沖周期與衛(wèi)星的自旋周期相同，而且空間的太陽輻射相對強(qiáng)烈穩(wěn)定，太敏的輸出能夠確保穩(wěn)定可靠.但在某些情況下，受到發(fā)射窗口的限制，星箭分離時處于地影，太敏不可用，給起旋轉(zhuǎn)速確定帶來了新的問題.

本文以風(fēng)云二號09星為背景，分析了地影下起旋轉(zhuǎn)速的各種計算方法，最終以地敏來確定起旋轉(zhuǎn)速.但地敏的設(shè)計狀態(tài)是基于同步軌道高度，而星箭分離時刻的軌道高度僅有幾百公里，本文分析了軌道高度對地敏的影響，在不改變星上狀態(tài)的情況下，提出了一種起旋轉(zhuǎn)速計算方法，解決了地影下的轉(zhuǎn)速確定問題，并成功應(yīng)用于工程實踐中.

1 系統(tǒng)介紹

在星箭分離后，與控制相關(guān)的控制回路有兩個.

轉(zhuǎn)速控制回路中，采用太敏或地敏為敏感器，其輸出的脈沖周期與自旋轉(zhuǎn)速周期相同；采用星地大回路控制，由地面根據(jù)敏感器輸出和目標(biāo)轉(zhuǎn)速來計算控制量；最終的控制量由切向推力器完成.

主動章控回路中，沿自旋軸方向安裝的加速度計輸出的正弦信號代表了衛(wèi)星的章動運(yùn)動，可以作為主動章控控制敏感器；控制計算由星上的主動章控控制線路完成；最終的控制量由軸向推力器完成,如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Chart of the control system

衛(wèi)星利用星箭分離信號啟動程控，控制衛(wèi)星起旋，使衛(wèi)星建立自旋狀態(tài).一般情況下，星箭分離后太陽是可見的，利用太陽敏感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，用于判斷衛(wèi)星是否起旋成功，如果起旋失敗，需要迅速發(fā)起星地大回路應(yīng)急起旋.確認(rèn)起旋成功后，啟動主動章動控制，利用加速度計輸出的正弦信號作為反饋信號，對衛(wèi)星進(jìn)行主動章動控制.

2 現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測量方法局限性分析

在控制回路中配備的敏感器有地球敏感器、太陽敏感器、加速度計.地球敏感器用于測量自旋軸與星地矢量的夾角，太陽敏感器用于測量自旋軸與星日矢量的夾角，加速度計用于衛(wèi)星章動和搖擺測量.以上每種敏感器輸出的信號都是周期信號，信號周期與自旋周期相關(guān)，也就是都包含有轉(zhuǎn)速信息，但是每種敏感器在使用上都有一定的局限性.

地球敏感器的使用條件是地球可見，而且地球圓盤弦寬在采集系統(tǒng)的范圍之內(nèi)，一般用于同步軌道的自旋軸姿態(tài)測量.

太陽敏感器的使用條件是太陽可見，在轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道都可以使用.一般情況下，可以結(jié)合地球敏感器的測量信息計算自旋軸姿態(tài).

加速度計的使用條件是衛(wèi)星有章動或搖擺運(yùn)動.搖擺運(yùn)動在加速度計上的分量是常值，沒有轉(zhuǎn)速信息，無法用于轉(zhuǎn)速測量.章動運(yùn)動在加速度計上的分量是正弦信號，其幅度代表了章動的大小，其周期代表了章動的周期，并且與自旋周期有固定的比例關(guān)系[4-5].

地影下星箭分離后，以上敏感器的使用均受到一定的限制.首先，地影下太陽不可見，太陽敏感器沒有輸出，無法使用.其次，星箭分離直至起旋初期，衛(wèi)星的章動運(yùn)動很微弱，加計的輸出也很微弱，很難獲取規(guī)則的周期信號.最后，地球敏感器的輸出也受到一定的限制，較低的軌道高度決定了衛(wèi)星掃到地球的概率極大，幾乎可以認(rèn)為地球是可見的，但同時也就意味著較大的地球弦寬，有可能超出采集線路的范圍.

相對而言，只有地球敏感器有可能用于轉(zhuǎn)速測量，但需要對現(xiàn)有的測量方法進(jìn)行改造，以適應(yīng)大弦寬的情況.

3 基于地球敏感器的轉(zhuǎn)速測量方法及改進(jìn)

3.1 測量原理

地球敏感器本體沒有活動部件，其探頭光軸向外安裝，依靠衛(wèi)星的自旋轉(zhuǎn)動掃過地球圓盤.為了避免受到太陽干擾，采用南北兩臺地球敏感器，分別在自旋軸垂直位置向南北偏離5°安裝，保證兩臺地球敏感器不會同時受到太陽干擾，如圖2所示.

