一、引言
衛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）。一般來說,如果采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,由于器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干擾,并且,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。
紅外地球敏感器一般通過測量衛星相對地球的位置來確定飛行姿態,大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收帶來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓來克服季節變化、地球表面以及地表輻射差異對地平圓的影響。
二、紅外地球敏感器工作原理
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。
1．動態紅外地球敏感器
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/太空邊界空間分布的輻射圖像
變換為時間分布的近似方波,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。由于包含驅動電路、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。
2．靜態紅外地球敏感器
靜態紅外地球敏感器的工作方式更加類似于人眼,采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,并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面陣的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于線陣的靜態地平儀。
三、國外紅外地球敏感器發展現狀
1．法國
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 年開始已經應用于TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等衛星,主要應用于地球靜止軌道衛星。STD16主要應用于低地球軌道的各種衛星,已應用于SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等衛星。
2000年, Sodern為了滿足衛星微小化的發展需要,研制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。它采用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,并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采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,能夠更好地適應衛星微型化、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。
2．美國
GoodRich公司在20世紀50年代設計了世界上第一個用于航天器定向的紅外傳感器,并作為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）,可用于多種類型的航天器,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衛星的主要定姿敏感器。
13- 410采用微結構的熱電堆探測器,用于GEO軌道時使用2個探頭,質量小于3 kg;用于MEO時使用3個探頭,質量小于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于3W。13- 410在進行姿態測量時,其偏差要遠遠小于常規的動態掃描敏感器,工作于GEO軌道時,其偏差為傾斜角±0.013°,滾動角±0.03°；工作于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,已成功應用于ORBCOMM, I2R ID IUM以及
GLOBALSTAR 等星座及其他超過200 顆衛星。它采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。由于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個探頭之間互為冗余備份,保證了其可靠性和穩定性。
13- 470- RH的視場要大于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；每個探頭的功耗小于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,能夠更好地適應衛星微型化、小型化的發展需求。
3．日本
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,并裝有太陽識別探頭。CES3主要應用于中低軌道高度（100～3000 km）的三軸穩定衛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:隨機誤差小于0.07°、常規誤差小于0.05 °。它的質量為2.7 kg,尺寸為Φ 118mm ×200mm,功耗為2W,正常工作的溫度范圍為- 5～45 ℃,使用壽命大于5 a。
4．意大利
由伽利略公司生產的ESS（earth & sun elevations sen2sor）是用于自旋衛星或三軸穩定衛星調整軌道旋轉階段姿態控制的仰角探測器,可以用于低軌道到超同步類型的各種衛星。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,并輸出電流脈沖,通過這些包含方位信息的電流脈沖能夠確定航天器旋轉速度、太陽和地球仰角等。目前, ESS已成功應用于70多顆電子通信衛星、科學實驗衛星以及遙感衛星,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）小于0.15°,系統誤差（3σ）小于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）小于0.01°,系統誤差（3σ）小于0.035°；機械部分:尺寸為166mm ×150mm ×127mm,質量小于1.4 kg；電子線路部分:輸入電壓為±15V,功耗< 1W；數據接口部分:輸入電壓為（14 ±1.5）V,地球信號脈沖寬度為（200 ±20）μs,太陽信號脈沖寬度為10ms , 60 r/min。
另外, ESS的工作環境條件為:轉速為10～100 r/min,工作溫度為- 20～50 ℃,存儲溫度為- 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。
四、紅外地球敏感器發展趨勢分析
為了促進衛星的小型化并降低衛星的造價,采用新型的微技術是十分必要的。在過去的30多年里,基于硅及其相關技術的微傳感器得到了迅速發展,這也使得應用于太空的各種敏感器不斷向著智能化、綜合化、小型化的方向發展。對于紅外地球敏感器來說,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于存在掃描機構,其質量大、功耗多,并且,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于采用凝視型成像,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。并且,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。
可以說2種類型的敏感器各有利弊,但是,總體說來,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
器已不能滿足衛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。
五、結束語
紅外地球敏感器作為衛星姿態控制系統的重要組成部分,必須適應衛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衛星小型化、低造價等要求方面,不斷向著小型化、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衛星小型化、微型化的應用需求,十分值得國內的生產和研制單位借鑒。
