低軌微波遙感衛星磁設計及試驗驗證

吳衛權 陳麗 孫曉春 閆曉

(上海衛星裝備研究所，上海 200240)

航天器磁矩主要由永磁矩(衛星不工作時產生的磁特性)、雜散磁矩(衛星工作時電流產生的磁特性)組成。軌道地磁場產生的感磁矩不構成影響衛星姿態的干擾力矩。因此，衛星磁設計、磁測試通常主要針對永磁矩、雜散磁矩進行。航天器姿軌控系統設計時，必須考慮由于其磁特性(永磁矩及雜散磁矩)和軌道環境磁場相互作用而產生的磁干擾力矩；航天器磁設計、磁試驗的主要目的就是凈化其磁特性、減少磁矩、從而達到減小其與軌道磁場作用產生的干擾力矩[1]。

常規衛星(本文定義為：非高功率、大電流工作工況衛星)磁設計通常包括：選材、布局、走線、磁屏蔽、磁補償等控制衛星磁性的技術措施。常規衛星由于其不同工況下工作電流不大，各工況的雜散磁矩量級也不大；即使不同工況間磁矩存在一定差異，但最終均可通過整星磁補償方法有效降低衛星磁矩，滿足在軌磁矩指標要求。

微波遙感衛星屬中低軌道非自旋體類衛星，與其它常規類型衛星相比，除了一般常規衛星所具有及須控制的措施外，微波遙感衛星SAR天線載荷功率大(數千至數萬瓦)，衛星星體和SAR天線陣等接地線數量多、引線長，星體及SAR天線載荷內外相關供電線路電流大、電流回路走向復雜。由電流回路產生的整星雜散磁矩(與線路數量及電流大小成正相關性)必然也很大，如不精心磁設計將引起衛星不同工況雜散磁矩量級及差異很大。即使最終通過磁補償方法也未必能控制衛星整星磁矩、進而累及衛星二次磁設計技術改進；造成衛星研制進度延遲和研制經費的損失。因此，在衛星研制初期，設計師系統必須足夠重視這一問題；對該類衛星產生大雜散磁矩的幾個因素進行嚴格的磁設計及磁測試，凈化衛星磁環境，有效減少衛星磁矩，以實現衛星在軌磁矩指標要求[2-3]。

本文分析了低軌微波遙感衛星主要磁源分布特征，針對其載荷功率大，裝載的TR組件、有源天線陣、電源及SAR等系統間供電電流回路、星內接地回路等可能產生較大雜散磁矩的幾個重要因素，在常規衛星磁設計基礎上，開展衛星磁設計技術研究；提出了TR組件、天線陣面雙模塊磁性布局及接地方式、星內接地網布局方式，明確了電源系統與SAR相關單機間布線設計方法和改進措施并進行相關試驗驗證，有效減少了大功率微波遙感衛星雜散磁矩。

1 衛星磁性分布特征

衛星磁矩分布特征如下：衛星整星磁矩(永磁矩+雜散磁矩)主要由衛星本體磁矩和本體外大型部件(太陽電池陣(含驅動機構)+SAR天線陣(含展開電機))磁矩兩大部分構成。其中，衛星本體永磁矩為除去太陽電池陣及其展開機構、SAR天線及其展開電機后，衛星不通電時產生的磁矩；衛星本體雜散磁矩為除去太陽帆板及其展開機構、SAR天線及其展開電機后，衛星星內各種電流回路產生的磁矩。

太陽電池陣永磁矩分布特征為：陣板材料為無磁，裝星后，由陣板間對稱性其總磁矩疊加為零；太陽電池陣雜散磁矩分布特征為：由對稱性走線布局，展開后6塊太陽電池陣板之間雜散磁矩對稱抵消，疊加后總磁矩為零。

太陽電池陣驅動機構永磁矩分布特征為：單個步進電機的總磁矩較小，磁矩主要在軸向；裝星后，驅動機構間的對稱性抵消了軸向和另一方向分量磁矩，故其對整星磁矩貢獻可以忽略。太陽電池陣雜散磁矩分布特征為：驅動機構的步進電機展開后長期通電，存在雜散磁矩，磁矩方向在軸向，對稱性裝星后相互間磁矩抵消。

