一种利用CES软件鉴别月球干扰的方法

2009-12-12涂智军梅志武

空间控制技术与应用 2009年5期

关键词：红外光视场头部

涂智军，梅志武，袁军

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190）

一种利用CES软件鉴别月球干扰的方法

涂智军1，2，梅志武1，2，袁军1

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190）

月球和太阳干扰圆锥扫描红外地球敏感器（CES）导致卫星姿态波动，使若干颗中低轨道卫星在轨出现整星进入全姿态捕获模式.针对这一问题提出了一种利用CES软件鉴别月球干扰的方法，并进行了地面试验验证，试验结果表明该方法不仅可以给出“见月球”标志，并且可以剔除月球和太阳对CES姿态测量的影响.试验结果与在轨飞行遥测数据完全吻合，证明该方法完全有效.

圆锥扫描红外地球敏感器软件；鉴别；月球干扰

圆锥扫描红外地球敏感器（CES，conical earth sensor）已被广泛地用于中低轨道卫星对地姿态测量.在其工作波段14～16.25μm范围内，月球模型可近似相当于393 K黑体，其单位波长辐射亮度为15W／（m2·sr·μm），相当于地球平均辐射值的5.77倍，满月时角直径为0.56°，约占CES瞬时视场（1.5°×1.5°）的1／9；对地球的CO2辐射带而言，温度波动主要受纬度、季节等条件的影响，夏季高冬季低，与平均水平相差±10%，夏季北半球高，冬季南半球高，南北极之间相差一倍左右，与平均水平相差±50%左右.由以上两点分析可知，在特定的位置和时刻，即满月前后，CES正在扫描地球低辐射带，月球进入红外光学头部视场时会影响其对地姿态测量.

经过地面的分析试验验证，有若干颗中低轨道卫星由于月球干扰CES，导致在轨出现整星进入全姿态捕获模式.本文以月球干扰CES的问题为背景，利用CES局部通信单元软件，设计相应的月球鉴别方法，并针对该方法设计和实施地面试验验证，进一步对在轨遥测数据进行分析，证明该方法完全有效.

1 CES工作原理

图1描述的是CES的姿态测量几何关系.若不考虑安装误差，则敏感器的轴与卫星是一致的，用OXYZ表示.

CES由红外光学头部和信息处理电路组成，局部通信单元软件嵌入在信息处理电路中.红外光学头部的功能是对地球大气圈进行红外探测，获取卫星信息；信息处理电路的功能则是将红外光学头部输出的模拟信号处理成数字信号；CES局部通信单元软件负责姿态数据采集并通过串行口传送到姿轨控计算机.CES采用圆锥扫描式方案，其工作机理为：首先CES的视场在直流无刷电机的驱动下相对于地球作扫描运动，当视场穿越地平线时，即扫到地球和空间交界时，CES接收到红外辐射能量的跃变，通过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转换成电信号，形成地球方波；然后通过放大和处理电路，把它转换成前沿脉冲和后沿脉冲；最后通过局部通信单元把前后沿脉冲与姿态基准脉冲进行比较得到姿态信息.CES同时具备给出太阳光线进入红外视场的标志功能：在太阳进入红外光学头部视场前，通过平行于红外光学头部光轴安装的太阳敏感器给出“见太阳”标志，通过CES局部通信单元软件通知姿轨控计算机此时不要使用CES输出的姿态数据.

图1 CES的姿态测量几何关系

假定敏感器轴沿卫星俯仰轴Y安装，视线与敏感器轴夹角为β，在扫描装置的驱动下视线形成圆锥形视场，按右手法则视线逆时针旋转，在YOZ平面内安装有基准信号装置，当视线在tG时刻扫到YOZ平面内的G点时，输出1个基准脉冲.图1中：Y是圆锥扫描轴；E是指向地心的天底矢量；ρ为地球的视角半径；视线P在ti时刻的Hi点从天空扫到地球，硬件电路输出地球前沿脉冲，在to时刻的Ho点从地球扫入天空，硬件电路输出地球后沿脉冲；视线扫描地球弦宽为Ω，等于围绕Y轴由Hi到Ho点转动的角度，扫入点Hi到基准点G的宽度为地入角，记为Wi；俯仰轴的姿态偏差记为△y.由于有基准脉冲标志的基准点，敏感器可测出视线扫描周期T，光电编码器在每个扫描周期中输出10 800个光栅时钟脉冲，即每个脉冲代表2′，则有如下关系式：

式中NGi和Noi为两个时刻之间的光栅时钟脉冲个数.由以上分析可看出，CES的基本功能是获取扫入地球点到基准脉冲时刻之间的光栅时钟脉冲个数NGi以及扫入地球点到扫出地球点之间的光栅时钟脉冲个数Noi.

