IGSO卫星地球敏感器受两极红外辐射波动影响分析

常建松 郭建新 李艳华 刘忠汉

1.哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150080

2.北京控制工程研究所，北京100190

倾斜地球同步轨道(IGSO，Inclined Geo-Synchronous Orbit)卫星轨道高度为35786km，轨道倾角一般为55°以上，星下点轨迹呈现“8”字特征。IGSO卫星为三轴稳定卫星，采用摆动扫描式红外地球敏感器(以下简称“地敏”)测量滚动俯仰姿态，陀螺和太阳敏感器测量偏航姿态。卫星正常工作时，偏航动态偏置使得卫星+X轴指向太阳以保证能源供应。因此，与GEO卫星标称姿态时地敏探头视场沿南、北纬45°附近扫描地平不同，IGSO卫星随着轨道位置改变，探头扫描轨迹位置不断变化，地敏探头每天均会规律性地扫描经过两极区域，若此时该地区红外辐射波动剧烈，干扰地敏探头测量，则会导致地敏输出姿态角异常。

文献［1］介绍印度IRS-1A卫星上使用的静态地球敏感器在通过南极区域失去地球可见信号，导致姿态基准丢失，文中给出该静态地敏测量的不同月份时地球红外辐射强度随轨道周期变化曲线，数据表明7月份时南极地区辐射强度会明显降低。文献［2］详细分析了地球红外辐射随季节和纬度变化对ERBS卫星姿态控制的影响，在轨数据表明红外地敏测量姿态误差受地球红外辐射影响显著，7月份南极区域俯仰角误差达到 0.45°。

综上所述，有必要开展IGSO卫星地敏受两极红外辐射波动影响分析工作，解决地敏受扰输出姿态角误差增大问题，研究行之有效的地敏探头干扰保护处理措施。

1 摆动扫描式红外地球敏感器简介

IGSO卫星采用单地平穿越摆动扫描式红外敏感器，其复合视场包含4个红外探测器探头，敏感14～16μm红外波段，每个探头为1.3°×1.3°方形视场，其对角线分别平行于星体俯仰轴和滚动轴，如图1所示，图中A，B，C，D 分别代表地敏探头1，2，3，4。地敏有2种扫描方式:宽扫描和窄扫描，可由遥控指令选择。宽扫描方式的扫描范围为±11°，窄扫描方式的扫描范围为±5.5°。一般情况下，转移轨道运行或捕获地球时使用宽扫描方式，在地球同步轨道时使用窄扫描方式。

地敏探头对地球和背景空间的红外辐射进行检测，输出类似梯形的地球波，内部处理线路提取代表姿态信息的地平穿越脉冲，即图1所示测量脉冲，再与零位基准脉冲信号比较，通过姿态处理逻辑单元计算获得滚动、俯仰角测量值。正常4个探头工作时，地敏测量输出滚动俯仰姿态角数学模型公式如式(1)［3］。

图1 红外地球敏感器复合视场及测量原理

式中，Δ1，Δ2，Δ3，Δ4 分别为各探头输出弦宽测量值，φ为滚动角，θ为俯仰角。

2 两极红外辐射波动影响分析

2.1 误差分析

文献［4］中指出，温度是影响地球红外辐射的最重要因素，大气温度随地理纬度、季节及高度的不同而有较大的变化。红外辐射的纬度效应可由图2看出，该图表示7月份在对地静止轨道上看到的14～16μm波段地球的等辐亮度曲线。图中方格形坐标所示的数值为从卫星上观察地球，观察点对应的视线与地垂线间的夹角。可见夏季南极辐射水平明显低于北极。文献［1］的在轨测量数据同样表明地球红外辐射强度随季节和纬度变化显著。高纬度地区红外辐射水平季节间差别较大，波动较大，因此对于地敏测量是不利的，可能带来较大误差［4］。

由于红外地平圈附近的红外辐射亮度由内向外是逐渐减小的，因此地敏测量获得的原始地球波形状类似于梯形，并且随着探头视场穿越点处的地球红外辐射亮度的不同，地球波变化的快慢程度也不一样。对于IGSO卫星，由于工作在大倾角的同步轨道上，4个探头地平穿越点处的红外辐射强度不同，每个探头测量得到的地平穿越位置不再与基准位置重合，就会产生测量误差，这便是地球敏感器的地球辐射误差［5］。尤其是当地敏探头扫描经过红外辐射波动剧烈的两极区域时，相应探头测量的地球辐射强度信号变化显著，提取地平穿越脉冲会严重偏离真实位置，当与基准脉冲比较时出现较大的偏差，最终导致姿态计算误差增大，地敏输出姿态角异常。

