单结空间太阳电池的测量与标定方法

自1995年以来,关于"单结空间太阳电池测量与标定方法的要求"标准,国际标准化组织已经起草过十个版本。本文根据1999年8月31日最新版DIS15387摘要编译。

基于微机电系统的太阳敏感器

卫星姿态确定分系统广泛采用太阳敏感器来测量卫星坐标系中的太阳矢量。本文介绍一种基于微机电系统(MEMS)的实验型太阳敏感器。这台太阳敏感器样机包含一块带有数百个小孔的硅片掩模。掩模安放在一只电荷耦合器件(CCD)焦平面阵列顶上,距焦平面750μm。当太阳照射此装置时,在焦平面上形成孔径图像。对这个图像进行分析,就可以算出太阳角。试验数据表明,这种太阳敏感器可以达到的精度约为二三角分,或者更好一点。计划利用一个有源像元敏感器(APS)焦平面阵列器件,把这种太阳敏感器的体积做得像3个美国1角银币相互重叠起来那么大,其质量轻于30g,功耗低于20mW。这种太阳敏感器将成为微型与超小型卫星以及小型行星漫游车上使用的理想部件。

精密太阳跟踪器

在太阳敏感器领域里一个突出的进展是利用星跟踪器技术制造小型全功能双轴太阳跟踪器。这种敏感器在110°视场范围内的双轴精度均达30″。它不必采用光谱平衡技术,就可标定到高精度。在MIL-STD-1553/1773数据总线上的数字输出通用性强,无需外部处理,无需用户另做接口。内部微处理器控制探测器,进行全部数据处理,直接输出双轴太阳角,并允许根据任务要求灵活编程。重要组件(如电子模块、探测器)在星跟踪器应用中已经通过空间环境考验。本文介绍这种新型敏感器的结构、特性和测试结果。这种太阳跟踪器为GN&C卫星工程师提供了一种方法,他们可以利用这种方法,以比常规太阳敏感器更轻的重量,更小的体积,来实现最好的多用途星跟踪器才能达到的姿态确定精度,而且组装和应用工程的工作量也最小。

用APS器件的小型制导、导航与控制敏感器

为了用另一种器件替换CCD充当图像敏感器，从1993年开始，CMOSAPS器件（动态像元敏感器）的研究工作就在加紧进行。APS器件的光电性能目前已经接近标准的前向照射CCD器件。由于APS器件具有低功耗、低价格与高集成度的特点，因而可以利用它设计出重理轻、功耗小、价钱便宜的制导、导航与控制（GNC）敏感器。这些特点是微型卫星、着陆舱、月球车上仪器设计成功的关键，另一方面，也是新一代高性能敏感器设计成功的关键。法国的马特拉马可尼空间公司（MMS）现在正和法国国家航天研究中心（CNES）一起研究一种以高集成度APS器件为基础的小型自主星跟踪器方案。这种产品的设计要满足一大批应用领域的要求。这些应用领域包括CNES计划的微型卫星、MMS的对静止卫星、地球观测卫星以及像火星取样器一类的星际飞船等。去年MMS和SUPAERO公司的CIMI开发部在APS器件方面开展的工作已经证实了所选APS设计方案具有高性能与抗辐照能力。本文介绍性能测试的详情。根据这些技术成果，MMS和CIMI已经出一种多用途的512×512动态像元敏感器。小型自主星跟踪使用的APS器件就是从现有的512×512像元APS器件派生出来的。本文介绍这种在质量、功耗与价格方面具有吸引力的高精度敏感器的主要特性。

微型太阳敏感器

微型太阳敏感器样机已经在美国加利福尼亚理工学院喷气推进实验室(JPL)研制出来。此样机包含一块很薄的硅片。硅片上镀铬和金,带有数百个小针孔,安放在一个有源像源敏感器(APS)的图象探测器顶面,与探测器表面距离为900μm。当太阳照射掩膜时,在APS图像探测器上形成太阳图像。精确地确定探测器上太阳图像的位置,就可以算出太阳角——其工作原理与日晷相像。封装后的微型太阳敏感器质量为11g,体积为4.2cm^3,功耗为30mW。微型太阳敏感器的精度优于1′,最大视场角为160°。

