一種針對(duì)金星探測(cè)器的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)*

馬越辰，徐 明

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11772024).

一種針對(duì)金星探測(cè)器的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)*

馬越辰，徐 明

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

金星探測(cè)需要超長(zhǎng)距離低碼率傳輸，因而金星探測(cè)器需要保持其數(shù)傳天線指向地球.相對(duì)于地球軌道飛行器來說，金星探測(cè)器距離太陽更近，需要固定散熱面來維持探測(cè)器內(nèi)的溫度.提供一種基于在金星探測(cè)器偏置安裝天線的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)，能夠保證從金星向地球傳輸數(shù)據(jù)并且維持散熱面遠(yuǎn)離太陽.而此設(shè)計(jì)旨在減少數(shù)傳天線的數(shù)量至一根同時(shí)將兩個(gè)固定平面作為散熱面.還提供兩種詳細(xì)方案來控制姿態(tài)機(jī)動(dòng)來保證在數(shù)傳天線始終指向地球的同時(shí)在特定節(jié)點(diǎn)切換散熱面.

金星探測(cè)；偏置安裝天線；固定散熱面

0 引 言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類活動(dòng)逐漸擴(kuò)展到太陽系內(nèi)類地行星等深空探測(cè)領(lǐng)域.通過發(fā)射行星探測(cè)器進(jìn)行行星空間環(huán)境以及太陽系和宇宙起源與演化等科學(xué)任務(wù)探測(cè).對(duì)于以金星為代表的類地行星探測(cè)器，其生存環(huán)境(包括能源、溫度和通訊等)完全不同于地球軌道器，即需要依據(jù)探測(cè)任務(wù)和飛行軌道以及環(huán)境設(shè)計(jì)合適的姿態(tài)指向以滿足探測(cè)器對(duì)能源、溫控以及數(shù)傳等指標(biāo)需求[1].

金星探測(cè)器具有地球遙遠(yuǎn)，可維護(hù)能力較差；故探測(cè)器應(yīng)采取簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)以增加系統(tǒng)抗干擾能力：探測(cè)器應(yīng)盡可能少地安裝設(shè)備，減少轉(zhuǎn)動(dòng)部件的數(shù)量以及轉(zhuǎn)角范圍；探測(cè)器應(yīng)采取固定或準(zhǔn)固定散熱面設(shè)計(jì)，即可有效控制探測(cè)器內(nèi)部各設(shè)備的溫度，還可減小熱控系統(tǒng)的研制難度；探測(cè)器下行數(shù)傳通道的空間損耗較大難以獲得高速通信，故數(shù)傳天線應(yīng)保持長(zhǎng)時(shí)間指向地球以延長(zhǎng)通訊時(shí)長(zhǎng).為了最大限度獲取探測(cè)數(shù)據(jù)并完成對(duì)地傳輸，同時(shí)降低探測(cè)器的研制難度，需要針對(duì)探測(cè)器進(jìn)行全壽命期姿態(tài)指向規(guī)劃[2].

人類近年來已發(fā)射多顆金星探測(cè)器，包括進(jìn)行金星先鋒號(hào)(Pioneer Venus)[3]、金星號(hào)(Venera)[4]、麥哲倫號(hào)(Magellan)[5]等，其姿態(tài)指向設(shè)計(jì)各不相同.早期探測(cè)器以能否進(jìn)入行星環(huán)繞軌道為任務(wù)目標(biāo)，其運(yùn)行壽命和信息采集量有限，其天線被設(shè)計(jì)成僅在需要時(shí)指向地球，姿態(tài)設(shè)計(jì)方法往往沿用地球衛(wèi)星三軸穩(wěn)定對(duì)地指向的理念；隨著控制能力的增強(qiáng)，探測(cè)器逐漸采用多星定向方式，即在不同的任務(wù)階段采取不同的姿態(tài)指向.自1989年以來，共有兩個(gè)多星定向的金星探測(cè)器發(fā)射升空：“金星快車(Venus Express)”探測(cè)器[6-7]，“拂曉(AKATSUKI)”探測(cè)器[8-11].為避免數(shù)據(jù)溢出，此類探測(cè)器裝備多根天線始終指向地球.

