静止轨道卫星在轨温度参数变化规律研究.pdf

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1、Vo 1 2 O No 1 7 6 航天器工程 SPACECRAFT ENGI NEERI NG 第 2 O卷第 1 期 2 0 1 1年 1月 静止轨道 卫星在轨温度参数变化规律研究 郭 永 富(北 京空 间飞行器 总体设 计部，北京1 0 0 0 9 4)摘要分析 了静止轨道在轨三轴稳定卫星各面上温度参数 的变化规律，并通过理论计算得 到 卫星各 面上光 强的 变化 曲线，研 究 了温度参数 变化 与对应 面上光 强的 关 系，建 立 了温度参数 与光 线 的线性模 型，结 果表 明模 型 与实 际数 据能较 好地吻 合，对 温度参数 的预 测 以及 故障 的判 断具 有一 定 的参考价

2、值。关 键词静止轨 道；在轨 卫星；温度 参数；光强；故 障诊 断 中图分 类号：V4 4 4 3 文献标 志码：A 文章编 号：1 6 7 3 8 7 4 8(2 0 1 1)0 1 0 0 7 6 0 6 Re s e a r c h o n t he Te m p e r a t u r e s o f S a t e l l i t e o n Ge O s t a t i O n a r y Or b i t GU O Yon gf u (B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m En g

3、i n e e r i n g，B e i j i n g 1 0 0 0 9 4，Ch i n a)Ab s t r a c t：The p a pe r s t u di e s t he c ha n gi ng r u l e s o f t e mpe r a t ur e t e l e me t r y p a r a me t e r s a nd t he l i gh t i n t e ns i t y on c o r r e s po n di n g b o a r ds Th e n t he r e l a t i o n s h i p be t we e n

4、 t e mp e r a t u r e a n d l i g ht i nt e ns i t y i s s t u d i e d a nd a l i n e a r m o d e l wa s p r o po s e d The s t i mul a t i o n r e s u l t i n di c a t e d t ha t t h e mo de l ha s g o od pe r f o r ma nc e Thi s i s o f g r e a t v a l u e t o d a t a f o r e c a s t i n g a n d f

5、 a i l u r e di a g no s i s Ke y wo r ds：g e o s t a t i o na r y o r bi t；i n o r bi t s a t e l l i t e；t e mpe r a t ur e p a r a me t e r s；l i ght i nt e ns i t y；f a i l u r e d i a gn os i s 1 引言 卫 星 的温 度 参 数 反 映 了其 工 作 环境 及 工 作 状 况，是 一类非 常 重要 的遥 测 参 数。在 轨卫 星 温度 参 数 的变化 能够表征 外热 流大小、设备工作 状态、温

6、度 控制材料的性 能等，是在轨性能分析 的重要 内容。研究卫 星温 度参数 的变化 规律，建立变化 模型，这对 卫 星温度参 数的预 测 以及 卫星故 障 的及 早发现 具有 重要 的意义 1 。本文针 对静止 轨道在 轨三轴 稳定卫 星选取 具有 代表 性的温度 参数，绘 制 了温度参 数变化 的 曲线，对 于其 中的变化 规律 进行 了分 析；太 阳光 照 是静 止 轨 道在轨 卫星最 主要 的外热 源，而 太 阳光 强 受太 阳照 射方 向和 日地距离 等 因素 的影 响，相 应地 在 轨 卫 星 温度 会呈 周期性 变 化；采 用线 性 模 型，用 太 阳光 强对 温度参 数进行 了数

7、 据 拟合，基 于 此提 出 了静止 轨道 三轴稳 定卫 星温度参 数变化 模 型建立 的方法。2 温度参数变化规律分析 以一颗 静止轨 道三轴 稳定卫 星为 例进行 温度参 数变化 规律 的分 析。静 止 轨道 三 轴稳 定 卫 星有 北、南、东、西、对 地、背地 6个面，经 过 观察 发 现其 上 的 温度 参数具 有不 同 的变 化规 律，绘 制 了各 面 上 温度 参数 l 2 j 一 年 的变化 曲线，卫星 北 面、南 面、西 面上 温 度参数 的变 化分别 如 图 1至 图 3所示，卫星东 面、对 地面、背地 面上温 度参 数 的变 化 曲线 与西 面 上较 为 收稿 日期：2 0

8、 1 0 0 9 3 0；修 回 日期：2 0 1 0 1 2 2 9 作者简介：郭永富(1 9 8 2 一)，男，硕士，工程 师，从 事卫 星遥测数据分析等研 究工作。第 l 期 郭永 富：静止轨道卫星在轨温度参数变化规律研究 相 似。、娟 nn1-01 2 010 8。-03，-1、4 2(X)8-0m5-27 2 00 8-0 8 -0 8 2 1 2(M】9 _ f 、赠 时间 图 1 静止轨道卫星北面上测温点温度 参数年变化曲线 F i g 1 Te mp e r a t u r e c u r v e o f t h e g e o s t a t i o n a r y s a

9、t e l l i t e(n o r t h b o a r d)I 2 0 0 8-0 1-o 1 2 0 0 8-0 3 1 4 2 0 0 8 4)5-2 6 2 0 0 8-0 8-0 7 2 O O 8-1 O-】9 2 0 0 9-o 1 0 l 0：0 0：00 4：48：0 0 9：3 6：0 0 1 4：24：00 1 9：1 2：0 0 0：00：00 时间 图 2 静止轨道卫星南面上测温点温度 参数年变化曲线 Fi g 2 Te mpe r a t ur e c ur v e of t h e ge o s t a t i on a r y s a t e l l i

10、t e(s out h b oa r d)2 1年周期 根 据 以上采集 的数 据，从 图 1 图 3可知，位 于 卫 星南北 板上 的温度 具 有年周 期 的变化 规律，即：北 板 上 的温 度在 夏至 左 右 达 到最 大 值，秋 分 至 次 年 春 分期 问 由于卫 星上 有 自动 控温 措 施，温 度 稳 定 在某 一特定值 附近，未呈 现 出明显 的规律；南 板上 的温 度 在 冬至左 右达 到最 大 值，春 分 至秋 分 期 间 由于 卫 星 上有 自动 控温措 施，温度 稳定 在某一 特定 值 附近，未 呈 现 出明显 的规律；东、西、对 地、背 地面 上 的温度 在 一天 内的

11、 变 化 较 为 剧 烈，不 具 有 年 周 期 的 变 化 规 律 L。2 2 日周期 静止 轨 道在 轨 卫 星 东、西、对地、背地 4个 面 上 的 温度一 天之 内有 较 大 幅 度 的变 化，不 具 有 明 显 的 年周 期变 化规 律。不受地 影 影 响 的时段(如 4月 3 0 日、1 0月 3 0日、6月 2 1日、l 2月 2 1日附近)内温度 参数 短期 内(数 日)的变 化能 够较准 确地 体现 出其 变 化规 律，图 4为静止 轨 道 在 轨 卫 星 西 面上 的温 度参 数在 2 0 0 8年 4月 3 O日至 5月 2日的变 化 曲线。7 8 航天器工程 时问 图

12、3 静止轨道卫星西面上测温点温度参数年变化 曲线 Fi g 3 Te mpe r a t u r e c ur ve of t he ge os t a t i o na r y s a t e l l i t e(we s t b oa r d)图 4 静止轨道卫星西面上测温点温度参数变化 曲线(2 0 0 8年 4 月 3 0日至 5 月 2日)Fi g 4 Te mpe r a t ur e c u r ve o f t he ge o s t a t i on a r y s a t e l l i t e (we s t b oa r d，f r om Ap r 30 t O M a

