馬越辰，徐 明

(北京航空航天大學，北京 100191)

*國家自然科學基金資助項目(11772024).

一種針對金星探測器的姿態(tài)指向設(shè)計*

馬越辰，徐 明

(北京航空航天大學，北京 100191)

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

金星探測；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，人類活動逐漸擴展到太陽系內(nèi)類地行星等深空探測領(lǐng)域.通過發(fā)射行星探測器進行行星空間環(huán)境以及太陽系和宇宙起源與演化等科學任務(wù)探測.對于以金星為代表的類地行星探測器，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)探測任務(wù)和飛行軌道以及環(huán)境設(shè)計合適的姿態(tài)指向以滿足探測器對能源、溫控以及數(shù)傳等指標需求[1].

金星探測器具有地球遙遠，可維護能力較差；故探測器應(yīng)采取簡潔設(shè)計以增加系統(tǒng)抗干擾能力：探測器應(yīng)盡可能少地安裝設(shè)備，減少轉(zhuǎn)動部件的數(shù)量以及轉(zhuǎn)角范圍；探測器應(yīng)采取固定或準固定散熱面設(shè)計，即可有效控制探測器內(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)保持長時間指向地球以延長通訊時長.為了最大限度獲取探測數(shù)據(jù)并完成對地傳輸，同時降低探測器的研制難度，需要針對探測器進行全壽命期姿態(tài)指向規(guī)劃[2].

人類近年來已發(fā)射多顆金星探測器，包括進行金星先鋒號(Pioneer Venus)[3]、金星號(Venera)[4]、麥哲倫號(Magellan)[5]等，其姿態(tài)指向設(shè)計各不相同.早期探測器以能否進入行星環(huán)繞軌道為任務(wù)目標，其運行壽命和信息采集量有限，其天線被設(shè)計成僅在需要時指向地球，姿態(tài)設(shè)計方法往往沿用地球衛(wèi)星三軸穩(wěn)定對地指向的理念；隨著控制能力的增強，探測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，共有兩個多星定向的金星探測器發(fā)射升空：“金星快車(Venus Express)”探測器[6-7]，“拂曉(AKATSUKI)”探測器[8-11].為避免數(shù)據(jù)溢出，此類探測器裝備多根天線始終指向地球.

以空間環(huán)境為探測任務(wù)的金星探測器一般攜帶多種探測儀器，產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)復(fù)雜且數(shù)量巨大，星際數(shù)傳屬超遠距離傳輸且數(shù)據(jù)空間損耗嚴重，故數(shù)傳天線一般以低碼速率進行長時傳輸；探測器艙內(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)計是最簡潔和有效的方式.僅通過偏置安裝數(shù)傳天線即可實現(xiàn)上述目標，且減少數(shù)傳天線的裝備數(shù)量.

本文針對金星探測器，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)有金星探測器必須裝備2個或以上數(shù)傳天線以固定散熱面的不足，既可將對地數(shù)傳天線數(shù)量減至1個以減少裝載設(shè)備，又可固定探測器的散熱面以簡化設(shè)計和降低研制難度.

1 常規(guī)安裝天線的姿態(tài)指向設(shè)計

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

Venus Express攜帶兩個數(shù)傳天線且背向安裝：高增益大型天線進行較遠距離數(shù)據(jù)傳輸，低增益小型天線進行較近距離數(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，并進行對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)，探測器將依靠低增益天線進行數(shù)傳并保持C面背向太陽；隨著金星距離地球增加，探測器將繞A-C軸進行180°姿態(tài)機動以依靠高增益天線進行數(shù)傳，且仍保持C面背向太陽；待探測器飛越“地-日-金”共線時刻后，光線對C面的入射角逐漸變大(仍為負值)，則探測器繞B面法向進行180°姿態(tài)機動將C面背向太陽并遠離受照趨勢；探測器將保持該姿態(tài)指向直至任務(wù)結(jié)束.上述姿態(tài)指向為探測器處于巡航、數(shù)傳和環(huán)境探測(對姿態(tài)沒有嚴格要求)等期間的姿態(tài)規(guī)劃；而金星表面成像等探測任務(wù)要求儀器定向且工作時間較短，則由姿態(tài)控制系統(tǒng)實施機動以滿足短期工作要求.AKATSUKI采用類似的姿態(tài)指向設(shè)計，用于金星探測任務(wù).