以空間環(huán)境為探測(cè)任務(wù)的金星探測(cè)器一般攜帶多種探測(cè)儀器，產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)雜且數(shù)量巨大，星際數(shù)傳屬超遠(yuǎn)距離傳輸且數(shù)據(jù)空間損耗嚴(yán)重，故數(shù)傳天線一般以低碼速率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)傳輸；探測(cè)器艙內(nèi)為了保持各種設(shè)備工作的最佳溫度并保持能量平衡，固定散熱面設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)潔和有效的方式.僅通過偏置安裝數(shù)傳天線即可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，且減少數(shù)傳天線的裝備數(shù)量.

本文針對(duì)金星探測(cè)器，通過偏置安裝數(shù)傳天線，提供了一種新的姿態(tài)指向策略以降低研發(fā)和制造飛行器的難度.這種新方案克服現(xiàn)有金星探測(cè)器必須裝備2個(gè)或以上數(shù)傳天線以固定散熱面的不足，既可將對(duì)地?cái)?shù)傳天線數(shù)量減至1個(gè)以減少裝載設(shè)備，又可固定探測(cè)器的散熱面以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低研制難度.

1 常規(guī)安裝天線的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)

依據(jù)常規(guī)安裝天線的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)，Venus Express 將天線數(shù)量縮減到了兩根.下面將詳細(xì)介紹此種姿態(tài)指向策略如何保持天線指向地球的同時(shí)是散熱器遠(yuǎn)離太陽.

Venus Express攜帶兩個(gè)數(shù)傳天線且背向安裝：高增益大型天線進(jìn)行較遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，低增益小型天線進(jìn)行較近距離數(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示；AKATSUKI攜帶高增益、中增益和低增益3個(gè)數(shù)傳天線，其中高增益天線作為主份執(zhí)行數(shù)傳任務(wù)，如圖2所示.Venus Express和AKATSUKI帆板的軸向垂直于金星公轉(zhuǎn)平面，并進(jìn)行對(duì)日跟蹤定向以保持光線入射角接近90°，即Venus Express的帆板沿A-C面安裝.

Venus Express于2006年4月進(jìn)入金星工作軌道，金星和地球?qū)μ柕膹埥羌s為53°.如圖2所示，在任務(wù)初期(金星距離地球較近)，探測(cè)器將依靠低增益天線進(jìn)行數(shù)傳并保持C面背向太陽；隨著金星距離地球增加，探測(cè)器將繞A-C軸進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)以依靠高增益天線進(jìn)行數(shù)傳，且仍保持C面背向太陽；待探測(cè)器飛越“地-日-金”共線時(shí)刻后，光線對(duì)C面的入射角逐漸變大(仍為負(fù)值)，則探測(cè)器繞B面法向進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)將C面背向太陽并遠(yuǎn)離受照趨勢(shì)；探測(cè)器將保持該姿態(tài)指向直至任務(wù)結(jié)束.上述姿態(tài)指向?yàn)樘綔y(cè)器處于巡航、數(shù)傳和環(huán)境探測(cè)(對(duì)姿態(tài)沒有嚴(yán)格要求)等期間的姿態(tài)規(guī)劃；而金星表面成像等探測(cè)任務(wù)要求儀器定向且工作時(shí)間較短，則由姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)施機(jī)動(dòng)以滿足短期工作要求.AKATSUKI采用類似的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)，用于金星探測(cè)任務(wù).

上述姿態(tài)指向設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：保證光線對(duì)帆板的入射角接近90°，以最大限度獲取能源；任務(wù)期間，總存在1個(gè)數(shù)傳天線對(duì)地定向，可隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以緩解傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸碼速率較低的問題；任務(wù)期間，C面(如圖3所示)一直保持背向太陽，故可作為固定散熱面以簡(jiǎn)化探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；而為了維持散熱面需要增加器載設(shè)備(Venus Express采用2個(gè)數(shù)傳天線，AKATSUKI采用3個(gè)數(shù)傳天線)，即增加探測(cè)器的質(zhì)量又增加數(shù)傳天線與星務(wù)、總體電路等分系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和電信流的聯(lián)絡(luò)，從而增加探測(cè)器的研制難度并降低系統(tǒng)可靠性.

2 偏置安裝天線的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)

2.1偏置安裝天線設(shè)計(jì)

與Venus Express的方案類似，探測(cè)器帆板的軸向垂直于金星公轉(zhuǎn)平面，并進(jìn)行對(duì)日跟蹤定向以保持光線入射角接近90°.如圖4所示，B面和C面設(shè)計(jì)為散熱面，B和C交替使用，可通過百葉窗等熱控成熟技術(shù)切換.唯一的數(shù)傳天線偏置安裝于B的平行面，且天線中心軸線垂直于A和B面的法向并與C面所成的偏置角記為θ角(0°<θ<90°).星敏感器分別安裝在B面和C面以滿足定姿的要求.

