李一冰，杨 颖，吴 雷

(北京控制工程研究所，北京 100190)

O 引言

红外地球敏感器［1］(IES，infrared earth sensor)是一种目前应用最为广泛的卫星姿态敏感器.辐射强度(RI，radiant intensity)则是用于监测IES对地球红外辐射特性灵敏程度的遥测参数，可作为评估IES性能的参数使用.此外，辐射强度的波动还会引起IES的测量误差［2］，所以研究辐射强度的在轨变化规律是很有意义的.为了能够及时有效对该参数进行判读，需要明确其在轨变化规律.对该参数长期在轨数据进行统计分析，并给出其变化规律，可以为IES在轨性能评估提供有效依据.目前罕有相关研究，由于缺少在轨数据的分析，相关研究主要以数学仿真为主.

本文以某卫星红外地球敏感器辐射强度(IESRI，infrared earth sensor radiant intensity)在轨数据为样本进行分析.该卫星为太阳同步轨道卫星，至今已在轨正常工作8年多.通过对其IES在轨辐射强度数据进行统计分析，给出辐射强度在轨变化规律，并分析影响红外辐射强度变化的主要因素.

1 IES工作原理

IES由红外光学头部和信息处理电路组成［3］.红外光学头部的功能是对地球大气圈进行红外探测，获取卫星姿态信息;信息处理电路的功能则是将红外光学头部输出的模拟信号处理成数字信号.IES工作机理为:首先IES的视场相对于地球作扫描运动，当视场穿越地平线时，即扫到地球和空间交界时，IES接收到红外辐射能量的跃变，经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转换成电信号，形成地球方波，然后通过放大和处理电路，把它转换成前沿脉冲和后沿脉冲;最后通过局部通信单元把前后沿脉冲与姿态基准脉冲进行比较得到姿态信息.其中探测器是IES的核心器件，用来敏感红外辐射能量的跃变.辐射强度则是表征地球方波幅值大小的物理量，可以直接监测探测器对红外辐射能量灵敏度的变化.

辐射强度为地球红外波段14～16.25 μm的辐射亮度经过电路处理后得到的遥测量，一般用电压表示.辐射强度与地球辐射亮度间的关系可由下式表示［1］:

式中:V为辐射强度;LE1Δλ为Δλ波段地球辐射亮度;A为光学系统入瞳面积;Ω为光学系统视场角所对应的立体角;R为红外探测器响应率;η为光学系统效率.

2 分析方法

由红外地球敏感器工作原理可以知道，辐射强度是由探测器进行热电转换得到的电信号，能够反映地球与空间背景间红外辐射能量的差异，其中空间背景的红外辐射能量可以认为基本恒定，则辐射强度的变化主要与地球红外辐射特性有关.文献［4］对地球红外辐射特性进行了试验研究，结果表明地球红外辐射特性主要与太阳辐射和地表地貌有关.针对本文所研究卫星，由于其为太阳同步轨道卫星，轨道面与太阳矢量夹角基本固定，且卫星在轨运行姿态稳定，所以其敏感地球红外辐射主要与卫星的星下点地理位置和季节相关.

为了更好地对在轨数据进行分析，首先对其进行剔野.文献［5］对太阳、月亮如何影响IES工作及红外辐射强度进行了分析，这种影响具体表现为辐射强度数值的跳变，并结合IES见太阳标志和见月亮标志(大多IES没有此标志，可结合卫星所处位置分析得出是否见月亮)作为剔野依据，在此基础上将遥测数据中因红外敏感器受太阳和月亮干扰造成的异常数据剔除.在分析辐射强度变化规律时，结合在轨数据常用分析方法，从在轨运行时间的角度将辐射强度变化规律分为短期、中期和长期3个方面.在研究中、长期变化规律时，为了排除地理位置的影响，通过采用星下点地理经度和纬度基本一致的数据，以此分析红外地球敏感器辐射强度随在轨时间的变化规律.统计分析方法如下:

1)短期辐射强度变化规律:通过对一个轨道周期内辐射强度的在轨数据进行分析，给出辐射强度的变化规律，分析影响辐射强度变化的主要因素.

2)中期辐射强度变化规律:通过对一年中春分、夏至、秋分和冬至附近的在轨数据进行分析，给出辐射强度的变化规律，分析影响辐射强度变化的主要因素.

3)长期辐射强度变化规律:通过对几年中相同地理位置和月份的在轨数据进行分析，给出辐射强度的变化规律，分析影响辐射强度变化的主要因素.

3 分析过程

3.1 辐射强度短期变化规律

对在轨多个轨道周期的数据进行统计可知红外辐射强度的变化具有明显周期特性，其在连续3个轨道圈次内的变化规律如图1所示.

图1 辐射强度短期变化规律Fig.1 Short-term changing law of IESRI

由于本文所研究卫星为低轨太阳同步轨道卫星，一个轨道周期约为5200 s，此短时间内太阳辐射对地球红外辐射特性影响变化较小，可以忽略，所以短期影响红外辐射强度的主要因素为卫星所处地理位置.

