X射線天文衛(wèi)星觀測需求分析與控制總體設計

潘 騰， 繆遠明， 顧荃瑩， 張 龍

北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094

0 引 言

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

X射線天文觀測衛(wèi)星存在較多的觀測需求與約束，一般包括全天球掃描觀測、定點觀測、小天區(qū)深度掃描觀測、源定位與對準、多目標頻繁切換觀測和機遇目標快速切換等需求，以及軌道、熱控、測控數(shù)傳以及其他平臺約束.世界已發(fā)射的26顆X射線探測衛(wèi)星中，尚無將全天球掃描、定點觀測、小天區(qū)深度掃描三種觀測模式結合的案例.

本文對X射線天文衛(wèi)星天文觀測的需求進行了分析，提煉了觀測任務的需求和約束，設計了集巡天觀測、定點觀測與小天區(qū)掃描觀測于一體的觀測模式，提出了在軌自主多目標切換控制策略，解決了一顆衛(wèi)星同時實現(xiàn)全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機遇目標定深度觀測以及伽馬暴全天監(jiān)測的多種觀測需求的難題.

1 X射線天文衛(wèi)星觀測任務需求分析

1.1 觀測模式需求

X射線天文衛(wèi)星的科學目標通常包括發(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，對于待發(fā)現(xiàn)的源沒有預期方向，因此通常要求探測載荷可以均勻覆蓋全天球，即全天球覆蓋觀測.

衛(wèi)星在發(fā)現(xiàn)未知源后還需對源進行深度觀測，根據(jù)需要觀測的源的大小，又衍生出定點觀測和小天區(qū)掃描觀測兩種模式.

當機遇目標出現(xiàn)時，衛(wèi)星需快速切換至機遇目標，機遇目標觀測完畢后恢復原觀測目標.

錢德拉X射線天文臺衛(wèi)星和牛頓多鏡面X射線觀測衛(wèi)星等衛(wèi)星設計均包含了巡天觀測和定點觀測2種觀測模式.

1.2 源的高精度定位與對準需求

要實現(xiàn)對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外，還需要衛(wèi)星平臺提供高精度的望遠鏡光軸指向測量.

望遠鏡光軸指向的測量精度取決于3個因素：(1)姿態(tài)敏感器定姿誤差；(2)姿態(tài)敏感器與望遠鏡相對裝配誤差；(3)時間同步誤差.

其中姿態(tài)敏感器與望遠鏡光軸之間的機械裝配誤差，主要由安裝測量誤差及結構變形引起，結構變形主要指衛(wèi)星發(fā)射過程中振動、噪聲等力學環(huán)境作用下機械應力釋放引起的結構變形、由變化的太陽光照引起的結構熱變形等.根據(jù)經(jīng)驗，這項誤差量級較大，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鏡觀測數(shù)據(jù)對二者之間的相對指向誤差進行標定.

除了發(fā)現(xiàn)未知源，衛(wèi)星也有對已知源進行觀測的需求，例如進行探測器標定.由于觀測對象可能是分布在天球各個方位的黑洞、中子星、活動星系核等高能天體，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)星是否會周期性地進、出地球陰影，被地球遮擋觀測目標等，從而影響衛(wèi)星的觀測策略、模式設計.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)也是軌道設計的重要考慮因素，要通過軌道高度和傾角的選擇降低本底水平，滿足望遠鏡靈敏度的要求.

錢德拉X射線天文臺的軌道為9 942 km×140 000 km的橢圓，最遠距離達到地月距離的三分之一，以避開地球輻射帶的影響(在實際運行中每軌有85%的時間，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X射線天文衛(wèi)星的影響主要有兩方面.首先是低溫探測器的溫度直接影響探測的本地噪聲，該類探測器對溫度值、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性均提出了嚴格的要求；其次是空間受熱不均將導致載荷結構變形，從而影響載荷的指向、定位精度，從這個方面出發(fā)，觀測任務希望衛(wèi)星入軌后能夠擁有穩(wěn)定的受熱環(huán)境.

1.5 測控與數(shù)傳約束

衛(wèi)星控制、運行狀態(tài)監(jiān)視、載荷探測數(shù)據(jù)的下傳均要依賴衛(wèi)星的測控數(shù)傳功能，在開展測控數(shù)傳功能設計時，需要重點考慮由于天文觀測衛(wèi)星觀測姿態(tài)不固定、對地面不固定所帶來的影響.除此之外，由于衛(wèi)星沒有固定對地面，觀測姿態(tài)對采用GNSS系統(tǒng)進行定位、授時的衛(wèi)星也會產(chǎn)生較大影響.

