地球敏感器

對地球反射的太陽光敏感，並藉此獲得航天器相對於地球的姿態信息的光學敏感器。其工作波段為可見光或近紅外波段。地球反照敏感器的主要優點是簡單。但因反照表現的地球形狀隨時間變化(與月球的圓、缺變化相似)，因此其性能的提高受到限制。

對地球的紅外輻射敏感，並藉此獲取航天器相對於地球的姿態信息的光學敏感器，常稱紅外地平儀。它廣泛採用二氧化碳吸收帶(14～16微米)作為工作波段，可以較為穩定地確定地球輪廓和輻射強度。紅外地球敏感器由光學系統、探測器和處理電路組成。可分為地平穿越式和輻射平衡式兩種基本類型。

①地平穿越式紅外地平儀：簡稱穿越式紅外地平儀，它的視場對地球作掃描運動。當視場掃過地平時，感受到的紅外輻射功率發生急劇變化，發生變化時的掃描角（運動部分繞掃描軸的轉角）是姿態的函數。

在自旋穩定衞星（見人造衞星自旋穩定）上安裝一種藉助於星體自旋對地球進行掃描的穿越式紅外地平儀。它輸出兩個電信號，分別對應于敏感軸進入和離開地球的掃描角。二者之差是姿態的函數。

裝在三軸穩定衞星上的穿越式紅外地平儀靠自己的掃描機構對地球進行掃描，常稱為圓錐掃描地平儀。它有一個可逆計數器，計數累積值正比于敏感軸、掃描軸和當地垂線三者共面的掃描角。

②輻射平衡式紅外地平儀：對地球邊緣某些區域的輻射敏感並加以比較，以獲取姿態信息。它沒有活動部件，因此常稱為靜態地平儀。有一種最簡單的靜態地平儀,能同時感受地球邊緣4個區域的紅外輻射。當衞星的姿態變化時，各探測器感測地球的面積隨之變化，從而電信號也發生相應的變化。將這些電信號加以處理，即可得到與偏差角（敏感軸與當地垂線的夾角）的兩個分量分別成函數關係的兩個輸出。

靜態地平儀由於沒有活動部件特別適用於長壽命衞星，但它必須感受地球邊緣的紅外輻射，對軌道高度的適應性很差。

紅外地球敏感器的精度在高軌道時達0.03°，低軌道時約為0.1°。

Sodern公司是法國星敏感器和紅外地球敏感器的知名生產商, STD15和STD16是其兩款典型的動態雙圓錐掃描的地球敏感器。

STD15從1991 年開始已經應用於TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等衞星,主要應用於地球靜止軌道衞星。STD16主要應用於低地球軌道的各種衞星,已應用於SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT,HELIOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等衞星。

2000年, Sodern為了滿足衞星微小化的發展需要,研製了一種無機械掃描結構的微小型靜態地球敏感器STS02（主要工作在地球靜止軌道）。STS02與以往的單元掃描敏感器相比結構緊湊、體積小、質量輕、造價低。它採用4個交叉的32元焦平面陣列（每個陣列由2 ×16元的陣列組成,長度約為102mm）作為探測元件,並利用硅薄膜技術實現電子機械控制器件與微機械部件的控制連接。這種設計使STS02作為一種新型的紅外地球敏感器比以往採用旋轉鏡掃描的敏感器尺寸降低了2 /3,質量由3.5 kg降到了1.1 kg,功耗也由7.5W降到了3.5W,能夠更好地適應衞星微型化、小型化的發展需要。其準確度可以達到0.07°～0.16°,能夠滿足姿態控制精度的要求。

GoodRich公司在20世紀50年代設計了世界上第一個用於航天器定向的紅外傳感器,並作為NASA航天器的主要生產商生產了大量高性能的紅外裝備。

13- 410是該公司生產的最新一代多任務紅外地球敏感器（multi2mission earth horizon sensor, MMS）,可用於多種類型的航天器,其可應用的軌道包括低地球軌道（low earth or2bit,LEO） 、中地球軌道（medium earth orbit,MEO）以及對地靜止軌道（geostationary orbit, GEO） 。它能夠提供16°×10°的視場,比傳統的紅外地球敏感器更廣闊。其精度也能夠達到±0.05°～±0.08°。在微結構方面,該敏感器也獲得了突破,其尺寸大小為Φ170mm ×120mm。另外,在長壽命方面,該敏感器在MEO軌道可以工作10年,在GEO軌道可以工作15年。該敏感器已被選作美國空軍先進超高頻計劃衞星的主要定姿敏感器。

13- 410採用微結構的熱電堆探測器,用於GEO軌道時使用2個探頭,質量小於3 kg;用於MEO時使用3個探頭,質量小於4.5 kg。它的供電電壓為21～70V的直流電,其每個探頭的功耗均小於3W。13- 410在進行姿態測量時,其偏差要遠遠小於常規的動態掃描敏感器,工作於GEO軌道時,其偏差為傾斜角±0.013°,滾動角±0.03°；工作於MEO軌道時,偏差為±0.05°～±0.08°。