與Venus Express 和AKATSUKI相比，新的金星探測(cè)器有兩種新的姿態(tài)指向方案，它們基于下一節(jié)定義的金星公轉(zhuǎn)的弧段和節(jié)點(diǎn).

2.2兩種姿態(tài)指向設(shè)計(jì)方案

方案Ⅰ和方案Ⅱ均以584天為一個(gè)循環(huán)周期.如圖5所示，在方案Ⅰ中，整個(gè)過程探測(cè)器共進(jìn)行2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)，2次散熱面切換；散熱面切換發(fā)生在靠近地球的節(jié)點(diǎn)J1和J4，且B面(弧段α、β和γ)承擔(dān)散熱面的時(shí)間遠(yuǎn)大于C面(弧段ζ和δ).

在整個(gè)探測(cè)器運(yùn)行階段，B面和C面交替作為散熱面使用.在弧段α期間，B面和C面均遠(yuǎn)離太陽，所以都可作為散熱面使用.而在弧段β內(nèi)，B面受熱而C面不受熱，只有B面可作為散熱面.在弧段γ內(nèi)，B和C面均不受照，可作為散熱面使用.在弧段ζ和δ中，C面背對(duì)太陽而B面受照，故C面可作為散熱面使用.在探測(cè)器工作期間，天線始終指向地球，而且探測(cè)器帆板的軸向在對(duì)日期間垂直于金星公轉(zhuǎn)平面.

飛行期間所有的節(jié)點(diǎn)定義如下.對(duì)于從弧段δ進(jìn)入α間的節(jié)點(diǎn)J1，B面由受照變化為不受照，可將散熱面由C面切換為B面，姿態(tài)無需機(jī)動(dòng).節(jié)點(diǎn)J2由弧段α進(jìn)入β，C面由不受照變化為受照，散熱面無需切換且姿態(tài)無需機(jī)動(dòng).節(jié)點(diǎn)J3由弧段β進(jìn)入γ，B面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進(jìn)行180° 機(jī)動(dòng)，而B和C面均不受照且B面仍可作為散熱面使用.節(jié)點(diǎn)J4由弧段γ進(jìn)入ζ，B面由不受照變化為受照，可將散熱面由B面切換為C面，姿態(tài)無需機(jī)動(dòng).節(jié)點(diǎn)J5：由弧段ζ進(jìn)入α，C面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進(jìn)行180°機(jī)動(dòng)，則C面不再受照且C面仍可作為散熱面使用.

如圖6所示，方案Ⅱ中探測(cè)器仍需要2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)，不同的是其中1次機(jī)動(dòng)位置由節(jié)點(diǎn)J3提前到節(jié)點(diǎn)J2.整個(gè)過程仍需要2次散熱面切換，散熱面切換發(fā)生在遠(yuǎn)離地球的節(jié)點(diǎn)J2和J3，且C面(弧段γ、ζ、δ和α)承擔(dān)散熱面的時(shí)間遠(yuǎn)大于B面(弧段β).

弧段α、ζ和δ內(nèi)姿態(tài)指向以及節(jié)點(diǎn)J1、J2、J4和V上的姿態(tài)機(jī)動(dòng)和散熱面切換等動(dòng)作與方案Ⅰ中完全一致.另一方面，弧段β、γ以及節(jié)點(diǎn)J2、J3則與方案Ⅰ中有著不同的分解方式.在弧段β內(nèi)B面不受照而C面受照，故B面可作為散熱面使用；弧段γ內(nèi)探測(cè)器B和C面均不受照，可作為散熱面使用.節(jié)點(diǎn)J2由弧段α進(jìn)入β，C面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進(jìn)行180°機(jī)動(dòng)，則B面不受照而C面受照，故B面仍可作為散熱面使用.節(jié)點(diǎn)J3由弧段β進(jìn)入γ，C面由受照變化為不受照，B面仍可作為散熱面使用，姿態(tài)無需機(jī)動(dòng).

而地球至金星軌道的轉(zhuǎn)移一般采取霍曼轉(zhuǎn)移，其運(yùn)動(dòng)過程如圖7所示，其參考坐標(biāo)系與圖5圖6保持一致.到達(dá)金星時(shí)地金對(duì)日張角約為57°.轉(zhuǎn)移過程中采用C面作為散熱面，轉(zhuǎn)移結(jié)束后進(jìn)入階段Ⅱ中.

