星载电场探测仪的传感器空间布局研究

朱兴鸿 王建冈 袁仕耿

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

1 引言

随着航天技术的发展，卫星空间电磁监测的重要性越发突出，空间天气监测、电离层扰动监测等天基观测已应用于天气预报、电磁波传播特性预估、地震短临前兆研究等诸多方面。尤其是低频的电场监测，在电离层背景及扰动监测的科学研究中占有非常重要的地位［1-2］。电场探测仪作为卫星上的高精度电场探测设备，用于进行电离层连续动态电场信息的高精度获取。目前，已成熟应用的空间电场测量技术有双探针式电场测量法和电子漂移式电场测量法，而电子漂移式主要应用于等离子体密度特别稀薄、电场特别小、频率低于10 Hz的环境，因此双探针电场探测仪成为国际上电离层电场探测的首选设备。使用双探针电场探测仪对空间的三分量电场进行测量时，至少需要使用4个原位探测传感器，而对于一颗进行高精度电场测量的卫星，在进行电场探测仪4个传感器的构型布局选择设计时，须要对多个方面的关键影响进行研究。

（1）从双探针电场探测仪的等离子体耦合测量原理来说，必须要考虑光电子电流不平衡的影响，并利用传感器端部的保护短杆设计，以及伸杆的空间布局来消除虚假光电场的影响。

（2）为了在保证电场探测仪4个传感器探测灵敏度的基础上，在数据处理时能够对差分误差进行较好的分配和控制，必须控制4根伸杆在空间的分布。分布的空间尺度越大，传感器的探测灵敏度越好；分布越接近正四面体，误差分配越理想。

（3）从卫星总体方面考虑，不允许伸杆对卫星太阳翼上的光照造成遮挡。

（4）为了进一步避免星体遮挡造成的传感器间光电流不平衡现象所带来的误差，须要在设计阶段避免卫星星体，特别是太阳翼对传感器的光照遮挡。

综上所述，在进行星载电场探测仪传感器的空间构型布局设计时，须要对探测过程中产生影响的各个环节进行系统分析，以保障探测数据的有效性。本文以运行在500km 高的太阳同步轨道卫星为例，分析了其传感器空间布局中存在的关键点，并对布局设计的基本方法和原理进行了阐述，可为采用此类电场探测仪的卫星工程设计提供参考。

2 双探针电场探测仪测量系统

2．1 基本测量原理

双探针式电场测量法的基本原理是，探针安装在从卫星本体伸展出的伸杆末端，浸没在空间等离子环境中的探针将耦合和感应一定的相对电势，之后利用空间两点的电势差反推电场强度。传感器的电流耦合作用包括离子电流、电子电流和光电子电流三部分，主动式探测会给传感器外加一个极化偏置电流，总电流效应示意如图1所示［3］。

结合卫星速度和地磁场，可以得到地球坐标系下的两点间的电场为

式中：U1和U2分别为点1和点2的原位电势；d为从点1到点2的矢量；v为系统的运动速度矢量；B为系统所在位置的磁场矢量。

由于电场矢量的3个空间维度存在3个变量，因此对于三轴稳定卫星来说，至少需要不全在相同平面上的4 个探针进行测量，这样才能通过式（1）获得3个独立的方程［4］，并通过求解得到电场测量结果。图2为星上双探针测量的基本原理示意图。

图1 传感器电流耦合效应示意图Fig．1 Schematic diagram of current coupling effect on sensors

图2 三维双探针测量的基本原理示意图Fig．2 Schematic diagram of 3-D dual-probe detection

2．2 虚假光电场问题及α 角的引入

采用双探针系统测量空间电场时，当太阳、卫星、探针在一条直线上或者接近同一直线时，会使2个探针的光电子发射和收集完全不对称，从而产生“虚假光电场”。这种现象在欧洲地球静止轨道卫星-1、2（GEOS-1、2）、美欧联合研制的国际日地探测者-1（ISEE-1）卫星和欧洲磁层观测卫星星座“星团”（Cluster）等的双探针电场探测仪测量过程中均出现过［5］。虚假光电场的产生，本质上源于在特定太阳辐照方向范围内空间电场探测系统的双探针对光电子发射和收集的明显不对称性，如图3所示。

