潘 騰， 繆遠(yuǎn)明， 顧荃瑩， 張 龍

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094

0 引 言

空間天文觀測(cè)起源于空間X射線探測(cè)，直到現(xiàn)在，X射線探測(cè)依然是空間天文觀測(cè)的前沿和熱點(diǎn)[1].典型的X射線探測(cè)衛(wèi)星包括：德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)共同研制的倫琴X射線天文衛(wèi)星(ROSAT)[2]、美國(guó)的錢德拉(Chandra)X射線天文臺(tái)[3]、歐洲的牛頓多鏡面X射線觀測(cè)衛(wèi)星(X-ray multi-mirror Newton，XMM-Newton)[4]、美國(guó)的核光譜天文臺(tái)陣列(nuclear spectroscopic telescope array，NuSTAR)、日本的朱雀衛(wèi)星(Suzaku)以及我國(guó)的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星(hard X-Ray modulation telescope，HXMT)等.

X射線天文觀測(cè)衛(wèi)星存在較多的觀測(cè)需求與約束，一般包括全天球掃描觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)深度掃描觀測(cè)、源定位與對(duì)準(zhǔn)、多目標(biāo)頻繁切換觀測(cè)和機(jī)遇目標(biāo)快速切換等需求，以及軌道、熱控、測(cè)控?cái)?shù)傳以及其他平臺(tái)約束.世界已發(fā)射的26顆X射線探測(cè)衛(wèi)星中，尚無(wú)將全天球掃描、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)深度掃描三種觀測(cè)模式結(jié)合的案例.

本文對(duì)X射線天文衛(wèi)星天文觀測(cè)的需求進(jìn)行了分析，提煉了觀測(cè)任務(wù)的需求和約束，設(shè)計(jì)了集巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)與小天區(qū)掃描觀測(cè)于一體的觀測(cè)模式，提出了在軌自主多目標(biāo)切換控制策略，解決了一顆衛(wèi)星同時(shí)實(shí)現(xiàn)全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機(jī)遇目標(biāo)定深度觀測(cè)以及伽馬暴全天監(jiān)測(cè)的多種觀測(cè)需求的難題.

1 X射線天文衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)需求分析

1.1 觀測(cè)模式需求

X射線天文衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)通常包括發(fā)現(xiàn)黑洞、中子星等高能未知天體、天文現(xiàn)象(統(tǒng)稱源)等等，由于宇宙的各向同性，對(duì)于待發(fā)現(xiàn)的源沒有預(yù)期方向，因此通常要求探測(cè)載荷可以均勻覆蓋全天球，即全天球覆蓋觀測(cè).

衛(wèi)星在發(fā)現(xiàn)未知源后還需對(duì)源進(jìn)行深度觀測(cè)，根據(jù)需要觀測(cè)的源的大小，又衍生出定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描觀測(cè)兩種模式.

當(dāng)機(jī)遇目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，衛(wèi)星需快速切換至機(jī)遇目標(biāo)，機(jī)遇目標(biāo)觀測(cè)完畢后恢復(fù)原觀測(cè)目標(biāo).

錢德拉X射線天文臺(tái)衛(wèi)星和牛頓多鏡面X射線觀測(cè)衛(wèi)星等衛(wèi)星設(shè)計(jì)均包含了巡天觀測(cè)和定點(diǎn)觀測(cè)2種觀測(cè)模式.

1.2 源的高精度定位與對(duì)準(zhǔn)需求

要實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線源的高精度定位，除與有效載荷自身的成像定位精度有關(guān)外，還需要衛(wèi)星平臺(tái)提供高精度的望遠(yuǎn)鏡光軸指向測(cè)量.

望遠(yuǎn)鏡光軸指向的測(cè)量精度取決于3個(gè)因素：(1)姿態(tài)敏感器定姿誤差；(2)姿態(tài)敏感器與望遠(yuǎn)鏡相對(duì)裝配誤差；(3)時(shí)間同步誤差.

