余成武 隋杰 陳超 童葉龍 程會(huì)艷 陳建峰 王曉燕 武延鵬

(1 北京控制工程研究所，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

星敏感器屬于高精度光學(xué)姿態(tài)測(cè)量敏感器，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星及飛船控制系統(tǒng)。它以恒星作為參照目標(biāo)，通過(guò)星圖識(shí)別技術(shù)計(jì)算三軸慣性姿態(tài)信息。星敏感器的測(cè)量誤差[1]主要包括隨機(jī)誤差、低頻誤差[2]和系統(tǒng)誤差。其中：隨機(jī)誤差可以通過(guò)與陀螺聯(lián)合濾波的方法加以克服。系統(tǒng)誤差引起的姿態(tài)確定誤差是固定常值，可以利用已知地面控制點(diǎn)信息加以標(biāo)定與補(bǔ)償。低頻誤差引起的姿態(tài)確定誤差呈現(xiàn)出與低頻誤差特性一致的周期波動(dòng)，難以通過(guò)上述方法加以消除。

低頻誤差是星敏感器影響衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的重要誤差源，主要包括視場(chǎng)相關(guān)誤差(短周期項(xiàng)誤差)和熱穩(wěn)定性誤差(長(zhǎng)周期項(xiàng)誤差)。熱穩(wěn)定性誤差是低頻誤差的重要組成部分，占星敏感器在軌低頻誤差的60%，占星敏感器總測(cè)量誤差的40%。因此，熱穩(wěn)定性誤差已成為制約星敏感器精度進(jìn)一步提升的瓶頸。對(duì)于高分辨率遙感、測(cè)繪等衛(wèi)星，星敏感器的測(cè)量精度及熱穩(wěn)定性直接決定了地面觀測(cè)區(qū)域的準(zhǔn)確性及長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的連續(xù)性，因此需要盡可能減小熱穩(wěn)定性誤差。

高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星是我國(guó)首顆亞米級(jí)高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，配置了2臺(tái)國(guó)產(chǎn)多探頭甚高精度星敏感器，對(duì)單臺(tái)星敏感器提出了光軸姿態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于1″、光軸熱漂移優(yōu)于0.3(″)/℃的技術(shù)指標(biāo)需求。本文針對(duì)星敏感器高熱穩(wěn)定性的任務(wù)需求進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，完成了地面熱試驗(yàn)和在軌測(cè)試，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的合理性。這種高熱穩(wěn)定性熱設(shè)計(jì)思路，可應(yīng)用于后續(xù)航天器星敏感器的熱設(shè)計(jì)中。

1 星敏感器高熱穩(wěn)定性熱設(shè)計(jì)

針對(duì)GF-7衛(wèi)星星敏感器的高熱穩(wěn)定性要求，本文提出了星敏感器內(nèi)部熱設(shè)計(jì)與整機(jī)的熱控設(shè)計(jì)耦合進(jìn)行的方案。

1.1 星敏感器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部熱設(shè)計(jì)

星敏感器構(gòu)型如圖1所示，安裝法蘭作為主承力結(jié)構(gòu)，位于星敏感器中部，光學(xué)系統(tǒng)直接安裝在安裝法蘭上，而遮光罩組件通過(guò)遮光罩支撐結(jié)構(gòu)安裝在安裝法蘭上，線(xiàn)路盒通過(guò)線(xiàn)路盒支撐結(jié)構(gòu)安裝在安裝法蘭上。

圖1 星敏感器構(gòu)型示意Fig.1 Structure diagram of star sensor

星敏感器整機(jī)高熱穩(wěn)定設(shè)計(jì)采用一體化全局熱設(shè)計(jì)思路[3]，以安裝法蘭和光學(xué)鏡頭為結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)核心，綜合考慮結(jié)構(gòu)材料、熱源分布、散熱路徑、工作環(huán)境等因素，保證熱分布滿(mǎn)足整機(jī)的溫度梯度要求。①以安裝法蘭、光學(xué)鏡頭為整機(jī)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；②光學(xué)結(jié)構(gòu)選型和光機(jī)結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)具有對(duì)熱不敏感或熱匹配、熱穩(wěn)定性較好的性能要求；③通過(guò)選擇低線(xiàn)脹系數(shù)材料并合理設(shè)計(jì)重要零件形狀，減小可能出現(xiàn)的熱變形；④通過(guò)選用不同線(xiàn)脹系數(shù)結(jié)構(gòu)材料并合理搭配，在關(guān)鍵尺寸鏈中形成補(bǔ)償環(huán)，可在一定程度上使熱變形自動(dòng)抵消；⑤進(jìn)行傳熱通道設(shè)計(jì)，使星敏感器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布更趨合理，有利于抑制熱變形；⑥降低內(nèi)部熱源互擾，采用各組件隔熱設(shè)計(jì)及大功率器件快速導(dǎo)熱設(shè)計(jì)。