图3 虚假光电场产生示意图Fig．3 Schematic diagram of false photo-electric field generation

当双探针连线方向与太阳光线入射方向接近时，朝向太阳一侧的探针所发射的光电子大部分向深空逃逸，仅有小部分向伸杆方向漂移而被伸杆收集到；远离太阳一侧的探针所发射的光电子大部分则向伸杆方向漂移而被伸杆收集到。这就会造成卫星在朝向太阳时电位升高，进而导致朝向太阳一侧的探针吸引、收集更多的光电子，形成具有梯度的“光电子云”。双探针对光电子发射和收集的不对称性，导致了朝向太阳方向的虚假光电场的产生。为能在工程中控制这种虚假光电场现象，特别引入了α角的概念，如图4所示。α角的物理意义是，太阳的入射光线与伸杆方向的夹角，其值可以直接反映伸杆对光电子收集效应的强弱，因此，只要对任务周期中所有4根伸杆α角的变化范围进行控制，就可以达到控制虚假光电场的目的。

图4 α角示意图Fig．4 Demonstration ofαangle

3 电场探测仪传感器空间布局

3．1 卫星场景仿真

由于星载电场探测仪利用等离子体耦合原理进行探测，因此一般运行在高度为300～900km 的电离层进行探测［6］。在仿真场景设计中，设定卫星运行在500km 高的太阳同步轨道，卫星的降交点地方时为14：00，卫星和轨道场景如图5所示（卫星尺寸进行了放大）。仿真场景为进行三维电场的高精度测量，卫星采用三轴零动量稳定方式，装有单太阳翼，配置高精度电场探测仪，用4个球形传感器通过电势测量后互相差分的方式来探测空间的三维电场。为消除星表等离子体鞘层的影响，4 个传感器分别处于4根4m 长伸杆的末端［7］。下面就以此类卫星为例，从不同的角度逐步进行电场探测仪的传感器空间布局分析。

图5 卫星和轨道仿真场景Fig．5 Satellite and orbit simulation scenario

3．2 α 角的仿真分析

由于在对卫星周围空间进行仿真分析的过程中很难覆盖全空间所有角度，因此，在仿真中伸杆的空间指向选取了更具代表性［8］的26 个方向（6 个轴向，12个两轴45°角方向，8 个三轴45°角方向，如图6所示）。由于26个典型方向已经以近似45°的分辨率覆盖了全空间，因此对于其他方向，可以根据周围的典型方向数据分析趋势在需要时进行补充仿真。在进行传感器的布局选择时，首先对1 年中26 个方向的α角变化情况进行分析。

图6 26个伸杆方向仿真示意图Fig．6 Schematic diagram of simulation for 26boom orientations

通过使用STK 软件进行实际飞行轨道的任务仿真，可以获得全周期任意时刻的太阳方向矢量S，结合伸杆方向矢量D，可用式（2）求得此时的α角。

以卫星本体坐标系＋X轴向为例，在1天之内和1年内的α角变化情况如图7所示（地影区不受光电子影响，因此图中已去除地影区的数据）。由图7可知，＋X轴向伸杆的α角变化范围为［22．46°，157．54°］。进一步分析在26个不同方向的α角变化分布情况，如图8所示。

图7 ＋X 轴向伸杆在1天和1年内的α角变化情况Fig．7 αangle change in one day／year in ＋Xdirection

图8 在26个不同方向的α角变化情况Fig．8 αangle change in 26different orientations

从图8可以看出，在不同方向α角的变化范围差异较大。由于星上电场探测仪的短杆是为了平衡太阳光照的不对称性，因此，α角允许的极值与短杆、传感器间的关系可由图9示出。

图9 电场探测仪的短杆与α角的关系Fig．9 Relationship betweenαangle and guarding pole

根据几何关系可得式中：αmin和αmax为α角的最小值和最大值；l为传感器短杆长度；r为传感器半径。

根据场景设计，l取5cm，r取3cm，代入式（3），可得α角的范围为［22°，158°］（见图8中红色虚线）。因此，从控制虚假光电场现象的角度出发，可选择的伸杆指向范围如表1所示（为直观表示，伸杆方向矢量未作归一化处理）。

表1 伸杆可选的指向范围Table 1 Available orientation range for booms

3．3 伸杆对太阳翼的遮挡关系分析

由于太阳翼表面的电池片均采用分组串联的联结方式，当伸杆对太阳翼上的部分电池片产生遮挡时，将造成比实际遮挡阴影区范围大得多的电源损失，因此从能源的角度考虑，必须在设计上避免伸杆对太阳翼的遮挡。当卫星的一侧放置太阳翼时，不产生遮挡的最好方式是不在同侧放置任何伸杆；但根据式（1），增大空间分布的尺度（d）可以有效地提高系统的灵敏度，因此从几何构型角度出发，对太阳翼所在侧的空间进行有效利用，能够很好地提升电场探测仪布局的空间尺度，这就要进行详细的可用性分析。

在进行遮挡关系分析中，最直观的方法是在采用三维矢量建模的基础上，对三维图的干涉情况进行直接观察，本文也将采用此方法。如前所述，本文选择降交点地方时为14：00的单太阳翼卫星作为研究对象，因此太阳翼在＋Y面。首先，利用STK 软件获得卫星一个轨道周期中所有射向卫星光线的矢量数据；然后，使用光线数据构成一个太阳入射锥，由于地影的存在，入射锥会存在一个缺口，如图10所示。

