紅外地球敏感器

衞星姿態控制系統中廣泛使用的光電姿態敏感器主要包括太陽敏感器、星敏感器和紅外地球敏感器（或稱紅外地平儀）。一般來説，如果採用星敏感器作為主要定姿敏感器，則將太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份，反之，亦同。太陽敏感器在進入地球陰影區時無法使用，而星敏感器雖然精度較高。但是，由於器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干擾，並且，造價較高，使用壽命也沒有地球敏感器長。因此，紅外地球敏感器是星上不可缺少的光電姿態敏感器。

紅外地球敏感器，通常用於測量航天器的俯仰姿態角和滾動姿態角。根據工作方式的不同，一般可分為圓錐掃描式、擺動掃描式、邊界跟蹤式和靜態紅外式等幾種紅外地球敏感器。紅外地球敏感器一般由光學系統、帶通濾光片、熱敏探測器及信息處理電路組成。按信息處理方式又可分為數字式和模擬式紅外地球敏感器。一般中低軌道航天器姿態測量多選擇使用圓錐掃描式紅外地球敏感器；高軌道航天器姿態測量多選擇使用擺動掃描式紅外地球敏感器。

紅外地球敏感器主要由光學頭部、傳感器以及信號處理部分構成，有些還包括機械掃描部件。因此,可以按照是否含有機械掃描部件將紅外地球敏感器分成動態的和靜態的兩類。

動態紅外地球敏感器利用運動機械部件帶動一個或少量幾個探測元的瞬時視場掃過地平圓，從而將地球/太空邊界空間分佈的輻射圖像變換為時間分佈的近似方波，通過電子學手段檢測地球的寬度或相位計算出地平圓的位置，從而確定兩軸姿態。動態地球敏感器包括圓錐掃描和擺動掃描2種方式。由於包含驅動電路、電機等結構,其體積較大。

擺動掃描地球敏感器因其控制較難,且需要不斷施加外力克服慣性,消耗能源較多,工作壽命不長,已逐漸被淘汰。而圓錐掃描地球敏感器的掃描部件只需作圓周運動,掃描過程中,只需克服摩擦力的影響,在目前的工藝條件下,可將摩擦力降低到非常小的程度,因此,得到了長足的發展,技術已經十分成熟。

靜態紅外地球敏感器的工作方式更加類似於人眼,採用面陣焦平面探測器陣列,將多個探測元放在光學系統的焦平面上,通過探測對投影在焦平面上的地球紅外圖像的響應計算地球的方位。靜態地球敏感器與動態地球敏感器相比具有質量輕、功耗低等優點,並可通過適當的算法對大氣模型的誤差進行修正,從而提高姿態測量的精度和可靠性。

靜態地球敏感器包括線陣的和麪陣的2種。線陣地球敏感器用4個探測器元件卡在圓的4個點上,通過判斷4個點的中心位置來判斷地平圓的中心位置。面陣地球敏感器則要對整個地平圓成像,它通過計算地平圓在整個成像探測器面所成像的中心位置來判斷地平圓的中心。面陣地平儀的精度要高於線陣的靜態地平儀。

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, HEL IOS1a, 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,功耗小於1W；數據接口部分:輸入電壓為（14 ±1.5）V,地球信號脈衝寬度為（200 ±20）μs,太陽信號脈衝寬度為10ms , 60 r/min。

另外, ESS的工作環境條件為:轉速為10～100 r/min,工作温度為- 20～50 ℃,存儲温度為- 30～60 ℃。

可見,單一種類的敏感器已經不能很好地滿足高精度姿態控制系統的要求,從而出現了組合類型的敏感器。組合類型的敏感器在準確度、質量、體積、功耗等方面的性能都有一定程度的提高。

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。