通过对连续几天内红外辐射强度数据进行分析，选取相近纬度(10°以内)不同经度和相近经度(10°以内)不同纬度的辐射强度数据进行统计，统计结果表明辐射强度在相近纬度内的变化幅度为0.25 V，在相近经度内的变化幅度为1.26 V，显然辐射强度主要受星下点地理纬度的影响.

红外辐射强度与星下点地理纬度的关系如图2所示.

图2 6月份辐射强度与地理纬度关系Fig.2 Relationship between IESRI and latitude in Jun

由于所选取统计数据为6月份数据，此时太阳星下点在北半球，所以在北半球的辐射强度明显高于南半球，且在接近两极处达到峰值，峰峰值之比为2.42.再考察12月份数据，结果如图3所示.

图3 12月份辐射强度与地理纬度关系Fig.3 Relationship between IESRI and latitude in Dec

从图3中可以看出，此时辐射强度相对地理纬度也呈周期变化，只是变化趋势与6月情况相反，南半球数据要高于北半球.可见，辐射强度短期内的变化规律主要与卫星星下点纬度相关，中长期则需要考虑季节的变化.

3.2 辐射强度中期变化规律

由前面分析结果可知辐射强度随地理位置不同会有较大变化，且主要与纬度相关，所以在对中长期数据进行分析时需选择相近地理纬度处的数据进行统计.图4给出2006年度北纬50°附近IESRI的变化规律.

为了更全面分析IESRI的中期变化规律，选取北半球、赤道和南半球相近纬度处一年内春分、夏至、秋分和冬至所在月份辐射强度数据的平均值进行统计，统计结果如表1所示.

图4 北纬50°处IESRI年变化规律Fig.4 Changing law of IESRI at 50°N

表1 中期辐射强度数据统计结果Tab.1 Statistical results of medium-term IESRI data V

表1中第1、2、3组统计数据分别代表北半球北纬50°、赤道和南半球南纬50°处的统计数据.

从图4中可以看出，在一年内相近纬度处的辐射强度随季节有明显变化，北半球辐射强度在夏季达到最大值，冬季最小.参照表1可知，南半球也有相同结果.赤道处辐射强度基本相当，在夏、冬两季略有减小.

上述结果均符合地球红外辐射特性，即与太阳辐射相关.随着季节不同，太阳星下点在南北回归线间移动，造成相同地理位置处红外辐射特性呈与季节相关的周期变化.

3.3 辐射强度长期变化规律

选取2006年、2008年、2010年和2012年相同地理位置、相同月份的数据进行统计，为了便于观察辐射强度变化趋势，对数据进行归一化处理，统计结果如表2所示.

从表2中可以看出，辐射强度呈逐渐衰减的趋势，且后期衰减程度明显大于初期.由于通过选取特定数据进行统计，排除了地理位置和季节因素对辐射强度的影响.此外，再考察太阳活动对辐射强度长期变化是否会产生影响.文献［6］中数据表明，太阳对地球总辐射变化规律约为每年0.03%递减，而1%的变化大约引起地球温度发生1 K的变化.太阳黑子的大规模爆发也会造成短期内总辐射发生较大衰减，最大约为0.22%.而1 K的温差对辐射强度引起的变化可以忽略不计，可见太阳活动对于辐射强度的影响可以忽略.所以引起辐射强度衰减的主要因素为红外地球敏感器自身性能的变化.

表2 长期辐射强度数据统计结果Tab.2 Statistical results of long-term IESRI data

由式(1)可知，通过选取特定数据使得LE1Δλ基本不变，A、Ω可以认定为常值，则辐射强度主要与红外探测器响应率R和光学系统效率η有关.通过IES工作原理可以知道，辐射强度由光学头部和处理电路产生.光学镜片长期在轨会受到空间辐照作用导致光学系统敏感地球红外辐射的能力下降.此外，进行光电转换的探测器热敏电阻、各级放大和处理电路中的元器件长期工作后都会在允许范围内出现性能衰退，可见辐射强度长期变化规律表现出的缓慢衰减现象是与红外地球敏感器自身相关的正常现象.

4 结论

本文以某太阳同步轨道卫星在轨数据为样本，对红外地球敏感器辐射强度数据进行统计，分析短期、中期和长期辐射强度的变化规律和影响辐射强度变化的主要因素，结果表明:

1)短期影响辐射强度的主要因素为地理纬度，且呈周期变化.

2)中期影响辐射强度的主要因素为季节变化，且呈周期变化.

3)长期影响辐射强度的主要因素为红外地球敏感器自身性能变化，为缓慢变化过程.

本文所采用数据为一特定类型红外地球敏感器数据，所以其数据本身不具有普遍意义，但通过分析给出的辐射强度变化规律是具有普遍意义的，可以为在轨其他卫星的红外辐射强度参数判读提供有效依据.

［1］ 屠善澄.卫星姿态动力学与控制(3)［M］.北京:中国宇航出版社，2003:61-89.

［2］ 王韬，王平，刘旭力.地球辐射波动对摆动扫描式红外地球敏感器测量误差的影响分析［J］.空间控制技术与应用，2008，34(2):37-43.WANG T，WANG P，LIU X L.Influence of earth radiance fluctuation on the measurement error of swing-scanning infrared earth sensor［J］.Aerospace Control and Application，2008，34(2):37-43.

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