其中姿態(tài)敏感器與望遠(yuǎn)鏡光軸之間的機(jī)械裝配誤差，主要由安裝測(cè)量誤差及結(jié)構(gòu)變形引起，結(jié)構(gòu)變形主要指衛(wèi)星發(fā)射過程中振動(dòng)、噪聲等力學(xué)環(huán)境作用下機(jī)械應(yīng)力釋放引起的結(jié)構(gòu)變形、由變化的太陽(yáng)光照引起的結(jié)構(gòu)熱變形等.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這項(xiàng)誤差量級(jí)較大，而且在軌期間為未知量，是限制載荷光軸指向確定精度的主要因素.為了消除這部分誤差的影響，衛(wèi)星在軌期間必須使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)二者之間的相對(duì)指向誤差進(jìn)行標(biāo)定.

除了發(fā)現(xiàn)未知源，衛(wèi)星也有對(duì)已知源進(jìn)行觀測(cè)的需求，例如進(jìn)行探測(cè)器標(biāo)定.由于觀測(cè)對(duì)象可能是分布在天球各個(gè)方位的黑洞、中子星、活動(dòng)星系核等高能天體，因此衛(wèi)星必須具有三軸穩(wěn)定慣性定向的能力，并具有任意慣性姿態(tài)的高精度指向控制能力.

1.3 軌道約束

衛(wèi)星的軌道決定了衛(wèi)星是否會(huì)周期性地進(jìn)、出地球陰影，被地球遮擋觀測(cè)目標(biāo)等，從而影響衛(wèi)星的觀測(cè)策略、模式設(shè)計(jì).此外，影響高度較高的范·艾倫輻射帶及影響高度較低的南大西洋異常區(qū)也是軌道設(shè)計(jì)的重要考慮因素，要通過軌道高度和傾角的選擇降低本底水平，滿足望遠(yuǎn)鏡靈敏度的要求.

錢德拉X射線天文臺(tái)的軌道為9 942 km×140 000 km的橢圓，最遠(yuǎn)距離達(dá)到地月距離的三分之一，以避開地球輻射帶的影響(在實(shí)際運(yùn)行中每軌有85%的時(shí)間，約55 h位于地球輻射帶之外).

1.4 熱控約束

空間熱環(huán)境對(duì)X射線天文衛(wèi)星的影響主要有兩方面.首先是低溫探測(cè)器的溫度直接影響探測(cè)的本地噪聲，該類探測(cè)器對(duì)溫度值、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性均提出了嚴(yán)格的要求；其次是空間受熱不均將導(dǎo)致載荷結(jié)構(gòu)變形，從而影響載荷的指向、定位精度，從這個(gè)方面出發(fā)，觀測(cè)任務(wù)希望衛(wèi)星入軌后能夠擁有穩(wěn)定的受熱環(huán)境.

1.5 測(cè)控與數(shù)傳約束

衛(wèi)星控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、載荷探測(cè)數(shù)據(jù)的下傳均要依賴衛(wèi)星的測(cè)控?cái)?shù)傳功能，在開展測(cè)控?cái)?shù)傳功能設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮由于天文觀測(cè)衛(wèi)星觀測(cè)姿態(tài)不固定、對(duì)地面不固定所帶來(lái)的影響.除此之外，由于衛(wèi)星沒有固定對(duì)地面，觀測(cè)姿態(tài)對(duì)采用GNSS系統(tǒng)進(jìn)行定位、授時(shí)的衛(wèi)星也會(huì)產(chǎn)生較大影響.

1.6 其他約束

除以上所列幾點(diǎn)，觀測(cè)任務(wù)對(duì)衛(wèi)星在能源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)統(tǒng)等方面也存在不同需求，本文不在此一一列舉.

2 HXMT衛(wèi)星控制總體設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星是我國(guó)首顆自主研制的大型天文衛(wèi)星，其任務(wù)設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)對(duì)后續(xù)天文觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃有重要的借鑒意義[5].

2.1 衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)

HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌后，在衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下，通過對(duì)1～250 keV能區(qū)的X射線天文觀測(cè)可以完成對(duì)眾多天體目標(biāo)和現(xiàn)象進(jìn)行深入全面的科學(xué)研究[6].

HXMT任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)是：

目標(biāo)1：通過巡天觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和未知類型天體，研究宇宙硬X射線背景輻射的性質(zhì).

目標(biāo)2：通過定點(diǎn)觀測(cè)黑洞、中子星、活動(dòng)星系核等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)中物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)和高能輻射過程.