由于星敏感器在軌長(zhǎng)期工作，整機(jī)功耗為2 W，集中在線(xiàn)路盒組件，而整機(jī)功耗相對(duì)于星敏感器整機(jī)產(chǎn)品所承受的外熱流(≥20 W)為小量，因此星敏感器內(nèi)部主要零組件之間的隔熱設(shè)計(jì)是熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

遮光罩是星敏感器中主要受到太陽(yáng)光、地氣光等外熱流輻射的重要部件，其主要功能是用來(lái)抑制太陽(yáng)光、地氣光等雜光，因此其內(nèi)部噴涂太陽(yáng)吸收比較高的黑漆。這樣，在受到太陽(yáng)光的直接照射時(shí)，溫度升高很快且溫度較高；在進(jìn)入陰影區(qū)無(wú)太陽(yáng)光照射時(shí)，溫度又很快下降。

在設(shè)計(jì)星敏感器結(jié)構(gòu)時(shí)，通常在遮光罩與安裝法蘭之間采用隔熱設(shè)計(jì)。遮光罩與安裝法蘭之間通過(guò)一個(gè)圓錐臺(tái)式的支撐結(jié)構(gòu)連接。這種支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，但剛度較大，遮光罩受熱變形極易傳遞至星敏感器安裝法蘭上，且遮光罩的熱量也會(huì)隨著遮光罩支撐結(jié)構(gòu)直接快速傳遞至星敏感器安裝法蘭上。為提高星敏感器的熱穩(wěn)定性，采用基于兩腳架(Bipod)結(jié)構(gòu)[4]的遮光罩柔性支撐形式。Bipod結(jié)構(gòu)與遮光罩組件之間為3點(diǎn)接觸，Bipod結(jié)構(gòu)與星敏感器本體結(jié)構(gòu)的安裝法蘭間為6點(diǎn)接觸，6個(gè)點(diǎn)沿圓周均布。為增加星敏感器的強(qiáng)度及剛度，Bipod選用鈦合金TC4材料，并在兩腳之間設(shè)計(jì)了加強(qiáng)梁，如圖2所示。

圖2 Bipod結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of bipod structure

1.2 星敏感器熱控設(shè)計(jì)

考慮到星敏感器支架的目標(biāo)溫度為常溫，也是基準(zhǔn)溫度[5]，為減小星敏感器與支架的相互影響，設(shè)定支架與星敏感器的目標(biāo)溫度相同。根據(jù)相關(guān)的熱變形分析，最終確定星敏感器安裝法蘭和光學(xué)鏡頭的熱控指標(biāo)為基準(zhǔn)溫度±1 ℃。星敏感器熱控采用機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)方案，在星敏感器本體上完成散熱與控溫設(shè)計(jì)。線(xiàn)路盒組件建立一個(gè)散熱通道，實(shí)現(xiàn)廢熱排散，在鏡頭與安裝法蘭上布置主動(dòng)控溫回路，采用偏低溫設(shè)計(jì)方法，確保安裝法蘭、光學(xué)鏡頭始終處于主動(dòng)控溫狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)安裝法蘭、光學(xué)鏡頭較好的溫度穩(wěn)定性和均勻性控制。

