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。

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°。

附录G 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。

基于有源像元敏感器(APS)的星跟踪器

大多数三轴稳定卫星采用基于电荷耦合器件CCD的星跟踪器提供可靠的姿态测量数据。在观测几颗恒星位置的基础上计算出卫星姿态角而这些恒星可在CCD摄取的天空图像上定位与识别。一种新的光敏成像阵列--有源像元敏感器(APS)已经作为CCD器件很有潜力的替代品而崭露头角。APS芯片利用现有的CMOS(互补型金氧半导体晶体管)生产设备制造,其工艺较之CCD工艺有许多优点,这些优点包括:功耗低,动态范围宽,光晕阈值高,可对单个像元进行读出操作,可用3.3V或5V单电源供电,能在芯片上集成定时、控制、取窗、模数转换(A/D)以及求矩心操作等功能。但是由于像元的光敏特性不均匀,APS是否适合做星跟踪器的成像器件使用还不得而知。本文介绍在星跟踪器上使用256×256像素APS芯片的测试结果。在实验室条件下已经利用光子传递曲线确定一个系统的读出噪声为7个电子(对光电门电路类型),而一个APS像元在满势阱状态大约有450,000个电子。对一颗0等星,采用天文观测方法测得APS的灵敏度为13,600e^-/(s·mm^2)。APS的矩心确定精度大约为1/10像元,动态范围优于9个星等。这些测量结果使我们得到结论:对于CCD星跟踪器来说,APS是一个很有潜力的替代者。

基于APS的微型星跟踪器

JPL实验室已经就如何设计未来小型化星跟踪器的问题安排了一个研究课题。该研究项目推荐发展以APS为核心的超低功耗(70mW)、超轻质量(42g)的高速(50Hz)微型星跟踪器(MAST)。当数据更新率为50Hz时,这种MAST的精度约为7.5"。对于所有轻质量与低功耗的微型卫星来说,MAST都是不可缺少的,因为在这些卫星上,质量与功耗参数是人们特别关心的。MAST仅由两个芯片组成一一个是为星跟踪器应用而优化的CMOS有源像元敏感器(APS)图像探测器,这是一项技术突破;另一个是包含内部集成电路(I^2C)接口、存储器和一个8051微控制器的专用集成电路(ASIC)芯片。MAST的强大功能使它可从几个小窗口同时输出像元数据,而由星上计算机执行处理任务。