2.3姿態(tài)指向設(shè)計(jì)中的定量飛行弧段分析

各個(gè)弧段的長(zhǎng)度計(jì)算如下：

方案Ⅱ的節(jié)點(diǎn)(J1、J2、J4和J5)位置以及弧段(α、ζ和δ)長(zhǎng)度與方案Ⅰ完全一致，不同之處如下：

此外，根據(jù)探測(cè)器的指向控制精度設(shè)計(jì)天線偏置角，原則上應(yīng)滿足ε<90°-θ以避免散熱面受照.而探測(cè)器指向精度應(yīng)優(yōu)于數(shù)傳天線的波束角，以ε=5°為例，則天線偏置角θ可取值為80°.

探測(cè)器一般采取霍曼方式進(jìn)行地金轉(zhuǎn)移，且到達(dá)金星時(shí)地金對(duì)日張角約為57°.在壽命期內(nèi)的巡航飛行階段，探測(cè)器帆板的軸向垂直于金星公轉(zhuǎn)平面并保持對(duì)日定向.

對(duì)于方案Ⅰ，各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為38°(J1)、163°(J2)、301°(J3)、321°(J4)、3°(J5)，各弧段的長(zhǎng)度分別為125°(α)、138°(β)、20°(γ)、42°(ζ)、35°(δ).并進(jìn)行如下步驟：(1)探測(cè)器達(dá)到金星時(shí)將位于節(jié)點(diǎn)J1和J2之間，并以圖5所示姿態(tài)進(jìn)行數(shù)傳天線對(duì)地指向，B面作為散熱面使用.(2)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J3前8天，繞數(shù)傳天線軸向進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng).(3)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J4前8天，散熱面由B面切換為C面.(4)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J5前8天，繞數(shù)傳天線軸向進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng).(5)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J1前8天，散熱面由C面切換為B面.此后探測(cè)器重復(fù)上述步驟(2)～(5)，直至探測(cè)器壽命結(jié)束.

方案Ⅱ中各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為38°(J1)、163°(J2)、197°(J3)、321°(J4)、3°(J5)，各弧段的長(zhǎng)度分別為125°(α)、34°(β)、124°(γ)、42°(ζ)、35°(δ)，并進(jìn)行如下步驟：(1)探測(cè)器達(dá)到金星時(shí)將位于節(jié)點(diǎn)J1和J2之間，并以圖6所示姿態(tài)進(jìn)行數(shù)傳天線對(duì)地指向，B面作為散熱面使用.(2)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J2前8天，繞數(shù)傳天線軸向進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng).(3)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J4前8天，散熱面由B面切換為C面.(4)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J5前8天，繞數(shù)傳天線軸向進(jìn)行180°姿態(tài)機(jī)動(dòng).(5)探測(cè)器到達(dá)節(jié)點(diǎn)J1前8天，散熱面由C面切換為B面.此后探測(cè)器重復(fù)上述步驟(2)～(5)，直至探測(cè)器壽命結(jié)束.

上述兩種姿態(tài)指向方案均以584天為一個(gè)循環(huán)周期，進(jìn)行2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)，2次散熱面切換.然而，方案I中整個(gè)過程探測(cè)器共進(jìn)行2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)，2次散熱面切換；散熱面切換發(fā)生在靠近地球的節(jié)點(diǎn)J1和J4，且B面(弧段α、β和γ，共283°)承擔(dān)散熱面的時(shí)間遠(yuǎn)大于C面(弧段ζ和δ，共77°).方案Ⅱ中整個(gè)過程探測(cè)器仍需要2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)，不同的是其中1次機(jī)動(dòng)位置由節(jié)點(diǎn)J3提前到節(jié)點(diǎn)J2；整個(gè)過程仍需要2次散熱面切換，散熱面切換發(fā)生在遠(yuǎn)離地球的節(jié)點(diǎn)J2和J3，且C面(弧段α、γ、ζ和δ，共326°)承擔(dān)散熱面的時(shí)間遠(yuǎn)大于B面(弧段β，共34°).

針對(duì)此過程進(jìn)行重要參數(shù)的定量分析.其中包括數(shù)傳天線與地面站夾角、散熱面法線與太陽矢量夾角的數(shù)值變化.在天線始終指向地球的前提下，以地日連線為起點(diǎn)，與地日連線的順時(shí)針夾角θ作為自變量，通過簡(jiǎn)化得到數(shù)傳天線與地面站夾角，如圖8 所示.兩種方案的夾角變化均一樣.其中在180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)期間天線并不隨時(shí)指向地球，故沒有單獨(dú)標(biāo)示.可以看出，每天均有幾個(gè)小時(shí)天線與地面夾角處在較大數(shù)值范圍，可以滿足定時(shí)數(shù)傳通信的需要.

