“风云二号”卫星天线消旋失锁故障原因初步分析

郑 昊，焦维新，魏彩英

（1.北京大学 地球与空间科学学院，北京 100871； 2.国家卫星气象中心，北京 100081）

0 引言

随着卫星在各行各业的应用越来越广，人们对卫星在轨运行的安全性以及可靠性也提出了更高的要求。但是，卫星在轨运行会受到复杂多变的空间天气的影响，而目前对空间天气与卫星之间的相互作用了解甚少。因此，加强空间天气探测，加大对空间环境效应研究的力度，是保证卫星在轨长寿命高可靠运行的重要措施。

空间环境效应研究包括机制研究、空间环境效应监测、空间环境模拟试验、计算机仿真和对卫星异常进行诊断分析等方式。上述研究方式的最后一种投资小、见效快，特别是能针对我国自己的卫星操作数据进行详尽的分析，不仅有利于获得一般性的规律，而且对确保我国后续卫星安全运行具有实际应用价值。

以我国第一代地球静止轨道气象卫星——“风云二号”卫星为例，其中“风云二号”C星（后简称FY-2C） 和“风云二号”D星（后简称FY-2D）分别于2004年10月19日和2006年12月8日成功发射并定点[1-2]。这两颗卫星在轨运行以来出现了一些问题，其中最典型的就是天线消旋失锁事件。

由于地球同步轨道上的卫星受太阳辐射的压力和其他宇宙力的作用，使卫星姿态受到扰动。为了克服这些外力的影响而使卫星姿态保持稳定，有的卫星采用自旋稳定方式，有的卫星采用先进的三轴姿态稳定工作方式。采用自旋稳定方式的卫星会使天线的指向也随之转动，这是不允许的，因此天线必须要有消旋措施，确保辐射方向一直指向地球。消旋措施是通过把天线安装在消旋平台上，消旋平台相对于星体来说具有与自旋方向相反、转速相同的消旋运动；此外，也可利用电子扫描的方法使天线波束按自旋速度的反方向旋转实现消旋[3]。而天线消旋失锁指的就是由于某种原因导致天线消旋失效，使地面接收不到信号。天线消旋失锁是影响卫星正常运行的主要原因之一，它会导致星地通信中断，从而造成卫星观测资料的丢失。

从2005年1月到2008年12月，FY-2C卫星共发生天线消旋失锁事件40次。在2007年1月到2008年12月之间，FY-2D卫星共发生天线消旋失锁事件10次。

本文利用国家卫星气象中心长期积累的卫星操作数据，对 FY-2C卫星在轨运行时发生的天线消旋失锁事件进行统计以及个例分析，从中探讨空间天气对卫星正常运行的影响。由于“风云二号”卫星处在地球同步轨道高度，而此高度正好位于外辐射带中，高能电子对卫星的影响不能忽略，因此本文主要研究高能电子和天线消旋失锁事件的联系。为此，必须获得地球同步轨道高度的电子环境。由于研究过程中，“风云”卫星的标定工作仍在进行，我们采用了同在地球同步轨道的GOES-10卫星5 min平均的电子通量数据[4]来模拟地球同步轨道高度的电子通量环境。

1 高能电子通量统计结果及分析

1.1 统计结果

FY-2C卫星40次天线消旋失锁事件可分为以下几种类型：

1）事件发生时，电子通量处于较高的峰值

图1反映的是2006年4月17日当地时间1时6分30秒发生天线消旋失锁事件时对应的GOES卫星电子通量变化。

图 1 2006-04-17LT01：06：30 GOES-10 卫星电子通量图（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.1 Electron flux data from GOES-10 satellite of2006-04-17LT01：06：30 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

从图中可发现，事件发生时，大于2 MeV的电子通量处于一个很明显的峰值，大于0.6 MeV的电子通量变化情况与此相似。

符合这类在天线消旋失锁事件发生时电子通量处于峰值情况的，40次事件中共有6次。

2）事件发生前后，电子通量各有一个较高的峰值

然而，并不是所有天线消旋失锁事件发生时都处于电子通量的峰值。在分析40次事件的电子通量变化图时，我们发现，有的事件在发生前后，电子通量也有一个较高的峰值。

以2007年5月31日当地时间13时41分44秒发生的事件为例，对应的电子通量见图2。

图 2 2007-05-31 LT13：41：44 GOES-10 卫星电子通量图（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.2 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-05-31LT13：41：44 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