星敏感器熱控設(shè)計(jì)的主要思路包括：①采用線(xiàn)路盒組件散熱通道設(shè)計(jì)，即散熱通道設(shè)計(jì)在單機(jī)層面解決，與整星無(wú)接口，同時(shí)考慮通用性、可實(shí)施性，能夠適應(yīng)不同星敏感器布局和不同軌道熱環(huán)境。②加強(qiáng)安裝法蘭與線(xiàn)路盒之間的隔熱設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)線(xiàn)路盒周向均溫?cái)U(kuò)熱能力，達(dá)到減小安裝法蘭溫度波動(dòng)、溫度梯度、散熱面積及控溫功率的目的。③加強(qiáng)遮光罩與安裝法蘭之間的隔熱設(shè)計(jì)，減小遮光罩對(duì)法安裝蘭溫度的影響，達(dá)到減小安裝法蘭溫度波動(dòng)的目的。④安裝法蘭及光學(xué)鏡頭鏡筒布置主動(dòng)控溫回路，確保安裝法蘭及光學(xué)鏡頭鏡筒溫度穩(wěn)定度及溫度梯度。

為滿(mǎn)足星敏感器安裝法蘭和光學(xué)鏡頭的熱控指標(biāo)要求，并考慮星敏感器熱控的通用化設(shè)計(jì)，星敏感器熱控設(shè)計(jì)結(jié)果為：①在光學(xué)鏡頭組件上布置主動(dòng)控溫回路，以保證其溫度穩(wěn)定性和溫度梯度，根據(jù)光學(xué)鏡頭組件周?chē)鸁岘h(huán)境情況分別在光學(xué)鏡頭前段、中段、后段各布置1路控溫回路；為了保證安裝法蘭溫度穩(wěn)定度及溫度梯度，根據(jù)線(xiàn)路盒組件熱管布局，在安裝法蘭上布置了2路主動(dòng)控溫回路。②為了保證安裝法蘭與光學(xué)鏡頭組件的溫度穩(wěn)定性，強(qiáng)化隔熱措施，在安裝法蘭與星敏感器支架、遮光罩與安裝法蘭、線(xiàn)路盒組件與安裝法蘭之間均加裝聚酰亞胺隔熱墊。除遮光罩前段、散熱板正面噴涂KS-ZA白漆外，其余部位包覆多層隔熱組件，鏡頭組件中段部分包覆多層隔熱組件。

2 星敏感器熱穩(wěn)定性仿真分析

采用“熱-力-光一體化”的分析方法進(jìn)行星敏感器熱穩(wěn)定性仿真分析[6]。該方法的主要流程是：①使用熱分析軟件進(jìn)行星敏感器在軌熱分析；②將溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行模型熱應(yīng)力和熱變形等的計(jì)算；③使用SigFit軟件導(dǎo)出光學(xué)系統(tǒng)(如鏡片的變形)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相關(guān)擬合后構(gòu)造CodeV光學(xué)模型文件；④利用MatLab和CodeV軟件聯(lián)合仿真，計(jì)算光軸指向誤差，即熱漂移角度。

2.1 基于外熱流的星敏感器熱分析

根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道參數(shù)、β角(衛(wèi)星外表面上某一微元面積的法線(xiàn)與衛(wèi)星-地球連線(xiàn)的夾角)[7]和星敏感器熱控方案及星敏感器內(nèi)部電子元器件的功率等，設(shè)置好邊界條件及約束條件，進(jìn)行高溫、低溫工況條件下的瞬態(tài)熱分析。此處的高溫、低溫工況均指軌道條件，高溫工況與低溫工況條件如表1所示。通過(guò)分析計(jì)算和試驗(yàn)分別獲得高溫、低溫工況下的星敏感器溫度分布(如表2所示)，結(jié)果均可滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition setting

表2 分析和試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of analysis and testing ℃

2.2 星敏感器成像分析與光軸熱漂移計(jì)算

以星敏感器光學(xué)系統(tǒng)光軸與探測(cè)器靶面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以光軸為Z軸(滾動(dòng)方向)，垂直于Z軸并平行于探測(cè)器靶面行方向?yàn)閄軸(俯仰方向)，列方向?yàn)閅軸(偏航方向)，X軸、Y軸、Z軸成右手正交坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 星敏感器坐標(biāo)系Fig.3 Star sensor coordinate system

星敏感器整機(jī)及其光學(xué)系統(tǒng)受熱產(chǎn)生溫度波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致熱變形，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像的星點(diǎn)像斑位置和能量分布在像面上均會(huì)發(fā)生變化，因而星點(diǎn)質(zhì)心也會(huì)發(fā)生位置偏差，給星點(diǎn)識(shí)別及姿態(tài)計(jì)算帶來(lái)誤差，也就是熱變形導(dǎo)致的光軸熱漂移。光軸熱漂移分析結(jié)果如表3所示?？芍谝粋€(gè)軌道周期中的光軸熱漂移優(yōu)于±0.3″，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3 繞X，Y軸光軸熱漂移Table 3 Thermal drifts of optical axis around X-axis and around Y-axis (″)

