自旋卫星红外弦宽预测方法研究*

王 恒，李永刚，冯朝阳

自旋卫星红外弦宽预测方法研究*

王 恒，李永刚，冯朝阳

（中国卫星海上测控部 江阴 214431）

在自旋稳定卫星发射过程中，何时安排卫星姿态测量与姿态控制是测控任务的关键。红外弦宽是红外地球敏感器扫过地球的弦角，可以用来实现卫星在空间姿态测量，也是姿态控制的基础。红外弦宽预测方法有多种，通过建立星下点位置和基于地球角的方法来实现预测计算，前一种方法与发射时刻无关，适用于方案设计阶段，后者与发射时刻相关，适用于卫星实时发射阶段。

红外地球敏感器；红外弦宽；星下点；地球角；预测方法

引 言

方向敏感器是一种测量卫星外部参考矢量的仪表，红外地球敏感器[1]是最常用的方向敏感器。自旋卫星的姿态敏感器通常使用测量地球弧长的红外地球敏感器。地球红外辐射场的一个极为重要的特点是它在红外地平（地球与空间交界处）附近有极高的梯度。敏感器内有探测地球红外辐射的热敏元件，热敏元件看见与未看见地球时，其输出有很大的变化。利用红外地平的信息，即可确定地心的位置，由此可获得外部参考矢量，确定卫星的当地地垂线矢量在卫星本体坐标系中的方向。

红外可见是指安装在卫星本体上的南、北红外探头能够扫描地球而产生的红外信号，红外弦宽则是探头扫过地球的弦角，用它来帮助实现卫星在空间的姿态测量[2]。由于入轨姿态和入轨位置的关系，在地球同步自旋卫星的转移轨道段，并非红外一直可见，可见大都发生在远地点附近，另外近地点附近也有较短的可见时段[3]，因此需要提前根据红外可见的情况来安排卫星姿态测定以及姿态控制等测控任务。红外弦宽预测方法有多种，本文主要通过卫星入轨点星下点[4]位置和地球角[5]的方法来计算。

1 基于星下点位置的红外弦宽预测

1.1 卫星星下点位置计算

在图1球面三角中，运用四元素公式[6]可得

式中，为卫星地心纬度[7]；i为轨道倾角。

因为有以下关系成立

其中

在图1球面三角中，运用正弦公式可得

真近点角按下式计算

偏近点角按下式计算

式中，为轨道偏心率。

相对时间（以入轨点为零算起）按下式计算

其中

地心距按下式计算

1.2 卫星姿态在地球上的投影

式中，为在随地球一起自旋的固连坐标系中，卫星姿态在地球上的投影，即经纬度；为卫星入轨姿态的经纬度。

1.3 红外弦宽计算

在图2球面三角中，运用余弦公式有

即

图3 地球弦宽测量几何图

则可解得红外弦宽

2 基于地球角的红外弦宽预测

卫星时刻的真近点角为

红外弦宽按下式预报计算

3 仿真计算

红外弦宽的预测对于自旋稳定卫星十分重要，在卫星任务测控总体方案设计时就需要根据给定轨道情况下红外出现的时间弧段来安排测控任务，对卫星进行姿态测定和大调姿控制[9]就必须在有南红外（或北红外）弦宽大于7°的条件下进行。下面根据理论参数进行仿真计算，给定卫星过渡轨道理论轨道根数见表1。

表1 轨道根数

设置卫星入轨点经度为173.08°、纬度为–3.99°，理论入轨姿态经度为252.16°、纬度为–24.58°。南北红外敏感器安装角分别为85°和95°。通过平近点角可计算得初始入轨点真近点角0为10.27°。用基于卫星星下点位置的方法进行红外弦宽预测，在入轨姿态下，南北红外地平仪测量条件见图4。

根据表1中的理论轨道根数，设置入轨点瞬时轨道根数的历元时刻T为2018年12月31日9时33分34秒，则根据升交点经度计算升交点赤经为+T时刻格林尼治平恒星时等于106.95°，卫星入轨姿态赤经为理论入轨姿态经度252.16°+T时刻格林尼治平恒星时等于14.77°，纬度为–24.58°，南北红外敏感器安装角分别为85°和95°。用基于卫星地球角的方法进行红外弦宽预测，在入轨姿态下，南北红外地平仪测量条件见图5。