图2 地球红外辐射的纬度效应图

2.2 仿真分析

利用STK软件建立IGSO卫星地敏受两极红外辐射干扰分析仿真场景，见图3，图中探头1视场为蓝色透视区域，探头2为绿色，探头3为白色，探头4为粉色，分布位置同图1。异常干扰区域用红色方框标示，范围设定为西经10°～70°，南纬55°～80°之间的方形区域，探头扫描区域在地面投影用相应颜色突出显示，二维显示界面以黄色透视区域表示阳照区，用红色圆圈标出地敏探头扫描穿越地平位置。

图3 STK仿真分析场景示意图

可以利用STK仿真预报各探头扫描经过红外辐射异常区域时段，在仿真设置的卫星初始轨道条件下，探头2每天08:20～10:30(北京时)扫描经过异常区域，探头1每天13:00～13:30(北京时)扫描经过异常区域。

图4 探头2受扰时扫过地面轨迹

探头2受扰STK仿真分析场景见图4，此时探头2扫描地平穿越点位于异常干扰区，地敏输出姿态角仿真曲线见图5，从图中可以看出滚动和俯仰角测量值变化有很强的相关性，即滚动角增大的同时俯仰角也增大，滚动角减小俯仰角随之减小，且幅值基本相同。进一步由式(1)滚动俯仰角计算公式可知，若探头2受扰，则会引起姿态角同增同减变化现象。同理，探头3受扰时输出姿态角也具有相同变化趋势。

图5 探头2受扰时地敏输出姿态角

探头1受扰STK仿真场景见图6，异常期间地敏输出姿态角见图7，滚动和俯仰角存在明显的反向对称变化趋势，即滚动角增大同时俯仰角减小，且幅值基本相同。再由地敏姿态角求解公式分析可知，若探头1受扰，则地敏输出的滚动和俯仰姿态角会表现出反增反减的变化现象。探头4受扰时输出姿态角变化趋势相同。

图6 探头1受扰时扫过地面轨迹

图7 探头1受扰时地敏输出姿态角

通过上述2种典型异常情况的仿真分析，明确了受扰探头与地敏输出姿态角变化趋势之间的关系，进一步结合探头扫过异常区域时段的预报结果，即可准确地判断出受扰探头。地敏探头扫描经过异常干扰区具有一定的周期性，与卫星轨道周期相吻合，短期内各探头每天受扰时段基本相同，随卫星轨道摄动而变化。

3 处理措施

根据地敏的测量原理可知，只要3个探头输出正常测量信息即可计算出滚动角和俯仰角，因此当某个探头被干扰时，在轨一般采取干扰保护的处理措施，地面根据探头受扰时段注入探头干扰保护时间，在保护时间段内禁止使用该探头，利用其余3个探头信息输出正确的姿态角测量值。此时姿态计算公式为:

正常4个探头工作情况下，地敏输出姿态角的测量噪声为0.06°(3σ)，而3个探头工作时测量噪声为0.09°(3σ)，精度略有降低，但不影响地敏正常使用。

采用本文的仿真分析方法，利用STK软件设置异常干扰区，可以快速有效地预报各探头受两极红外辐射干扰的时段。但是受气候、温度等不确定性因素影响，难以对地球红外辐射异常区域进行准确建模，只能根据在轨数据规划异常干扰区大小和位置，再通过不断的反馈修正，尽可能提高预报的准确性。

进行探头干扰保护时，还需要综合考虑日月干扰影响，若地球辐射干扰和日月干扰同时发生，并且在不同的探头上，则当地球辐射干扰引起地敏输出姿态角误差较小，卫星姿态控制能够满足正常工作要求时，优先进行日月干扰保护工作，否则可以参考文献［6-8］的处理方法，同时进行多个探头的干扰保护。

每年7～9月份南极地区红外辐射波动较大，而12～2月份北极地区红外辐射波动较大，这两个时段内需重点关注IGSO卫星地敏测量输出，若发现明显的受扰迹象，应及时采取上述处理措施。

4 结论

本文给出了地敏受两极红外辐射干扰分析方法，建立基于STK软件仿真工程，预报各探头受扰时段，再结合地敏输出姿态角变化趋势，可以准确地判断出受扰探头。若在轨卫星遇到此类问题，可以采用本文方法预报干扰时段，进而通过采取禁止受扰探头工作的保护措施，避免地敏输出姿态角异常情况发生。

［1］ Alex T K，Jain Y K.Advanced Earth Sensors for IRS Satellite［C］.The 39thInternational Astronautical Congress，Bangalore，India，Oct 8-15，1988.

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［3］ 唐尧.考虑高度参数的摆动式红外地球敏感器模型研究［J］.空间控制技术与应用，2012，38(3):27-32.(Tang Y.Research on Swing Scanning Infrared Earth Sensor with Orbit Altitude Concerned［J］.Aerospace Control and Application，2012，38(3):27-32.)

［4］ 屠善澄.卫星姿态动力学与控制(3)［M］.北京:宇航出版社，2003，68-69.

［5］ 王韬，王平，刘旭力.地球辐射波动对摆动扫描式红外地球敏感器测量误差的影响分析［J］.空间控制技术与应用，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.)

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