太阳辐射监测仪遥测信号采集系统设计

太阳辐射监测仪作为某卫星的有效载荷,在轨测量时卫星读取仪器遥测口的遥测信号并打包下传,随后解包判断SIM工作是否正常。因此遥测信号十分重要,在研制阶段的地面模拟在轨飞行环境的试验中,也需要实时采集显示遥测口的遥测信号,以分析环境变化对遥测信号的影响及规律。通过基于DSP的下位机设计和基于VC的上位机编程,实现了遥测信号的采集和实时显示,系统结构简单,图像显示实时,为环境实验阶段仪器状态的判读起到了重要作用。实验证明,系统工作稳定,满足实时采集、实时传输和实时显示的任务要求。

星载太阳辐射监测仪的高精度太阳跟踪

由于FY-3(01)星和FY-3(02)星宽视场扫描式太阳辐射监测仪(SIM)测量时间短、精度低,本文利用FY-3(03)星SIM实现了太阳的高精度跟踪测量。首先,分析了SIM太阳跟踪精度指标、跟踪转动范围,测试并确定了数字太阳敏感器(DSS)的视场范围、频率、分辨率,标定了DSS在轨像面辐照度。为消除跟踪抖动现象,分析测试了控制时间间隔和跟踪精度的关系,确定了理想控制时间间隔为500ms。外场和在轨实验结果表明,SIM太阳跟踪精度优于±0.1°,俯仰在轨跟踪精度为0.029°,偏航在轨跟踪精度为0.025°,原始太阳总辐照度(TSI)值为1 353.1W/m2。另外,DSS太阳指向精确,跟踪控制可靠,大幅增加了TSI监测时间。FY-3(03)星SIM在太阳同步轨道卫星上实现了TSI的太阳跟踪测量,跟踪精度是国际空间站(ISS)同类载荷CPD跟踪精度的10倍。

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。

太阳辐射监测仪跟踪引导系统的设计

为了在地面测试星载太阳辐射监测仪在轨对日跟踪性能,设计了太阳辐射监测仪跟踪引导系统。研究了太阳方位矢量在太阳辐射监测仪本体坐标系中的角度变化,通过坐标转化计算出其变化量及变化趋势,在此基础上提出了两轴联动二维度的引导方法。基于太阳敏感器工作原理,构建了跟踪引导模型,并给出了跟踪精度要求。最后利用跟踪引导机构和电控系统组成的跟踪引导系统引导太阳辐射监测仪进行了跟踪实验。实验结果表明:太阳辐射监测仪跟踪过程无断点,俯仰方向连续跟踪夹角小于0.07°,偏航方向小于0.04°,合成跟踪精度优于0.09°。该系统能够连续稳定引导太阳辐射监测仪进行跟踪测量,且满足太阳辐射监测仪在轨跟踪精度要求。

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。

太阳辐射监测仪实验自动监控软件设计

太阳辐射监测仪(SIM)是某卫星上的监测太阳总辐照度变化的高精度仪器,其测量精度是交付前重点考核的技术指标;测量精度标定实验中的测量数据需要手动控制1553B总线进行下传,手动分解提取1553B包内的数据,判断仪器的工作状态,人工处理的工作量大且易引入人为误差;另外,仪器对测量环境要求高,人为参与会影响环境的稳定,因此需要实现整个实验过程的自动监控和数据自动处理。通过分析1553B仿真卡的特点,利用VC++编写了线程监控程序,操作界面一键控制,实现了实验数据的1553B自动下传,自动接收和保存;实验表明,监控软件操作简单、运行可靠,太阳辐射监测仪重复性测量精度满足小于5‰的设计要求。

太阳辐射的在轨监测和定标

采用宽视场设计,逐轨扫描太阳式测量方式的FY-3A太阳辐射监测仪,结合在轨一年半的太阳辐照度观测数据和地面实验与理论分析,研究了影响定标精度的因素,给出了修正方程和曲线,并通过与世界辐射基准(WRR)的地面外场定标实验,得到了FY-3A上的三台绝对辐射计的比例系数R1=1.008 3,R2=1.006 6和R3=1.006 5。日地距离的理论分析和实际太阳辐照度测量曲线均证明:地球近日点太阳辐照度值最大,远日点太阳辐照度值最小,且在±3.34%范围内随日期变化。利用天文公式,结合遥感源包中的准确测量时间,给出了日、地修正系数。另外,分析了冷空间背景辐射对定标精度的影响,给出了冷空间辐射值的计算公式,并结合宽视场设计和扫描式测量的特点,重点分析了采光结束时刻和刚捕获太阳光时刻入射角的差异给辐照度测量带来的影响,通过几何关系给出了入射角修正系数方程及修正曲线。最后,综合各定标修正系数,给出了在轨定标方程和定标曲线,并分析了定标精度。

