一种中高轨道卫星处置月亮干扰红外地球敏感器的方法

摘要

一种中高轨道卫星处置月亮干扰红外地球敏感器的方法，本方法通过捕获地球前后的月亮轨道情况，计算卫星捕获地球时月亮在地敏视场中的出现轨迹，预计月亮对地球敏感器各探头的干扰情况及地球敏感器姿态角输出，依据地球敏感器输出的姿态角实时遥测数据，判断EP信号出现的原因是地球还是月亮，并选择合适的时机安全的转入地球指向模式从而避免地球敏感期受到月亮的干扰。本发明扩大了卫星发射窗口的选择范围以及提高了卫星转移轨道工作的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中高轨道卫星在捕获地球过程中月亮干扰红外地球敏感 器的判断及处理方法，适用于使用单地平摆动扫描式红外地球敏感器的中高 轨道卫星。

背景技术

单地平摆动扫描式红外地球敏感器配置四个扫描探头，探头位置如图3 所示，四个探头通过敏感地球与背景空间在红外波段的辐射梯度来确定探头 穿越点的位置，并以此确定地球圆盘中心矢量在卫星本体坐标系中的位置， 从而确定卫星的滚动和俯仰姿态角。作为一种光学测量仪器，地球敏感器工 作时其探头难免会受到其他光源的干扰，造成探头的错误输出。其中月亮是 地球敏感器探头的主要干扰源之一，使用时需对探头被干扰的情况进行预报。 目前同步轨道卫星和中轨道（轨道高度约20000km）卫星分别使用两种适用 于不同地球张角的红外地球敏感器。

中高轨道卫星根据遥控指令从太阳捕获模式转入地球捕获模式，并根据 地面注入地球捕获参数，建立姿态偏置和绕斜轴转动的慢旋角速度（0.5°/s）， 进行地球捕获。

在使用地敏的中高轨道卫星搜索地球以建立对地指向姿态的过程中，可 能会发生月亮进入地球敏感器视场并产生EP信号（地球出现信号），进而 误转入地球指向模式，造成在地球指向模式中丢失EP信号，卫星再次转入 搜索太阳建立太阳指向姿态的风险。在搜索地球的过程中，卫星以一定角速 度旋转，而非保持标称姿态。在姿态机动时，难以对月亮在地球敏感器视场 中出现的准确时刻进行预报。

目前的高轨道卫星采用选择条件最优的发射窗口，调整发射时机，以规 避捕获地球期间月亮对地球敏感器探头干扰的可能。导航卫星由于组批密集 发射，在发射窗口的选择上有更多的约束条件，无法将避开捕获地球期间月 亮干扰作为窗口选择的约束条件。因此导航卫星捕获地球时必须考虑月亮干 扰地球敏感器探头的可能性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种中高轨道卫 星处置月亮干扰红外地球敏感器的方法，使卫星进行地球捕获时可以正确地 辨别进入地敏视场的是月亮还是地球，并在确定搜索到地球时，使卫星安全 可靠的转入对地指向姿态运行，扩大了卫星发射窗口的选择范围以及提高了 卫星转移轨道工作的安全性。

本发明的技术解决方案是：

一种中高轨道卫星处置月亮干扰红外地球敏感器的方法，其步骤如下：

（1）根据下面两个条件判断在捕获地球过程中月亮是否会进入地球敏 感器视场：

①θ_SM>120°；②|θ_SE-θ_SM|<a

其中，θ_SE为太阳-卫星-地球的夹角，θ_SM为太阳-卫星-月亮的夹角，a为 月亮进入地球敏感器X方向视场的槛值；

若同时满足上述两个条件①和②，则卫星在捕获地球过程中月亮进入地 球敏感器视场并进入步骤（2），否则卫星在捕获地球过程中月亮不进入地 球敏感器视场直接进入步骤（6）；

（2）若根据步骤（1）判断卫星在捕获地球过程中发生月亮进入地球敏 感器视场，则根据条件③判断卫星捕获到地球并转入地球指向模式运行时， 月亮是否会干扰地球敏感器的探头：

④θ_ME<c

其中，θ_ME为月亮-卫星投影-地球的夹角，c为月亮进入地球敏感器Y方 向视场的槛值；

若满足条件③，则在卫星捕获到地球并转入地球指向模式运行时，月亮 肯定会干扰地球敏感器探头，应调整地球捕获开始时间，使条件③不满足； 若不满足条件③，则月亮有可能会干扰地球敏感器探头，则进入步骤（3）；