衛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）。一般來說,如果采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,由于器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干擾,并且,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。
紅外地球敏感器一般通過測量衛星相對地球的位置來確定飛行姿態,大多利用14～16 μm波段的CO2 的吸收帶來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓來克服季節變化、地球表面以及地表輻射差異對地平圓的影響。
二、紅外地球敏感器工作原理
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。
1．動態紅外地球敏感器
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/太空邊界空間分布的輻射圖像
變換為時間分布的近似方波,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。由于包含驅動電路、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。
2．靜態紅外地球敏感器
靜態紅外地球敏感器的工作方式更加類似于人眼,采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,并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面陣的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于線陣的靜態地平儀。
三、國外紅外地球敏感器發展現狀
1．法國
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 年開始已經應用于TC2 系列, H IS2PASAT, HOT Bird系列,WORLDSTAR系列, N ILESAT系列等衛星,主要應用于地球靜止軌道衛星。STD16主要應用于低地球軌道的各種衛星,已應用于SPOT4, SPOT5, ENV I2SAT, HEL IOS1a, HEL IOS1b, HEL IOS2a, HEL IOS2b,ADEOS1,ADEOS2, ETS7,ALOS,METOP1.2.3等衛星。
2000年, Sodern為了滿足衛星微小化的發展需要,研制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。它采用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,并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采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,能夠更好地適應衛星微型化、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。
2．美國
GoodRich公司在20世紀50年代設計了世界上第一個用于航天器定向的紅外傳感器,并作為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）,可用于多種類型的航天器,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衛星的主要定姿敏感器。
13- 410采用微結構的熱電堆探測器,用于GEO軌道時使用2個探頭,質量小于3 kg;用于MEO時使用3個探頭,質量小于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于3W。13- 410在進行姿態測量時,其偏差要遠遠小于常規的動態掃描敏感器,工作于GEO軌道時,其偏差為傾斜角±0.013°,滾動角±0.03°；工作于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,已成功應用于ORBCOMM, I2R ID IUM以及
GLOBALSTAR 等星座及其他超過200 顆衛星。它采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。由于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個探頭之間互為冗余備份,保證了其可靠性和穩定性。
13- 470- RH的視場要大于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；每個探頭的功耗小于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,能夠更好地適應衛星微型化、小型化的發展需求。
3．日本
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,并裝有太陽識別探頭。CES3主要應用于中低軌道高度（100～3000 km）的三軸穩定衛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:隨機誤差小于0.07°、常規誤差小于0.05 °。它的質量為2.7 kg,尺寸為Φ 118mm ×200mm,功耗為2W,正常工作的溫度范圍為- 5～45 ℃,使用壽命大于5 a。
4．意大利
由伽利略公司生產的ESS（earth & sun elevations sen2sor）是用于自旋衛星或三軸穩定衛星調整軌道旋轉階段姿態控制的仰角探測器,可以用于低軌道到超同步類型的各種衛星。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,并輸出電流脈沖,通過這些包含方位信息的電流脈沖能夠確定航天器旋轉速度、太陽和地球仰角等。目前, ESS已成功應用于70多顆電子通信衛星、科學實驗衛星以及遙感衛星,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）小于0.15°,系統誤差（3σ）小于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）小于0.01°,系統誤差（3σ）小于0.035°；機械部分:尺寸為166mm ×150mm ×127mm,質量小于1.4 kg；電子線路部分:輸入電壓為±15V,功耗< 1W；數據接口部分:輸入電壓為（14 ±1.5）V,地球信號脈沖寬度為（200 ±20）μs,太陽信號脈沖寬度為10ms , 60 r/min。
另外, ESS的工作環境條件為:轉速為10～100 r/min,工作溫度為- 20～50 ℃,存儲溫度為- 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。
四、紅外地球敏感器發展趨勢分析
為了促進衛星的小型化并降低衛星的造價,采用新型的微技術是十分必要的。在過去的30多年里,基于硅及其相關技術的微傳感器得到了迅速發展,這也使得應用于太空的各種敏感器不斷向著智能化、綜合化、小型化的方向發展。對于紅外地球敏感器來說,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于存在掃描機構,其質量大、功耗多,并且,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于采用凝視型成像,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。并且,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。
可以說2種類型的敏感器各有利弊,但是,總體說來,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
器已不能滿足衛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。
五、結束語
紅外地球敏感器作為衛星姿態控制系統的重要組成部分,必須適應衛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衛星小型化、低造價等要求方面,不斷向著小型化、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衛星小型化、微型化的應用需求,十分值得國內的生產和研制單位借鑒。
