静止轨道卫星在轨温度参数变化规律研究

2011-12-26郭永富

航天器工程 2011年1期

郭永富

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

卫星的温度参数反映了其工作环境及工作状况,是一类非常重要的遥测参数。在轨卫星温度参数的变化能够表征外热流大小、设备工作状态、温度控制材料的性能等,是在轨性能分析的重要内容。研究卫星温度参数的变化规律,建立变化模型,这对卫星温度参数的预测以及卫星故障的及早发现具有重要的意义[1-2]。

本文针对静止轨道在轨三轴稳定卫星选取具有代表性的温度参数,绘制了温度参数变化的曲线,对于其中的变化规律进行了分析;太阳光照是静止轨道在轨卫星最主要的外热源,而太阳光强受太阳照射方向和日地距离等因素的影响,相应地在轨卫星温度会呈周期性变化[3-8];采用线性模型,用太阳光强对温度参数进行了数据拟合,基于此提出了静止轨道三轴稳定卫星温度参数变化模型建立的方法。

2 温度参数变化规律分析

以一颗静止轨道三轴稳定卫星为例进行温度参数变化规律的分析。静止轨道三轴稳定卫星有北、南、东、西、对地、背地6个面,经过观察发现其上的温度参数具有不同的变化规律,绘制了各面上温度参数[2]一年的变化曲线,卫星北面、南面、西面上温度参数的变化分别如图1至图3所示,卫星东面、对地面、背地面上温度参数的变化曲线与西面上较为相似。

图1 静止轨道卫星北面上测温点温度参数年变化曲线Fig.1 Temperature curve of the geostationary satellite(north board)

图2 静止轨道卫星南面上测温点温度参数年变化曲线Fig.2 Temperature curve of the geostationary satellite(south board)

2.1 年周期

根据以上采集的数据,从图1～图3可知,位于卫星南北板上的温度具有年周期的变化规律,即:北板上的温度在夏至左右达到最大值,秋分至次年春分期间由于卫星上有自动控温措施,温度稳定在某一特定值附近,未呈现出明显的规律;南板上的温度在冬至左右达到最大值,春分至秋分期间由于卫星上有自动控温措施,温度稳定在某一特定值附近,未呈现出明显的规律;东、西、对地、背地面上的温度在一天内的变化较为剧烈,不具有年周期的变化规律[9]。

2.2 日周期

静止轨道在轨卫星东、西、对地、背地4个面上的温度一天之内有较大幅度的变化,不具有明显的年周期变化规律。不受地影影响的时段(如4月30日、10月30日、6月21日、12月21日附近)内温度参数短期内(数日)的变化能够较准确地体现出其变化规律,图4为静止轨道在轨卫星西面上的温度参数在2008年4月30日至5月2日的变化曲线。

图3 静止轨道卫星西面上测温点温度参数年变化曲线Fig.3 Temperature curve of the geostationary satellite(west board)

图4 静止轨道卫星西面上测温点温度参数变化曲线(2008年4月30日至5月2日)Fig.4 Temperature curve of the geostationary satellite(west board,from Apr 30th to May 2nd,2008)

根据图4可知:静止轨道三轴稳定卫星西面上的测温点都具有明显的日周期性,在一天之内某个时刻达到最大值,呈现类似正弦曲线的变化规律,其它东面、对地面以及背地面上的温度参数亦呈现与西面上温度参数非常相似的变化规律。

3 太阳光强变化规律分析

在t0为2009年1月1日0时0分0秒(北京时间)时刻,地球绕太阳运动的轨道参数为:

计算t时刻的太阳赤纬δS、日地距离rS,其中t为距t0的天数(小时要转化为天数),求得太阳光线与卫星6个面的夹角,据此可以得到卫星6个面上的太阳光强。

计算结果显示:静止轨道三轴稳定卫星北面、南面上的太阳光强具有年周期性的变化规律,如图5、图6所示,西面上太阳光强年周期性不明显,但具有显著的日周期性,东面、对地面、背地面上太阳光强的变化与西面上太阳光强的变化规律非常相似,静止轨道三轴稳定卫星西面上对应光强的变化规律如图7所示。

图5 静止轨道卫星北面理论太阳光强(2008年)Fig.5 Theory light intense on the north board of the geostationary satellite(2008)

图6 静止轨道卫星南面理论太阳光强(2008年)Fig.6 Theory light intense on the south board of the geostationary satellite(2008)