1.6 其他約束

除以上所列幾點，觀測任務對衛(wèi)星在能源、數(shù)據(jù)存儲、時統(tǒng)等方面也存在不同需求，本文不在此一一列舉.

2 HXMT衛(wèi)星控制總體設計

HXMT衛(wèi)星是我國首顆自主研制的大型天文衛(wèi)星，其任務設計與技術特點對后續(xù)天文觀測任務規(guī)劃有重要的借鑒意義[5].

2.1 衛(wèi)星科學目標

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

HXMT任務的主要科學目標是：

目標1：通過巡天觀測，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2：通過定點觀測黑洞、中子星、活動星系核等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強引力場中物質(zhì)的動力學和高能輻射過程.

目標3：通過定點觀測X射線脈沖星，探索利用X射線脈沖星實現(xiàn)航天器自主導航的技術和原理.

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臺數(shù)字太陽敏感器、5臺模擬太陽敏感器、3臺0-1太陽敏感器、2臺二浮陀螺組合件、1臺光纖陀螺組件、3臺中等精度星敏感器；

執(zhí)行機構包括：6臺動量輪、3臺磁力矩器、帆板驅動裝置；

控制器包括：控制計算機和應急控制器、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 控制模式設計

HXMT衛(wèi)星工作模式分析與設計是整個任務分析的核心，它不僅決定了飛行任務能否順利實現(xiàn)科學目標，而且決定了整個系統(tǒng)的復雜程度，進而直接影響到系統(tǒng)的研制與運營成本，因此工作模式設計需要進行廣泛的權衡與折衷.

首先，各種工作模式的設計要確保完成各種科學觀測，且各項技術指標均能滿足任務要求；

第二，工作模式設計要兼顧星上能源要求，通過優(yōu)化設計觀測姿態(tài)使得太陽帆板獲得較好的日照條件，簡化能源設計；

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

對于科學目標1和2，無論從觀測目標、科學原理以及實現(xiàn)方式上都存在很大差異，科學目標1主要是實現(xiàn)全天球覆蓋，工作模式的設計必須首先滿足這一要求，而目標2主要是實現(xiàn)定點觀測，為慣性空間定向，因此必須分別設計來實現(xiàn)各自的科學目標，分別為巡天觀測模式和定點觀測模式.

對于科學目標1中局部小天區(qū)的深度成像觀測，主要是針對X射線源密集的局部天區(qū)通過增加觀測時間來提高觀測靈敏度，以發(fā)現(xiàn)更多的射線源.通過對天區(qū)范圍及分布的分析發(fā)現(xiàn)，有的天區(qū)對衛(wèi)星來講僅僅是有限張角，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.對于有限張角的天區(qū)，可以通過兩軸的小角度姿態(tài)轉動，進行網(wǎng)格式掃描來實現(xiàn).而對于銀心區(qū)這一廣闊的餅狀區(qū)域，可以通過對多個有限天區(qū)的分塊掃描的辦法實現(xiàn).因此要實現(xiàn)小天區(qū)深度成像的科學目標可以統(tǒng)一通過小天區(qū)掃描觀測模式實現(xiàn).

對于科學目標3，主要是定點觀測X射線雙星和X射線脈沖星，與科學目標2相同，可以借助定點觀測模式實現(xiàn)觀測.

綜上，HXMT觀測任務需要設計巡天觀測、定點觀測和小天區(qū)掃描3種觀測模式以滿足觀測任務的需求.此外，出于衛(wèi)星入軌、在軌測試、觀測目標切換、軌道維持、安全應急等需求，還設計了入軌模式、在軌狀態(tài)建立模式、姿態(tài)機動模式、對日安全模式、?？啬Ｊ?、應急模式.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 主要技術指標

HXMT任務科學目標是將源的定位精度達到0.02°，為了達到此定位精度，要求望遠鏡的指向測量誤差和對源的成像位置隨機誤差的綜合要優(yōu)于0.02°.

根據(jù)對探測器視場的需求分析，探測器單體視場為1°×5.7°，需要因望遠鏡指向變化而造成的源的探測計數(shù)率變化小于10%，因此在一次定點觀測中需要有效載荷光軸指向誤差控制在0.1°以內(nèi)，即望遠鏡指向控制精度要求優(yōu)于0.1°.

