國外星敏感器現(xiàn)狀
外星敏感器研究及應(yīng)用已有近50年的時間。到目前為止，至少有三代產(chǎn)品在航天器上得到應(yīng)用。第一代為星跟蹤器，多采用光電倍增管之類光電元件作為敏感元件；第二代為星圖儀式星敏感器，采用電荷耦合器CCD作為敏感元件，以中低性能的CPU為處理器，采用局部天區(qū)恒星識別算法；第三代星敏感器相對于第二代的主要進步在于采用了高分辨率成像元件和高性能處理器，提高了姿態(tài)確定精度和數(shù)據(jù)處理速度，增加了自主全天恒星識別功能，同時敏感器的體積、質(zhì)量和功耗也有大幅度降低。表1為國外部分星敏感器指標(biāo)
表1 國外部分星敏感器指標(biāo)
20世紀(jì)90年代初，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和CMOS加工工藝技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了采用CMOS工藝的動態(tài)像元星敏感器APS。目前歐美一些機構(gòu)已率先開始采用APS作為探測元件，研制體積更小、功耗更低的星敏感器。歐空局的小衛(wèi)星姿態(tài)敏感器項目就是為了促進和試驗小型化姿態(tài)敏感器的一些新項目，其中采用了512×512動態(tài)像元敏感器（APS）、高集成度多芯片模塊（MCM）電路等。其試驗?zāi)Ｐ蛢H重270g，體積約為62mm×53mm×53mm（未計及蓋子和處理器部件），功耗2.4w（帶處理器時增加到5w）。實驗證實，該星跟蹤器當(dāng)更新速率為10Hz時，在20°×20°視場中對5等星的測量精度和噪聲等效角都優(yōu)于1“（2?）。
這類新型星敏感器正代表了現(xiàn)代星敏感器不斷小型化、輕型化、低功耗、高實時性的發(fā)展趨勢，特別是在減少體積、重量、功耗方面，有了重大飛躍。20世紀(jì)70年代，美國最早將星敏感器應(yīng)用于航天器上。1989年，蘇聯(lián)將其用在和平號空間站上。聯(lián)邦德國、法國和日本也先后使用星敏感器測量航天器姿態(tài)。接下來詳細(xì)介紹一下基于CCD 圖像傳感器和基于CMOS APS的星敏感器現(xiàn)狀。
基于CCD 圖像傳感器的星敏感器
電荷耦合器件（CCD）體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊，可靠性高，像元尺寸及位置固定，對磁場不敏感，適合空間應(yīng)用需要，自70年代中期美國率先研發(fā)出基于CCD的星敏感器后，一直作為主流的圖像傳感器應(yīng)用于星敏感器。
?。?）德國 Jena-Optronik 的 ASTRO 系列
該公司的第一款星敏感器是 ASTRO 1，1984 年研制，1989年應(yīng)用于MIR（和平）空間站上。其后的 ASTRO 5 是全自主星敏感器，重量輕、功耗小、價格便宜，但橫滾軸精度較差，需要兩枚同時工作以提高精度。ASTRO 10 為分體式結(jié)構(gòu)，電子模塊與光敏模塊分離，主要應(yīng)用于近地軌道的各類衛(wèi)星（SAR-Lupe，TerraSAR，DARPA’s Orbital Express，我國的 HJ-1 與 FY-3 等）。ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等優(yōu)點于一身，是全自主式星敏感器。
主要特點是：內(nèi)置星表，無須先驗知識定姿，遮光罩的遮光角可以自定。自主溫控或者由飛行器控制。電子模塊和敏感器頭部相互獨立，依靠電纜連接，便于在飛行器上的安裝與調(diào)整。電子接口可選?？煽啃愿?，在軌壽命長，抗輻射性能好。ASTRO 15 （圖 1）是 Jena-Optronik 目前最先進的自主式星敏感器，具有高度的可靠性、耐用性和廣泛的適用性。被波音公司選定為 Boeing 702 platform 衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置。同 ASTRO 10 相比，ASTRO 15 尺寸重量增大，視場基本不變，觀星能力增強，單星精度提高，定姿時間縮短。
圖 1 ASTRO 15 星敏感器
?。?）法國SODERN的星敏感器