图10 地影造成光线入射锥缺口示意图Fig．10 Demonstration of sunlight cone gap caused by umbra

由于轨道的光照特性在一年中有变化，因此取春分、秋分、夏至、冬至共4轨数据，分别给出太阳入射光线在卫星XOZ面上的投影，如图11所示。

图11 太阳入射光线在卫星XOZ 面上的投影Fig．11 Sunlight projection on satellite XOZplane

在获得入射锥后，就可以看出是否存在遮挡。由于地影的存在，始终没有从＋Z方向射向卫星的光线，因此，在能避开太阳翼产生的等离子体扰动的前提下，卫星的＋Y＋Z角分线方向可以放置伸杆，而卫星的＋Y侧其他方向均会造成对入射光线的遮挡，不能放置伸杆。

3．4 太阳翼对传感器的遮挡关系分析

在上文选择了＋Y＋Z角分线方向的伸杆之后，为防止因太阳翼对电场探测仪的传感器遮挡造成差分传感器光电流异常问题，要求太阳翼不能遮挡电场探测仪的传感器。在实际分析中，仍然采用在三维矢量建模的基础上对三维图干涉情况进行直接观察的方式。

首先，使用圆柱来表征卫星太阳翼的旋转，按照全年的最大角度建立表征太阳光线的入射锥；然后，按照实际的几何关系，在三维图中放置卫星侧板、伸杆、传感器等。通过如图12所示的建模分析可以发现，太阳光线的入射锥与太阳翼的旋转柱不存在干涉现象，因此＋Y＋Z角分线方向放置伸杆的方案可行。

图12 太阳翼对电场探测仪传感器的遮挡分析Fig．12 Solar panel shadow analysis for EFD sensors

3．5 传感器布局优化设计

为了使4个传感器的电势在进行差分时能获得比较好的三轴误差分配结果，在选择伸杆指向时必须考虑4根伸杆在空间分布的情况，分布越接近正四面体，空间覆盖尺度越大，传感器的探测效果越好。进一步考虑传感器布局的时候，从最优化α角和空间布局两方面可以确定电场探测仪4根伸杆的方向，以及在这4个方向上α角的范围，如表2所示。

表2 电场探测仪4根伸杆的方向设计结果Table 2 Boom orientation design results for EFD

4 结束语

在分析双探针电场探测仪探测原理的基础上，研究了通过对α角控制、传感器伸杆对太阳翼遮挡控制、太阳翼对传感器的光照影响、传感器空间的几何分布情况进行电场探测仪4个传感器空间布局优化设计，建立了低轨卫星仿真场景，给出了逐步优化的结果。在实际的布局设计中，除了考虑上述几个方面外，还要考虑卫星上星敏感器、天线等多个设备的视场干涉和信号多径影响等问题。在后续的研究中，要进一步对传感器的几何分布情况提出实际可量化的评价准则，具体分析传感器受星体等离子体预鞘层（Pre-sheath）的影响等。

（References）

［1］Parrot M，Berthelier J J，Lebreton J P，et al．DEMETER observations of EM emissions related to thunderstorms［J］．Space Science Reviews，2008，137（1／2／3／4）：511-519

［2］Parrot M．Use of satellite to detect seismo-electromagnetic effects［J］．Advance Space Research，1995，15（11）：27-35

［3］Gustafsson G，Bostrom R，Holback B，et al．The electric field and wave experiment for the Cluster mission［J］．Space Science Reviews，1997，79（1／2）：137-156

［4］Berthelier J J，Godefroy M，Leblanc F，et al．ICE：the electric field instrument on Demeter［J］．Planetary and Space Science，2006，54（5）：456-471

［5］Pedersen A，Cattell C A，Falthammar C G，et al．Quasistatic electric field measurements with spherical double probes on the GEOS and ISEE satellites［J］．Space Science Reviews，1984，37（3／4）：269-312

［6］Ergun R E，Carlson CW，Mozer F S，et al．The FAST satellite fields instrument［J］．Space Science Reviews，2001，98（1／2）：67-91

［7］张润宁，杨芳，王海明，等．我国地震电磁监测卫星总体技术研究［J］．地震，2009，29（z1）：315-322

Zhang Running，Yang Fang，Wang Haiming，et al．Study on system design of China seismo-electromagnetic satellite［J］．Earthquake，2009，29（z1）：315-322（in Chinese）

［8］Parrot M．The micro-satellite Demeter［J］．Journal of Geodynamics，2002，33（4／5）：535-541