（3）预估月亮对地球敏感器探头的干扰情况及地球敏感器姿态角输出， A₁、A₂为地球敏感器探头扫描范围槛值：

若A₂<θ_SE-θ_SM<A₁，则：

5)月亮先干扰地球敏感器探头4，干扰发生时地球敏感器输出的 滚动角负饱和，俯仰角正饱和；

6)之后地球敏感器恢复为无姿态输出，无EP信号；

7)之后月亮干扰地球敏感器探头3，干扰发生时地球敏感器输出 的滚动角和俯仰角均正饱和；

8)干扰地球敏感器期间EP信号出现，干扰引起的姿态角输出持 续时间小于20s；

若-A₂<θ_SE-θ_SM<A₂，则：

5)月亮先同时干扰地球敏感器探头1和探头3；

6)之后地球敏感器恢复为无姿态输出，无EP信号；

7)之后同时干扰地球敏感器探头2和探头4；

8)干扰地球敏感器期间EP信号出现，干扰引起的姿态角输出持 续时间小于20s；

若-A₁<θ_SE-θ_SM<-A₂，则：

5)月亮先干扰地球敏感器探头1，干扰发生时地球敏感器输出的 滚动角正饱和，俯仰角负饱和；

6)之后地球敏感器恢复为无姿态输出，无EP信号；

7)之后干扰地球敏感器探头2，干扰发生时地球敏感器输出的滚 动角和俯仰角均负饱和；

8)干扰地球敏感器期间EP信号出现，干扰引起的姿态角输出持 续时间小于20s；

（4）根据在轨遥测数据中卫星X、Z轴的角速度ω_X和ω_Z计算实际搜索 角速度ω和捕获地球一圈的时间T：

$\omega =\sqrt{{\omega }_x^2+{\omega }_z^2}$

T=360÷ω

（5）在地球捕获过程中观察地球敏感器的在轨快帧实时遥测输出曲线， 若地球敏感器的姿态角输出满足步骤（3）中的任意一种情况，则判定出现 在地球敏感器视场中的是月亮而非地球，卫星未处于地球指向模式，进入步 骤（6）；若在地球捕获开始后时间超过T，仍未出现步骤（3）中的任意一 种情况，则不会发生月亮干扰，只有地球会出现在地球敏感器视场中，则进 入步骤（6）；

（6）地面发送允许自主地球指向模式指令到卫星，卫星在搜索到地球 后自主转入地球指向模式，建立对地球指向姿态。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明扩大了中高轨道卫星发射窗口的选择范围，采用本发明提出 的在捕获地球过程中月亮干扰红外地球敏感器的判断及处理方法，可规避卫 星在转移轨道地球捕获时月亮干扰地球敏感器探头，造成地球捕获失败的风 险，提高了卫星转移轨道运行的安全性。

（2）本发明设计过程简单，易于实现，是十分经济可行的捕获地球过程 中月亮干扰红外地球敏感器的判断及处理方法，可推广到任何使用摆动扫描 时红外地球敏感器的中高轨道卫星上。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明卫星、月亮和地球间角度示意图

图3为本发明摆动扫描式红外地球敏感器探头布局示意图；

图4为本发明在某导航卫星上应用搜索地球期间的红外地球敏感器姿态 角曲线，虚线为滚动角，实线为俯仰角；

图5为本发明在某导航卫星上应用某导航卫星搜索地球期间的红外地球 敏感器EP信号曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1、2、3所示，一种中高轨道卫星处置月亮干扰红外地球敏感器的 方法，其具体步骤如下：

（1）根据下面两个条件判断在捕获地球过程中月亮是否会进入地球敏 感器视场：

①θ_SM>120°；②|θ_SE-θ_SM|<a

其中，如图2所示，θ_SE为太阳-卫星-地球的夹角，θ_SM为太阳-卫星-月亮 的夹角，a为月亮进入地球敏感器X方向视场的槛值（如：地球敏感器为同 步轨道地球敏感器时a＝20.17°，地球敏感器为中轨道a＝24.38°）；

若同时满足上述两个条件①和②，则卫星在捕获地球过程中月亮进入地 球敏感器视场进入步骤（2），否则卫星在在捕获地球过程中月亮不会进入 地球敏感器视场；

（2）若根据步骤（1）判断在捕获地球过程中发生月亮进入地球敏感器 视场，则根据条件③判断卫星捕获到地球并转入地球指向模式运行时，月亮 是否会干扰地球敏感器的探头：

⑤θ_ME<c

其中，如图2所示，θ_ME为月亮-卫星投影-地球的夹角，c为月亮进入地 球敏感器Y方向视场的槛值（如：地球敏感器为同步轨道地球敏感器时c＝ 9.17°，地球敏感器为中轨道地球敏感器c＝12.38°）；

若在满足条件①和②的条件下同时满足条件③，则认为在捕获到地球， 卫星转入地球指向模式运行时，月亮会干扰地敏探头，应重新选择地球捕获 开始时间，保证条件③不满足进而保证转入地球指向模式运行时月亮不干扰 地球敏感器；若在满足条件①和②的条件下不满足条件③，则进入步骤（3）。

（3）在条件①、②同时满足，条件③不满足时，预估月亮对地球敏感 器探头的干扰情况及地球敏感器姿态角输出，地球敏感器探头1、地球敏感 器探头2、地球敏感器探头3、地球敏感器探头4分别安装于XY坐标的第二 象限、第三象限、第一象限和第四象限，如图3所示，A₁、A₂为地球敏感器 探头扫描范围槛值：