SAR天線陣永磁矩分布特征為：①中板永磁矩按實際布局獨立實測獲??；②單塊天線側板永磁矩主要在法向，裝星后，收縮態下陣板間磁矩相互抵消，對整星磁矩貢獻為零，展開態下陣板間永磁矩疊加。

SAR天線陣雜散磁矩分布特征為：

(1)中板雜散磁矩按等效負載模擬通電下的磁矩實測值。

(2)側板雜散磁矩分布特征為：①星體內部主要是SAR直傳態下100 Ah氫鎳電池、電源控制器、SAR相關單機工作時構成的電流回路產生，小S中繼子系統相關電流回路與SAR側板無關；②星體外部即側板自身產生的電流回路其產生的雜散磁矩、其方向主要在側板法向，收攏態下對整星磁矩構成抵消，展開態下為疊加；③SAR系統(發射工作狀態)高頻微波不產生有效的雜散磁矩，可忽略。

SAR天線展開電機永磁矩分布特征為：天線展開后其不再通電，僅考慮其永磁矩對整星磁矩的貢獻值，疊加到整星后其合成磁矩由電機的3個分量磁矩值決定。電機磁矩主方向在軸向，其它方向很小，僅考慮軸向磁矩。由機構安裝特點：天線收攏、展開狀態下電機軸向磁矩始終指向衛星Z方向，收攏、展開兩種狀態下對衛星磁矩貢獻值相同，又由機構布局，兩展開電機磁矩分量為同向、展開前后磁矩方向不變；SAR天線展開電機雜散磁矩分布特征為：電機瞬間工作，天線展開后電機不通電，磁矩可忽略。

由上述分析可知：衛星整星磁矩主要由衛星本體及SAR系統產生的磁矩形成。

2 衛星磁設計

針對微波遙感衛星大功率載荷中TR組件、有源天線陣、電源、SAR及其相關系統供電電流回路、接地回路等產生大磁矩的幾個重要因素，開展磁設計、實施磁性控制措施。嚴格控制衛星本體內、外及SAR相關系統產生的磁矩是保證衛星在軌磁矩滿足總體技術要求的關鍵[2]。

2.1 大功率SAR天線磁設計

根據SAR天線系統磁性分布特征，大型有源天線陣和星上數百個小型化TR組件是SAR天線系統磁矩控制的重點。

1)TR組件

裝星TR組件數量多，分析表明：TR組件底板、圍框、蓋板、微波電路及13個裝于TR組件內部的芯片基片，均為無磁材料。實測結果表明：單個TR組件的磁矩為1×10-2mA·m2，可確保這些TR組件疊加后其磁矩仍保持在很小量級水平[4]。

2)有源天線陣面

為減少和控制有源天線陣面磁矩，設計措施如下[5]：

(1)天線陣面安置多個雙模塊，這些雙模塊對稱布局，每個模塊上的TR組件與相鄰模塊上的TR組件，電流流向反向布局；并使相鄰模塊電流回路產生的磁矩相互抵消，如圖1所示；

(2)天線左右側板對稱布局，對稱陣板之間電流流向對稱布局，使板與板之間電流回路產生磁矩相互抵消；

(3)每個雙模塊內避免構成較大電流回路；每個雙模塊內大于10 mA的電流回路采用絞合線，小于10 mA的電流回路正線和回線盡量靠攏走線；

(4)每個雙模塊按圖2方式設計接地線；接地線長度控制在0.5 m內，減少其回路電流形成磁場的面積。

圖1 28個雙模塊布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of 28 modules

圖2 雙模塊內接地設計圖Fig.2 Block diagram of grounding design for each dual-module

2.2 星內接地、電源系統及SAR相關單機間布線設計

1)星內接地措施

由衛星磁性分布特征，控制星體內的接地回路和能源、SAR相關系統供電回路是減少星內雜散磁矩的關鍵，查找星內產生電流回路源、綜合分析回路走線和回路面積大小，結合整星防空間環境靜電放電的接地要求，確定整星設計三級接地網，如圖3所示，設計措施如下：