目標(biāo)3：通過定點(diǎn)觀測(cè)X射線脈沖星，探索利用X射線脈沖星實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理.

2.2 控制系統(tǒng)組成

HXMT衛(wèi)星控制系統(tǒng)，主要由以下部件組成：

敏感器：包括1臺(tái)數(shù)字太陽(yáng)敏感器、5臺(tái)模擬太陽(yáng)敏感器、3臺(tái)0-1太陽(yáng)敏感器、2臺(tái)二浮陀螺組合件、1臺(tái)光纖陀螺組件、3臺(tái)中等精度星敏感器；

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：6臺(tái)動(dòng)量輪、3臺(tái)磁力矩器、帆板驅(qū)動(dòng)裝置；

控制器包括：控制計(jì)算機(jī)和應(yīng)急控制器、姿軌控配電器.

分系統(tǒng)組成原理框圖見圖1.

圖1 控制分系統(tǒng)原理框圖

2.3 控制模式設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星工作模式分析與設(shè)計(jì)是整個(gè)任務(wù)分析的核心，它不僅決定了飛行任務(wù)能否順利實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，而且決定了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，進(jìn)而直接影響到系統(tǒng)的研制與運(yùn)營(yíng)成本，因此工作模式設(shè)計(jì)需要進(jìn)行廣泛的權(quán)衡與折衷.

首先，各種工作模式的設(shè)計(jì)要確保完成各種科學(xué)觀測(cè)，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足任務(wù)要求；

第二，工作模式設(shè)計(jì)要兼顧星上能源要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)觀測(cè)姿態(tài)使得太陽(yáng)帆板獲得較好的日照條件，簡(jiǎn)化能源設(shè)計(jì)；

第三，要兼顧星上熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，傾斜軌道以及多種姿態(tài)定向模式帶來(lái)的復(fù)雜外熱流，加上載荷提出的低溫要求(低能探測(cè)器巡天觀測(cè)要求：-80℃～-42℃)，使得熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，因此通過優(yōu)化設(shè)計(jì)觀測(cè)姿態(tài)，盡量使星體具有固定的背陽(yáng)面是工作模式設(shè)計(jì)必須要考慮的；

對(duì)于科學(xué)目標(biāo)1和2，無(wú)論從觀測(cè)目標(biāo)、科學(xué)原理以及實(shí)現(xiàn)方式上都存在很大差異，科學(xué)目標(biāo)1主要是實(shí)現(xiàn)全天球覆蓋，工作模式的設(shè)計(jì)必須首先滿足這一要求，而目標(biāo)2主要是實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測(cè)，為慣性空間定向，因此必須分別設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的科學(xué)目標(biāo)，分別為巡天觀測(cè)模式和定點(diǎn)觀測(cè)模式.

對(duì)于科學(xué)目標(biāo)1中局部小天區(qū)的深度成像觀測(cè)，主要是針對(duì)X射線源密集的局部天區(qū)通過增加觀測(cè)時(shí)間來(lái)提高觀測(cè)靈敏度，以發(fā)現(xiàn)更多的射線源.通過對(duì)天區(qū)范圍及分布的分析發(fā)現(xiàn)，有的天區(qū)對(duì)衛(wèi)星來(lái)講僅僅是有限張角，而有的天區(qū)范圍廣闊已將衛(wèi)星涵蓋其中，如銀心區(qū)域是一餅狀的圓形區(qū)域.對(duì)于有限張角的天區(qū)，可以通過兩軸的小角度姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行網(wǎng)格式掃描來(lái)實(shí)現(xiàn).而對(duì)于銀心區(qū)這一廣闊的餅狀區(qū)域，可以通過對(duì)多個(gè)有限天區(qū)的分塊掃描的辦法實(shí)現(xiàn).因此要實(shí)現(xiàn)小天區(qū)深度成像的科學(xué)目標(biāo)可以統(tǒng)一通過小天區(qū)掃描觀測(cè)模式實(shí)現(xiàn).

對(duì)于科學(xué)目標(biāo)3，主要是定點(diǎn)觀測(cè)X射線雙星和X射線脈沖星，與科學(xué)目標(biāo)2相同，可以借助定點(diǎn)觀測(cè)模式實(shí)現(xiàn)觀測(cè).