同樣以地日連線為起點(diǎn)，與地日連線的順時(shí)針夾角θ作為自變量，通過簡(jiǎn)化得到散熱面B面和C與太陽矢量的夾角.其中兩種方案略有不同，圖9和圖10分別給出其變化過程.

探測(cè)器環(huán)金工作軌道的尺度相對(duì)于金星工作軌道完全可以忽略，則探測(cè)器所處的弧段可根據(jù)“金-日”和“地-日”矢量的相對(duì)方位判斷，即可根據(jù)當(dāng)前時(shí)間通過計(jì)算星歷進(jìn)行判斷；根據(jù)節(jié)點(diǎn)判讀結(jié)果以及姿態(tài)指向的控制精度，制定散熱面切換或姿態(tài)機(jī)動(dòng)等操作.

探測(cè)器一般攜帶星敏感器進(jìn)行慣性空間的姿態(tài)測(cè)量和確定，無法直接獲取“金-地”矢量方向；“金-日”和“地-日”矢量相對(duì)方位的緩慢變化導(dǎo)致數(shù)傳天線對(duì)地指向的變化率較低，則姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)參考坐標(biāo)系(“金-地”和金星公轉(zhuǎn)矢量張成右手坐標(biāo)系)的更新頻率要求很低(該參考坐標(biāo)系甚至可以由地面指令注入)，將有效地降低器載計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量.

3 結(jié) 論

空間環(huán)境為探測(cè)任務(wù)的金星探測(cè)器一般攜帶多種探測(cè)儀器，產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)雜且數(shù)量巨大，星際數(shù)傳屬超遠(yuǎn)距離傳輸且數(shù)據(jù)空間損耗嚴(yán)重，故數(shù)傳天線一般以低碼速率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)傳輸；探測(cè)器艙內(nèi)為了保持各種設(shè)備工作的最佳溫度并保持能量平衡，固定散熱面設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)潔和有效的方式.僅通過偏置安裝數(shù)傳天線即可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，且將數(shù)傳天線的裝備數(shù)量減少到1根.

兩種基于地球和金星公轉(zhuǎn)周期的姿態(tài)指向設(shè)計(jì)方案均采用2次180°姿態(tài)機(jī)動(dòng)和2次在特定節(jié)點(diǎn)的散熱面切換.這兩種方案是為了論證偏置安裝天線的有效性，確保單根天線始終指向地球而散熱面背對(duì)太陽.飛行期間的各弧段和各節(jié)點(diǎn)也是依據(jù)這兩種方案定義劃分.

偏置安裝天線能夠有效地將至少兩根天線縮減到1根，同時(shí)保持固定散熱面背對(duì)太陽.這將會(huì)大大簡(jiǎn)化航天器設(shè)計(jì)并降低制造成本.

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AnAttitudePointingDesignAppliedtoVenusSpacecraft

MA Yuechen, XU Ming

(BeihangUniversity,Beijing100191,China)

Venus detection requires ultra-long-distance transmission at low-bit-rate, so Venus spacecraft need to keep digital antennas pointing to the earth. Compared with the earth spacecraft, Venus spacecraft are closer to the sun. So the fixed radiator is needed to maintain the temperature inside the spacecraft. Based on the antenna irregularly placed on the spacecraft, a design is provided to ensure that the data is transferred from Venus to the earth and that the heat dissipation surface is maintained away from the sun. Unlike other Venus spacecraft such as Venus Express and AKATSUKI equipped with two or more antennas to transmit data, this design is aimed to reduce the number of digital antennas to only one, meanwhile the two fixed plane is designed as a cooling surface. Two detailed strategies are also provided to drive the attitude maneuver to ensure that the digital antenna always points to the earth while switching the cooling surface in a particular node.

Venus exploration； placing the antenna irregularly； fixed radiator

2017-03-07

V476.4

A

1674-1579(2017)05-0014-08

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.05.003

馬越辰(1994—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍涝O(shè)計(jì)和空間探測(cè);徐明(1981—),男，副教授，研究方向?yàn)楹教炱鬈壍绖?dòng)力學(xué)與控制、航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì).