潘 騰， 繆遠明， 顧荃瑩， 張 龍

北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094

0 引 言

空間天文觀測起源于空間X射線探測，直到現在，X射線探測依然是空間天文觀測的前沿和熱點[1].典型的X射線探測衛(wèi)星包括：德國、美國、英國共同研制的倫琴X射線天文衛(wèi)星(ROSAT)[2]、美國的錢德拉(Chandra)X射線天文臺[3]、歐洲的牛頓多鏡面X射線觀測衛(wèi)星(X-ray multi-mirror Newton，XMM-Newton)[4]、美國的核光譜天文臺陣列(nuclear spectroscopic telescope array，NuSTAR)、日本的朱雀衛(wèi)星(Suzaku)以及我國的硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星(hard X-Ray modulation telescope，HXMT)等.

X射線天文觀測衛(wèi)星存在較多的觀測需求與約束，一般包括全天球掃描觀測、定點觀測、小天區(qū)深度掃描觀測、源定位與對準、多目標頻繁切換觀測和機遇目標快速切換等需求，以及軌道、熱控、測控數傳以及其他平臺約束.世界已發(fā)射的26顆X射線探測衛(wèi)星中，尚無將全天球掃描、定點觀測、小天區(qū)深度掃描三種觀測模式結合的案例.

本文對X射線天文衛(wèi)星天文觀測的需求進行了分析，提煉了觀測任務的需求和約束，設計了集巡天觀測、定點觀測與小天區(qū)掃描觀測于一體的觀測模式，提出了在軌自主多目標切換控制策略，解決了一顆衛(wèi)星同時實現全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機遇目標定深度觀測以及伽馬暴全天監(jiān)測的多種觀測需求的難題.

1 X射線天文衛(wèi)星觀測任務需求分析

1.1 觀測模式需求

X射線天文衛(wèi)星的科學目標通常包括發(fā)現黑洞、中子星等高能未知天體、天文現象(統稱源)等等，由于宇宙的各向同性，對于待發(fā)現的源沒有預期方向，因此通常要求探測載荷可以均勻覆蓋全天球，即全天球覆蓋觀測.

衛(wèi)星在發(fā)現未知源后還需對源進行深度觀測，根據需要觀測的源的大小，又衍生出定點觀測和小天區(qū)掃描觀測兩種模式.

當機遇目標出現時，衛(wèi)星需快速切換至機遇目標，機遇目標觀測完畢后恢復原觀測目標.

錢德拉X射線天文臺衛(wèi)星和牛頓多鏡面X射線觀測衛(wèi)星等衛(wèi)星設計均包含了巡天觀測和定點觀測2種觀測模式.

1.2 源的高精度定位與對準需求

要實現對X射線源的高精度定位，除與有效載荷自身的成像定位精度有關外，還需要衛(wèi)星平臺提供高精度的望遠鏡光軸指向測量.

望遠鏡光軸指向的測量精度取決于3個因素：(1)姿態(tài)敏感器定姿誤差；(2)姿態(tài)敏感器與望遠鏡相對裝配誤差；(3)時間同步誤差.

其中姿態(tài)敏感器與望遠鏡光軸之間的機械裝配誤差，主要由安裝測量誤差及結構變形引起，結構變形主要指衛(wèi)星發(fā)射過程中振動、噪聲等力學環(huán)境作用下機械應力釋放引起的結構變形、由變化的太陽光照引起的結構熱變形等.根據經驗，這項誤差量級較大，而且在軌期間為未知量，是限制載荷光軸指向確定精度的主要因素.為了消除這部分誤差的影響，衛(wèi)星在軌期間必須使用望遠鏡觀測數據對二者之間的相對指向誤差進行標定.

除了發(fā)現未知源，衛(wèi)星也有對已知源進行觀測的需求，例如進行探測器標定.由于觀測對象可能是分布在天球各個方位的黑洞、中子星、活動星系核等高能天體，因此衛(wèi)星必須具有三軸穩(wěn)定慣性定向的能力，并具有任意慣性姿態(tài)的高精度指向控制能力.

1.3 軌道約束

衛(wèi)星的軌道決定了衛(wèi)星是否會周期性地進、出地球陰影，被地球遮擋觀測目標等，從而影響衛(wèi)星的觀測策略、模式設計.此外，影響高度較高的范·艾倫輻射帶及影響高度較低的南大西洋異常區(qū)也是軌道設計的重要考慮因素，要通過軌道高度和傾角的選擇降低本底水平，滿足望遠鏡靈敏度的要求.

錢德拉X射線天文臺的軌道為9 942 km×140 000 km的橢圓，最遠距離達到地月距離的三分之一，以避開地球輻射帶的影響(在實際運行中每軌有85%的時間，約55 h位于地球輻射帶之外).

1.4 熱控約束

空間熱環(huán)境對X射線天文衛(wèi)星的影響主要有兩方面.首先是低溫探測器的溫度直接影響探測的本地噪聲，該類探測器對溫度值、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性均提出了嚴格的要求；其次是空間受熱不均將導致載荷結構變形，從而影響載荷的指向、定位精度，從這個方面出發(fā)，觀測任務希望衛(wèi)星入軌后能夠擁有穩(wěn)定的受熱環(huán)境.

1.5 測控與數傳約束

衛(wèi)星控制、運行狀態(tài)監(jiān)視、載荷探測數據的下傳均要依賴衛(wèi)星的測控數傳功能，在開展測控數傳功能設計時，需要重點考慮由于天文觀測衛(wèi)星觀測姿態(tài)不固定、對地面不固定所帶來的影響.除此之外，由于衛(wèi)星沒有固定對地面，觀測姿態(tài)對采用GNSS系統進行定位、授時的衛(wèi)星也會產生較大影響.

1.6 其他約束

除以上所列幾點，觀測任務對衛(wèi)星在能源、數據存儲、時統等方面也存在不同需求，本文不在此一一列舉.

2 HXMT衛(wèi)星控制總體設計

HXMT衛(wèi)星是我國首顆自主研制的大型天文衛(wèi)星，其任務設計與技術特點對后續(xù)天文觀測任務規(guī)劃有重要的借鑒意義[5].

2.1 衛(wèi)星科學目標

HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌后，在衛(wèi)星測控系統、地面應用系統的支持下，通過對1～250 keV能區(qū)的X射線天文觀測可以完成對眾多天體目標和現象進行深入全面的科學研究[6].

HXMT任務的主要科學目標是：

目標1：通過巡天觀測，發(fā)現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和未知類型天體，研究宇宙硬X射線背景輻射的性質.

目標2：通過定點觀測黑洞、中子星、活動星系核等高能天體，分析其光變和能譜性質，研究致密天體和黑洞強引力場中物質的動力學和高能輻射過程.

目標3：通過定點觀測X射線脈沖星，探索利用X射線脈沖星實現航天器自主導航的技術和原理.

2.2 控制系統組成

HXMT衛(wèi)星控制系統，主要由以下部件組成：

敏感器：包括1臺數字太陽敏感器、5臺模擬太陽敏感器、3臺0-1太陽敏感器、2臺二浮陀螺組合件、1臺光纖陀螺組件、3臺中等精度星敏感器；

執(zhí)行機構包括：6臺動量輪、3臺磁力矩器、帆板驅動裝置；

控制器包括：控制計算機和應急控制器、姿軌控配電器.

分系統組成原理框圖見圖1.

圖1 控制分系統原理框圖

2.3 控制模式設計

HXMT衛(wèi)星工作模式分析與設計是整個任務分析的核心，它不僅決定了飛行任務能否順利實現科學目標，而且決定了整個系統的復雜程度，進而直接影響到系統的研制與運營成本，因此工作模式設計需要進行廣泛的權衡與折衷.

首先，各種工作模式的設計要確保完成各種科學觀測，且各項技術指標均能滿足任務要求；

第二，工作模式設計要兼顧星上能源要求，通過優(yōu)化設計觀測姿態(tài)使得太陽帆板獲得較好的日照條件，簡化能源設計；

第三，要兼顧星上熱控系統的設計，傾斜軌道以及多種姿態(tài)定向模式帶來的復雜外熱流，加上載荷提出的低溫要求(低能探測器巡天觀測要求：-80℃～-42℃)，使得熱控系統設計異常復雜，因此通過優(yōu)化設計觀測姿態(tài)，盡量使星體具有固定的背陽面是工作模式設計必須要考慮的；

對于科學目標1和2，無論從觀測目標、科學原理以及實現方式上都存在很大差異，科學目標1主要是實現全天球覆蓋，工作模式的設計必須首先滿足這一要求，而目標2主要是實現定點觀測，為慣性空間定向，因此必須分別設計來實現各自的科學目標，分別為巡天觀測模式和定點觀測模式.

對于科學目標1中局部小天區(qū)的深度成像觀測，主要是針對X射線源密集的局部天區(qū)通過增加觀測時間來提高觀測靈敏度，以發(fā)現更多的射線源.通過對天區(qū)范圍及分布的分析發(fā)現，有的天區(qū)對衛(wèi)星來講僅僅是有限張角，而有的天區(qū)范圍廣闊已將衛(wèi)星涵蓋其中，如銀心區(qū)域是一餅狀的圓形區(qū)域.對于有限張角的天區(qū)，可以通過兩軸的小角度姿態(tài)轉動，進行網格式掃描來實現.而對于銀心區(qū)這一廣闊的餅狀區(qū)域，可以通過對多個有限天區(qū)的分塊掃描的辦法實現.因此要實現小天區(qū)深度成像的科學目標可以統一通過小天區(qū)掃描觀測模式實現.

對于科學目標3，主要是定點觀測X射線雙星和X射線脈沖星，與科學目標2相同，可以借助定點觀測模式實現觀測.

綜上，HXMT觀測任務需要設計巡天觀測、定點觀測和小天區(qū)掃描3種觀測模式以滿足觀測任務的需求.此外，出于衛(wèi)星入軌、在軌測試、觀測目標切換、軌道維持、安全應急等需求，還設計了入軌模式、在軌狀態(tài)建立模式、姿態(tài)機動模式、對日安全模式、?？啬Ｊ?、應急模式.各控制模式切換條件示意如圖2所示.

圖2 HXMT衛(wèi)星控制模式及切換條件示意圖

2.4 主要技術指標

HXMT任務科學目標是將源的定位精度達到0.02°，為了達到此定位精度，要求望遠鏡的指向測量誤差和對源的成像位置隨機誤差的綜合要優(yōu)于0.02°.

根據對探測器視場的需求分析，探測器單體視場為1°×5.7°，需要因望遠鏡指向變化而造成的源的探測計數率變化小于10%，因此在一次定點觀測中需要有效載荷光軸指向誤差控制在0.1°以內，即望遠鏡指向控制精度要求優(yōu)于0.1°.

對于姿態(tài)穩(wěn)定度這一指標，飛行任務并沒有對有效載荷的姿態(tài)穩(wěn)定度提出過高的要求，主要是從姿態(tài)采樣頻率以及數據內插對姿態(tài)確定精度造成的影響進行考慮.從優(yōu)化總體設計的角度考慮，盡量降低對衛(wèi)星平臺的控制要求，任務提出一般衛(wèi)星平臺均可達到的0.005(°)/s的姿態(tài)穩(wěn)定度要求,但為了保證衛(wèi)星對慣性X射線源的定位精度，需要保證慣性姿態(tài)指向測量精度，減少姿態(tài)插值誤差引起的光軸指向誤差，因此需要衛(wèi)星每0.5 s進行一次姿態(tài)采樣，保證在兩次采樣之間望遠鏡的姿態(tài)變化不超過0.002 5°的測量精度.

對于采用姿態(tài)慢旋的工作模式，由于載荷光軸指向在慢速旋轉，任務對沿自旋軌跡方向的指向精度并無特殊要求，而比較關心相鄰軌跡重疊率的均勻性，要求偏差不超過0.25°，根據這兩種工作模式的設計原理，可以將此偏差轉化為對太陽的指向精度.此外，考慮到姿態(tài)角速度測量精度將直接影響到任意時刻姿態(tài)指向內插的精度，并兼顧目前陀螺的測量能力，對相對赤道地心慣性系的姿態(tài)角速度測量精度提出了0.001(°)/s的指標要求.