SED12 是 SODERN 公司第一款 CCD 星敏感器，自 1989 年在蘇聯(lián) GRANAT 上使用以來 10 年無故障，三倍于設(shè)計壽命。1997 年開始研制的 SED 16 于 2001 年 5 月隨 SPOT5 衛(wèi)星首飛成功，SED16 可用于地球觀察、科學(xué)探測、深空探測、地球同步軌道、ISS cargo 等多種任務(wù)，現(xiàn)在大量被客戶采購。
SED26（圖 2）是 SED16 的 ITAR （國際軍品貿(mào)易條例）的自由版本。同樣是多用途、全自主，可提供三軸姿態(tài)和載體運動角速度的星敏感器。
最新的 SED36 是專門為 Pléiades 衛(wèi)星提供高姿態(tài)精度的星敏感器，設(shè)計源自SED26，使用同樣的子部件，優(yōu)化了熱-機械設(shè)計，對光學(xué)畸變進行了精確的校正，升級了星表，增加了導(dǎo)航星數(shù)目。一體結(jié)構(gòu)改為分體結(jié)構(gòu)，以增強散熱。
圖 2 SED26 星敏感器（無遮光罩）
?。?）美國 Lockheed Martin 的 AST-301
AST-301（圖 3）作為主要的姿態(tài)傳感器應(yīng)用在 JPL 2003 年 1 月發(fā)射的空間紅外望遠(yuǎn)鏡裝置（SIRTF） 上。為實現(xiàn) SIRTF 的要求，使用兩個冗余 AST-301 自主式星敏感器。可以 2 Hz 的頻率輸出姿態(tài)四元數(shù)，X/Y，Z 軸精度分別達到 0.18/0.18 arcsec， 5.1arcsec， 優(yōu)于 AST-201 星敏感器 5.5 倍。
AST-301 使用 ACT 星表，71，830 顆導(dǎo)航星，星圖的質(zhì)心算法提高到 1/50像素的水平，并優(yōu)化姿態(tài)估算。使用自主式延時積分（TDI）完成 X 軸向的圖像移動補償，防止由于飛行器的運動造成的精度降低。Y 軸向使用圖像移動調(diào)節(jié)（IMA）處理圖像拖尾，使合成圖像信噪比最大，這樣可以在 0.42 °/s 的速度下做到精確跟蹤。沒有任何先驗信息的條件下，全天任何地方 3 s 內(nèi)成功獲得姿態(tài)的概率為 99.98%。
? ?基于CMOS APS的星敏感器
有源型CMOS圖像傳感器，是上世紀(jì)90年代美國JPL 研發(fā)的一種CMOS圖像傳感器。與CCD 星敏感器相比，APS 星敏感器具有明顯的不同，主要表現(xiàn)為：較寬的視場（20°×20°）。大的視場有更多的較亮的導(dǎo)航星，星敏感器星等閾值可以降低、光學(xué)部分的重量減輕、導(dǎo)航星表的容量減少。采用CMOS圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器把光敏陣列、驅(qū)動和控制電路、模擬信號處理電路、存儲器、A/D 轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，實現(xiàn)單芯片數(shù)字成像系統(tǒng)，并且是單電壓電源供電，它具有極低的功耗、數(shù)據(jù)可重復(fù)性讀出方式，減少了系統(tǒng)噪聲。
APS圖像傳感器具隨機窗口讀取能力，這種能力簡化了接口，使系統(tǒng)小型化。單片ASIC（特殊用途集成電路）集成了星敏感器所有功能，芯片集成了I2C 總線接口、快速的像心提取邏輯、微處理器（8051）、存儲器等等，使星敏感器的體積減小、功耗降低。APS 星敏感器硬件系統(tǒng)得以簡化，避免了電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，具有更好的抗輻射能力。由于像元結(jié)構(gòu)集成了多個功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器暗電流，固定模式噪聲和響應(yīng)不均勻性較高，并且較低的填充率直接影響亞像元插分精度。
以圖4所示AeroAstro Miniature Star Tracker（MST）為例，使用Fillfactory 的STAR1000 CMOS 圖像傳感器，尺寸很小，重300 g，功耗2 W，成本很低，但精度稍差，為70 arcsec（3σ）。為研制更小型、更低功耗的星敏感器，國際上的主要星敏感器供應(yīng)商都在積極研究基于CMOS 圖像傳感器的星敏感器及其相關(guān)技術(shù)，并已取得實用化成果。表2 為各種APS 星敏感器的性能比較。
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