低轨微波遥感卫星磁设计及试验验证

吴卫权 陈丽 孙晓春 闫晓

(上海卫星装备研究所，上海 200240)

航天器磁矩主要由永磁矩(卫星不工作时产生的磁特性)、杂散磁矩(卫星工作时电流产生的磁特性)组成。轨道地磁场产生的感磁矩不构成影响卫星姿态的干扰力矩。因此，卫星磁设计、磁测试通常主要针对永磁矩、杂散磁矩进行。航天器姿轨控系统设计时，必须考虑由于其磁特性(永磁矩及杂散磁矩)和轨道环境磁场相互作用而产生的磁干扰力矩；航天器磁设计、磁试验的主要目的就是净化其磁特性、减少磁矩、从而达到减小其与轨道磁场作用产生的干扰力矩[1]。

常规卫星(本文定义为：非高功率、大电流工作工况卫星)磁设计通常包括：选材、布局、走线、磁屏蔽、磁补偿等控制卫星磁性的技术措施。常规卫星由于其不同工况下工作电流不大，各工况的杂散磁矩量级也不大；即使不同工况间磁矩存在一定差异，但最终均可通过整星磁补偿方法有效降低卫星磁矩，满足在轨磁矩指标要求。

微波遥感卫星属中低轨道非自旋体类卫星，与其它常规类型卫星相比，除了一般常规卫星所具有及须控制的措施外，微波遥感卫星SAR天线载荷功率大(数千至数万瓦)，卫星星体和SAR天线阵等接地线数量多、引线长，星体及SAR天线载荷内外相关供电线路电流大、电流回路走向复杂。由电流回路产生的整星杂散磁矩(与线路数量及电流大小成正相关性)必然也很大，如不精心磁设计将引起卫星不同工况杂散磁矩量级及差异很大。即使最终通过磁补偿方法也未必能控制卫星整星磁矩、进而累及卫星二次磁设计技术改进；造成卫星研制进度延迟和研制经费的损失。因此，在卫星研制初期，设计师系统必须足够重视这一问题；对该类卫星产生大杂散磁矩的几个因素进行严格的磁设计及磁测试，净化卫星磁环境，有效减少卫星磁矩，以实现卫星在轨磁矩指标要求[2-3]。

本文分析了低轨微波遥感卫星主要磁源分布特征，针对其载荷功率大，装载的TR组件、有源天线阵、电源及SAR等系统间供电电流回路、星内接地回路等可能产生较大杂散磁矩的几个重要因素，在常规卫星磁设计基础上，开展卫星磁设计技术研究；提出了TR组件、天线阵面双模块磁性布局及接地方式、星内接地网布局方式，明确了电源系统与SAR相关单机间布线设计方法和改进措施并进行相关试验验证，有效减少了大功率微波遥感卫星杂散磁矩。

1 卫星磁性分布特征

卫星磁矩分布特征如下：卫星整星磁矩(永磁矩+杂散磁矩)主要由卫星本体磁矩和本体外大型部件(太阳电池阵(含驱动机构)+SAR天线阵(含展开电机))磁矩两大部分构成。其中，卫星本体永磁矩为除去太阳电池阵及其展开机构、SAR天线及其展开电机后，卫星不通电时产生的磁矩；卫星本体杂散磁矩为除去太阳帆板及其展开机构、SAR天线及其展开电机后，卫星星内各种电流回路产生的磁矩。

太阳电池阵永磁矩分布特征为：阵板材料为无磁，装星后，由阵板间对称性其总磁矩叠加为零；太阳电池阵杂散磁矩分布特征为：由对称性走线布局，展开后6块太阳电池阵板之间杂散磁矩对称抵消，叠加后总磁矩为零。