3 星敏感器熱試驗(yàn)

3.1 星敏感器熱穩(wěn)定試驗(yàn)

熱穩(wěn)定試驗(yàn)[8-9]通過(guò)模擬星敏感器在軌工作時(shí)所處的熱工況，使星敏感器內(nèi)部形成相應(yīng)的溫度場(chǎng)分布，測(cè)量在不同熱環(huán)境下的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的目的是測(cè)試星敏感器在不同熱環(huán)境下的光軸指向漂移，驗(yàn)證指向漂移是否滿(mǎn)足精度分配指標(biāo)，并驗(yàn)證星敏感器的熱(結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)的合理性。

熱穩(wěn)定性試驗(yàn)要求將星敏感器放置在真空罐內(nèi)的控溫平臺(tái)上，星模擬器放置在真空罐外的光學(xué)平臺(tái)上，如圖4所示。對(duì)星敏感器安裝法蘭進(jìn)行控溫，控溫范圍為17→19→20→21→23(℃)，被測(cè)星敏感器外部及內(nèi)部特定組件處貼有熱敏電阻，試驗(yàn)過(guò)程可采集溫度數(shù)據(jù)并記錄。

圖4 星敏感器熱穩(wěn)定試驗(yàn)布局示意Fig.4 Layout diagram of thermal stability test for star sensor

星敏感器透過(guò)真空罐上的光學(xué)玻璃窗口可以對(duì)星模擬器星點(diǎn)成像，從輸出星點(diǎn)坐標(biāo)的變化情況監(jiān)測(cè)光軸指向變化。以溫度循環(huán)17→19→20→21→23(℃)中20 ℃漂移均值為基礎(chǔ)，考察其他溫度水平下漂移角度的相對(duì)值，并依此計(jì)算單位溫度漂移。

各溫度水平下漂移相對(duì)值如表4所示，光軸漂移-溫度曲線(xiàn)及線(xiàn)性擬合如圖5所示。

表4 光軸熱漂移-溫度關(guān)系Table 4 Relationship between thermal drifts of optical axis and temperature

圖5 光軸漂移-溫度曲線(xiàn)及線(xiàn)性擬合Fig.5 Curves and linear fits of thermal drifts of optical axis changes with temperature

擬合后得到星敏感器繞X軸方向光軸漂移為±0.223(″)/℃，繞Y軸方向光軸漂移為±0.168(″)/℃，均優(yōu)于±0.3″，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 星敏感器熱平衡試驗(yàn)

星敏感器熱平衡試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證熱控設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)測(cè)試在該環(huán)境下的光軸漂移情況。星敏感器熱平衡試驗(yàn)在真空低溫環(huán)境下進(jìn)行，模擬星敏感器真實(shí)在軌狀態(tài)。罐內(nèi)真空度優(yōu)于1×10-3Pa，熱沉填充液氮以保持100 K低溫環(huán)境。星敏感器熱控實(shí)施后，安裝于罐內(nèi)試驗(yàn)支架上。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)加熱器模擬星敏感器在軌所受的外熱流，并通過(guò)星敏感器安裝邊界溫度的控制模擬星敏感器在軌的真實(shí)溫度環(huán)境。設(shè)置不同工況以驗(yàn)證熱控設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求。

試驗(yàn)中星敏感器正常工作，并對(duì)平行光管(星模擬器)的星點(diǎn)成像。通過(guò)星點(diǎn)提取算法計(jì)算星點(diǎn)質(zhì)心位置。假設(shè)星模擬器與星敏感器安裝支架之間無(wú)相對(duì)位置變化，則由成像原理可知，星點(diǎn)在像面上坐標(biāo)位置的變化，可近似表征星敏感器光軸的變化。結(jié)合不同的熱工況，可計(jì)算星敏感器在一個(gè)軌道周期內(nèi)的光軸漂移量。

根據(jù)星敏感器的在軌受照等不同情況，設(shè)置如表1所示工況。各工況的周期按軌道周期95 min模擬。每圈時(shí)間開(kāi)始為光照區(qū)起始時(shí)間，光照區(qū)時(shí)間按60 min模擬，陰影區(qū)為35 min。不同工況的差別主要體現(xiàn)在邊界溫度、外熱流大小的不同。

