CMOS APS 器件及其在星敏感器中的应用

介绍了CMOS有源像元图像传感器(APS)的原理与结构特点,阐述了CMOS APS与CCD比较应用于星敏感器的潜在优势,详细介绍了CMOS图像传感器在星敏感器中的应用现状,并对基于CMOS APS与基于CCD的星敏感器的测量精度结果进行对比,展望了CMOS APS星敏感器的发展前景.     

当前CCD星敏感器及其在航天中的应用

本文阐述了星敏感器的定义、分类;简要地介绍了CCD星敏感器的结构、工作原理和应用;重点介绍了美国、日本、英国和德国研制的几种有代表性的卫星、航天器等姿态测量用CCD星敏感器。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

CCD太阳敏感器技术研究

太阳敏感器是卫星姿态控制系统中的重要测量部件。本文重点阐述CCD（电荷耦合器件）太阳敏感器的优越性及在方案研究中的基本设计,并结合功能测试给出了太阳敏感器的标定原理,最后分析了CCD太阳敏感器的发展及其广泛应用的前景。     

天体对太阳敏感器的测姿影响及其防护措施

姿态控制系统是卫星得以持续正常工作的保证。太阳敏感器在轨道运行时,容易受到天体的干扰而引起卫星姿态异常。简要介绍了太阳敏感器的工作原理。分析了天体对太阳敏感器的干扰情况。分析表明,敏感器受天体的干扰影响,与天体反射太阳光和入射太阳光在太阳敏感器位置的辐照比值有关。最后,针对可能存在的干扰,提出了相应的防护措施。     

CMOS APS在太阳敏感器中的应用研究

通过对CMOS APS和CCD的性能比较,总结出CMOS APS应用于太阳敏感器的优越性。随后,介绍了这种新型太阳敏感器的工作原理、结构和工作流程、测试和标定结果。并在求算太阳像中心算法上提出了一种解决其不足之处的方法。     

CMOS图像传感器辐射损伤导致星敏感器性能退化机理

为了分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了辐射环境下互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器辐射损伤对星敏感器性能退化的影响。该方法通过建立空间辐射和CMOS图像传感器辐射损伤敏感参数、星敏感器性能参数之间的相关性,揭示了CMOS 图像传感器器件参数退化到星敏感器系统参数退化的传递机制。60Co-γ辐照试验表明:辐照后,系统信噪比的降低导致星敏感器星等探测灵敏度的降低,信噪比是联系CMOS图像传感器和星敏感器系统之间的桥梁。质子辐照试验表明:当辐照注量大于3.68×1010 p/cm2时,已无法正确提取星点质心。该研究结果为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定了一定的基础,更可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。     

大视场高精度太阳敏感器的实现

太阳敏感器是卫星姿控系统之一,现在被广泛应用的CCD太阳敏感器已渐渐不能满足卫星小型化、高性能的要求。本文从如何增大太阳敏感器视场并提高其精度这一对矛盾量入手,简要介绍了基于CMOS有源像元传感器(APS)的太阳敏感器的发展现状,并对国外的两款数字式太阳传感器(APSDSS)的原理进行了分析和介绍。     

浦江一号卫星星敏感器在轨测量精度分析

针对星敏感器在轨运行时的精度评估问题,提出了采用历元差法、滑动窗口法和光轴夹角法综合分析的方法,分别用于评估星敏感器测量噪声,测量总误差,并基于浦江一号卫星提供的星敏感器不同类型的在轨数据进行分析计算。在轨测试结果表明:星敏感器光轴指向精度达到15（3）,满足卫星控制系统要求,其三轴稳定度达到0。01。该方法可用于星敏感器在轨测量精度评估,也可用于星敏感器地面观星精度评估。     

太阳敏感器的原理与技术发展趋势

姿态控制系统是卫星得以持续正常工作的保证。太阳敏感器是卫星姿态控制系统的重要组成部分,所有的卫星都配备有太阳敏感器。简要介绍了太阳敏感器的基本原理和构成,并借介绍几种典型的产品,说明了当前国外太阳敏感器的发展现状。最后对未来太阳敏感器的发展趋势作了简要分析。     

太阳同步轨道星敏感器热设计典型工况确定

以某太阳同步轨道卫星星敏感器为例,阐述了热环境分析、外热流计算、典型工况条件确定以及热试验模拟的全过程。首先,分析了星敏感器所处的内、外部热环境,确定了其温度水平的主要影响因素。其次,进行了星敏感器通光孔到达外热流的计算,确定了典型工况的工况条件。然后,制定了星敏感器热平衡试验外热流的模拟方案,利用闭环程控系统进行外热流加载。最后,依据星敏感器自身特点,提出了热试验外热流的加载策略。典型工况条件的确定合理可行。     

星敏感器动态精度评价方法

针对现有精度评价方法无法有效计算星敏感器在大动态条件下精度的问题,基于星敏感器成像模型与星对角距的不变性,提出了一种星敏感器动态精度评价方法。阐明了该方法的原理,提出了计算流程和统计方法。基于风云卫星在轨数据,对比了该方法与常用的滑动窗口法的处理结果,分析了两种方法在小角速率条件下处理的等价性,验证了该方法的可行性。基于地面观星数据,分析了两型星敏感器在不同动态条件下的测量精度。与现有的动态精度评价方法相比,该方法可有效地剥离动态过程中测试系统引入的误差,更真实地反映动态条件下星敏感器的实际测量精度。     