图7 静止轨道卫星西面理论太阳光强(2008年4月28日至5月3日)Fig.7 Theory light intense on the w est board of the geostationary satellite(f rom Apr 28th to May 3rd,2008)

3.1 年变化

根据以上卫星各个面上太阳光强的变化曲线可知,静止轨道三轴稳定卫星南、北面上的太阳光强具有年周期性的变化规律,2008年度卫星北面上的太阳光强最大值出现在2008年7月20日附近,秋分至次年春分期间光强为0;南面最大光强出现在2008年12月22日附近,春分至秋分期间光强为0。

3.2 日变化

静止轨道三轴稳定卫星东、西、对地、背地4个面上的太阳光强日周期性的变化规律很明显,一天之内可分为日照期和背光期,光强在光照期某一时刻达到最大值,背光期光强为0。各面上最大光强出现的时刻是在太阳光垂直照射对应面时。

4 温度-光强模型分析

根据第1 节、第2 节的内容可知:

1)静止轨道三轴稳定卫星南北板上的温度参数具有年周期的变化规律;其它4个面的温度在一天之内的变化较为剧烈,上下幅度与全年的变化幅度接近,具有日周期性的变化规律。

2)卫星南、北面上的光强具有年周期性的变化规律,卫星东、西、对地、背地4个面上的太阳光强具有日周期性的变化规律。

太阳光照是静止轨道在轨卫星的最重要的外热源,若无星上加热器工作,太阳光照将在很大程度上影响相关温度参数的变化,而卫星各面上温度参数的变化规律与对应面上光强的变化规律具有很大的相似性。因此可根据静止轨道卫星温度参数变化体现出来的规律,分析其与相应面上太阳光强的关系,基于测温点所在面上光强建立卫星温度参数变化的模型。

用光强的线性模型对温度参数进行拟合,公式如下:

其中Top代表卫星的温度参数,S为太阳光强,a、b为系数;拟合的性能用拟合均方误差和最大误差衡量。以卫星北面和西面上温度参数为例,对光强模型的性能进行分析。

4.1 卫星北面温度参数的拟合情况(年周期性)

对图1所示的温度参数进行采样,每一天取一个点(对数据进行剔野后取平均)可得到较为平滑的曲线。其与卫星北板太阳光照强度的理论曲线的对比如图8所示,可见两者的变化规律具有很大的相似性,尤其卫星北面处于光照期的时候。按照(1)式在光照期用光强对温度进行拟合,拟合结果如图9所示,最大拟合误差为3.160 7,拟合均方误差为1.276 7。

4.2 卫星西面温度参数的拟合情况(日周期性)

对图4所示的静止轨道卫星西面上的温度参数用光强进行拟合,考虑到卫星各个面之间热辐射而产生的热交换,在短期(数日)内西面上的温度参数变化会呈现北面、南面、东面、对地面和背地面上的光强较大的影响,因此在拟合时用多面上的光强,公式如式(2),其中Si(i=1,2,…6)表示卫星6个面上的光强。拟合曲线如图10所示,最大拟合误差为5.396 1,均方拟合误差为2.570 1。

图8 静止轨道卫星北面上温度参数与对应光强对比图Fig.8 Curve of temperature and light intense on the north board of geostationary satellite

图9 静止轨道卫星北面上温度参数拟合图Fig.9 Curve-fitting of tem perature on north board of geostationary satellite

可以根据静止轨道在轨三轴稳定卫星温度参数历史数据的拟合结果,按照式(1)或(2)建立其变化的模型,通过计算卫星各面上太阳光强就可以得到卫星温度参数的变化曲线,这样就可以通过理论计算预测出未来卫星温度参数的值,对故障预测具有重要意义[10-11]。

5 结束语

本文对静止轨道在轨三轴稳定卫星温度参数的变化规律进行了分析,同时研究了卫星6个面上光强的变化,发现卫星温度参数的变化与光强的变化具有很大的相似性;在此基础上采用线性模型用光强对温度参数进行了拟合,并取得了很好的拟合效果。根据历史数据拟合得到的系数以及理论计算得到的光强,可以对静止轨道卫星各面上的温度参数变化进行预测,如果实际数值与理论预测值存在较大的偏差或变化规律不符,可以由人工根据此征兆判断在轨卫星是否出现了故障,这对及早发现异常、维持在轨卫星的安全、稳定运行具有重要的意义。