太阳电池阵驱动机构永磁矩分布特征为：单个步进电机的总磁矩较小，磁矩主要在轴向；装星后，驱动机构间的对称性抵消了轴向和另一方向分量磁矩，故其对整星磁矩贡献可以忽略。太阳电池阵杂散磁矩分布特征为：驱动机构的步进电机展开后长期通电，存在杂散磁矩，磁矩方向在轴向，对称性装星后相互间磁矩抵消。

SAR天线阵永磁矩分布特征为：①中板永磁矩按实际布局独立实测获取；②单块天线侧板永磁矩主要在法向，装星后，收缩态下阵板间磁矩相互抵消，对整星磁矩贡献为零，展开态下阵板间永磁矩叠加。

SAR天线阵杂散磁矩分布特征为：

(1)中板杂散磁矩按等效负载模拟通电下的磁矩实测值。

(2)侧板杂散磁矩分布特征为：①星体内部主要是SAR直传态下100 Ah氢镍电池、电源控制器、SAR相关单机工作时构成的电流回路产生，小S中继子系统相关电流回路与SAR侧板无关；②星体外部即侧板自身产生的电流回路其产生的杂散磁矩、其方向主要在侧板法向，收拢态下对整星磁矩构成抵消，展开态下为叠加；③SAR系统(发射工作状态)高频微波不产生有效的杂散磁矩，可忽略。

SAR天线展开电机永磁矩分布特征为：天线展开后其不再通电，仅考虑其永磁矩对整星磁矩的贡献值，叠加到整星后其合成磁矩由电机的3个分量磁矩值决定。电机磁矩主方向在轴向，其它方向很小，仅考虑轴向磁矩。由机构安装特点：天线收拢、展开状态下电机轴向磁矩始终指向卫星Z方向，收拢、展开两种状态下对卫星磁矩贡献值相同，又由机构布局，两展开电机磁矩分量为同向、展开前后磁矩方向不变；SAR天线展开电机杂散磁矩分布特征为：电机瞬间工作，天线展开后电机不通电，磁矩可忽略。

由上述分析可知：卫星整星磁矩主要由卫星本体及SAR系统产生的磁矩形成。

2 卫星磁设计

针对微波遥感卫星大功率载荷中TR组件、有源天线阵、电源、SAR及其相关系统供电电流回路、接地回路等产生大磁矩的几个重要因素，开展磁设计、实施磁性控制措施。严格控制卫星本体内、外及SAR相关系统产生的磁矩是保证卫星在轨磁矩满足总体技术要求的关键[2]。

2.1 大功率SAR天线磁设计

根据SAR天线系统磁性分布特征，大型有源天线阵和星上数百个小型化TR组件是SAR天线系统磁矩控制的重点。

1)TR组件

装星TR组件数量多，分析表明：TR组件底板、围框、盖板、微波电路及13个装于TR组件内部的芯片基片，均为无磁材料。实测结果表明：单个TR组件的磁矩为1×10-2mA·m2，可确保这些TR组件叠加后其磁矩仍保持在很小量级水平[4]。

2)有源天线阵面

为减少和控制有源天线阵面磁矩，设计措施如下[5]：

(1)天线阵面安置多个双模块，这些双模块对称布局，每个模块上的TR组件与相邻模块上的TR组件，电流流向反向布局；并使相邻模块电流回路产生的磁矩相互抵消，如图1所示；

(2)天线左右侧板对称布局，对称阵板之间电流流向对称布局，使板与板之间电流回路产生磁矩相互抵消；

(3)每个双模块内避免构成较大电流回路；每个双模块内大于10 mA的电流回路采用绞合线，小于10 mA的电流回路正线和回线尽量靠拢走线；

(4)每个双模块按图2方式设计接地线；接地线长度控制在0.5 m内，减少其回路电流形成磁场的面积。

图1 28个双模块布局示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of 28 modules

图2 双模块内接地设计图Fig.2 Block diagram of grounding design for each dual-module

2.2 星内接地、电源系统及SAR相关单机间布线设计

1)星内接地措施

由卫星磁性分布特征，控制星体内的接地回路和能源、SAR相关系统供电回路是减少星内杂散磁矩的关键，查找星内产生电流回路源、综合分析回路走线和回路面积大小，结合整星防空间环境静电放电的接地要求，确定整星设计三级接地网，如图3所示，设计措施如下：

