国产元器件在星敏感器的应用设计和验证测试

受到国际环境影响,选用高性能的进口元器件存在禁运风险,元器件中国自主研制可控需求日益迫切。在宇航领域,国产元器件应用验证生态环境薄弱,需通过核心电子器件在卫星体系中的验证与应用,发现器件性能和应用方法的问题,检验核心电子器件的先进性和不同应用条件下的可用性。根据核心电子器件在星敏感器中的验证与应用要求,实现了多种核心电子器件在星敏感器中的全面集成应用,星敏感器核心电子器件自主保障率达到100%,加速了核心电子器件成果推广和航天装备的自主可控。

CCD星敏感器辅助光纤陀螺在线标定技术

首先建立陀螺在线标定模型,然后以电荷耦合器件星敏感器输出的姿态四元数和陀螺输出的载体相对于惯性空间的姿态四元数构造量测量,采用模型预测滤波与扩展卡尔曼滤波相结合的方法,将部分陀螺误差项作为模型误差,在线实时估计并修正系统模型,提高了状态估计的精度,最后对该算法进行了数学仿真。仿真结果表明,该方法能有效地完成陀螺在线标定,标定精度和速度明显优于传统方法。这种在线标定的处理方法在实际使用和维护中具有极大便利。

基于流固耦合星敏感器控温平台力学特性分析

为研究某星敏感器控温平台在温控油液冲击作用下的力学特性以及光轴偏移情况,借助有限元分析软件ANSYSWorkbench,以星敏感器控温平台组件为研究对象,采用单向流固耦合方法对该系统进行计算与分析,并对星敏感器转接法兰安装面变形数据进行数据拟合处理,得到安装面的倾斜量以及系统的等效光轴偏移量.结构计算结果显示,安装面变形量在流速约为2.2m/s时存在一峰值,为1.1e-5mm;在给定流速范围内,最大等效光轴偏移量为0.0012",且随着流速增大而逐渐增大.分析结果表明星敏感器控温平台组件在油液循环流动条件下能够保证该系统的光轴稳定性,为星敏感器光轴热漂移测试系统结构设计与分析提供依据.

一个基于CMOS器件的新型嵌入式星敏感器设计

CMOS图像敏感器应用于星敏感器设计是当前国内外研究的热点。本文采用CMOS图像敏感器STAR2 5 0结合当前先进的ARM (RISC)技术 ,设计了具有自主性的轻型嵌入式星敏感器 ,具有抗辐射、体积小、质量轻、低功耗。

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．

星敏感器星象模拟软件的研究

星敏感器是高精度姿态测量部件，广泛应用于各种航天器中，作用对象是空间恒星，成像过程涉及光学系统、ＣＣＤ探测器及前端信号处理系统，最后输出惯性坐标系或地心坐标系下的姿态角。本文完成了对星敏感器成像过程的模拟，研制了星敏感器星像模拟软件，为星敏感器及其他类似航天器的性能评价提供了有效手段。

CCD星敏感器光学系统设计

介绍ＣＣＤ星敏感器用光学系统设计的参数选择，光学系统的设计光谱范围０．４８、０．８５μｍ；焦距为７５ｍｍ，Ｆ／１．４４，视场８．５°。该系统为复杂化的Ｐｅｔｚｖａｌ结构形式；以点列图能量集中度和能量重心偏评价光学系统的成像质量。所选用的ＣＣＤ芯片像元尺寸为２３μｍ×２３μｍ，像元数３８４×２８８，全视场内混色光点列图能量重心偏最大值１．６μｍ，对应于４．３９角秒。

高动态EMCCD星敏感器总体参数设计方法

从高动态星敏感器动态性能需求出发,分析了电子倍增型电荷耦合器件(EMCCD,electron multiplying CCD)噪声来源,推导恒星探测中EMCCD的信噪比公式.针对EMCCD总体参数设计优化问题,提出了EMCCD中电子倍增电压和致冷温度的设计方法,并应用该方法进行高动态星敏感器中EMCCD总体参数设计及仿真.仿真结果表明,角速度为10(°)/s时姿态测量精度优于30″.提出的EMCCD参数确定方法可以为高动态星敏感器设计提供参考.