綜上，HXMT觀測(cè)任務(wù)需要設(shè)計(jì)巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描3種觀測(cè)模式以滿足觀測(cè)任務(wù)的需求.此外，出于衛(wèi)星入軌、在軌測(cè)試、觀測(cè)目標(biāo)切換、軌道維持、安全應(yīng)急等需求，還設(shè)計(jì)了入軌模式、在軌狀態(tài)建立模式、姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式、對(duì)日安全模式、?？啬Ｊ健?yīng)急模式.各控制模式切換條件示意如圖2所示.

圖2 HXMT衛(wèi)星控制模式及切換條件示意圖

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)

HXMT任務(wù)科學(xué)目標(biāo)是將源的定位精度達(dá)到0.02°，為了達(dá)到此定位精度，要求望遠(yuǎn)鏡的指向測(cè)量誤差和對(duì)源的成像位置隨機(jī)誤差的綜合要優(yōu)于0.02°.

根據(jù)對(duì)探測(cè)器視場(chǎng)的需求分析，探測(cè)器單體視場(chǎng)為1°×5.7°，需要因望遠(yuǎn)鏡指向變化而造成的源的探測(cè)計(jì)數(shù)率變化小于10%，因此在一次定點(diǎn)觀測(cè)中需要有效載荷光軸指向誤差控制在0.1°以內(nèi)，即望遠(yuǎn)鏡指向控制精度要求優(yōu)于0.1°.

對(duì)于姿態(tài)穩(wěn)定度這一指標(biāo)，飛行任務(wù)并沒有對(duì)有效載荷的姿態(tài)穩(wěn)定度提出過高的要求，主要是從姿態(tài)采樣頻率以及數(shù)據(jù)內(nèi)插對(duì)姿態(tài)確定精度造成的影響進(jìn)行考慮.從優(yōu)化總體設(shè)計(jì)的角度考慮，盡量降低對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的控制要求，任務(wù)提出一般衛(wèi)星平臺(tái)均可達(dá)到的0.005(°)/s的姿態(tài)穩(wěn)定度要求,但為了保證衛(wèi)星對(duì)慣性X射線源的定位精度，需要保證慣性姿態(tài)指向測(cè)量精度，減少姿態(tài)插值誤差引起的光軸指向誤差，因此需要衛(wèi)星每0.5 s進(jìn)行一次姿態(tài)采樣，保證在兩次采樣之間望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)變化不超過0.002 5°的測(cè)量精度.

對(duì)于采用姿態(tài)慢旋的工作模式，由于載荷光軸指向在慢速旋轉(zhuǎn)，任務(wù)對(duì)沿自旋軌跡方向的指向精度并無(wú)特殊要求，而比較關(guān)心相鄰軌跡重疊率的均勻性，要求偏差不超過0.25°，根據(jù)這兩種工作模式的設(shè)計(jì)原理，可以將此偏差轉(zhuǎn)化為對(duì)太陽(yáng)的指向精度.此外，考慮到姿態(tài)角速度測(cè)量精度將直接影響到任意時(shí)刻姿態(tài)指向內(nèi)插的精度，并兼顧目前陀螺的測(cè)量能力，對(duì)相對(duì)赤道地心慣性系的姿態(tài)角速度測(cè)量精度提出了0.001(°)/s的指標(biāo)要求.

綜上HXMT衛(wèi)星觀測(cè)模式與主要技術(shù)指標(biāo)如圖3所示.

圖3 HXMT衛(wèi)星觀測(cè)模式與控制指標(biāo)分析

2.5 在軌實(shí)施情況

1)巡天模式姿態(tài)控制

根據(jù)技術(shù)要求分解，巡天觀測(cè)模式僅對(duì)指向精度提出指標(biāo)要求.利用星上實(shí)時(shí)下傳的星體三軸姿態(tài)角誤差遙測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對(duì)衛(wèi)星巡天模式下的指向控制精度進(jìn)行評(píng)估[7].

巡天模式下姿態(tài)角和角速度誤差數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 巡天模式下三軸姿態(tài)角、角速度誤差

三軸姿態(tài)角誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所示.