13、 y 2 ，2 0 08)根据 图 4可知：静 止 轨 道 三轴 稳 定卫 星 西 面上 的测温点 都具有 明显 的 日周期 性，在 一 天之 内某个 时刻达 到最大值，呈现类 似正 弦 曲线 的变化规 律，其 它东面、对地面 以及 背地 面上 的温 度 参 数亦 呈 现 与 西面上 温度参数 非常相 似 的变 化规律。3 太 阳光强变化规律分析 在 t。为 2 0 0 9年 1 月 1日 0时 0分 0秒(北京 时 间)时刻，地球绕 太 阳运 动 的轨 道参数 为：a一 1 4 9 5 9 8 5 2 8 00 0 m P 一 0 01 6 6 8 9 7 8 一2 3 4 39 2 X 1

14、 8丌0 叫 一 1 0 3 0 2 4 4 2 赢 M o 一 3 5 6 7 8 0 5 7 高 计算 t 时刻 的太 阳赤 纬、E t 地距 离 r ，其 中 t 为距 t。的天 数(小 时要转 化为 天 数)，求得 太 阳光 线 与卫星 6 个 面 的夹 角，据 此 可 以得 到 卫 星 6个 面上 的太 阳光 强。计算 结果显 示：静 止轨道 三轴稳 定卫 星北面、南 面上 的太 阳光强 具有年 周期 性 的变 化规 律，如 图 5、图 6所示，西面上太阳光强年周期性不明显，但具有 显著 的 日周 期性，东 面、对地 面、背 地 面 上太 阳光强 的变化与 西面上 太 阳光 强 的变

15、 化 规律 非 常 相 似，静 止 轨道三 轴稳定 卫星西 面上对 应光 强的变化 规律如 图 7所示。8 0 航天器工程 2 O卷 似性，尤其卫星北面处于光照期的时候。按照(1)式 在光 照期 用 光强 对 温 度进 行 拟 合，拟合 结 果 如 图 9 所示，最大拟合误差 为 3 1 6 0 7，拟 合均方误差 为 1 2 76 7。4 2 卫星西 面温度参 数 的拟 合情 况(日周期 性)对 图 4所示 的静 止轨道卫 星西 面上 的温度参数 用光强进 行拟合，考 虑 到卫 星 各个 面之 间热 辐 射 而 产生 的热 交换，在短期(数 日)内西 面 上 的温 度 参数 变化会呈 现北

16、面、南 面、东 面、对地 面 和 背地 面 上 的 光强较 大的影 响，因此 在拟合 时用多 面上 的光 强，公 式 如式(2)，其 中 S (i 一1，2，6)表示 卫星 6 个 面上 的光 强。拟 合 曲 线 如 图 1 0所 示，最 大 拟合 误 差 为 5 3 9 6 1，均方 拟合误差 为 2 5 7 0 1。一n+b S 、赠(2)、越 赠 一I 要 事 一、越 骥：时间 d 温度参数变化曲线 时间，d 理论光强变化曲线 图 8 静 止轨道卫星北面上温度参数与 对 应 光 强 对 比图 Fi g 8 Cu r v e o f t e mpe r a t ur e a nd l i

17、ght i nt e ns e on t he nor t h b o a r d of ge o s t a t i o na r y s a t el l i t e 26 I o 臻鍪措 O o 24 2 2 “V K。2 0 l 8 。嚣 16 泰 1 4)l 2 1 0 o “：0 2 0 40 60 8 0 1 O 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 80 2 0 o 8 0 3 2 l 时间 d 2 0 0 8 一()9 2 2 图 9 静止轨道卫星北面上温度参数拟合图 Fi g 9 Cu r ve f i t t i ng of t e mpe r a t ur e o