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。

用于小卫星的KM1301型星敏感器

KM1301型星敏感器是设计用来装在小卫星上进行恒星跟踪和自主姿态确定的。该仪器的前身由柏林技术大学设计,已成功地用在TUBSAT-A和TUBSAT-B卫星上。后来,由Kayser-Threde公司根据空间任务的标准设计规范与要求重新对它进行设计与鉴定,包括通过Kayser-Threde公司的质量保证体系认证。通过努力,使仪器具有很高的性能价格比,在惯性空间的相对姿态确定精度达到角分级。敏感器采用384×288像元的帧传输型电荷耦合器件(CCD),配上16mm的光学系统。敏感器探头和所有电路都集成在一个机壳里。由于体积小、质量轻、功耗低、投标价也低,因而这种敏感器特别适用于小卫星使用。不过对其他一些工程应用,例如空间站科学试验这类任务,它也是可以胜任的。从1996年开始,它便成为由Kayser-Threde公司提供的现成商用产品。

空间交会对接CCD光学成像敏感器光学特性

以辐射度量为标准,建立了CCD像机探测合作目标光功率模型以及功率方程,得到了所需合作目标光功率与CCD像机参数的制约关系,分析了CCD像机探测到光点所占像元数与传输距离之间的关系。用超焦距方法解决了CCD像机对有限远距离范围内工作时的成像清晰度问题,采用了像方远心光路设计解决了系统测量精度问题。研究了太阳光进入CCD像机视场和照射对接口反射后对CCD像机产生的影响。

航天CCD太阳敏感器的发展与应用

CCD太阳敏感器是目前应用于航天飞行器姿态控制系统中的高精度姿态敏感器。本文简要介绍了CCD太阳敏感器的发展现状,对其发展趋势以及我国航天飞行器对其的应用需求进行了分析。

基于星体跟踪器的天文找北系统

以星体跟踪器为基础,设计了一种天文找北系统。介绍了天文找北系统的结构和工作原理,对找北系统的精度进行了分析。分析表明:天文找北系统结构简单,精度高,对外部误差源不敏感。

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前景。

CCD星跟踪器

自七十年代以来,CCD星跟踪器在各种航天飞行器上得到越来越广泛的应用。本文叙述了XG-1型CCD星跟踪器的设计思想,系统结构和工作原理。整个系统的工作由单片微计算机控制;由于采用了内插细分的矩心算法,XG-1 CCD星跟踪器达到了亚象元精度。实验结果说明,在视场角为2°×2°时,测量精度优于2角秒。系统具有多星跟踪的功能,可以稳定跟踪+6.4等恒星。

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。

水下自主航行器微光照相机驱动系统设计

提出了基于水下自主航行器的EMCCD微光照相机驱动系统设计方法。首先,分析了EMCCD输出噪声的组成,根据暗电流噪声和时钟感生噪声的关系,给出了常规功率驱动的器件选型原则和设计方法;讨论了使用图腾柱电路实现电子倍增驱动的功耗问题,并给出了改进方案;使用高频系统时钟实现了驱动相位和脉宽的微调,解决了驱动时序波形幅度重叠率不足的问题;最后,给出了使用CCD201-20搭建的水下相机结构和实验结果。实验结果表明,系统产生的常规驱动信号频率为时钟频率10 MHz,串行转移时钟的幅度重叠率优于50%,并行转移时钟的幅度重叠率优于90%,驱动信号的相位调整精度为18°,脉宽调整精度为5 ns,驱动波形稳定、平整,电子倍增驱动信号高电平可调,功耗相较于优化前降低7.2%。本文所介绍的EMCCD驱动系统设计方法充分兼顾了驱动系统的噪声、体积和功耗问题,可以广泛应用在水下微光成像乃至常规CCD领域。

CCD图像传感器的高分辨率技术

评价了 Ｃ Ｃ Ｄ 图像传感器与电子束摄像管的性能。分析了高分辨率 Ｃ Ｃ Ｄ 像感器的技术难点。阐述了解决这些问题的技术措施：双 Ｈ－ Ｃ Ｃ Ｄ 移位寄存器、 Ｓ Ｒ Ｄ 法、 Ｃ Ｃ Ｓ 法及微透镜技术等。给出了三种新器件的技术指标。