红外地球敏感器的技术发展趋势

2006年11月15日

一、引言

卫星姿态控制系统中广泛使用的光电姿态敏感器主要包括太阳敏感器、星敏感器和红外地球敏感器(或称红外地平仪)。一般来说,如果采用星敏感器作为主要定姿敏感器,则将太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份,反之,亦同。太阳敏感器在进入地球阴影区时无法使用,而星敏感器虽然精度较高,但是,由于器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干扰,并且,造价较高,使用寿命也没有地球敏感器长。因此,红外地球敏感器是星上不可缺少的光电姿态敏感器。

红外地球敏感器一般通过测量卫星相对地球的位置来确定飞行姿态,大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收带来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆来克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。

二、红外地球敏感器工作原理

红外地球敏感器主要由光学头部、传感器以及信号处理部分构成,有些还包括机械扫描部件。因此,可以按照是否含有机械扫描部件将红外地球敏感器分成动态的和静态的两类。

1．动态红外地球敏感器

动态红外地球敏感器利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆,从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波,通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置,从而确定两轴姿态。动态地球敏感器包括圆锥扫描和摆动扫描2种方式。由于包含驱动电路、电机等结构,其体积较大。

摆动扫描地球敏感器因其控制较难,且需要不断施加外力克服惯性,消耗能源较多,工作寿命不长,已逐渐被淘汰。而圆锥扫描地球敏感器的扫描部件只需作圆周运动,扫描过程中,只需克服摩擦力的影响,在目前的工艺条件下,可将摩擦力降低到非常小的程度,因此,得到了长足的发展,技术已经十分成熟。

2．静态红外地球敏感器

静态红外地球敏感器的工作方式更加类似于人眼,采用面阵焦平面探测器阵列,将多个探测元放在光学系统的焦平面上,通过探测对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的方位。静态地球敏感器与动态地球敏感器相比具有质量轻、功耗低等优点,并可通过适当的算法对大气模型的误差进行修正,从而提高姿态测量的精度和可靠性。

静态地球敏感器包括线阵的和面阵的2种。线阵地球敏感器用4个探测器元件卡在圆的4个点上,通过判断4个点的中心位置来判断地平圆的中心位置。面阵地球敏感器则要对整个地平圆成像,它通过计算地平圆在整个成像探测器面所成像的中心位置来判断地平圆的中心。面阵地平仪的精度要高于线阵的静态地平仪。

三、国外红外地球敏感器发展现状

1．法国

Sodern公司是法国星敏感器和红外地球敏感器的知名生产商, STD15和STD16是其两款典型的动态双圆锥扫描的地球敏感器。

STD15从1991 年开始已经应用于TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等卫星,主要应用于地球静止轨道卫星。STD16主要应用于低地球轨道的各种卫星,已应用于SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等卫星。2种敏感器的性能参数见表1。