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。
2000年, Sodern为了满足卫星微小化的发展需要,研制了一种无机械扫描结构的微小型静态地球敏感器STS02（主要工作在地球静止轨道）。STS02与以往的单元扫描敏感器相比结构紧凑、体积小、质量轻、造价低。它采用4个交叉的32元焦平面阵列（每个阵列由2 ×16元的阵列组成,长度约为102mm）作为探测元件,并利用硅薄膜技术实现电子机械控制器件与微机械部件的控制连接。这种设计使STS02作为一种新型的红外地球敏感器比以往采用旋转镜扫描的敏感器尺寸降低了2 /3,质量由3.5 kg降到了1.1 kg,功耗也由7.5W降到了3.5W,能够更好地适应卫星微型化、小型化的发展需要。其准确度可以达到0.07°～0.16°,能够满足姿态控制精度的要求。
2．美国
GoodRich公司在20世纪50年代设计了世界上第一个用于航天器定向的红外传感器,并作为NASA航天器的主要生产商生产了大量高性能的红外装备。
13- 410是该公司生产的最新一代多任务红外地球敏感器（multi2mission earth horizon sensor, MMS）,可用于多种类型的航天器,其可应用的轨道包括低地球轨道（low earth or2bit,LEO） 、中地球轨道（medium earth orbit,MEO）以及对地静止轨道（geostationary orbit, GEO） 。它能够提供16°×10°的视场,比传统的红外地球敏感器更广阔。其精度也能够达到±0.05°～±0.08°。在微结构方面,该敏感器也获得了突破,其尺寸大小为Φ170mm ×120mm。另外,在长寿命方面,该敏感器在MEO轨道可以工作10年,在GEO轨道可以工作15年。该敏感器已被选作美国空军先进超高频计划卫星的主要定姿敏感器。
13- 410采用微结构的热电堆探测器,用于GEO轨道时使用2个探头,质量小于3 kg;用于MEO时使用3个探头,质量小于4.5 kg。它的供电电压为21～70V的直流电,其每个探头的功耗均小于3W。13- 410在进行姿态测量时,其偏差要远远小于常规的动态扫描敏感器,工作于GEO轨道时,其偏差为倾斜角±0.013°,滚动角±0.03°；工作于MEO轨道时,偏差为±0.05°～±0.08°。
13- 470-RH是一种微小型静态地球敏感器,在性能上比13- 410有了进一步的提高,已成功应用于ORBCOMM, I2R ID IUM以及
GLOBALSTAR 等星座及其他超过200 颗卫星。它采用双三角构型的红外热电堆焦平面阵列作为探测器件,利用适当的光学处理以及补偿算法提高了敏感器的测量精度。由于13- 470 - RH探头都能够独立地测量三轴中一个方向上的姿态,因此,这种双三角构型使得3个探头之间互为冗余备份,保证了其可靠性和稳定性。
13- 470- RH的视场要大于13- 410,每个探头为20°×14.8°；其尺寸为Φ 40mm ×56mm；每个探头重约18 g,完全装备总质量约1 kg；每个探头的功耗小于300mW,准确度为±0.2°。可见,在视场、尺寸、质量和功耗等方面, 13 - 470 - RH都比13 - 410有了很大的提高,能够更好地适应卫星微型化、小型化的发展需求。
3．日本
CES3是日本Astro Research公司生产的一种圆锥扫描地球敏感器,由光学头部和信息处理电路两部分组成,并装有太阳识别探头。CES3主要应用于中低轨道高度（100～3000 km）的三轴稳定卫星的姿态控制系统中,其扫描半圆锥角为55°,扫描速度为60 r/min,分辨力为2′,视场大小为1.5°×1.5°,可以达到的准确度（3σ）为:随机误差小于0.07°、常规误差小于0.05 °。它的质量为2.7 kg,尺寸为Φ 118mm ×200mm,功耗为2W,正常工作的温度范围为- 5～45 ℃,使用寿命大于5 a。
