Page 84 - 《真空与低温》2025年第4期

贺 玮等：GEO-SAR 卫星表面材料光压力高精度地面测量技术研究 499

optical pressure of GEO-SAR satellite surface materials on the ground.
Key words：GEO-SAR satellite；solar pressure response；ground measurement system

0 引言 如图 1所示。

地球同步轨道合成孔径雷达（Geosynchronous
航天器表面材料
Synthetic Aperture Radar，GEO-SAR）卫星定轨精度 光压测量系统
及轨道预报精度是影响成像定位精度和成像质量
的重要因素。根据雷达成像测量理论，GEO-SAR
卫星可通过地物双程（前向与返向）斜距值获取精
[1]
确的地球信息，前者与卫星的位置信息紧密相关 。 微小力 竖直摆 振动抑 力标定 数据获
测量 及其转 取与处
测量手段、卫星受力情况等因素均影响定轨及轨 系统 向系统 制系统 系统 理系统
道预报精度。在测量手段不变的情况下，通过分析
卫星受力情况并精确建模，是提高卫星定位精度的
[2]
重要途径 。在卫星所受非保守型摄动力中，太阳 图 1 光压力地面专测系统框图
[3]
光压的影响占比最大 。地球附近空间环境太阳 Fig. 1 Block diagram of solar pressure measurement system

2
光的能流密度约为 1 350 W/m ，对应航天器表面单 1.1 微小力测量系统
2
位面积（1 m ）法向方向的力在 4.5～9 μN 之间。对 根据卫星总体要求，光压力误差在±3% 以内，
于要求精密定轨的 GEO-SAR，光压将显著影响系
可满足 GEO-SAR 卫星的精密定轨要求。卫星在轨
统性能，无法忽略。目前，解决该问题的方法主要
−7
2
受到的光压辐射加速度约为 6×10 m/s 。若卫星
包括采用光压模型理论计算，高精度加速度计测量
质量按照 3 000 kg 估计，其光压辐射力约为 2 mN，
反演光压等。
故测量误差需在±60 μN 以内。受限于实验室模拟
光压模型是高轨卫星高精度定轨、定位的基
太阳光真空实验容器的限制，实验件上的光压信号
[4]
础 。GEO-SAR 卫星在轨光压力精确建模需要航
只有 1～2 μN，为满足±3% 的相对误差，力的测量
天器表面的光压响应特性数据，而航天器表面的光
误差需求为±30 nN。此外，真空容器壁没有可供光
压响应与材料、工艺、表面状态等有关。因此，在
路通过的透明窗，无法采用激光位移测量的方法获
GEO-SAR 卫星研制过程中，可通过建立地面实验
得光压，需要研制高精度的测力传感器。该传感器
装置对航天器表面材料光压响应进行精确测定，并
基于高灵敏应变材料和抗温漂电路，可满足对光压
用于模型修正及优化，进而提高精密定轨水平。传
信号及测试环境的要求。
统的地面光压测量装置通常利用激光照射样品以
力传感器除了需要精确感知 30 nN 的微小力，
产生弱光光压，并采用压电 、电容 [6-7] 和扭称法 [8-9]
[5]
对其量程的要求也远大于光压的 2 μN。环境振动
等测量方法，仅能实现毫伏甚至更低量级的光功率
引入的噪声信号比光压信号高出约 3 个量级，即便
测量。此外，由于可照射样品的面积过小，难以准
采取二级减振后抑制了调制频率附近的振幅，环境
确评估材料表面皱褶产生的漫反射。因此，为精确
振动引入的干扰仍然达毫牛量级，最高可达 10 mN
测试太阳光或模拟太阳光照射的航天材料表面光
以上，因此传感器的量程定为 100 mN，极限承压
压，本文研制了 GEO-SAR 卫星表面材料光压力地
1 N。传感器测力的非线性优于±0.03%。
面专用测量系统，用于大扰动环境下航天器表面材
传感器测量位置在压心，即实验件的几何中心，
料的模拟光压测量。

也是光压的中心位置。若测量位置在垂直方向偏离
1 GEO-SAR 卫星表面材料光压力地面专用测量 压心，会影响光压测量。实验件悬索悬挂点距离压
系统设计 心超过 100 mm，因此测量位置在垂直方向±1 mm
GEO-SAR 卫星表面材料光压力地面专用测量 引起的光压测量误差在±1% 以内。

系统（简称光压力地面专测系统）主要由微小力 1.2 竖直摆及其转向系统
测量系统、竖直摆及其转向系统、振动抑制系统、 待测实验件的重力最大约 10 N，远超过力传
力标定系统、数据获取与处理系统 5 部分组成， 感器的 100 mN 量程，故通过竖直摆悬挂实验件，使