圖2 地球敏感器安裝示意圖Fig.2 Chart of the earth sensor installation

地球敏感器測量軸從地球紅外圓盤掃過，分別得到近似為“梯形”的輻射強(qiáng)度曲線，經(jīng)過處理得到紅外圓盤的穿入和穿出脈沖，分別對應(yīng)地入和地出時刻，如圖3所示.

圖3 地敏掃描示意圖Fig.3 Scan of earth sensor

在衛(wèi)星自旋的某一周內(nèi)，假設(shè)地球敏感器的測量軸掃入和掃出地球圓盤的時間分別為ti和to,自旋轉(zhuǎn)速為ω,用角度表示的掃描弦寬為：

μ=ω(to-ti)(1)

根據(jù)空間立體幾何關(guān)系，由掃描弦寬可以得到地星矢量和自旋軸之間的夾角.在下圖球面三角EiEmE中，可以列出算式[6]：

cos(ρ/2)=cos(μ/2)cosθe(2)

式中：ρ/2為地球圓盤半張角；μ/2為地球敏感器掃描半弦寬；θe為地球敏感器掃描軸與自旋軸夾角，減去地球敏感器安裝角后就得到地星矢量與自旋軸夾角，也就是待求量.

圖4 地敏掃描幾何關(guān)系Fig.4 Geometry relationship of earth sensor scan

在本文中主要討論自旋轉(zhuǎn)速的確定，穿入和穿出信號的周期與自旋周期相同，因此自旋周期的測定就是穿入或穿出信號周期的測定.

3.2 工程實現(xiàn)

地球敏感器內(nèi)部工程實現(xiàn)原理框圖如圖5所示.

圖5 地球敏感器功能框圖Fig.5 Chart of the earth sensor’ function

紅外輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，在紅外探測器上產(chǎn)生微弱的信號，經(jīng)過放大和沿口提取得到掃描信號的前沿和后沿信號，分別代表掃入和掃出時刻.取中及月球鑒別電路為數(shù)字電路，其功能是通過弦寬寬度鑒別是否掃到月球，在確認(rèn)掃地球的情況下給出地中脈沖和地出脈沖，分別代表了掃到地心和掃出圓盤的時刻(圖6).

地中和地出脈沖信號連同其他敏感器輸出脈沖均遙測至地面，由地面處理計算出衛(wèi)星姿態(tài).由于遙測通道資源的限制，3個脈沖共用一個遙測通道下傳，在同一通道中由脈沖寬度來區(qū)分不同的脈沖.工程實現(xiàn)中，控制分系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖均是5 ms定寬脈沖，經(jīng)過星上遙測系統(tǒng)后，分別調(diào)制成5 ms、10 ms、20 ms寬度的脈沖，并分配至不同的遙測通道下傳.在地面再進(jìn)行寬度鑒別來識別不同的脈沖，采集各脈沖的時刻，由軟件進(jìn)行姿態(tài)計算和處理，如圖7所示.

圖6 地敏輸出脈沖信號Fig.6 Pulse signal of earth sensor

圖7 轉(zhuǎn)速計算鏈路Fig.7 Chain of spin rate calculation

地面軟件在計算轉(zhuǎn)速時，首先設(shè)定一個基準(zhǔn)脈沖，作為衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)一周的起點(diǎn)，再計算其他脈沖相對于基準(zhǔn)脈沖的時間差，用于自旋軸姿態(tài)計算.基準(zhǔn)脈沖的周期就是自旋周期，也就說必須通過選擇的基準(zhǔn)脈沖來計算自旋周期.

基準(zhǔn)脈沖的選取有三種狀態(tài)：太陽敏感器脈沖、南地球敏感器地中脈沖、北地球敏感器地中脈沖，下面以南地球敏感器地中脈沖為基準(zhǔn)脈沖作為示例，給出時序關(guān)系圖8.

圖8 脈沖序列Fig.8 List of pulse

3.3 測量方法的可用性分析

首先需要確認(rèn)星箭分離時的姿態(tài)是否保證紅外能夠掃到地球圓盤.星箭分離時的軌道高度約250 km，此時地球圓盤對應(yīng)的半張角接近直角，掃到地球圓盤的概率極大.根據(jù)分離姿態(tài)測算，地敏掃描地球圓盤弦寬約150°，能夠可靠的掃描地球圓盤，并能確保在星箭分離后一段時間內(nèi)能夠持續(xù)掃描地球圓盤.

其次需要確認(rèn)此軌道高度下的紅外輻射是否能夠觸發(fā)地敏正常輸出.不同軌道高度下的地球圓盤紅外輻射波段和強(qiáng)度相當(dāng)，對于紅外探測器的工作頻段14～16 μm，不同軌道高度探測器均能正常響應(yīng)[7].只要確保掃描到地球圓盤，同時也就意味著能夠掃到圓盤的邊沿，就能確保處理線路能夠輸出圓盤邊沿對應(yīng)的脈沖.