上述姿態(tài)指向設(shè)計具有如下特點：保證光線對帆板的入射角接近90°，以最大限度獲取能源；任務(wù)期間，總存在1個數(shù)傳天線對地定向，可隨時進行數(shù)據(jù)傳輸以緩解傳輸距離較遠、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化探測器系統(tǒng)設(shè)計；而為了維持散熱面需要增加器載設(shè)備(Venus Express采用2個數(shù)傳天線，AKATSUKI采用3個數(shù)傳天線)，即增加探測器的質(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

2.1偏置安裝天線設(shè)計

與Venus Express的方案類似，探測器帆板的軸向垂直于金星公轉(zhuǎn)平面，并進行對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.

2.2兩種姿態(tài)指向設(shè)計方案

方案Ⅰ和方案Ⅱ均以584天為一個循環(huán)周期.如圖5所示，在方案Ⅰ中，整個過程探測器共進行2次180°姿態(tài)機動，2次散熱面切換；散熱面切換發(fā)生在靠近地球的節(jié)點J1和J4，且B面(弧段α、β和γ)承擔散熱面的時間遠大于C面(弧段ζ和δ).

在整個探測器運行階段，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面背對太陽而B面受照，故C面可作為散熱面使用.在探測器工作期間，天線始終指向地球，而且探測器帆板的軸向在對日期間垂直于金星公轉(zhuǎn)平面.

飛行期間所有的節(jié)點定義如下.對于從弧段δ進入α間的節(jié)點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)無需機動.節(jié)點J2由弧段α進入β，C面由不受照變化為受照，散熱面無需切換且姿態(tài)無需機動.節(jié)點J3由弧段β進入γ，B面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進行180° 機動，而B和C面均不受照且B面仍可作為散熱面使用.節(jié)點J4由弧段γ進入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)無需機動.節(jié)點J5：由弧段ζ進入α，C面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進行180°機動，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中探測器仍需要2次180°姿態(tài)機動，不同的是其中1次機動位置由節(jié)點J3提前到節(jié)點J2.整個過程仍需要2次散熱面切換，散熱面切換發(fā)生在遠離地球的節(jié)點J2和J3，且C面(弧段γ、ζ、δ和α)承擔散熱面的時間遠大于B面(弧段β).

弧段α、ζ和δ內(nèi)姿態(tài)指向以及節(jié)點J1、J2、J4和V上的姿態(tài)機動和散熱面切換等動作與方案Ⅰ中完全一致.另一方面，弧段β、γ以及節(jié)點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)探測器B和C面均不受照，可作為散熱面使用.節(jié)點J2由弧段α進入β，C面由不受照變化為受照，姿態(tài)需繞天線軸向進行180°機動，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J3由弧段β進入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)無需機動.

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

2.3姿態(tài)指向設(shè)計中的定量飛行弧段分析

各個弧段的長度計算如下：

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

此外，根據(jù)探測器的指向控制精度設(shè)計天線偏置角，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°.

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

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

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

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

針對此過程進行重要參數(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，與地日連線的順時針夾角θ作為自變量，通過簡化得到數(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)機動期間天線并不隨時指向地球，故沒有單獨標示.可以看出，每天均有幾個小時天線與地面夾角處在較大數(shù)值范圍，可以滿足定時數(shù)傳通信的需要.

同樣以地日連線為起點，與地日連線的順時針夾角θ作為自變量，通過簡化得到散熱面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.

探測器環(huán)金工作軌道的尺度相對于金星工作軌道完全可以忽略，則探測器所處的弧段可根據(jù)“金-日”和“地-日”矢量的相對方位判斷，即可根據(jù)當前時間通過計算星歷進行判斷；根據(jù)節(jié)點判讀結(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)機動等操作.

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

3 結(jié) 論

空間環(huán)境為探測任務(wù)的金星探測器一般攜帶多種探測儀器，產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)復(fù)雜且數(shù)量巨大，星際數(shù)傳屬超遠距離傳輸且數(shù)據(jù)空間損耗嚴重，故數(shù)傳天線一般以低碼速率進行長時傳輸；探測器艙內(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)計是最簡潔和有效的方式.僅通過偏置安裝數(shù)傳天線即可實現(xiàn)上述目標，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)計方案均采用2次180°姿態(tài)機動和2次在特定節(jié)點的散熱面切換.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太陽.飛行期間的各弧段和各節(jié)點也是依據(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，同時保持固定散熱面背對太陽.這將會大大簡化航天器設(shè)計并降低制造成本.

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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，研究方向為軌道設(shè)計和空間探測;徐明(1981—),男，副教授，研究方向為航天器軌道動力學與控制、航天任務(wù)分析與設(shè)計.