CES局部通信单元采用单片机80C31作为处理器，主频7.372 8 MHz，PROM程序区2 KB，片内RAM变量数据区128B，片外RAM变量数据区8KB，此外利用80C31提供内部串行口完成与姿轨控计算机的通信.

图2是CES局部通信单元软件主程序的基本流程，图3是CES姿态测量逻辑示意图.

如图2所示，软件基本流程如下：

1）通过80C31的P1.2口等待前沿脉冲的到来.如果前沿脉冲在固定的时间内到来，则将前沿标志置位，同时会开启局部通信单元电路板上的双稳态触发器，使光栅时钟信号输入到80C31的计数器T0，开始一个测量周期的计数；如果前沿脉冲在固定的时间内未到来，即计数器溢出了，则继续查询后沿脉冲和基准脉冲状态；

2）通过P1.3口和P1.1口等待后沿脉冲和基准脉冲.如果“有后沿”或者“有基准”，则设置相对应的标志，同时软件进入外部中断服务程序，读取80C31的计数器T0的值，即前沿与基准或后沿脉冲之间的光栅时钟脉冲个数，获得Wi和Ω数据；如果前沿、基准和后沿脉冲都已经到来，或者计数器溢出了，就进行计数器T0清零、向缓冲区发送数据、敏感器自检和开关中断等工作，开关中断的目的是保护缓冲区中重要的姿态数据，这样CES局部通信单元软件与硬件配合完成了一个完整的扫描周期.

图3 CES的姿态测量逻辑示意图

2 软件鉴别月球干扰的方法

由图1可知当地球进入红外光学头部视场时，在CES的一个扫描周期内，只会出现1个前沿脉冲、后沿脉冲和基准脉冲.如果月球同时进入红外光学头部视场，则会出现2个前沿脉冲、1个后沿脉冲和基准脉冲，根据图2的软件流程，将会把月球干扰引起的前沿脉冲当作地球前沿脉冲，得到错误的Wi和Ω数据.因此，可以利用这种多前沿特性设计软件以鉴别月球，将出现多前沿脉冲的情况判为“见月球”，将“见月球”标志存入弦宽Ω的标志位中，将“见太阳”标志存入地入角Wi的标志位中.

当月球进入红外光学头部视场时，卫星可能处于零姿态，也可能不处于零姿态.对于任何一种情况都要求软件能够正确地识别哪些数据是由干扰源引起的，哪些数据是由地球引起的.月球进入红外光学头部视场时，由于其能量较低，边缘清晰，在CES线路中只会处理得到前沿脉冲信号.太阳完全进入红外光学头部视场时，由于其能量很高，边缘效应较强，CES线路处理后可以同时得到前沿脉冲和后沿脉冲，根据图2的软件流程，将会把太阳干扰引起的前后沿脉冲作为地球前后沿脉冲.根据理论分析和在轨遥测数据可知太阳干扰引起的弦宽Ω最大值为150个光栅时钟脉冲，一个光栅时钟脉冲代表2′、即为5°.但是当太阳部分进入红外光学头部视场时，进入红外光学头部视场的能量将降低，角度将减少，CES线路处理后可能只出现前沿脉冲，因此“见月球”也有可能是太阳造成的.根据以上分析，对于月球干扰和太阳干扰，在软件处理时需要分别对待.

CES的地入（S／E）、地出（E／S）、基准脉冲（REF）和月球（MOON）共有3种方位关系，与太阳（SUN）也有3种方位关系，加上零姿态共有7种方位关系，如图4所示.

图4 地球、基准、月球和太阳的方位逻辑示意图

根据以上的分析和要求，提出一种可以进行月球鉴别和剔除干扰的软件方法，称为软件逻辑判别法。其基本依据是正常情况下CES的一个扫描周期只会出现一个前沿脉冲、后沿脉冲和基准脉冲.其流程见图5.

图5 鉴别月球、太阳干扰功能的主程序流程

如图5所示的鉴别月球、太阳干扰功能的主程序流程如下：

1）查询前沿脉冲状态，前沿脉冲信号为低电平，即无前沿（见图3），则继续判断超时计数器是否溢出，超时计数器的作用是防止在无前沿状态下程序进入死等状态；

2）如果未溢出，则对看门狗进行喂狗后继续查询前沿脉冲状态；

3）如果前沿脉冲为高电平，即有前沿时，则执行延时2 ms程序代码.延时的主要目的是消除前沿脉冲的上升沿受电磁干扰时产生尖峰脉冲导致误判“见月球”，延时完成后等待前沿脉冲信号由高电平转为低电平；