若A₂<θ_SE-θ_SM<A₁，则：

1)月亮先干扰地敏探头4,干扰发生时地球敏感器输出的滚动角负 饱和，俯仰角正饱和；

2)之后（约40秒至1分钟左右）地球敏感器恢复为无姿态输出， 无EP信号；

3)之后月亮干扰地球敏感器探头3，干扰发生时地球敏感器输出 的滚动角和俯仰角均正饱和；

4)干扰期间EP信号出现，干扰引起的姿态输出持续不超过20s；

若-A₂<θ_SE-θ_SM<A₂，则：

1)月亮先同时干扰地球敏感器探头1和探头3；

2)之后地球敏感器恢复为无姿态输出，无EP信号；

3)之后同时干扰地球敏感器探头2和探头4；

4)干扰期间EP信号出现，干扰期间EP信号出现，干扰引起的姿 态输出持续不超过20s；

若-A₁<θ_SE-θ_SM<-A₂，则：

1)月亮先干扰地球敏感器探头1，干扰发生时地球敏感器输出的 滚动角正饱和，俯仰角负饱和；

2)之后地球敏感器恢复为无姿态输出，无EP信号；

3)之后干扰地球敏感器探头2，干扰发生时地球敏感器输出的滚 动角和俯仰角均负饱和；

4)干扰期间EP信号出现，干扰期间EP信号出现，干扰引起的姿 态输出持续不超过20s；

其中，地球敏感器为同步轨道地球敏感器时A₁=a=20.17°，A₂=7.83°； 地球敏感器为中轨道地球敏感器时A₁=a=24.38°，A₂=5.62°；

（4）根据在轨遥测数据中卫星X、Z轴的角速度分别为ω_X和ω_Z，计算 实际搜索角速度ω和捕获地球一圈的时间T：

$\omega =\sqrt{{\omega }_x^2+{\omega }_z^2}$

T=360÷ω

（5）在地球捕获过程中观察地球敏感器的在轨快帧实时遥测输出曲线， 若地球敏感器的姿态角输出符合步骤（3）中的某种情况，则判定出现在地 球敏感器视场中的是月亮而非地球，卫星未处于地球指向模式，进入步骤 （6）；若在地球捕获开始后时间超过T，仍未出现步骤（3）中的任何情况， 则认为实际不会发生月亮干扰，只有地球会出现在地球敏感器视场中，则进 入步骤（7）；

（6）地面发送允许自主地球指向模式指令到卫星，卫星在搜索到地球 后自主转入地球指向模式，建立对地球指向姿态（如果前一次月亮处于地球 敏感器视场中，那么下一次进入地球敏感器视场的必然是地球，下一次能够 保证卫星搜索到的是地球）。

下面以一个具体实施例来进一步说明本发明的方法。

如图4、5所示，以一次同步轨道卫星（配置使用同步轨道地敏）的地 球捕获为例，说明采用本发明实现对捕获地球过程中月亮干扰红外地球敏感 器的判断及处理的实施方法。

（1）某卫星在地球捕获期间，θ_SE=132.08°，θ_SM=143.43°。

θ_SM>120°，

θ_SE-θ_SM=11.35°<20.17°

条件①、②同时满足，则认为在此次捕获地球过程中月亮可能进入地敏 视场。

（2）θ_ME=83.19°>9.17°条件③不满足，在捕获到地球，卫星转入地球指向 模式运行时，月亮不会干扰地敏探头，可进行步骤（3）；

（3）θ_SE-θ_SM=11.35°，满足-A₁<θ_SE-θ_SM<-A₂（A₁=20.17°，A₂=7.83°）的 情况。

则预计月亮对地敏探头的干扰情况及地敏姿态角输出为：

先干扰地敏探头1，干扰发生时地敏输出的滚动角正饱和，俯仰角负饱 和；

之后干扰地敏探头2，干扰发生时地敏输出的滚动角、俯仰角均负饱和；

干扰期间EP信号出现。

（4）在轨遥测数据显示卫星X、Z轴角速度：ω_X＝-0.36°/s，ω_Z＝ -0.33°/s，则：

T=360÷ω=737.7s

（5）观察地敏的在轨快帧实时遥测输出曲线，如图4和5所示：

17:23:23开始地敏输出的滚动角正饱和，俯仰角负饱和，持续约12s；

17:24:18开始地敏输出的滚动角、俯仰角均负饱和，持续约12s，干扰 同时EP信号出现；

符合步骤（3）中的月亮先干扰地敏探头1，再干扰地敏探头2的情况， 则认为月亮出现在了地敏视场中，此时发送允许自主转模式指令，地敏在 17:29:20再次出现EP信号，且满足转入地球指向模式的条件时，卫星成功 的自主转入地指模式，建立了对地指向姿态，此次任务完成。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。