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.     

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.     

一种基于高精度CCD的星敏感器系统设计

CCD作为实时、高精度姿态测量部件,对空间飞行器的姿控、导航、定位具有重要意义。本文对CCD星敏感器遮光罩、光学系统、电路系统硬件及导航星库制定、星图识别、姿态计算软件算法等星敏感器技术实现进行了系统阐述,并提出星敏感器系统设计方案。经实验室静、动态检验和观星检验,该系统可以满足卫星姿轨控系统提出的精度要求。     

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.     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。     

星敏感器技术研究现状及发展趋势

对国外星敏感器的研究现状和发展过程进行了综合分析,汇总比较了多种星敏感器的性能参数,特别介绍了CMOS APS器件的应用优势和APS星敏感器的发展现状.最后对星敏感器的发展趋势进行了简要阐述,认为星敏感器作为一种精确姿态测量装置,将在更多领域得到广泛应用.     

机载星敏感器成像的仿真技术研究

根据天文导航的基本原理,综合考虑了星敏感器自身噪声、星云星团、大气折射、大气扰动和气动、地球遮挡等因素对机载星敏感器成像的影响,实现了复杂环境下的星光在机载CCD星敏感器上的成像仿真。在仿真过程中,重点考虑了大气折射的影响,分析了载体在大气层内飞行时星光角距、载体姿态和折射角之间的关系,推导了星敏感器成像点位置偏移的计算公式,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础。     

一种甚高精度星敏感器精度测试方法

根据星敏感器的误差来源和组成,提出了对甚高精度星敏感器的瞬时误差(TE)、高频误差(HSFE)、低频误差(LSFE)三项误差的测试方法。针对星敏感器TE的测试,利用统计高精度静态光星模和基于高精度单星模拟器的星点质心定位误差的方法,得到星敏感器TE的误差;针对星敏感器HSFE的测试,利用高精度转台和单星模拟器,以微步距采集星点弥散斑在不同成像位置时的能量变化,计算星敏感器高频误差;针对星敏感器LSFE误差的测试,利用双轴转台,并且分别旋转转台的两轴,计算星敏感器星像坐标在像面上的变化来获得LSFE的误差。最后文中以某甚高精度星敏感器为例进行试验,结果表明测试方法有效。     

CCD星敏感器在天文导航系统中的应用

本文介绍了基于星图匹配技术的新一代大视场天文导航原理和CCD星敏感器的基本工作原理,并对导航的精度做出理论计算,可适用于空中飞行器、舰船、陆用战车等武器装备,是天文导航今后的发展方向。     

微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感器中的应用初探

文中以微光探测为基础,阐述了微光探测的主流技术,重点突出EMCCD(Electron Multiplying CCD)的结构、功能、优点,并以星敏感器运用为目的,初步进行了EMCCD的设计和计算.     

一种星敏感器光学系统标定与引建的新方法

星敏感器以星体映射在CCD像平面上的坐标作为输入信号,信号精度受到光学系统固有误差与CCD像平面安装误差的综合影响。基于恒星参考系的星敏感器光学系统标定与引建方法,无需转台与星模拟器等大型昂贵设备支撑,以天体信标于观测历元时的精确赤道坐标为基础依据,创新性地将星敏感器不可回避的CCD像平面安装误差问题,糅合至光学系统标定过程进行解决,应用简单、方便,经试验验证:标定与引建精度能够达到角秒量级。     

星敏感器成像电路噪声分析及降噪处理

为了提高星敏感器的探测精度,针对星敏感器成像电路的CCD组件噪声、驱动电路噪声、二次电源噪声以及模/数混合电路的噪声进行了机理分析,并提出了相应的解决方案,经实验验证成像电路输出信号的信噪比得到很大提高。     

多视场星敏感器数学模型与精度分析

多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比不仅具有更高的可靠性和自主性,也具有更高的精度和动态性能,是未来星敏感器发展的重要趋势之一.为获得最佳性能,需要对多视场星敏感器的视场大小和布局进行优化.为此,首先建立了多视场星敏感器的数学模型,重点介绍了星点成像和姿态计算.然后推导了多视场星敏感器测量精度的数学表示,分析了影响精度的因素.通过仿真分析了多视场星敏感器视场大小和布局对各因素和精度的影响.仿真结果表明,视场大小对星敏感器精度的影响取决于星敏感器的运动情况,当角速度较小时,视场越小,精度越高;当角速度较大时,视场越大,精度越高.而各视轴相互正交的视场布局下,多视场星敏感器的测量精度最高.     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