基于理论模型与飞行任务经验的地球反照对太阳敏感器测量结果影响的分析

以前一些飞行任务试验数据的分析表明,太阳敏感器读数异常可能是由地球反照干扰引起的。过去有一份太阳敏感器研究报告对这种效应提出了详细的数学模型。这模型既可用来研究漫反射影响,又可用来研究镜面反射影响,并且可根据受干扰的太阳敏感器测量结果、卫星位置与近似的姿态信息来提高太阳角的测量精度。根据此模型预估,漫反射光会使粗太阳敏感器(CSS)产生高达10°的误差,使精太阳敏感器(FSS)产生5″～10″测量误差,具体影响取决于卫星的轨道与姿态。只要被太阳照射的一部分地球表面出现在敏感器视场中,这些敏感器的精度就受影响。数字式太阳敏感器(DSS)对地球反照干扰的响应方式不同。多数时间里DSS的测量结果不受影响,但在一些短暂时间周期里,地球反照可能引起误差。此误差是敏感器最低有效位的许多倍,可超过1°。为了验证与改进此模型,本文把模型预估值与热带降雨量测量卫星(TRMM)的粗太阳敏感器测量值进行比较,讨论了降低与减轻地球反照影响的方法。粗太阳敏感器的误差大致与地球反照系数成比例。采用仅对紫外辐射敏感的光电池可把实际的地球反照影响减小到千分之一,可以有效地消除由地球反照干扰引起的全部误差。

基于两种不同工艺的CMOS APS成像器的设计与特性

本文介绍由CIMI-SUPAERO公司根据两种不同工艺设计的CMOS APS(有源像元敏感器Active Pixel Sensor的缩写——译注)成像器的实验结果。无论采用光电MOS(金属-氧化物-半导体)构成像元,还是采用光电二极管构成像元,两种设计都已完成。第一种电路采用标准的CMOSDLP/DLM(互补型金氧半导体晶体管-双层多晶硅/双层金属)1.2μm工艺设计。这种工艺源于奥地利微系统公司。探测器阵列包括32×32个方形像元,像元间距为50μm。光电二极管(PD)结构,填充系数为75%;光电MOS(PM)结构,填充系数为50%。电路包括行与列地址译码器,还带有读出电路,以便在芯片上完成相关双增量采样,减小列与列之间的固定图案噪声。另外两种芯片采用标准的CMOSSLP(单层多晶硅)/DLM工艺制作,这种工艺源于MIETEC公司,设计的特征尺寸为0.7μm,它包括一个128×128像元阵列,像元间距为21μm,带有模拟读出电路。利用这两种工艺的10个不同阵列器件中没有发现一个不合格品。本文中我们根据暗电流、量子效率、转换增益、动态范围、线性度及空间均匀性等特性,比较了 32×32像元与128×128像元的性能。

瑞利散射姿态敏感器

研制成功了一种用于测量卫星姿态的新型测量仪器,这种仪器工作原理基于对地球边缘散射紫外辐射的测量。它包含一个非常稳定的紫外带通滤光片,中心波长为355nm。它还具有光学成像系统和一个二级管线阵探测器.在地球边缘,这种波长的辐射亮度是由瑞利散射决定的。大气垂直高度超过20km时,通常每升高1km,辐射亮度下降15%。当轨道高度为306km时,理论上本仪器在地球边缘的分辨率为每像元0.39km(相当于0.012°).这意味着与典型的红外姿态敏感器相比,性能有重大改善,因为红外姿态敏感器精度一般在0.1°左右。本敏感器系统与航天飞机的太阳反向散射紫外试验设备(SSBUV)组装在一起,于1996年1月在航天飞机执行其STS-72任务时进行飞行试验。本文介绍仪器的标定及其光学特性,还讨论本仪器的首次飞行试验结果。这些结果表明仪器精度与航天飞机用常规仪器实现的±0.05°指向精度差不多。

迷你型太阳敏感器

本文介绍俄罗斯地球物理协会GeoKos特别设计局在大视场精密太阳敏感器方面的一些最新研制结果。这种敏感器用CCD阵列和特种狭缝式光栅来实现大视场与高精度。光栅可减小由于CCD器件光敏元离散和像元不均匀性产生的误差分量。这种敏感器光学系统简单,电子设备很小,且没有活动部件,因而体积小、重量轻、可靠性高。

