星载太阳辐射监测仪的太阳程控跟踪精度

为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度。利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角。将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较。结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°。对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°。为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°。最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求。设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性。     

FY-3A太阳辐射监测仪的程控设计与实现

介绍了载于FY-3A气象卫星用来监测太阳辐照度变化的太阳辐射监测仪(SIM)的工作原理,描述了该监测仪的系统组成和工作模式。SIM由3台相同的太阳辐照绝对辐射计(SIAR)按一定角度排列构成测量三通道,3个通道可单独或同时进行测量,对获得的数据进行对比、查验和校正。分别介绍了太阳辐射监测仪的3种工作模式,即通道自测模式、太阳辐射测量模式和冷空间测量模式,在此基础上对其执行的在轨运行任务进行了分析说明。讨论了程控设计要点与实现,给出了SIM采用各测量模式获得的遥感数据。FY-3A太阳辐射监测仪从2008年6月开始执行在轨测量,得到的实验结果表明,设计的测量模式合理,运控参数有效,全部软件功能均已实现,测量得到的太阳辐照度与同国际同期卫星SORCE/TIM的测量数据在0.2%以内相符。     

小视场绝对辐射计视场测量及修正项计算

风云三号A星和B星上搭载的太阳辐射监测仪由于视场较大而引入较多不确定因素,因此风云三号C星太阳辐射监测仪采用小视场绝对辐射计来跟踪太阳测量.本文研究了小视场绝对辐射计视场带来的修正因素.计算了C星太阳辐射监测仪由视场光栏和主光栏确定的视场大小;基于此视场计算值,给出了仪器辐照度测量值随光源入射角变化的理论曲线;并且利用实验室搭建的视场测量装置,对此变化曲线进行了实际测量.结果表明,测量曲线与理论曲线的相对偏差平均为1％～2％,接近测量装置的极限精度,从而验证了视场计算值的准确性.利用计算视场评价了在轨测量时辐射计与冷空间背景的辐射交换修正项,结果显示,小视场会对太阳辐射测量产生2.023 W/m2的冷空间背景修正,相对太阳辐照度测量精度要求,修正项计算标准差可以忽略.     

宽视场绝对辐射计杂散光特性研究

摘要：卫星太阳辐射监测仪在轨飞行中采用太阳扫过宽视场绝对辐射计视场期间动态测量太阳辐照度的方法,测量过程中进入辐射计接收腔的杂散光对测量精度带来影响,本文通过模型软件分析、风云辐射计外场标定测量和神舟三号辐射计在轨数据修正三个方面对宽视场辐射计的杂散光随角度变化分布进行了分析, 1）随光线入射角增大,杂散光影响基本呈线性增大;2）太阳辐射监测仪宽视场绝对辐射计无遮拦视场角18.4,对0～7视场进行了模拟分析,在7入射角时,杂光影响为0.63％,地面通过标定方法测量得到的结果为0.79％;3）神舟三号飞船上的辐射计视场角为10.4,视场角小,消光光栏多,杂散光的影响相对较小。以模型仿真结果对星上获得数据进行了修正,结果表明,通过杂光修正降低了系统误差。     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪程控设计与实现

描述了FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪的组成和4种主要工作模式,即大气测量模式、太阳连续测量模式、太阳分立测量模式及标准灯测量模式。在此基础上对在轨运行的任务进行了分析说明。针对仪器运行参数多、测量模式转换复杂等特点,提出了合理的在轨运行控制方案,介绍了其程控设计要点与实现。给出了FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨测量的太阳模式和大气模式紫外辐射遥感数据,其太阳分立模式波长重复性为±0.03nm,自动增益转换功能使系统的动态范围达到106量级。实验结果表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨工作正常,测量模式转换和执行准确,其运控方案完备,数据获取有效,仪器在轨工作处于最佳性能状态。     

卫星宽视场绝对辐射计太阳越过视场时入射光变化与腔温响应函数

研究了卫星上指向太阳安装的宽视场绝对辐射计在轨飞行中,太阳越顶扫过其视场期间接收的辐射功率随时间的变化,给出了绝对辐射计接收这种时变辐射功率的情况下腔温响应函数.只要绝对辐射计的视场宽到一定程度(10°),太阳越过视场的这段时间太阳辐照基本上是恒定的,辐射计的腔温响应也能达到平衡,根据这一腔温响应的平衡点关闭快门进行电功率定标就能获得太阳辐照度值.并将这种测量方法用于神舟3号飞船上用3台15°视场太阳辐照绝对辐射计(SIARs),测量了太阳辐照度.实验结果表明:所测数据与同期卫星上获得的数据基本一致,这也表明了本方法的可行性.     

双筒多视场太阳光度计研制

为了解决传统太阳光度计仅能测量气溶胶的局限性问题,研制了一种新型的可用于探测卷云光学性质的双筒多视场太阳光度计(BMFOVSP)。文中分别介绍了仪器的软硬件、光学平台和光路设计。仪器首次采用CCD图像处理技术跟踪太阳,跟踪精度高于1角分,解决了当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限跟踪太阳会不准的问题。该仪器基于VB平台可实现多波长多视场瞬时太阳辐照度的实时测量与显示;并具有电机运转、太阳图像跟踪、变视场调试等在线检测功能。初步的实验结果表明该设备测量精度高,且不同视场的强度比值可以反映云状况的变化,可在地基测量卷云光学特性参数中得到应用。     