星敏感器热稳定性的试验分析方法

星敏感器作为高精度姿态测量仪器,在轨工作时易受热环境的影响。针对仿真分析难以精确建立星敏感器光-机-热模型的问题,提出了一种星敏感器热稳定性试验分析方法,通过加热真空罐中的安装面和遮光罩来模拟星敏感器的在轨热环境,利用静态光星模拟器模拟星空,通过观察星敏感器输出姿态的变化评价星敏感器的三轴热稳定性。试验过程中通过自准直仪对安装面棱镜的测量值剥离安装面热变形对姿态测量的影响,经过分析后可知误差在4.5%以内。对某型号高精度星敏感器进行试验,结果表明:当遮光罩温度由27.3℃升至110.6℃时,星敏感器光轴绕x轴的偏移量为2.9″,绕y轴的偏移量为1.2″,绕z轴的偏移量为2.6″;当星敏感器安装支架控温精度为(20±0.3)℃时,星敏感器光轴的偏移量为±0.18″,满足高精度星敏感器的热稳定性指标。     

复杂卫星抖动下的星敏感器姿态测量数据处理技术

由于复杂卫星在轨运行中不可避免地存在着抖动振动,从而导致星敏感器数据不稳和精度降低,这给低信噪比条件下的敏感器姿态测量数据处理带来了很大困难。该文针对复杂卫星抖动情况下数据的处理进行了讨论,分析了星敏感器测量原理及各类误差源产生机理,并在此基础上,重点研究了抖动条件下的星敏感器姿态测量数据处理技术,结合抖动幅频特性,通过寻找用于处理抖动引起误差的幅频分界点,分析了抖动对星敏感器姿态测量精度的影响,并结合卫星姿态确定过程,给出了抖动情况下星敏感器姿态测量数据的处理方法,可有效地提高星敏感器数据处理精度,使不经稳态控制就可对抖动测量数据进行处理成为可能,大大降低了系统的设计成本,缩短了设计周期。     

地球反照对星敏感器的影响分析

利用光度学的概念和点源辐射传输率(PST),提出了一种分析地球反照对星敏感器的影响的几何光学模型。该模型对地球表面按照经纬度划分了网格,为已知的TOMS反射数据的应用提供了接口,具有一定的通用性和实用性,可简要分析卫星上的星敏感器在一定输入条件下,包括轨道高度、星敏感器的安装方位、太阳入射角度等,地球反照到达遮光罩入口、出口的照度,以及不同离轴角下像面接收的地球反照的照度值。借助此模型,可以为星敏感器在卫星上的安装方位提出建议,并估算出星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能。仿真分析表明,对于中低轨道而言,地球反照到达星敏感器遮光罩入口的辐照度变化不大,地球反照到达星敏感器遮光罩出口的辐照度主要与遮光罩自身的PST和遮光罩的安装仰角有关;当遮光罩的安装仰角φ=32.5°时,出口的辐照度下降到10-7W/m2,满足遮光罩消杂光的要求。     

高精度星敏感器噪声与定位精度研究

星敏感器定位精度是星敏感器最重要的性能指标.噪声是影响星敏感器定位精度的重要因素.文章基于矩心算法建立了星敏感器的定位精度模型,对星敏感器主要噪声所带来精度误差进行了推导,结果显示,开窗、积分时间、温度直接影响噪声大小,进而影响星敏感器的定位精度.利用基于CCD TC237的星敏感器,通过实验,定量地分析出了三种因素对于星敏感器定位精度的影响,实验结果显示,三种因素中,温度和积分时间对星敏感器定位精度的影响最大.     

高精度太阳敏感器原理与精度可信度分析

从太阳敏感器的原理出发,分析了几种典型类型的太阳敏感器的原理和对应精度的可信度表达式,并发现以现有器件为基础的复合型太阳敏感器的精度仍有进一步提高的潜力:在文献中给出的器件基础上,确定相应的理论上的角分辨可信绝对精度可以达到10-5级;提出实现精度存在近2个量级提高空间.随着器件和其他相关技术的进步,未来使用的太阳敏感器精度可以达到5个量级以上.     

成像器噪声对星敏感器星等灵敏度的影响

作为用于高精度测量的姿态敏感器,星敏感器需要具备很高的星等灵敏度.对以光电转换技术为核心的星敏感器来说,光信号的传输及转换容易引入噪声,而成像器噪声则成为影响星等灵敏度的重要因素.为了提高星敏感器的星等灵敏度,结合系统信噪比判据,分析了成像器中的CCD组件噪声和电路噪声,推导出系统信噪比公式.并针对其中的暗电流噪声、逻辑驱动电路噪声、直流偏置驱动电路噪声和A/D转换电路噪声等主要噪声提出了相应的解决方案,经分析和测试,成像器噪声对星等灵敏度的影响是不容忽视的.采用适当的噪声抑制方案可有效提高星敏感器的星等灵敏度.     

星敏感器的星点定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理,分析了星图的特点．并结合星图的特点对星图阈值的确定和内插细分算法进行了研究,从理论和实践两个方面对星点定位算法进行了分析,最后确定了适合星图使用的星点定位方法。并用星敏感器对该定位方法进行了试验检验,取得了较为满意的结果。     

星敏感器像平面移位误差的分析与校正

星敏感器在长时间工作后会产生三种像平面移位误差,即主点漂移误差、倾斜误差与旋转误差。星敏感器的像平面移位误差会严重影响其测量精度。以往关于星敏感器像平面移位误差的研究仅考虑了像平面三自由度的主点漂移误差。而文中还考虑了星敏感器像平面在剩余三个自由度下的移位误差,即倾斜误差和旋转误差,从而提出了一种新的星敏感器六自由度像平面移位误差模型。最后,利用扩展卡尔曼滤波方法在轨标定了星敏感器的六自由度像平面移位误差。仿真结果显示该方法将星敏感器的测量精度大幅提高到了0.23,因此新的星敏感器像平面移位误差模型弥补了旧模型的不足,显著提高了星敏感器的工作性能。