欧洲几个协调测试中心的太阳模拟器标定

欧洲一些测试中心,如ESTEC(欧洲空间技术中心,荷兰)、IABG(工业设备管理中心,德国)和INTESPACE(空间环境工程试验中心,法国)采用不同方法描述太阳模拟器特性。本文对这些方法进行比较与评定,对总辐照度与光束均匀度的各种测量方法进行验证,保证用户采用相同的标准对测试数据进行评估与解释。为了在太阳模拟器性能测量中能够采用适当的术语,对有关国际标准进行了调查,并将它们汇编成一个文件,以便在总辐照度和光束均匀度测量中使用。业已确定了一种国际标准作为绝对总辐照度的顶级参考标准,所有工作标准都对照它来标定。本文汇总了这几个测试中心描述太阳模拟器热特性的方法,对比了这些测试方法所采用的结构、试验体积和性能参数。讨论了测量与控制总辐照度参数的不同方法以及手动控制系统和闭环控制系统。就光束均匀度测量而言,这些测试中心采用了两种不同原理的扫描方法,即笛卡尔坐标法与极坐标法。为了比较现有的均匀度曲线,必须考虑数据采集、转换与处理的方法。因此,根据采集的三维综合数据集用计算机仿真来对不同方法进行分析评估。本文给出的结果可对光束均匀度进行比较,且数据评估对用户透明。结果概括在一个太阳模拟器标定程序之中。考虑到不同测试中心使用的设备与仪器各不相同,这份文件只涵盖这些协调测试中心测量总辐照度与光束均匀度的最起码的通用要求。

一个地球反照模型的应用与飞行数据验证结果

到达地球表面的太阳辐射至少有一部分被反射。粗太阳敏感器一般用来确定卫星姿态,太阳敏感器中安装硅太阳电池,电池接收来自地球的反射光(或称反照)会使太阳位置测量产生错误。Flatley和Moore提出了一个数学模型,用来模拟地球的太阳光辐射(可见光部分)所引起的粗太阳敏感器的输出变化。本文讨论用飞行数据对这个模型进行验证的结果。飞行数据取自Rossi X射线计时实验卫星(RXTE)以及随后应用此模型的斯帕坦(Spartan)207飞行任务。斯帕坦207是一颗没有射频遥控指令链路的预编程卫星,它由轨道飞行器的遥控机械臂系统(RMS)释放。它带有充气式天线设备(IAE),一个直径50英尺的充气式机构安装在100英尺长的充气杆上。当卫星被遥控机械臂系统释放出来之后,如果斯帕坦卫星的中央太阳敏感器(SISS)捕获到太阳,就触发一个定时器,使天线膨胀后展开。这样做,是为了当系统释放后再重新被抓住,或者因为某种原因系统还未离开轨道器时,保证天线不会在轨道器有效载荷舱内错误地产生伸展动作。本文分析怎样利用这个地球反照模型来设置斯帕坦卫星中央太阳敏感器的阈值,以保证斯帕坦207卫星充气式天线设备不触发舱内释放。

低成本姿态控制敏感器的新家族

本文介绍满足人造卫星姿态测量要求的新一代光学敏感器的发展状况。这些敏感器包括:一种新型两轴全静态红外地球敏感器(现已通过鉴定)。它用来测量三轴稳定卫星相对于地平线的俯仰与滚动姿态;一种新型多功能、全自动、低成本的星跟踪器。这种星跟踪器(现已通过鉴定)为姿态控制分系统提供三轴姿态和卫星角速度信息;一种用来测量卫星俯仰与滚动姿态角的新型太阳敏感器。它质量很轻,价格很便宜。

小卫星应用的新型低成本姿态敏感器

本文介绍适应小卫星质量轻、成本低要求的新型敏感器方案。这些方案论述了 sTS01型地球敏感器和SED15P型星跟踪器,它们是根据法国工业部与国家航天研究中心(CNEs)的合同由SODERN公司设计的。根据地球敏感器的适用范围,对热探测器的几种现代技术进行具体比较,然后介绍保留器件,着重介绍其主要特性。文章还概要地介绍塑封商用器件中采用的一种新颖而独到的电子设备配置方法,这种方法适用于象SED15那样具有大视场结构的星跟踪器。