4．意大利
由伽利略公司生产的ESS（earth & sun elevations sen2sor）是用于自旋卫星或三轴稳定卫星调整轨道旋转阶段姿态控制的仰角探测器,可以用于低轨道到超同步类型的各种卫星。该敏感器主要包括2个红外地球仰角传感器以及2个狭缝的太阳仰角传感器,所有传感器共同工作,并输出电流脉冲,通过这些包含方位信息的电流脉冲能够确定航天器旋转速度、太阳和地球仰角等。目前, ESS已成功应用于70多颗电子通信卫星、科学实验卫星以及遥感卫星,其使用寿命（GEO轨道）长达15年。
ESS地球敏感器主要由地球敏感器、太阳敏感器、机械接口、电子线路和数据接口几部分构成,其各部分的性能参数如下:地球敏感器:工作波段为14～16.25μm,视场为1.5°×1.5°,随机误差（3σ）小于0.15°,系统误差（3σ）小于0.20°；太阳敏感器:工作波段为0.4～1.1μm,视场为±80°,随机误差（3σ）小于0.01°,系统误差（3σ）小于0.035°；机械部分:尺寸为166mm ×150mm ×127mm,质量小于1.4 kg；电子线路部分:输入电压为±15V,功耗< 1W；数据接口部分:输入电压为（14 ±1.5）V,地球信号脉冲宽度为（200 ±20）μs,太阳信号脉冲宽度为10ms , 60 r/min。
另外, ESS的工作环境条件为:转速为10～100 r/min,工作温度为- 20～50 ℃,存储温度为- 30～60 ℃。
可见,单一种类的敏感器已经不能很好地满足高精度姿态控制系统的要求,从而出现了组合类型的敏感器。组合类型的敏感器在准确度、质量、体积、功耗等方面的性能都有一定程度的提高。
四、红外地球敏感器发展趋势分析
为了促进卫星的小型化并降低卫星的造价,采用新型的微技术是十分必要的。在过去的30多年里,基于硅及其相关技术的微传感器得到了迅速发展,这也使得应用于太空的各种敏感器不断向着智能化、综合化、小型化的方向发展。对于红外地球敏感器来说,其发展方向为小型化、智能化、高精度、高稳定性、低功耗和长寿命。
动态扫描型的红外地球敏感器由于存在扫描机构,其质量大、功耗多,并且,扫描机构长时间运动会使敏感器产生振动偏差,因此,其测量精度不能得到进一步提高,且这一类型的地球敏感器的技术已经十分成熟,继续发展的空间很小。而静态红外地球敏感器由于采用凝视型成像,不需要扫描机械的运动,在质量、功耗、精度以及使用寿命等方面都比动态地球敏感器存在优势,尤其是面阵地球敏感器,精度要比线阵地球敏感器更高。并且,静态地球敏感器的发展起步相对较晚,其发展空间仍十分巨大。然而,静态红外地球敏感器在研发的过程中需要解决大视场的要求。
可以说2种类型的敏感器各有利弊,但是,总体说来,静态地球敏感器已经成为了一种发展趋势, 尤其是微机电（MEMS）技术的发展将促进静态红外地球敏感器的性能得到进一步提高。
目前,单一种类的敏感
器已不能满足卫星姿态控制系统高精度以及高稳定性的要求,实际应用中,大多采用多种敏感器的组合方式,用来提高姿态控制的精度和稳定性。
例如:使用星敏感器作为主要定姿装置,则将高精度太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份,或反之。各种敏感器互为备份,甚至还有一些组合模式的敏感器出现,如意大利伽利略公司的ESS,这些新型敏感器将为航天器的稳定运行提供更加稳定的姿态保障。
五、结束语
红外地球敏感器作为卫星姿态控制系统的重要组成部分,必须适应卫星的发展需求而不断地提高其性能。国外地球敏感器在满足卫星小型化、低造价等要求方面,不断向着小型化、智能化、高精度、高稳定性、低功耗和长寿命的方向发展,甚至出现组合方式的敏感器以更好地适应卫星小型化、微型化的应用需求,十分值得国内的生产和研制单位借鉴。