對于姿態(tài)穩(wěn)定度這一指標，飛行任務并沒有對有效載荷的姿態(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)插對姿態(tài)確定精度造成的影響進行考慮.從優(yōu)化總體設計的角度考慮，盡量降低對衛(wèi)星平臺的控制要求，任務提出一般衛(wèi)星平臺均可達到的0.005(°)/s的姿態(tài)穩(wěn)定度要求,但為了保證衛(wèi)星對慣性X射線源的定位精度，需要保證慣性姿態(tài)指向測量精度，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進行一次姿態(tài)采樣，保證在兩次采樣之間望遠鏡的姿態(tài)變化不超過0.002 5°的測量精度.

對于采用姿態(tài)慢旋的工作模式，由于載荷光軸指向在慢速旋轉，任務對沿自旋軌跡方向的指向精度并無特殊要求，而比較關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計原理，可以將此偏差轉化為對太陽的指向精度.此外，考慮到姿態(tài)角速度測量精度將直接影響到任意時刻姿態(tài)指向內(nèi)插的精度，并兼顧目前陀螺的測量能力，對相對赤道地心慣性系的姿態(tài)角速度測量精度提出了0.001(°)/s的指標要求.

綜上HXMT衛(wèi)星觀測模式與主要技術指標如圖3所示.

圖3 HXMT衛(wèi)星觀測模式與控制指標分析

2.5 在軌實施情況

1)巡天模式姿態(tài)控制

根據(jù)技術要求分解，巡天觀測模式僅對指向精度提出指標要求.利用星上實時下傳的星體三軸姿態(tài)角誤差遙測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對衛(wèi)星巡天模式下的指向控制精度進行評估[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)計結果見表1所示.

表1 巡天模式三軸姿態(tài)指向精度評估

由統(tǒng)計結果可以看出，星體-Z軸對日指向精度為0.056°(3σ)，遠優(yōu)于星體-Z軸對日指向≤0.25°(3σ)的精度要求.

2)定點模式姿態(tài)控制

利用星上實時下傳星體三軸姿態(tài)角誤差、三軸姿態(tài)角速度誤差遙測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計衛(wèi)星指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度，通過地面判讀對衛(wèi)星定點模式下的指向控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定度進行評估.

定點模式下姿態(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)計結果如表2和表3所示.

表2 定點模式三軸姿態(tài)控制精度評估

由統(tǒng)計結果可以看出，姿態(tài)控制誤差絕對值最大為0.029°，遠優(yōu)于0.1°的控制精度要求；姿態(tài)角速度控制誤差絕對值最大為0.001(°)/s，遠優(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

利用星上實時下傳星體三軸姿態(tài)角誤差遙測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計衛(wèi)星指向精度，通過地面判讀對衛(wèi)星小天區(qū)模式下的指向控制精度進行評估.

圖6～7為小天區(qū)掃描的一個掃描段內(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)計結果如表4所示.

表4 小天區(qū)模式三軸姿態(tài)指向精度評估

由統(tǒng)計結果可以看出，姿態(tài)控制誤差0.048°(3σ)，遠優(yōu)于0.1°(3σ)的控制精度要求.

綜上，各模式在軌實施結果表明，衛(wèi)星實現(xiàn)了全天球掃描、任意目標定點觀測和任意天區(qū)掃描觀測的控制模式，相較任務指標，各項控制精度均滿足要求，為完成科學探測目標提供了重要支撐.

3 結論與展望

針對X射線觀測的多需求、多約束難點，設計了集巡天觀測、定點觀測與小天區(qū)掃描觀測于一體的觀測模式，解決了一顆衛(wèi)星同時實現(xiàn)全天掃描、銀道面深度掃描、重要慣性區(qū)域掃描、重要及機遇目標定深度觀測以及伽馬暴全天監(jiān)測的多種觀測需求的難題.

隨著人類對天文研究逐漸深入，對天文觀測任務中源的定位精度要求也越來越高，隨之而來的是對控制系統(tǒng)更高的指向精度和穩(wěn)定度.此外，利用觀測載荷進行姿態(tài)確定，實現(xiàn)載荷、定姿一體化設計，消除因結構變形帶來的姿態(tài)確定誤差也是當下發(fā)展的趨勢.在高自主、高動態(tài)方面，控制系統(tǒng)需要適應乃至主動規(guī)劃衛(wèi)星的觀測任務，建立靈活的觀測中斷、恢復調(diào)度機制，在長期不間斷觀測模式下，進行姿態(tài)、軌道自適應調(diào)節(jié)，減少地面干預，實現(xiàn)更高效、更自主的科學探測.