4）如果前沿脉冲信号为高电平，则继续判断是否有基准脉冲，作用是处理前沿脉冲与基准脉冲叠加的情况，避免在等待前沿脉冲由高电平变低电平的过程中基准脉冲到来，加入超时计数器的目的同样是为了避免程序进入死等状态；

5）如果前沿脉冲信号为低电平，则以先后循序查询基准脉冲、后沿脉冲和前沿脉冲状态；

6）如果有基准脉冲，则继续等待后沿脉冲和前沿脉冲.当后沿脉冲在既定的时间段内到来时，完成整个扫描周期的数据采集；

7）如果没有基准脉冲而有后沿脉冲，则有可能是太阳进入红外光学头部视场引起的，也有可能是因为卫星处于非零姿态引起的.当弦宽Ω大于8.5°时，程序继续查询基准脉冲；当弦宽小于8.5°时，则认为是由于太阳干扰引起，程序从头开始运行.选用8.5°作为阀值是因为太阳引起的最大弦宽为5°，而CES有效测量最小弦宽为30°；

8）如果没有基准脉冲和后沿脉冲，而出现了第2个前沿脉冲，则有可能是月球进入红外光学头部视场引起的，也有可能是因为干扰引起的.调用如图6所示的宽度鉴别子程序，在该子程序中，如果前沿脉冲宽度大于22个光栅时钟脉冲，就可以认为该脉冲是地球引起的前沿脉冲而并非是毛刺.第一个出现的前沿脉冲是月球干扰引起的，22个光栅时钟脉冲对应图6中16进制数16H，选用该阀值是因为月球引起的前沿脉冲宽度最小值为40个光栅时钟脉冲，而毛刺的最大脉冲宽度为10个光栅时钟脉冲，约为1 ms.

图6为宽度鉴别子程序流程图.首先读取80C31的计数器T0低8位数据TL0和高8位数据TH0，可以得到前沿脉冲高电平开始时间，为避免串行口中断服务程序影响，进行了一次关和开串行口中断操作，前沿脉冲高电平开始时间存入80C31内存40H和41H中，结束时间存入80C31内存42H和43H中.接下来的语句为通过运算判断前沿脉冲宽度是否大于22个光栅时钟脉冲的宽度。如果小于，则认为是干扰造成，子程序不做其他处理直接返回；如果大于，则子程序重新对姿态信息计数器T0赋值，其值为该前沿脉冲的宽度值.最后设置“见月球”标志后程序返回.重新对计数器T0赋值是因为该前沿脉冲为真实的地球前沿脉冲，且其上升沿为地入点时刻，主程序中先前到来的前沿脉冲为月球干扰引起的，该扫描周期姿态测量的起点应该是后到来的前沿脉冲的上升沿.

3 软件测试及试验

为应对卫星在轨CES局部通信单元软件可能遇到的各种情况，共设计并进行了5项测试试验，包括：软件单元测试试验；地面专用检测设备向CES电子线路加电信号测试试验；CES上三轴转台加地球模拟器的标定测试试验；CES在三轴转台上用太阳模拟器干扰红外光学头部视场的功能测试试验；CES上两轴转台加月球模拟器，同时使用CES地面专用检测设备向CES头部加电地球波信号（地检信号）的测试试验.

3.1 单元测试试验

采用KeilμVision2作为单元测试试验的测试工具，此测试工具可以实现断点设置、变量赋值、查看变量、中断设置、查看语句执行时间、语句覆盖率和分支覆盖率查看等功能.

教无定法，课堂导入也无定法。课堂导入的范式也因文体而异，因文题而异，只有立足学生语文素养的提升，达到情趣和理趣的和谐共生的课堂导入才应该是我们矢志追寻的。

通过设计的65个测试用例确认了新版本软件的语句覆盖率和分支覆盖率达到100%，满足软件工程化工作要求.

3.2 电信号测试试验

该试验设备包括地面专用检测设备，CES信息处理电路及示波器、工控机等通用测试设备.

测试人员通过工控机向地面专用检测设备发送指令，地面专用检测设备可以模拟输出各种姿态下的CES信号，包括电太阳信号、电地球波信号、电基准信号和电光栅时钟信号.测试项目包括大小弦宽测试、非零姿态测试和不同红外辐射强度下的姿态测试.

测试结论是：软件修改前后CES局部通信单元软件在各种情况下的姿态测量值一致；通过模拟月球干扰红外光学头部视场时的地球信号波形，可以在弦宽Ω标志位出现“见月球”标志.

测试结果初步表明新版本CES局部通信单元软件不影响原有软件的测量功能和精度并能够给出“见月球”标志.

3.3 标定测试试验

该试验设备包括CES红外光学头部，CES信息处理电路，地面专用检测设备，红外地球模拟器，三轴转台，温控设备及示波器、工控机等通用测试设备.