从图中可以发现，对于＞0.6 MeV和＞2 MeV两个能档的电子通量来说，在事件发生前，均有一个很明显的波峰；而在事件发生一段时间之后，电子通量又有一个波峰，然后有明显的下降。

在40次事件中，符合这种情况的有29次，其中包括同时满足1）、2）两种情况的事件。

3）事件发生前后或者事件发生时，电子通量均不高

在40次卫星天线消旋失锁事件中，并非每一次事件都伴随有电子通量的峰值。以2007年7月16日13时13分00秒发生的事件为例，对应的电子通量如图3所示。

图 3 2007-07-16 LT13：13：00 GOES-10 卫星电子通量图（＞2 MeV，＞0.6 MeV）Fig.3 Electron flux data from GOES-10 satellite of 2007-07-16LT13：13：00 (＞2 MeV, ＞0.6 MeV)

在事件发生前以及事件发生时，＞2 MeV的电子通量一直都在一个很低的水平，＞0.6 MeV能档的电子通量也只有1.0×105的量级。在40次事件中，符合这种情况的有10次。

1.2 结果分析

对于上一节中情况 3），高能电子的通量处于一个比较低的水平，可以认为卫星受到高能电子的影响较小，天线消旋失锁事件与高能电子通量关系不大，可能是由其他原因导致。

而对于情况 1）、2），即在事件发生前或者事件发生时，高能电子通量处于一个高于平均值的水平，在这种情况下，高能电子对卫星的影响不可忽略。满足这两种情况之一的 FY-2C天线消旋失锁事件一共发生了30次，占全部40次的75%，所以我们认为，FY-2C天线消旋失锁事件可能与高能电子的高通量有关。

高通量的高能电子是航天器内部充电的主要原因。能量范围为0.1～10 MeV的高能电子可穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质内，引起航天器内部充电。当电荷的积累速率高于其泄漏速率时，产生的电场会不断增加，有可能超过介质的击穿阈值，引起静电放电。这种放电若直接或间接地耦合到卫星其他灵敏的或未加防护的电路，将引起不同程度的损坏，特别易受损坏的是屏蔽比较差的电缆、印刷电路板和热防护层，严重时甚至导致卫星完全失效。

关于卫星内部充电问题，有两个因素特别重要，一是辐射诱导的电导率（RIC），二是电子在介质内沉积而产生的电场。在高能电子作用下，介质内最大电场取决于材料性质、厚度以及电子的能谱。在RIC远大于暗电导率情况下，最大电场与高能电子在一段时间内的通量有密切关系，而与入射电子的瞬时通量无关。尽管RIC使电介质内部最大电场值降低，但由于达到饱和电场所需的时间大大缩短，因此在空间可能出现内部充电使介质电场超过击穿阈值的条件。

通过对FY-2C卫星40次天线消旋失锁事件的统计分析，我们初步认为，高通量的高能电子引起的内部充电可能和天线消旋失锁事件有关。在卫星发生异常之前，往往会出现电子通量短暂减小的情况，这是否是发生异常的触发因素还需进一步研究[5]。

2 天线消旋失锁事件个例分析

DICTAT[6]（DERA Internal Charging Thread Assessment Tool）是欧空局开发的对卫星介质深层充电的放电危险性分析和评估的软件，它能根据卫星所处的空间高能电子环境以及介质构件的参数计算出介质中深层充电所致的最大电场。

在这里，我们利用DICTAT软件，结合实际情况计算了在一次天线消旋失锁事件中，高通量的高能电子可能引发的最大电场。

2.1 计算原理[7-9]

对于介质材料中累积的静电荷，可由高斯定律计算得到内部电场；而在空间环境中，带电粒子连续地流进和流出介质材料，所以用欧姆定律计算内部电场强度是比较合适的办法。

其中，J为电流密度；σ为介质材料的电导率。

电导率σ由暗电导率和辐射诱导电导率两部分组成，

其中：σ0为暗电导率；D˙为辐射剂量率；kp是与介质材料有关的系数；Δ是一个依赖于介质材料性能的无量纲指数，取0.6～1之间。

介质电导率随温度T的变化关系可以表示为

其中：Ea为活化能，J；k为玻耳兹曼常量；常数C由室温下介质的电导率确定。

电导率随电场强度E和温度T的变化关系为

2.2 计算过程

以2006年4月17日FY-2C卫星发生的天线消旋失锁事件为例，我们利用事件发生时的电子通量，针对卫星上3种常见材料——聚乙烯、聚四氟乙烯和环氧树脂的平板和圆柱模型，分别计算其内部带电所能产生的最大电场。表1给出了3种电介质的参数。kp/ (S·Ω-1·cm-1·rad-1)Δ1.0×10-140.8 6.5×10-141.0 2.0×10-140.7