星敏感器熱平衡試驗(yàn)溫度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。熱平衡試驗(yàn)結(jié)果表明：①在高低溫工況下星敏感器鏡頭組件溫度水平在19.39～21.13 ℃，軸向溫差、周向溫差均小于1.3 ℃，溫度波動(dòng)優(yōu)于0.44 ℃。②熱分析結(jié)果與熱試驗(yàn)結(jié)果接近，表明熱分析模型正確。③熱控設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足星敏感器熱控需求。

表5 熱平衡試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Temperature results of thermal stability test ℃

采集低溫工況和高溫工況的星點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到光軸熱漂移結(jié)果，如表6所示。從表6可知，在繞X軸方向光軸熱漂移在±0.55″左右，在繞Y軸方向光軸熱漂移在±0.16″左右。經(jīng)過(guò)分析，繞X軸方向超差可能與試驗(yàn)布局在上下方向不對(duì)稱(chēng)相關(guān)。

表6 熱平衡試驗(yàn)中光軸漂移量

4 星敏感器在軌驗(yàn)證

4.1 星敏感器在軌溫度數(shù)據(jù)

本文統(tǒng)計(jì)了GF-7衛(wèi)星入軌1個(gè)月內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)圖6。入軌初期，星敏感器光學(xué)鏡頭組件溫度范圍為19.85～20.30 ℃，周向溫度梯度不大于0.3 ℃，軸向溫度梯度不大于0.4 ℃，溫度波動(dòng)范圍為0.1～0.2 ℃，星敏感器安裝法蘭溫度范圍為19.97～20.15 ℃，溫度梯度不大于0.2 ℃，溫度波動(dòng)范圍為0.1～0.2 ℃，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 入軌初期星敏感器安裝法蘭與 光學(xué)鏡頭組件溫度曲線(xiàn)Fig.6 Temperature of interface and optical lens of star sensor at early stage on orbit

4.2 星敏感器指標(biāo)在軌驗(yàn)證情況

GF-7衛(wèi)星配置2臺(tái)國(guó)產(chǎn)多探頭甚高精度APS星敏感器(星敏感器1a和1b)，2個(gè)星敏感器光軸夾角在慣性空間的安裝位置保持不變，由于在軌外熱流的影響，星敏感器及星敏感器支架都會(huì)產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致單個(gè)星敏感器光軸發(fā)生漂移，因此通常用2個(gè)星敏感器光軸夾角誤差[10]來(lái)衡量星敏感器及其支架的熱穩(wěn)定性。

星敏感器1a與1b光軸夾角誤差如圖7所示。它們的光軸夾角誤差為±1.8″，而以往星敏感器光軸夾角誤差最小為±7″，可見(jiàn)GF-7衛(wèi)星星敏感器的熱穩(wěn)定性能優(yōu)異。

圖7 國(guó)產(chǎn)多探頭甚高精度星敏感器1a與 1b光軸夾角誤差Fig.7 Optical axis included angle error between star sensor 1a and 1b

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)應(yīng)用于GF-7衛(wèi)星上的國(guó)產(chǎn)多探頭甚高精度星敏感器進(jìn)行了高熱穩(wěn)定性的詳細(xì)熱設(shè)計(jì)。仿真分析、地面熱試驗(yàn)結(jié)果表明，各種工況下星敏感器安裝法蘭、光學(xué)鏡頭鏡筒的溫度均能滿(mǎn)足星敏感器熱控指標(biāo)要求，熱穩(wěn)定性指標(biāo)也能滿(mǎn)足任務(wù)需求。在軌測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示：星敏感器安裝法蘭、光學(xué)鏡頭鏡筒的溫度也均在熱控指標(biāo)范圍內(nèi)，且星敏感器光軸夾角誤差遠(yuǎn)優(yōu)于以往星敏感器最小的光軸夾角誤差，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)多探頭甚高精度星敏感器熱設(shè)計(jì)的合理與有效性。本文中的熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法，可應(yīng)用于其他航天器上的星敏感器、交會(huì)對(duì)接敏感器和導(dǎo)航避障相機(jī)的熱設(shè)計(jì)中。