N形缝光线引入器太阳敏感器技术研究

为适应微小卫星发展的需求,提出了基于线阵电荷耦合器(Charge-Coupled Devices,CCD)的N字形狭缝数字太阳敏感器研究方案,以减小系统功耗并降低系统复杂度。该方案通过采用带有N字形狭缝的光线引入器以及单个线阵CCD作为光线探测器,实现了太阳敏感器对两轴太阳角的精确计算。提出利用迭代算法和修正系数对系统折射误差进行修正的方法,进一步结合质心算法,能够快速准确修正系统误差,提高系统精度和分辨率。N型数字太阳敏感器视场角可达(±60°)×(±60°),在整个视场范围内定姿精度优于0.1°,功耗300mW。该数字太阳敏感器具有低功耗、大视场角和高精度的特点,设计、算法均大大简化,实现了太阳敏感器的微型化,在各种微小卫星上有广阔的应用前景。

基于MEMS光线引入器的太阳敏感器技术

太阳敏感器是卫星等航天器上的重要姿态测量部件,其原理是测量太阳光线和敏感器本体主轴的夹角,近而确定卫星的指向。随着MEMS技术和高精度图像传感器技术的发展,将MEMS光线引入器阵列和APS(Active Pixel Sensor)图像传感器技术进行组合,在不增加系统的质量和功耗的情况下通过多个成像阵列来降低系统的随机误差,提高成像中心位置的准确性,从而将太阳敏感器的测量精度提高一个量级。同时采用图像预测提取相关算法(Future Extraction and Image Corre-lation-FEIC),提高了系统的鲁棒性,在部分小孔受到堵塞等干扰情况下,依然保证系统正常工作,精度上基本上不受影响。传统的太阳敏感器一般采用单孔式光线引入器和CCD等方案来实现的,精度比较低。这种新设计思路和实现方法为太阳敏感器系统的可靠性提供了重要保障。

小孔阵列式太阳敏感器的光学系统设计

微型数字式太阳敏感器光学系统由APS CMOS图像传感器和基于MEMS工艺的小孔阵列式光线引入器组成。图像传感器的分辨率为1024×1024pixel,像素尺寸为10μm×10μm;光线引入器具有微小孔阵列结构,小孔为方形孔,30×30阵列,尺寸为60μm×60μm,间距为250μm。光线引入器采用了MEMS工艺的掩模板制备工艺。针对所设计的光学系统计算了曝光时间,并在此基础上进行了地面成像实验。实验结果表明,光学系统设计合理,保证了敏感器所具有的高精度和大视场。

微型数字式太阳敏感器的原理实验

对一种基于新型光线引入器和有源像素传感器(APS)CMOS图像传感器的微型数字式太阳敏感器进行了设计和原理实验研究。介绍了系统的工作原理、光线引入器的结构特点和APSCMOS图像传感器的特点,进行了系统误差分析与实验。实验结果表明太阳敏感器的角度估算精度在±10°视场角内为0.16°。对太阳敏感器的实验研究和屏阵列光线引入器的结构设计与使用性能的初步探讨说明大面阵CMOS图像传感器和新型光线引入器有助于太阳敏感器的微型化和高精度化。