表1 巡天模式三軸姿態(tài)指向精度評(píng)估

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，星體-Z軸對(duì)日指向精度為0.056°(3σ)，遠(yuǎn)優(yōu)于星體-Z軸對(duì)日指向≤0.25°(3σ)的精度要求.

2)定點(diǎn)模式姿態(tài)控制

利用星上實(shí)時(shí)下傳星體三軸姿態(tài)角誤差、三軸姿態(tài)角速度誤差遙測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度，通過地面判讀對(duì)衛(wèi)星定點(diǎn)模式下的指向控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)估.

定點(diǎn)模式下姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差數(shù)據(jù)如圖5所示.

圖5 定點(diǎn)模式下三軸姿態(tài)角和角速度誤差

三軸姿態(tài)角和角速度誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和表3所示.

表2 定點(diǎn)模式三軸姿態(tài)控制精度評(píng)估

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，姿態(tài)控制誤差絕對(duì)值最大為0.029°，遠(yuǎn)優(yōu)于0.1°的控制精度要求；姿態(tài)角速度控制誤差絕對(duì)值最大為0.001(°)/s，遠(yuǎn)優(yōu)于0.005(°)/s(3σ)的姿態(tài)穩(wěn)定度要求.

3)小天區(qū)掃描模式姿態(tài)控制

利用星上實(shí)時(shí)下傳星體三軸姿態(tài)角誤差遙測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對(duì)衛(wèi)星小天區(qū)模式下的指向控制精度進(jìn)行評(píng)估.

圖6～7為小天區(qū)掃描的一個(gè)掃描段內(nèi)三軸姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差變化情況、+X軸指向的赤經(jīng)赤緯變化以及三軸慣性角速度變化情況.

圖6 小天區(qū)掃描模式下三軸姿態(tài)角和角速度誤差

圖7 小天區(qū)掃描過程中+X指向的赤經(jīng)赤緯變化

圖8 小天區(qū)掃描模式下三軸慣性角速度

三軸姿態(tài)角誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示.

表4 小天區(qū)模式三軸姿態(tài)指向精度評(píng)估

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，姿態(tài)控制誤差0.048°(3σ)，遠(yuǎn)優(yōu)于0.1°(3σ)的控制精度要求.

綜上，各模式在軌實(shí)施結(jié)果表明，衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全天球掃描、任意目標(biāo)定點(diǎn)觀測(cè)和任意天區(qū)掃描觀測(cè)的控制模式，相較任務(wù)指標(biāo)，各項(xiàng)控制精度均滿足要求，為完成科學(xué)探測(cè)目標(biāo)提供了重要支撐.

3 結(jié)論與展望

針對(duì)X射線觀測(cè)的多需求、多約束難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了集巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)與小天區(qū)掃描觀測(cè)于一體的觀測(cè)模式，解決了一顆衛(wèi)星同時(shí)實(shí)現(xiàn)全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機(jī)遇目標(biāo)定深度觀測(cè)以及伽馬暴全天監(jiān)測(cè)的多種觀測(cè)需求的難題.

隨著人類對(duì)天文研究逐漸深入，對(duì)天文觀測(cè)任務(wù)中源的定位精度要求也越來(lái)越高，隨之而來(lái)的是對(duì)控制系統(tǒng)更高的指向精度和穩(wěn)定度.此外，利用觀測(cè)載荷進(jìn)行姿態(tài)確定，實(shí)現(xiàn)載荷、定姿一體化設(shè)計(jì)，消除因結(jié)構(gòu)變形帶來(lái)的姿態(tài)確定誤差也是當(dāng)下發(fā)展的趨勢(shì).在高自主、高動(dòng)態(tài)方面，控制系統(tǒng)需要適應(yīng)乃至主動(dòng)規(guī)劃衛(wèi)星的觀測(cè)任務(wù)，建立靈活的觀測(cè)中斷、恢復(fù)調(diào)度機(jī)制，在長(zhǎng)期不間斷觀測(cè)模式下，進(jìn)行姿態(tài)、軌道自適應(yīng)調(diào)節(jié)，減少地面干預(yù)，實(shí)現(xiàn)更高效、更自主的科學(xué)探測(cè).