太阳辐射监测仪观测角度变化的修正

研究了在卫星上太阳光扫过太阳辐射监测仪视场期间,太阳入射角的时间变化函数和在这种变角入射情况下辐射计接收腔的温度响应情况以及测量太阳辐照度的观测角变化修正问题。太阳辐射监测仪上的绝对辐射计是在腔上接收辐射功率发生微小变化的情况下,关闭快门进行电功率定标获得太阳辐射照度的,将腔接收辐射功率的这种微小变化作为角度修正因子对太阳辐照值进行了修正。风云三号卫星上两年来测得的2×104多组数据进行这种观测角变化修正后,获得的太阳常数值为1368±4 W/m2。其不确定度为0.3%,同世界气象组织推荐的公认值1367±7 W/m2及欧美国家至今在各类卫星上测量值相一致。

高精度高稳定度太阳辐射监测仪技术

本文介绍了高精度高稳定度的太阳辐射监测仪技术。太阳辐射监测采用的是绝对辐射计，长春光机所研制出了自主知识产权的SIARs绝对辐射计，并对7项带来测量不确定度的校正因子进行了校正，在卫星上测量一个太阳常数时，不确定度可达到0．11％，SIARs参加了第九和第十届国际日射（强度）计此对，同世界辐射基准（WRR）在0．2％以内符合。太阳辐射监测仪在“神舟三号”飞船和“风云三号”气象系列卫星和地面气象站测量中得到应用，研制出的微型化绝对辐射计可用来作为光谱辐射绝对定标基准，为空间仪器的绝对定标奠定基础。

基于Matlab GUI的太阳辐射定标数据处理平台设计

太阳辐射监测仪(SIM)是某卫星上监测太阳辐射的有效载荷,其地面太阳辐射定标结果是在轨数据处理的重要依据;定标中3台仪器共8个通道产生大量的数据,各通道数据的处理方法不同,为了方便大量数据的快速处理和分析,设计了基于Matlab GUI的数据处理平台,该平台面向矩阵操作,具有强大的图像绘制能力,程序修改简单,实现了多角度跟踪测量数据的快速处理和图像输出,给出了卫星在轨标定曲线及方程,在轨标定结果表明该平台工作可靠,数据处理准确。

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。

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。

在轨太阳模拟器双模式控制系统设计

太阳辐射监测仪作为某卫星的有效载荷,在太阳同步轨道运行过程中,通过其二维跟踪系统对太阳辐照度进行跟踪测量,在研制阶段的模拟在轨跟踪实验中,需要二维太阳模拟器为其提供光源来模拟在轨运行时的太阳运行轨迹,验证二维跟踪系统的跟踪性能;系统下位机基于单片机控制步进电机驱动二维机构带动光源在轨运动,通过FPGA扩展接口读取二维编码器对模拟光源角度信息的反馈;上位机基于VC编程,控制在轨太阳角度输出并切换太阳模拟器工作模式;本系统结构简单,智能闭环控制,角度精确反馈,输出太阳光线的俯仰角度和偏航角度与Matlab计算理论值偏差在±0.15°以内,在太阳辐射监测仪的二维跟踪系统地面性能测试中,运行稳定可靠。

VC++与MATLAB混合编程解析卫星下传数据包

太阳辐射监测仪(SIM)是风云三号卫星(FY3)上监测太阳辐射的载荷,在轨运行期间,仪器状态和测试数据保存在固定格式的数据源包中,数据包通过卫星的1553B总线传输到地面观测站,因此对数据包的解读和分析是判断SIM在轨状态的重要手段。本文结合VC++良好的界面编程和MATLAB强大的数据处理能力,通过MATLAB进行混合编程,实现了数据源包的解读和分析。

风云三号C星太阳总辐照度观测结果分析

第二代极轨气象卫星风云三号C星(FY-3C)携带的太阳辐射监测仪(Solar Irradiance Monitor,SIM)是FY-3A/B星上同类载荷的改进型,称为太阳辐射监测仪II型(SIM-II).针对SIM-II在轨观测获取的日地平均距离处太阳总辐照度数据,通过与国外同类产品以及太阳黑子数据进行对比分析,检验SIM-II太阳总辐照度产品精度,评估仪器在轨观测能力.比对结果显示,SIM-II太阳总辐照度数据与国外同类产品相比在变化趋势上具有很好的一致性,与美国NASA发射的太阳辐射和气候变化试验卫星(Solar Radiation and Climate Experiment,SORCE)/总辐照度监测仪(Total Irradiance Monitor,TIM)产品的相对均方根偏差约为87×10?6,与比利时皇家气象研究所(RMIB)基于多个星基太阳总辐射观测数据处理得到的太阳总辐照度合成数据(简称RMIB数据)的相对均方根偏差约为140×10?6.SIM-II太阳总辐照度与太阳黑子数的相关性分析结果显示二者在极值分布上具有较好的对应;针对2014年10月太阳超强活动过程的监测结果显示,SIM-II和TIM观测的太阳总辐照度变化与太阳黑子面积变化相关,当太阳黑子面积增大2470时,SIM-II监测到的太阳总辐照度变化为?2.94 W/m2,TIM监测结果为?2.98 W/m2,说明SIM-II的观测结果能够定量反映由太阳活动导致的辐射能量变化.研究表明,FY-3C星太阳总辐照度数据已达到国际同类产品的观测精度,可以用于太阳活动及气候变化监测等相关研究.