最后需要確認(rèn)大弦寬是否滿足處理線路的采集條件.經(jīng)過分析，這種情況下可能導(dǎo)致取中及月球鑒別線路溢出.取中及月球鑒別采用數(shù)字電路實現(xiàn)，采用計數(shù)器來測量掃描地球圓盤的時間.對于較大地球圓盤和較低的轉(zhuǎn)速，掃描地球圓盤的時間將變得很長，可能導(dǎo)致計數(shù)器溢出，產(chǎn)生預(yù)期之外的結(jié)果.

經(jīng)過確認(rèn)，取中線路計數(shù)器采用36.5 kHz頻率的12位計數(shù)器，溢出對應(yīng)最大地球圓盤時間(地出-地入)約為224 ms.預(yù)報的地球弦寬約為150°，在25 r/min轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的掃描圓盤時間約為1 s，將導(dǎo)致溢出.經(jīng)過數(shù)字電路邏輯分析，以及試驗驗證確認(rèn)，輸出時序如圖9所示.其中，地入至地中1時間間隔224 ms是由計數(shù)器的溢出時間決定的，地出至地中2的時間間隔9.6 ms是線路的固有時間常數(shù).溢出導(dǎo)致的多中脈沖將導(dǎo)致地面采集系統(tǒng)時序混亂.

3.4 測量方法的改進(jìn)

由以上分析可知，整個轉(zhuǎn)速確定鏈路涉及星上和地面，轉(zhuǎn)速確定只是姿態(tài)測定中的部分功能，不能改變姿態(tài)測量原理，也不能對星上及地面狀態(tài)進(jìn)行大的調(diào)整，只能在地面處理環(huán)節(jié)進(jìn)行微調(diào)或不調(diào)整.

利用地球敏感器測量起旋轉(zhuǎn)速的主要問題是計數(shù)器溢出導(dǎo)致多中脈沖，從而導(dǎo)致地面采集系統(tǒng)的時序混亂.地面在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，必須選定一個基準(zhǔn)脈沖作為一個自旋周期的起始位置，基準(zhǔn)脈沖的周期就是自旋周期.

目前的地面軟件狀態(tài)決定了基準(zhǔn)脈沖只能選擇太陽敏感器脈沖、南地球敏感器地中脈沖、北地球敏感器地中脈沖，在太陽敏感器不可用情況下，只能采用地中脈沖作為基準(zhǔn)脈沖.根據(jù)上述分析，在計數(shù)器溢出的情況下，每個周期將會出現(xiàn)兩個地中，且地中不再代表指向地心的位置.

對于轉(zhuǎn)速計算來說，只需要脈沖的周期，此時將交替出現(xiàn)兩種周期，實際代表了地中1至地中2、地中2至地中1的時間間隔，將這兩個時間相加就可以得到地中1至下一個地中1的時間，也就是真正的自旋周期.

圖9 溢出輸出時序Fig.9 Output of overflow

圖10 自旋周期合成Fig.10 Integration of spin cycle

總結(jié)測量方法的改進(jìn)主要有兩點(diǎn)：

1) 需要切換姿態(tài)測量基準(zhǔn)為地中脈沖.

2) 在自旋周期的測量結(jié)果中會交替出現(xiàn)兩種周期，相加和即為自旋周期.

這種方法改進(jìn)幾乎不改變星上及地面狀態(tài)，簡單可行，應(yīng)用風(fēng)險小，最終的測試結(jié)果可信度高.

4 工程實踐驗證

在風(fēng)云二號09星的飛控中，衛(wèi)星在地影期星箭分離.分離后的遙測數(shù)據(jù)顯示，通過地中信號測量的自旋周期為1.42 s和0.65 s兩個值交替變化，由以上分析可知，這兩個值分別對應(yīng)地中1至地中2、地中2至地中1的時間間隔，相加就可以得到真正的自旋周期2.07 s，與預(yù)期起旋轉(zhuǎn)速一致.正是基于這一判斷，判定衛(wèi)星起旋正常.

由以上分析可知，由地中1至地中2的時間間隔可以計算掃描到的地球弦寬.從圖9中可以看出地球弦寬為：650 ms+224 ms-9.6 ms=864.4 ms，對應(yīng)的角度為：(864.4 ms/2 070 ms)×360°≈150.3°，與預(yù)報結(jié)果接近，驗證了測量方法.

約10 min后，衛(wèi)星出地影，通過太敏對自旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確計算，計算結(jié)果表明自旋周期為2.083 s，地敏計算結(jié)果與實際轉(zhuǎn)速很接近，本方法得到最終驗證.

5 結(jié) 論

自旋衛(wèi)星的轉(zhuǎn)速確定屬于姿態(tài)測量技術(shù)，是多種工程技術(shù)的綜合，在工程實踐中具有重要意義.本文提出的地影下采用地敏測量轉(zhuǎn)速方法，解決了地影下星箭分離轉(zhuǎn)速確定問題，提高了對發(fā)射窗口的適應(yīng)性，減輕了發(fā)射窗口設(shè)計壓力.本文提出的測量方法可以對地敏在不同軌道條件下的應(yīng)用提供一定的參考.