(1)设备内大于10 mA的电流回路采用绞合线，小于10 mA的电流回路正线和回线靠拢走线；

(2)接地通路采用单点接地方式并避免形成面积大于0.01 m2的电流回路；

(3)阻断涡流通路，在结构中采用一些绝缘材料来阻断涡流通路，避免平面内包围大面积传导电路。

图3 整星三级接地网框图Fig. 3 Block diagram of three-staged grounding network

2)星体内电源系统及SAR相关单机间供电电缆布线措施

为减少和控制星内SAR、电源系统之间供电电缆电流输入/输出形成的电流回路面积，对星内SAR、电源电缆走线及走向进行设计和改进(见图4、图5、图6)。

下列五种星内系统间供电电缆走线均采取并行走线走向方式，使供电电缆电流回路围成的面积为最小。

(1)外电状态下电源控制器至蓄电池正、负极的供电线路走线；

(2)内电状态下蓄电池至负载的正、负极的供电线路走线；

(3)蓄电池间的功率电缆走线；

(4)蓄电池正极至电流测量盒的供电线路走线；

(5)电流测量盒至天线配电器的供电线路走线。

图4 卫星平台加电(内、外电)模式下电缆 走线及电流走向图Fig. 4 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (both inside and outside)

图5 卫星平台加电、SAR直传(外电)模式下 电缆走线及电流走向图(改进前)Fig.5 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (before modification)

图6 卫星平台加电、SAR直传(外电)模式下电缆走线 及电流走向图(改进后)Fig.6 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (after modification)

3 试验验证

经过上述磁设计措施后，分别对SAR天线阵、太阳阵、及卫星整星进行独立测试和试验验证。试验采用的方法、试验设备和试验环境条件等均严格按照国军标《航天器磁设计及试验方法》(GJB 7679-2012)所规定的要求执行(本文不作叙述)[5]。

3.1 SAR天线试验验证

由于天线发射工况特殊性，采用电阻等效负载方式模拟在轨电流工况对有源微波天线进行杂散磁矩的测试。为去除电阻负载回流的影响，在进行杂散磁矩测试前，对不带等效负载的有源微波天线进行静态永磁矩测试，然后再进行动态测试，迭代计算后获取有源微波天线通电和不通电下2种工况磁矩值。

由于SAR天线-X、+X侧板是完全等效对称，故仅针对+X侧板进行磁测试，并推算整个天线阵面的磁性分布状态。被测天线侧板及测试设备组成框图如图7所示。

SAR天线+X侧板磁矩实测结果如表1所示，由卫星整星磁矩分布特征可知，侧板收拢和展开态下X分量磁矩对卫星贡献不变，Y、Z分量值相互替换；故仅考虑侧板通电态下收拢与展开态Y、Z磁矩分量对卫星整星磁矩贡献的区别后，即可推算得到其在轨等效磁矩值。

图 7 SAR天线+X侧板磁测试组成框图Fig.7 Block diagram of magtic test setup of SAR antenna +X sideplate

SAR侧板收拢与展开态下其磁矩分量对整星磁矩不同贡献值如表2。

由表2[4]可知：SAR天线侧板收拢与展开态下对整星磁矩分量贡献值MX、MY是相同的，MZ在轨磁矩与地面试验收拢态仅相差152 mA·m2，远满足其磁设计指标要求，证明SAR天线阵磁设计合理有效。

表 1 SAR天线+X侧板磁矩测试结果Table 1 Result of magnetic moment test of sar antenna +X sideplate mA·m2