(1)設備內大于10 mA的電流回路采用絞合線，小于10 mA的電流回路正線和回線靠攏走線；

(2)接地通路采用單點接地方式并避免形成面積大于0.01 m2的電流回路；

(3)阻斷渦流通路，在結構中采用一些絕緣材料來阻斷渦流通路，避免平面內包圍大面積傳導電路。

圖3 整星三級接地網框圖Fig. 3 Block diagram of three-staged grounding network

2)星體內電源系統及SAR相關單機間供電電纜布線措施

為減少和控制星內SAR、電源系統之間供電電纜電流輸入/輸出形成的電流回路面積，對星內SAR、電源電纜走線及走向進行設計和改進(見圖4、圖5、圖6)。

下列五種星內系統間供電電纜走線均采取并行走線走向方式，使供電電纜電流回路圍成的面積為最小。

(1)外電狀態下電源控制器至蓄電池正、負極的供電線路走線；

(2)內電狀態下蓄電池至負載的正、負極的供電線路走線；

(3)蓄電池間的功率電纜走線；

(4)蓄電池正極至電流測量盒的供電線路走線；

(5)電流測量盒至天線配電器的供電線路走線。

圖4 衛星平臺加電(內、外電)模式下電纜 走線及電流走向圖Fig. 4 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (both inside and outside)

圖5 衛星平臺加電、SAR直傳(外電)模式下 電纜走線及電流走向圖(改進前)Fig.5 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (before modification)

圖6 衛星平臺加電、SAR直傳(外電)模式下電纜走線 及電流走向圖(改進后)Fig.6 Cable harness and current flow chart when spacecraft is powered on (after modification)

3 試驗驗證

經過上述磁設計措施后，分別對SAR天線陣、太陽陣、及衛星整星進行獨立測試和試驗驗證。試驗采用的方法、試驗設備和試驗環境條件等均嚴格按照國軍標《航天器磁設計及試驗方法》(GJB 7679-2012)所規定的要求執行(本文不作敘述)[5]。

3.1 SAR天線試驗驗證

由于天線發射工況特殊性，采用電阻等效負載方式模擬在軌電流工況對有源微波天線進行雜散磁矩的測試。為去除電阻負載回流的影響，在進行雜散磁矩測試前，對不帶等效負載的有源微波天線進行靜態永磁矩測試，然后再進行動態測試，迭代計算后獲取有源微波天線通電和不通電下2種工況磁矩值。

由于SAR天線-X、+X側板是完全等效對稱，故僅針對+X側板進行磁測試，并推算整個天線陣面的磁性分布狀態。被測天線側板及測試設備組成框圖如圖7所示。

SAR天線+X側板磁矩實測結果如表1所示，由衛星整星磁矩分布特征可知，側板收攏和展開態下X分量磁矩對衛星貢獻不變，Y、Z分量值相互替換；故僅考慮側板通電態下收攏與展開態Y、Z磁矩分量對衛星整星磁矩貢獻的區別后，即可推算得到其在軌等效磁矩值。

圖 7 SAR天線+X側板磁測試組成框圖Fig.7 Block diagram of magtic test setup of SAR antenna +X sideplate

SAR側板收攏與展開態下其磁矩分量對整星磁矩不同貢獻值如表2。

由表2[4]可知：SAR天線側板收攏與展開態下對整星磁矩分量貢獻值MX、MY是相同的，MZ在軌磁矩與地面試驗收攏態僅相差152 mA·m2，遠滿足其磁設計指標要求，證明SAR天線陣磁設計合理有效。

表 1 SAR天線+X側板磁矩測試結果Table 1 Result of magnetic moment test of sar antenna +X sideplate mA·m2

表2 SAR天線側板收攏與展開態下對整星磁矩分量貢獻值Table 2 Magnetic moment contribution of sar antenna with sideplate folded and deployed mA·m2