FY-3C/臭氧总量探测仪太阳辐照度偏差的修正

为了解决风云-3C/臭氧总量探测仪(FY-3C/TOU)太阳辐照度数据异常的问题,给出了一种求解TOU漫反射板坐标系安装偏差的算法,并利用调整后的安装参数对TOU太阳辐照度进行了修订。系统研究了该算法的基本原理及数值分析结果。该算法假设TOU在轨实际漫反射板坐标系与理想漫反射板坐标系之间的偏差可用未知转换矩阵刻画,根据太阳辐照度真值与TOU修订辐照度数据之间的关系建立了关于未知变量的方程。然后,基于最优目标问题求解出了转换矩阵的各未知参数;最后,将修订后的漫反射板坐标系参数代入TOU定位及定标处理流程,实现对FY-3C/TOU太阳辐照度偏差的订正,达到利用辐照度追踪仪器衰减系数的目的。数值分析结果表明偏差修订效果显著,TOU太阳辐照度的最大相对误差从35%降低为2%,相对误差波动范围从27.2%缩小为3.2%。     

精指向自解锁星载太阳指向器设计与应用

介绍了风云3号(FY-3,C星)太阳辐射监测仪采用的自主设计的精指向自解锁星载太阳指向器。该指向器是一个绕双轴旋转的指向平台,其由驱动单元、执行机构、编码器、太阳敏感器等实现主动例行工作与被动冗余相结合的在轨太阳指向策略。为避免运输、发射等过程的冲击振动对其性能及寿命影响,指向器具有自由度锁止及释放功能,可以实现发射前的自由度锁止及入轨后的自由度释放。文中给出了指向器的结构组成、指向精度设计过程以及寿命实验结果。FY-3(C星)于2013年10月成功发射,太阳辐射监测仪的太阳指向器入轨后成功解锁,目前为止已经在轨连续运行17个月,在轨指向精度为±0.05°,其承载的太阳辐射监测仪获取了大量高精度有价值的太阳辐射数据。该精指向自解锁星载太阳指向器可为未来风云系列及其它卫星载荷指向机构设计提供应用基础。     

红外地平仪视场保护系统

为使风云一号C和风云三号气象卫星红外地平仪不受太阳辐射视场的干扰,研制了一种视场保护系统,对该系统的优缺点、视场确定方案、峰值信号的标定算法进行了研究。分析了红外地平仪在轨运行受太阳辐射干扰影响的严重性,对视场保护系统进行了比较。设计了非扫描机械式视场保护系统——太阳探头,研究了有效的测量装置,测量确定了太阳探头的视场范围,推导了太阳探头信号测量的理论公式。根据太阳穿越大气辐射的理论,给出了标定太阳探头峰值信号的方案,并进行了外场试验。风云一号C气象卫星在轨运行验证表明:太阳探头有效地保护了红外地平仪。因此,太阳探头装置成功应用在卫星姿态测量装置中,研究的太阳探头将同样运用于即将发射的风云三号气象卫星红外地平仪视场保护中。     

紫外辐照对绝对辐射计锥腔吸收率的影响

为了研究紫外辐照对星载太阳辐射监测仪的绝对辐射计锥腔吸收率的影响,进行了实验室模拟测量实验。用相当于太阳紫外辐照总量的汞灯照射绝对辐射计的锥腔,定期用可同时测量镜、漫反射率的全半球反射比吸收率测量装置测量其吸收率,监测其随时间变化情况。实验结果表明:太阳辐射监测仪在风云三号卫星上例行工作一年接收的紫外辐射量,使其吸收率下降0.002%,最大下降0.003%,该结果同国外星上测量结果基本一致。本实验反映出紫外辐照对绝对辐射计锥腔的吸收率是有影响的,可为将来的星载太阳辐射监测仪优化、实验、测量和校正提供必要的参考。     

FY-3/中分辨率光谱成像仪星上黑体的在轨太阳污染模拟与抑制

对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施。模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化。最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证。结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果。另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度。     

基于单片机的太阳跟踪控制系统设计

传统的太阳跟踪方式多采用光电跟踪或视日运动轨迹跟踪控制方式,存在着跟踪精度低、有累积误差等缺点。为了改进对太阳的跟踪精度和消除累积误差,提高太阳能的利用率,设计了一种基于Atmega16单片机为控制核心的跟踪控制系统,采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪互补的控制方式。在跟踪策略上,晴天采用光电跟踪,阴天采用视日运动轨迹跟踪,实现了全方位、高精度、全天候的实时精准跟踪。试验结果表明,该控制系统工作性能稳定,实现了实时精确的太阳跟踪。     

低温辐射计斜底腔吸收比测量

考虑在轨绝对辐射定标基准辐射计(ARCPR)要求其测量太阳总辐照度(TSI)的TSI腔的吸收比优于0.999 9,同时测量不确定度在0.001%以下,本文提出采用在空间和低温环境下性能优越的圆柱形斜底腔作为标定太阳总辐照度的黑体腔,并对斜底腔吸收比进行了测量与研究。介绍了斜底腔的特性,分析了低温辐射计多使用斜底腔作为黑体腔的原因。阐述了替代法测量腔体吸收比的原理,增加了参考光路用于监测激光功率,以提高测量重复性和准确性。通过测量信号与参考光路信号的比值计算了斜体腔的吸收比,并对测量结果进行了不确定度分析。测试实验显示,斜底腔吸收比为0.999 928±0.000 005,优于ARCPR对标定黑体腔的要求,验证了将斜底腔作为测量太阳总辐照度的TSI腔的可行性。实验还表明:计算信号电压与参考电压比值,通过比值计算腔体吸收比的方法可以提高测量结果的不确定度,适用于测量超高吸收比腔体的吸收比。