13- 470-RH是一種微小型靜態地球敏感器,在性能上比13- 410有了進一步的提高,已成功應用於ORBCOMM, I2R ID IUM以及GLOBALSTAR 等星座及其他超過200 顆衞星。它採用雙三角構型的紅外熱電堆焦平面陣列作為探測器件,利用適當的光學處理以及補償算法提高了敏感器的測量精度。由於13- 470 - RH探頭都能夠獨立地測量三軸中一個方向上的姿態,因此,這種雙三角構型使得3個探頭之間互為冗餘備份,保證了其可靠性和穩定性。

13- 470- RH的視場要大於13- 410,每個探頭為20°×14.8°；其尺寸為Φ 40mm ×56mm；每個探頭重約18 g,完全裝備總質量約1 kg；每個探頭的功耗小於300mW,準確度為±0.2°。可見,在視場、尺寸、質量和功耗等方面, 13 - 470 - RH都比13 - 410有了很大的提高,能夠更好地適應衞星微型化、小型化的發展需求。

CES3是日本Astro Research公司生產的一種圓錐掃描地球敏感器,由光學頭部和信息處理電路兩部分組成,並裝有太陽識別探頭。CES3主要應用於中低軌道高度（100～3000 km）的三軸穩定衞星的姿態控制系統中,其掃描半圓錐角為55°,掃描速度為60 r/min,分辨力為2′,視場大小為1.5°×1.5°,可以達到的準確度（3σ）為:隨機誤差小於0.07°、常規誤差小於0.05 °。它的質量為2.7 kg,尺寸為Φ 118mm ×200mm,功耗為2W,正常工作的温度範圍為- 5～45 ℃,使用壽命大於5 a。

由伽利略公司生產的ESS（earth & sun elevations sen2sor）是用於自旋衞星或三軸穩定衞星調整軌道旋轉階段姿態控制的仰角探測器,可以用於低軌道到超同步類型的各種衞星。該敏感器主要包括2個紅外地球仰角傳感器以及2個狹縫的太陽仰角傳感器,所有傳感器共同工作,並輸出電流脈衝,通過這些包含方位信息的電流脈衝能夠確定航天器旋轉速度、太陽和地球仰角等。目前, ESS已成功應用於70多顆電子通信衞星、科學實驗衞星以及遙感衞星,其使用壽命（GEO軌道）長達15年。

ESS地球敏感器主要由地球敏感器、太陽敏感器、機械接口、電子線路和數據接口幾部分構成,其各部分的性能參數如下:地球敏感器:工作波段為14～16.25μm,視場為1.5°×1.5°,隨機誤差（3σ）小於0.15°,系統誤差（3σ）小於0.20°；太陽敏感器:工作波段為0.4～1.1μm,視場為±80°,隨機誤差（3σ）小於0.01°,系統誤差（3σ）小於0.035°；機械部分:尺寸為166mm ×150mm ×127mm,質量小於1.4 kg；電子線路部分:輸入電壓為±15V,功耗

為了促進衞星的小型化並降低衞星的造價,採用新型的微技術是十分必要的。在過去的30多年裏,基於硅及其相關技術的微傳感器得到了迅速發展,這也使得應用於太空的各種敏感器不斷向着智能化、綜合化、小型化的方向發展。對於紅外地球敏感器來説,其發展方向為小型化、智能化、高精度、高穩定性、低功耗和長壽命。

動態掃描型的紅外地球敏感器由於存在掃描機構,其質量大、功耗多,並且,掃描機構長時間運動會使敏感器產生振動偏差,因此,其測量精度不能得到進一步提高,且這一類型的地球敏感器的技術已經十分成熟,繼續發展的空間很小。而靜態紅外地球敏感器由於採用凝視型成像,不需要掃描機械的運動,在質量、功耗、精度以及使用壽命等方面都比動態地球敏感器存在優勢,尤其是面陣地球敏感器,精度要比線陣地球敏感器更高。並且,靜態地球敏感器的發展起步相對較晚,其發展空間仍十分巨大。然而,靜態紅外地球敏感器在研發的過程中需要解決大視場的要求。

可以説2種類型的敏感器各有利弊,但是,總體説來,靜態地球敏感器已經成為了一種發展趨勢, 尤其是微機電（MEMS）技術的發展將促進靜態紅外地球敏感器的性能得到進一步提高。

目前,單一種類的敏感器已不能滿足衞星姿態控制系統高精度以及高穩定性的要求,實際應用中,大多采用多種敏感器的組合方式,用來提高姿態控制的精度和穩定性。

例如:使用星敏感器作為主要定姿裝置,則將高精度太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份,或反之。各種敏感器互為備份,甚至還有一些組合模式的敏感器出現,如意大利伽利略公司的ESS,這些新型敏感器將為航天器的穩定運行提供更加穩定的姿態保障。

紅外地球敏感器作為衞星姿態控制系統的重要組成部分,必須適應衞星的發展需求而不斷地提高其性能。國外地球敏感器在滿足衞星小型化、低造價等要求方面,不斷向着小型化、智能化、高精度、高穩定性、低功耗和長壽命的方向發展,甚至出現組合方式的敏感器以更好地適應衞星小型化、微型化的應用需求,十分值得國內的生產和研製單位借鑑。 ^[1]