3.2 衛星本體雜散磁矩試驗驗證

衛星本體磁測試時，其工作模式完全模擬衛星在軌狀態，與SAR天線磁矩擬合后獲得的衛星在軌磁矩值如表3所示。

4 試驗結果分析

1)大功率SAR天線磁設計效果分析

大功率SAR天線單翼板磁測試與天線陣綜合計算結果(見表1、表2)表明：天線陣面的供電和控制電纜正負線采用雙絞線方式；板內部件及模塊對稱性布局；散線連接的熱控電纜正負線置于同一線束內并對稱布置；兩翼對稱陣板之間電流流向對稱布局；雙模塊內避開天線配電器接地方式；上述這些磁設計措施降低且抵消了大功率SAR天線電流產生的磁特性，使單翼板與板之間產生的磁矩相互抵消，大大的提升了SAR系統磁凈化程度。

2)星內接地、電源系統及SAR相關單機間布線磁設計效果分析

衛星星內線路改進前后不同工況下磁測試結果(見表3)表明：星體內接地回路方式，衛星能源系統及SAR相關系統供電回路走向是減少星內雜散磁矩的關鍵。

衛星能源系統及SAR相關系統供電回路走向線路改進前，衛星平臺加電、SAR直傳時，內、外電不同供電下，衛星X、Z方向雜散磁矩差異較大。 70 Ah電池(與100 Ah電池同為俄羅斯產品)，在放電70 A、100 A模式下，電池本身產生的雜散磁矩不是很大，由此，可認為磁矩變化主要原因是由100 Ah電池工作電流回路面積產生的雜散磁矩造成。實際檢查結果證明100 Ah電池內、外電供電電纜存在較大的電流回路(見圖5)，其產生的雜散磁矩是衛星各工況磁矩過大和不穩定的主要因素。

通過合理規范星內電纜長度和改進SAR、能源系統及相關產品間電纜走線路徑和電流走向(圖6所示)，使產生大電流的電流正負線緊貼并行走向方式，構成電流回路的面積達到最??；其電流回路面積由1.7 m2降為0.1 m2。線路改進后，平臺加電狀態下的星內電流回路(見圖4)引起的雜散磁矩較小，70 Ah電池相關的供電回路電纜布局合理，70 Ah電池本身引起的磁矩變化小。平臺加電、SAR直傳工況下雜散磁矩明顯降低，衛星100 Ah電池相關供電電流回路改進合理有效(見圖6和表4)；電流回路控制措施的改進和實施，大大改善了整星磁潔凈度。

微波遙感衛星整星磁設計、磁測試結果表明：衛星整星及SAR天線接地設計，小型化TR組件及有源天線陣、星體內電纜等結構、工藝布局和走線設計合理，極大地減少了整星靜態永磁矩、動態場雜散磁矩；設計改進后的衛星整星磁矩值滿足總體磁指標要求。

本次試驗按照《航天器磁設計及試驗方法》(GJB 7679-2012)所規定的技術要求進行，并參照國家標準《航天器磁性評估和控制方法》(GB/T 32307-2015)執行。所有試驗數據及測試結果不確定度優于5%[6]。

5 結束語

低軌微波遙感衛星首次在國內完成了整星磁設計、磁測試。衛星接地網絡、大面積有源SAR天線陣、雙模塊、TR組件、攜陣面單機、星體內、外單機及系統間電纜等磁設計技術措施正確?？刂菩巧想娎|的電流回路面積和限制回路數量，并采用單點接地系統，避免星內大電流供電回路的形成，是有效控制衛星動態磁場、減少衛星雜散磁矩的關鍵。通過設計合理的邊界條件和模擬試驗，實現了衛星整星和大型部件單獨磁矩測試、擬合計算及試驗驗證；滿足了衛星在軌磁矩6 A·m2技術指標要求。對今后國內類似遙感衛星及大功率動能類衛星磁設計、磁試驗具有參考借鑒作用。