以2006年4月17日FY-2C卫星发生的天线消旋失锁事件为例，在这里，我们将事件发生时的电子通量数据取1 h平均，暴露时间则对应为1 h。根据文献[8]的计算结果，内部最大电场强度随介质厚度的增加而增大；到达一定厚度（8 mm）时，最大电场基本保持一个定值不变。而关于屏蔽厚度的选取，从文献[8]可知，内部最大电场并不是一直随着屏蔽厚度的增加而减小的：在屏蔽比较薄时，最大电场随屏蔽厚度增加而增大；在某一厚度（1.5 mm）时内部最大电场达到峰值；之后随着屏蔽厚度的增加，内部最大电场反而变小。本文的计算中，将电介质的厚度设为4 mm，屏蔽铝厚度设为1.5 mm，利用DICTAT软件计算出内部带电引起的最大电场强度。表2和表3给出了有关计算结果。

表 2 平板型电介质的最大电场强度计算结果Table 2 Calculation results of maximal electric field for planar materials

表3 圆柱型电介质的最大电场强度计算结果Table 3 Calculation results of maximal electric field for cylindrical materials

2.3 结果分析

从表2、表3可以看出，平衡时的最大电场大于1 h后的最大电场，这说明高通量的高能电子在电介质中的积累效应大于瞬时效应。而在相同的电子环境下，圆柱形的电介质内部最大电场大于平板电介质的内部最大电场。

根据 DICTAT软件提供的电介质击穿阈值可以看出，2006年4月17日FY-2C卫星天线消旋失锁事件时的高通量高能电子在 3种电介质材料深层带电产生的最大电场已经接近或者超出击穿阈值1.0×107V/m。但是，考虑到在计算最大电场时电介质厚度和屏蔽铝的厚度均采用了假设值，我们只能认为，高通量的高能电子引起的内部带电效应已经不能忽视。FY-2C卫星天线消旋失锁事件有很大可能是由高能电子导致的介质深层充电引起。

3 结论

本文通过对 FY-2C卫星天线消旋失锁事件进行统计分析，认为天线消旋失锁事件可能和高通量的高能电子有关。结合3种常用于卫星的电介质材料，利用欧空局的 DICTAT软件进行个例分析计算，模拟出高通量的高能电子导致介质深层充电产生的最大电场。计算结果表明，FY-2C卫星天线消旋失锁事件有很大可能是由高能电子导致的介质深层充电引起。但是，介质深层充电并不是所有天线消旋失锁事件的触发原因。在研究过程中发现天线消旋失锁事件在电子通量水平很低的时候也有发生，这需要进一步考虑其他因素的影响。

（References）

[1]徐建平.风云-2C静止气象卫星升空[J].国际太空,2004(12)： 1-3

[2]杨振荣.风云二号D星成功定点[J].中国航天, 2007(1)： 14

[3]关晓红.浅谈星载天线技术[J].电子世界, 2003(1)： 80-81

[4]Denig W F.GOES I-M Databook[EB/OL].[2009-06-11].ftp：//goes.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/avg

[5]焦维新.空间天气学[M].北京： 气象出版社, 2003

[6]Evans H.The space environment information system[EB/OL].[2009-06-11].http：//www.spenvis.oma.be

[7]Fowler J F.X-ray induced conductivity in insulating materials[C]∥ Proceedings of the Royal Society of London.Series A, Mathematical and Physical Sciences,1956： 236; 464-480

[8]黄建国, 陈东.卫星介质深层充电的计算机模拟研究[J].地球物理学报, 2004, 47： 392-397

[9]高柄荣, 郝永强, 焦维新.用蒙特卡罗方法研究卫星内部带电问题[J].空间科学学报, 2004, 24： 289-294

[10]Adamec V, Calderwood J H, et al.Electric conduction in dielectrics at high fields[J].J Phys D, 1975, 8： 551-560