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。     

大视场、高精度数字式太阳敏感器

1 引言 太阳具有离地球近、亮度高、发光均匀等特点,把它作为测量目标,测量太阳矢量在敏感器坐标系中的位置,并将测得的该位置信息提供给卫星姿态控制系统,便可以调整卫星的姿态。表1列出了国内外各类卫星姿态控制系统的构成及性能。由此可以看出,几乎所有的卫星上都用到了太阳敏感器,可见其在姿态控制系统中的重要地位。太阳敏感器的主要类别为0-1式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器、数字式太阳敏感器。     

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。     

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。     

空间飞行器姿态控制用CCD敏感器——新一代姿态敏感器

本文简述了硅电荷耦合器件(Si-CCD)的工作原理,在此基础上,重点介绍了Si-CCD用于星敏感器和太阳敏感器时的优越性,并列举出国外将Si-CCD用于星敏感器和太阳敏感器的实例。着重阐述Si-CCD太阳敏感器的工作原理、光学系统、电子电路及提高分辨率的三种方法。     

地球同步气象卫星星载高精度太阳敏感器的研制

根据地球同步气象卫星 (GSMS)星载扫描同步控制器系统的要求和对太阳目标特性的分析 ,研制了一台用于该GSMS的星载高精度太阳敏感器 (HASS)及配套的性能测试装置 .该太阳敏感器的光学头部由两对狭缝组成 ,采用平衡检测方式产生高精度的太阳脉冲 ,为星上扫描同步控制器和卫星地面站云图配准的引导提供基准信号 .其在卫星子午面内的扇形视场为 - 2 9.5°～ 2 9.5° ,当其随星体按 10 0r/min的速率旋转时 ,可实现 0 .4 6 μs(r.m .s)的测量精度 .另外 ,该太阳敏感器还具有高可靠性、实时性和低功耗的特点     

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.     

基于标准CMOS工艺的片上太阳敏感器研究

微纳卫星对于载荷的苛刻要求使得太阳敏感器的微型化研究具有重要意义。为了解决光学器件和处理电路的集成兼容问题,文章基于标准CMOS工艺提出一种新型片上太阳敏感器,以金属走线层构建微型墙结构,两侧均匀分布pn结构成光电传感器,通过检测两侧光电流比例解算出入射光角度。文章从工艺实现、模型建立、数值仿真和实验测试等方面验证了器件的合理性和可行性。最终,片上太阳敏感器阵列芯片质量为1.5g,尺寸为304.2mm³,检测精度为±1.6°,视场范围为80°,可满足微型化需求。     

高精度太阳敏感器的发展

本文在对高精度太阳敏感器发展现状的介绍中,结合实例就各项指标提出了一些想法,并对太阳敏感器的发展趋势进行了分析。最后给出了一个基本的方案设想。     

基于PSD的微位移传感器建模的实现方法

为了正确反映基于光电位置敏感器(PSD)的微位移传感器的特性,首先介绍了一维光电位置敏感器的工作原理并分析了利用PSD结合光学三角测量法将位移信号转换成电压信号的工作原理,得出基于PSD的微位移传感器被测试件位移量与相关测量电路输出电压(S,V)关系特征,然后基于最小二乘估计算法基本原理,提出了运用MAT-LAB语言建立PSD的微位移传感器(S,V)关系特征的数学模型的方法,给出了建模的程序流程图以及仿真结果。     

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。     

地面姿态模拟光源技术研究

太阳敏感器和红外地球敏感器是卫星姿态控制的重要部件, 在卫星升空前必须对其进行地面实验。设计了一套由4条光缝组成的太阳模拟光源和针对地球同步轨道高度15.6张角的南北红外地球模拟光源。详细介绍了地星姿态模拟光源系统的组成及总体结构, 采用红外光学技术, 设计了地球模拟光源的锗准直透镜, 同时为了保证各模拟光源对真实卫星的安全对接试验, 确认各光源对星上产品的激励作用满足要求, 设计了地星姿态模拟光源安装支架。地球模拟光源能够模拟地球弦宽15.6及卫星10~120 rpm的自旋转速, 通过实验对地球模拟光源弦宽及转速进行了测试, 结果表明模拟地球弦宽误差不大于0.04, 转速锁相误差不大于1 ms。     

红外、紫外、微光系统与应用

0016140新型红外地平敏感器非共轴红外光学系统的优化设计[刊]/黄心耕//红外与激光工程.—2000,29(2).—72～77(K)从卫星用新型红外地平敏感器的视场设计出发,分析了光学膜厚度和锗红外光学材料的吸收对光学设计的影响,介绍了非共轴红外光学系统优化设计的方法,给出了其设计结果。试验表明,设计的非共轴红外光学系统完全满足卫星用新型红外地平敏感器的要求。参6     

数字式太阳姿态敏感器抗干扰特性研究

分析了天体干扰光斑的位置和光强对卫星数字式太阳敏感器姿态角输出的影响.基于太阳光斑和天体干扰光斑具有不同的输出电压和位置特性,提出了一种分别计算每个光斑的输出电压值和入射角度的比值,并与标定的太阳垂直入射时输出电压值作比较而得到正确太阳姿态角的新抗干扰方法.     

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。     

高精度准直式太阳模拟器光机结构设计

为了实现对卫星控制系统中太阳敏感器的高精度地面标定和测试,提出一种真实模拟太阳光辐射特性的高精度准直式太阳模拟器设计方案,根据模拟器热功率高的特点,对氙灯与组合聚光镜、转向平面反射镜、光学积分器等主要组成部分进行了详细的光机结构与热控结构的设计.运用Ansys软件进行热学仿真分析,保证热控结构设计的合理性与最优性.通过实际检测,设计的太阳模拟器可以真实地模拟太阳光辐射特性,准直角小于32',辐照面小于100 mm时,不均匀度优于1.6 %;辐照面在(100~300) mm时,不均匀度优于4.2 %,满足对高精度太阳敏感器的地面标定和精度测试.     

红外地球敏感器电磁兼容性测试用地球模拟器的研究

红外地球敏感器地面标定试验的精度高低,将直接影响到卫星在轨道上的工作精度.地球模拟器是卫星姿态测量控制关键部件红外地球敏感器的一项重要地面模拟试验与精度标定设备.详细介绍了摆动扫描式红外地球敏感器整机电磁兼容性试验专用性能测试用的地球模拟器的组成和总体结构,针对用于同步和较低的轨道卫星地面测试,研究的地球模拟器针对卫星二个轨道高度35 786 km和21 500 km,采用可更换地球光阑的方案,能够提供两种地球张角(17.46°和26.54°),实现了地面上模拟卫星在太空中所看到的地球.该问题的研究对提高摆动扫描式红外地球敏感器卫星地面性能测试水平具有重要意义.     

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。     

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。     

用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统研制

本文研制了一种用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统,该系统利用高精度的PSD（Position Sensitive Detector,位置敏感探测器）传感器来获取太阳的指向位置,通过ARM7微控制器S3C44BOX控制高精度机械转台转动,从而使聚能器指向太阳光入射方向。全文设计论证了系统软、硬件的实现方案,并研制出了相应的系统平台。实际测试结果表明,相比固定朝向式的聚能器,该系统对太阳能的采集效率能够提高约30％。