18、 n n or t h b oa r d o f ge o s t a t i o na r y s a t e l l i t e 可 以根据静 止轨道 在轨 三轴稳定 卫星温 度参数 历 史数据 的拟合 结果，按 照式(1)或(2)建 立 其 变化 的模型，通 过计算 卫 星各 面 上太 阳光 强就 可 以得到 卫 星温度参 数 的变化 曲线，这样 就 可 以通 过 理论 计 算 预测 出未 来卫 星温 度 参数 的值，对故 障预 测具 有 重要 意 义 1 0-1 1 。5 结束语 本 文对静 止轨道 在轨三 轴稳定 卫星 温度参数 的 变化 规律进 行 了分析，同时研 究 了卫 星 6

19、个 面 上光 强 的变化，发现卫 星 温度 参 数 的变 化 与 光强 的 变化 具有 很大 的相似 性；在此 基 础上 采 用 线性 模 型 用光 强对 温度参 数进 行 了拟 合，并取 得 了很好 的拟 合效 果。根据历史数据拟合得到的系数以及理论计算得 到 的光强，可以对 静止 轨 道 卫 星各 面 上 的温 度参 数 变化 进行预 测，如 果实 际 数值 与 理 论 预测 值存 在较 大 的偏差或 变化规 律 不 符，可 以 由人 工根 据此 征兆 判断在轨卫星是否出现了故障，这对及早发现异常、维持 在轨卫 星的安全、稳定 运行具 有重要 的意义。第 1 期 郭永富：静止 轨道 卫星在

20、轨 温度参数 变化规律研究 8 1 、越 赠 图 1 O 静止轨道卫星西面上温度参数、光照拟合 图 Fi g1 0 Cu r v e f i t t i n g o f t e m p e r a t u r e wi t h l i gh t i n t e ns e On t h e we s t b oa r d o f ge o s t a t i on a r y s a t e l l i t e 参考 文献(Re f e r e n c e s)1 徐福祥卫星 工程概论 M 北京：中国宇航 出版社，2 0 04 I-2 彭芝 生东方 红三号卫 星在 轨三年 飞行 的热 控性能 分

21、 析E c 黄 山：第五届 空间热 物理会议，2 0 0 0 3 刘忠 祥，郑 飞，白院 生空 间 反 射 面 天线 在 轨 热 分 析 J 强度与环境，2 0 0 9，3 6(5)4 李运 泽，宁献文，王 晓明，等纳卫 星热 系统 的在 轨动 态 特性分析 与建模 L J 空间科学学报，2 0 0 7，2 7(3)E 5 魏传锋，李运泽，袁领 双，等太阳同步 轨道 卫星在轨 运 行温 度预测 J 中国工程科学，2 0 0 5，7(2)6 马伟，宣益民，韩 玉 阁卫星 系统 热特性 分析 J 航 天 器 工 程，2 0 0 9，1 8(2)7 李 国强资源一 1卫星 多层 隔热材 料在轨 温度

22、数 据分析 J 航天器工 程，2 0 0 8，1 7(5)8 王晓 明，李 运 泽，王 浚卫 星 热 控 系统 实 时 仿 真 研究 J 系统仿真学报，2 0 0 7(1 O)9 周佐新中星 2 2号通信卫 星试 验数据与在轨飞行温度 比较分析E c 黄山：第 五届 空间热物理会议，2 0 0 0 E l o 张旭东，李运泽基于 B P神经 网络 的纳卫星轨道温度 预测 J 北京航 空航天大学学报，2 0 0 8，3 4(1 2)1 1 秦巍，郭永富一 种基于历 史遥测数 据 的在 轨卫星预 警 系统 J 航 天器工程2 0 1 0，1 9(6)(编辑：李 多)洛马公司获得 1 3亿美元 AE HF 一 4卫星合 同 据美 国航 天新 闻网报 道，2 0 1 0年 1 2月 1 5日，美 国空 军授 予 洛 马公 司 一份 修 订后 的 1 3 亿 美 元 合 同，建 造 第 4颗先进 极高 频(AE HF)通 信卫 星。洛马公 司是 AEHF卫 星 的主承包 商。