表2 SAR天线侧板收拢与展开态下对整星磁矩分量贡献值Table 2 Magnetic moment contribution of sar antenna with sideplate folded and deployed mA·m2

3.2 卫星本体杂散磁矩试验验证

卫星本体磁测试时，其工作模式完全模拟卫星在轨状态，与SAR天线磁矩拟合后获得的卫星在轨磁矩值如表3所示。

4 试验结果分析

1)大功率SAR天线磁设计效果分析

大功率SAR天线单翼板磁测试与天线阵综合计算结果(见表1、表2)表明：天线阵面的供电和控制电缆正负线采用双绞线方式；板内部件及模块对称性布局；散线连接的热控电缆正负线置于同一线束内并对称布置；两翼对称阵板之间电流流向对称布局；双模块内避开天线配电器接地方式；上述这些磁设计措施降低且抵消了大功率SAR天线电流产生的磁特性，使单翼板与板之间产生的磁矩相互抵消，大大的提升了SAR系统磁净化程度。

2)星内接地、电源系统及SAR相关单机间布线磁设计效果分析

卫星星内线路改进前后不同工况下磁测试结果(见表3)表明：星体内接地回路方式，卫星能源系统及SAR相关系统供电回路走向是减少星内杂散磁矩的关键。

卫星能源系统及SAR相关系统供电回路走向线路改进前，卫星平台加电、SAR直传时，内、外电不同供电下，卫星X、Z方向杂散磁矩差异较大。 70 Ah电池(与100 Ah电池同为俄罗斯产品)，在放电70 A、100 A模式下，电池本身产生的杂散磁矩不是很大，由此，可认为磁矩变化主要原因是由100 Ah电池工作电流回路面积产生的杂散磁矩造成。实际检查结果证明100 Ah电池内、外电供电电缆存在较大的电流回路(见图5)，其产生的杂散磁矩是卫星各工况磁矩过大和不稳定的主要因素。

通过合理规范星内电缆长度和改进SAR、能源系统及相关产品间电缆走线路径和电流走向(图6所示)，使产生大电流的电流正负线紧贴并行走向方式，构成电流回路的面积达到最小；其电流回路面积由1.7 m2降为0.1 m2。线路改进后，平台加电状态下的星内电流回路(见图4)引起的杂散磁矩较小，70 Ah电池相关的供电回路电缆布局合理，70 Ah电池本身引起的磁矩变化小。平台加电、SAR直传工况下杂散磁矩明显降低，卫星100 Ah电池相关供电电流回路改进合理有效(见图6和表4)；电流回路控制措施的改进和实施，大大改善了整星磁洁净度。

微波遥感卫星整星磁设计、磁测试结果表明：卫星整星及SAR天线接地设计，小型化TR组件及有源天线阵、星体内电缆等结构、工艺布局和走线设计合理，极大地减少了整星静态永磁矩、动态场杂散磁矩；设计改进后的卫星整星磁矩值满足总体磁指标要求。

本次试验按照《航天器磁设计及试验方法》(GJB 7679-2012)所规定的技术要求进行，并参照国家标准《航天器磁性评估和控制方法》(GB/T 32307-2015)执行。所有试验数据及测试结果不确定度优于5%[6]。

5 结束语

低轨微波遥感卫星首次在国内完成了整星磁设计、磁测试。卫星接地网络、大面积有源SAR天线阵、双模块、TR组件、携阵面单机、星体内、外单机及系统间电缆等磁设计技术措施正确。控制星上电缆的电流回路面积和限制回路数量，并采用单点接地系统，避免星内大电流供电回路的形成，是有效控制卫星动态磁场、减少卫星杂散磁矩的关键。通过设计合理的边界条件和模拟试验，实现了卫星整星和大型部件单独磁矩测试、拟合计算及试验验证；满足了卫星在轨磁矩6 A·m2技术指标要求。对今后国内类似遥感卫星及大功率动能类卫星磁设计、磁试验具有参考借鉴作用。