图4 基于星下点方法的南北红外弦宽预测

图5 基于地球角的南北红外弦宽预测

以上两种红外预测方法均为理论推导公式，如果初始条件相同则预测结果必然相同。图5的计算初始条件是由图4的初始条件推导而来，故初值是一致的，南北红外地平仪测量条件图4与图5基本相同，即两种方法理论计算结果一致。南红外开始出现时刻约在星箭分离T+200min至T+333min，北红外开始出现时刻约在T+277min时段至T+400min。

4 结束语

本文给出了理论和实时两种红外弦宽预测计算方法，并在给定相同轨道参数和入轨姿态条件下仿真计算了转移轨道段南北红外弦宽。研究结果表明，两种预测方法计算结果是一致的，基于星下点的方法的优点是红外弦宽预测时与发射时刻无关，只要知道星下点位置等条件，计算出的红外可见时间段落对任何发射时刻都适用，这种方法可以应用于方案论证阶段可行性分析、总体方案设计阶段等场景。基于地球角的方法与发射时间相关，需要知道发射时刻，它适用于卫星实时发射阶段红外弦宽的计算和预报，可以根据预测结果选择测姿弧段和测姿长度进行姿态测定以及姿态控制。两种方法均为理论预测结果，卫星发射时实际红外变化情况与理论预测存在误差，与轨道测量精度及姿态测量精度有关，理论与实际的误差分析是本文后续需要做的工作。

[1] 屠善澄, 邹广瑞, 潘科炎, 等.卫星姿态动力学与控制(2) [M].北京: 宇航出版社,1998.

[2] 黄福铭, 郝和年, 张凤翔, 等.航天器飞行控制与仿真[M].北京: 国防工业出版社, 2004.

[3] 李济生, 王家松, 秦鹏高, 等.航天器轨道确定[M].北京: 国防工业出版社, 2003.

[4] 赵均.航天器轨道动力学[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2011.

[5] 王振平, 王恒, 张忠华, 等.自旋卫星红外地中脉冲丢失情况下姿态确定分析与应用[J].遥测遥控, 2011, 32(5): 54–58. WANG Zhenping, WANG Heng, ZHANG Zhonghua,et al. Analysis and application of attitude determination on the infrared central earth pulse absence for the spin stabilization satellite[J].Journal of Telemetry,Tracking and Command, 2011, 32(5): 54–58.

[6] 刘林.人造地球卫星轨道力学[M].北京: 高等教育出版社, 1992.

[7] 马志强, 郭福生, 陈良友, 等.靶场大地测量[M].北京: 国防工业出版社, 2004.

[8] 陈芳允. 卫星测控手册[M].北京:科学出版社, 1993.

[9] 柏文良, 顾炳俊, 朱加勇, 等.自旋稳定卫星海上测控姿章联控及实现[J].上海航天, 2007, 24(5): 58–61.BAI Wenliang, GU Bingjun, ZHU Jiayong, et al. The implementation of attitude & nutation united control for slow-rol stabilization satellite's maritime tracking and control[J].Aerospace shanghai,2007, 24(5): 58–61.

Infrared chord width forecasting method of spin-stabilized satellites

WANG Heng, LI Yonggang, FENG Zhaoyang

（China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China）

In the course of spin-stablized satellites launching, it’s a key that choosing the time of attitude measurement and control. Infrared chord width is a chord angle of infrared earth sensor in swept earth, it can be applied to measure satellite attitude, it is also the basic of satellite attitude control. There are many kinds of infrared chord width forecasting methods. This article realizes forecasting calculation through sub-satellite pointand earth angle, the former have nothing to do with launching time and it is suitable for project design, the latter is related to launching time and it is suitable for satellite launching.

Infrared earth sensor; Infrared chord width; Sub-satellite point; Earth angle; Forecasting method

V448.22

A

CN11-1780(2019)05-0056-05

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

国家自然科学基金；教育部新世纪人才支持计划

2019-05-07

2019-07-29

王 恒 1969年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为海上测控软件数学模型。

李永刚 1975年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测控总体技术。

冯朝阳 1971年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为海上测控软件开发。