星敏感器地面标定设备的设计

为了实现星敏感器的地面标定试验,设计一套视场大且星间角距模拟精度高的星敏感器地面标定系统,对标定系统的组成、光学系统设计和模拟仿真精度等进行研究。根据星敏感器的地面标定要求介绍系统组成,提出实现星间角距模拟精度优于20的方法;采用新型显示器件LCOS 作为星图显示器,通过像面拼接的方法扩大视场,并据此利用Zemax 软件设计光学系统。在原有测量方法的基础上,给出地面标定设备的精度评价方法。并提出一种能够提高星间角距模拟精度的星点修正方法。实验结果表明:星敏感器地面标定设备的星间角距模拟精度小于20,满足对星敏感器进行地面标定试验的要求。     

星敏感器定位精度噪声影响因素研究

基于矩心算法建立了星敏感器定位精度模型,从理论上分析了星敏感器定位精度的主要影响因素,推导出温度、积分时间和开窗大是影响星敏感器定位精度的主要因素,利用所研制的ST-1型星敏感器,通过实验定量地测试出了不同的温度、积分时间和开窗所带来的定位精度误差,并选择实验所得到的参数,通过ST-1型星敏感器进行野外实测,实测结果证明合适的温度、积分时间和开窗大小是获得高质量定位精度的前提.     

利用仿真星图的星敏感器地面功能测试方法

介绍了一种基于仿真星图的星敏感器地面功能测试方法.该方法对卫星(飞行器)运动轨道和姿态参数及星敏感器的姿态参数进行仿真计算、模拟生成星敏感器在轨状态下的仿真星图.星敏感器以此仿真星图作为测试信号源,通过对仿真星图的处理,实现对星点定位、星图识别、姿态计算等功能的全面测试.为简化电路设计,该方法选用星敏感器现有接口作为通讯接口.为满足功能测试的实时性需求,采取局部更新的手段来减少星图传输数据量.实验表明,该方法能对星敏感器电子部件的功能进行有效验证,在使用RS232接口、波特率设置为115 200 bps的情况下,可以实现20 Hz数据更新率的测试.该方法实现简单、通用性强且不依赖其他外部设备,可以满足航天环境试验和整星联调阶段的功能测试任务要求.     

星敏感器支架的结构/热稳定性分析及验证

为明确星敏感器支架受空间环境影响产生的变形对星敏感器定姿精度的影响,对星敏感器支架的结构/热稳定性进行了研究。通过有限元法对星敏感器支架进行刚度分析,将热分析获得的在轨极端工况下的温度数据映射至结构模型上计算得到热变形,利用最小二乘法得到各星敏感器光轴矢量,最后进行试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为429 Hz,与分析结果相差不超过2%,试验前后星敏感器光轴与基准坐标系各轴夹角最大变化不超过5;在轨期间星敏感器支架最大温度波动小于2 ℃,星敏感器光轴变化最大为4~5,与分析结果一致。星敏感器支架的结构/热稳定性良好,能够满足星敏感器定姿精度要求。     

新型分体式星敏感器设计及其应用

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态测量的高精度光学姿态敏感器。介绍了一种新型分体式星敏感器的总体设计、应用及验证情况,其已成功应用于科学试验、通讯及地球观测等多种卫星平台,共有21套产品在轨验证。根据在轨遥测数据分析,全面验证了其主要技术指标:探测灵敏度5.7Mv、数据更新率8Hz、测量精度2.6、阳光抑制角28、动态性能1（）/s等。新型分体式星敏感器是国际上首个在轨飞行验证并引入控制系统闭环控制的APS星敏感器,根据地面测试验证结果和20余套产品长达两年在轨数据的全面分析,其在轨性能与地面测试性能一致,在轨测试结果证明产品的测量精度、鲁棒性、可用性和可靠性等主要性能满足卫星使用要求。     

一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的微型星敏感器成像系统的实现方法

下一代星敏感器将向着小型化、低成本、低功耗的方向发展,以往的基于CCD图像传感器的成像系统由于受自身因素的制约,难以满足其发展需求.文中介绍了一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的USB数字成像系统的设计实现,通过对实现的系统模型进行测试和分析,得出结论即基于CMOS有源图像传感器的成像系统完全有能力作为下一代星敏感器的光电探测器件,从而为微型星敏感器成像系统的实现提供了一种切实可行的方案.