测试人员通过温控计算机设置红外地球模拟器温度，模拟不同季节及纬度的红外地球模型，通过专用控制机柜设置地球弦宽和三轴转台角度，模拟不同轨道高度和不同姿态，进行CES的标定测试试验.

测试结论是：软件修改前后CES在各种情况下的姿态测量值一致；地入角Wi标志位和弦宽Ω标志位一直显示“数据正常”.

所有测试结果进一步表明新版本CES局部通信单元软件不影响原有软件的测量功能和精度.

3.4 太阳模拟器测试试验

测试结论是：新版本CES局部通信单元软件可以剔除月球干扰并能够在月球进入视场时给出“见月球”标志.

3.5 月球模拟器测试试验

试验设备包括CES红外光学头部，CES信息处理电路，地面专用检测设备，月球模拟器，两轴转台及光学平台、示波器、万用表、工控机等通用测试设备.试验设备的连接关系见图7.

月球模拟器可以通过设置黑体温度和光澜大小来模拟不同月相.将CES安装在两轴转台上，启动月球模拟器，同时通过红外地球敏感器地面专用检测设备向CES的前置级电路板加不同相位和宽度的电地球波信号.

当月球模拟器干扰光在靠近CES地入点附近进入红外光学头部视场时，地入角Wi标志位给出“数据正常”标志，弦宽Ω标志位给出“见月球”标志，且CES输出的姿态信息与干扰前没有变化.通过调整转台角度可以改变月球出现方位，通过设置信号源可以调整地球弦宽和地入角角度及地球的红外辐射强度.

测试结论是：在不同输入条件下弦宽Ω标志位给出“见月球”和“数据正常”等标志，“见月球”时姿态角信息不受影响.

测试结果进一步表明新版本CES局部通信单元软件可以剔除月球干扰.

4 在轨应用

该CES局部通信单元软件已经成功应用于中巴资源卫星02B星，到目前为止未出现由于月球和太阳干扰CES导致卫星姿态波动的问题.表1为太阳进入红外光学头部视场时的在轨实时遥测CES数据.

表1 中巴资源卫星02B星在轨实时遥测CES数据

满月前后CES正在扫描地球红外低辐射带，此时月球进入红外光学头部视场，才会出现“见月球”标志.如果在接下来的某个测量周期月球未进入红外光学头部视场，该标志将会被清除.中巴资源卫星延时遥测数据的间隔时间为数分，实时遥测数据的间隔较短，为十多秒，但数据量较少.“见月球”时的CES数据刚好被存入遥测数据库中属于小概率事件，到目前为止，在中巴资源卫星02B星的在轨遥测数据中未发现真正意义的“见月球”标志.

从表1可以看出当太阳进入红外光学头部视场时，地入角Wi标志位给出了“见太阳”标志，同时有一组数据的弦宽Ω标志位给出了“见月球”标志.如前所述，该“见月球”标志实质上是由于太阳部分进入红外光学头部视场形成一个“假月球”所致（见图8的太阳位置d）.根据公式（3）可知“见太阳”且太阳进入红外瞬时视场时姿态出现大约1°的偏差，在CES的太阳保护功能丧失的情况下，该姿态数据可以被姿轨控分系统接受，且不会造成较大的卫星姿态波动.

图8是太阳进入红外光学头部视场和太阳保护视场形成的圆锥体底面的二维图，太阳处于位置a、b时对应表1中第1～4组数据，位置c对应第5～6组数据，位置d对应第7组数据，位置e、f对应第8～12组数据，位置g对应第13～16组数据.

5 结束语

本文针对月球干扰CES的问题设计了软件鉴别月球干扰的方法.针对该方法设计并进行了地面试验验证，试验结果表明该方法不仅可以给出“见月球”标志，并且可以剔除月球和太阳对CES姿态测量的影响.试验结果与在轨飞行遥测数据完全吻合，证明该方法可以实现鉴别月球干扰的功能.

图8 太阳进入太阳保护视场和红外瞬时视场的示意图

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A New Method for Discriminating Moon Interference Based on CES Software

TU Zhijun1，2，MEIZhiwu1，2，YUAN Jun1
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.National Laboratory of Space Intelligent Control，Beijing 100190，China）

When the moon and the sun light enter into the field of view of the conical scanning earth sensor（CES），the real attitude of the spacecraft will be affected because of wrong CES measurements.To solve this problem，a new method based on the CES software can discriminate the interference effect.A series of ground are designed to verify this method effectiveness，and results indicate that this method can not only give a indication of themoon，but also can eliminate effect of the moon and the sun light on the CES’smeasurements.Finally，the on-orbit flight data is presented to confirm thismethod validity.

conical scanning earth sensor software；discrimination；moon interference