超小太阳神——下一代太阳敏感器

研制出了一种新型的精密太阳敏感器,它用单个光学组件敏感两轴信息,把过去传统上由精太阳敏感器和粗太阳敏感器分别实现的功能结合在一起。这种称为"超小太阳神"的敏感器精度高、视场宽、可靠性高、耐辐照、体积小、质量轻。本文介绍这种敏感器的初步试验结果,并讨论了各种误差源。

模块化太阳敏感器

EDO公司Barnes工程部,一个老资格的高质量地球敏感器生产者,最近面向低价格高性能的小卫星市场,开发出一套新型太阳敏感器。这种敏感器强调结构模块化、封装方式流线化、性能测试自动化,以便大量生产。一小套基本模块,以极低价格满足新任务的要求。

新一代太阳与地球敏感器

空间产业最新潮的观点是按"小、快、好、省"的要求研制卫星姿态与轨道控制系统,特别是姿态敏感器。俄罗斯天体研究发展中心正在研究使太阳敏感器与地球敏感器成本降低、体积减小的先进方法与技术,其中一些有吸引力的技术是:由硬件实现的图像形心估算法;与硅平面工艺兼容的多像元红外辐射敏感器件制造工艺(14～16μm);与硅平面工艺兼容的多像元可见光光敏器件制造工艺(非CCD,是MultiScan器件)。有了这些技术,就有可能把图像敏感器、信号调节单元、模数转换器以及信号处理单元集成到一块芯片上,从而大大提高参数稳定性和产品生产效率,使姿态敏感器价格明显降低,尺寸显著减小。因这种集成敏感芯片采用硅质材料,其工作原理保证器件在空间环境中具有长寿命、高可靠与稳定度。

用于冥王星探测航天器的新技术跟踪器

这里介绍一种用于太阳系行星-冥王星探测任务的星跟踪器。要求它以最低成本实现质量轻、功耗低与性能高的指标。在94财政年度开始的冥王星探测任务中,用一个改型的现成商用星跟踪器(由休斯Danbury光学系统公司生产的HD-1003型星跟踪器)实现了这些目标。本文讨论冥王星探测任务、探测航天器设计、星跟踪器及其性能。

用于姿态与轨道控制系统设计、运行控制与降低全寿命成本的高效费比系统

无论是由于政府预算下降,还是作为一种商用技术途径,我们未来仍然需要具有当代水平的高效费比软件。姿态与轨道控制系统软件的设计师们面临着具有大量复杂性、独特性能和高应力特性的航天结构,仍需开发柔性系统。现在,如何正确地选择软件结构,正成为一个项目成功的关键,因而也就成为有关公司、组织机构或者代理商取得成功的关键。本文阐明一些现成商用软件工具集成在一起,如何能够高效地用来改进姿态与轨道控制系统的品质,并提高生产率。

基于多功能动态像元敏感器APS的微型跟踪器

一种新型光敏图像阵列器件——动态像元敏感器APS,作为CCD成像器件的竞争对手,已经在星跟踪器和目标跟踪器应用领域崭露头角。喷气推进实验室(JPL)已经制订了一项开发基于APS器件的新一代、高集成度多功能跟踪器——可偏程智能微型跟踪器(PIM)的计划,仔细挑选了PIM的支持硬件,以充分发挥APS的固有优势。跟踪器的功能足以完成下列任务:恒星识别、恒星跟踪、姿态确定、空间对接、特征跟踪、用于着陆控制的降落成像以及目标跟踪等等。PIM的第一个方案采用JPL开发自的256×256像元APS器件和先进的32位RISC(精简指令系统计算机)微控制器。发挥APS珍奇性能及其与微控制器相结合的优势,这种微型跟踪器与当代恒星跟踪器相比,质量和功耗大约可减小一个数量级。它还增添了可编程的优点,因而可以探测各种各样的恒星和其他天体,并可执行目标跟踪任务。这种用于空间领域的PIM设计概念的有效性正在验证之中。采用这样一种集成化手段来建造新一代高性能通用跟踪设备的成效,将在未来多种多样空间任务的应用中得到证实。