綜上HXMT衛(wèi)星觀測模式與主要技術指標如圖3所示.

圖3 HXMT衛(wèi)星觀測模式與控制指標分析

2.5 在軌實施情況

1)巡天模式姿態(tài)控制

根據技術要求分解，巡天觀測模式僅對指向精度提出指標要求.利用星上實時下傳的星體三軸姿態(tài)角誤差遙測數據，統計衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對衛(wèi)星巡天模式下的指向控制精度進行評估[7].

巡天模式下姿態(tài)角和角速度誤差數據如圖4所示.

圖4 巡天模式下三軸姿態(tài)角、角速度誤差

三軸姿態(tài)角誤差統計結果見表1所示.

表1 巡天模式三軸姿態(tài)指向精度評估

由統計結果可以看出，星體-Z軸對日指向精度為0.056°(3σ)，遠優(yōu)于星體-Z軸對日指向≤0.25°(3σ)的精度要求.

2)定點模式姿態(tài)控制

利用星上實時下傳星體三軸姿態(tài)角誤差、三軸姿態(tài)角速度誤差遙測數據，統計衛(wèi)星指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度，通過地面判讀對衛(wèi)星定點模式下的指向控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定度進行評估.

定點模式下姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差數據如圖5所示.

圖5 定點模式下三軸姿態(tài)角和角速度誤差

三軸姿態(tài)角和角速度誤差統計結果如表2和表3所示.

表2 定點模式三軸姿態(tài)控制精度評估

由統計結果可以看出，姿態(tài)控制誤差絕對值最大為0.029°，遠優(yōu)于0.1°的控制精度要求；姿態(tài)角速度控制誤差絕對值最大為0.001(°)/s，遠優(yōu)于0.005(°)/s(3σ)的姿態(tài)穩(wěn)定度要求.

3)小天區(qū)掃描模式姿態(tài)控制

利用星上實時下傳星體三軸姿態(tài)角誤差遙測數據，統計衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對衛(wèi)星小天區(qū)模式下的指向控制精度進行評估.

圖6～7為小天區(qū)掃描的一個掃描段內三軸姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差變化情況、+X軸指向的赤經赤緯變化以及三軸慣性角速度變化情況.

圖6 小天區(qū)掃描模式下三軸姿態(tài)角和角速度誤差

圖7 小天區(qū)掃描過程中+X指向的赤經赤緯變化

圖8 小天區(qū)掃描模式下三軸慣性角速度

三軸姿態(tài)角誤差統計結果如表4所示.

表4 小天區(qū)模式三軸姿態(tài)指向精度評估

由統計結果可以看出，姿態(tài)控制誤差0.048°(3σ)，遠優(yōu)于0.1°(3σ)的控制精度要求.

綜上，各模式在軌實施結果表明，衛(wèi)星實現了全天球掃描、任意目標定點觀測和任意天區(qū)掃描觀測的控制模式，相較任務指標，各項控制精度均滿足要求，為完成科學探測目標提供了重要支撐.

3 結論與展望

針對X射線觀測的多需求、多約束難點，設計了集巡天觀測、定點觀測與小天區(qū)掃描觀測于一體的觀測模式，解決了一顆衛(wèi)星同時實現全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機遇目標定深度觀測以及伽馬暴全天監(jiān)測的多種觀測需求的難題.

隨著人類對天文研究逐漸深入，對天文觀測任務中源的定位精度要求也越來越高，隨之而來的是對控制系統更高的指向精度和穩(wěn)定度.此外，利用觀測載荷進行姿態(tài)確定，實現載荷、定姿一體化設計，消除因結構變形帶來的姿態(tài)確定誤差也是當下發(fā)展的趨勢.在高自主、高動態(tài)方面，控制系統需要適應乃至主動規(guī)劃衛(wèi)星的觀測任務，建立靈活的觀測中斷、恢復調度機制，在長期不間斷觀測模式下，進行姿態(tài)、軌道自適應調節(jié)，減少地面干預，實現更高效、更自主的科學探測.