（微电子学与固体电子学专业论文）皮卫星姿态确定系统传感器模块化设计.pdf

摘要 摘要 皮卫星中的姿态确定系统与大卫星有较大的不同，有其自身的特殊性。本文 研究的对象是通常应用于皮卫星姿态确定系统中的模拟太阳敏感器、数字太阳敏 感器以及三轴磁强计。 本文为了满足下一代皮卫星姿态确定系统更高精度、低功耗、体积小的要求， 针对z d p s 1 a 现有系统中存在的问题，对现有的传感器件进行了原理上的深度 分析、从系统上进行了优化与改进，完成了相应的硬件和软件实现。 基于全景环形镜头的数字太阳敏感器具有1 2 0 0 x 1 8 0 0 的大视场，测角精度为 0 0 2 0 。从硬件电路以及软件设计部分着重考虑到功耗问题，整个系统的最大功 耗为2 5 0 m w 3 3 v ( 持续时间为一帧图像的时间) 。系统的体积为 5 0 m m x 4 0 m m x 4 0 m m ，大大提高系统的集成度以及可靠性。另外，根据数字太阳 敏感器的特点，设计了一套对比方案，为单机性能测试以及工程化样机指标的确 定提供了很好的参考。 针对于现有系统中的模拟太阳敏感器精度不高，集成化程度低等缺点，采用 了性能更好的太阳能敏感器件，并且在电路检测以及信号处理方面采用了集成化 程度高、检测能力强的器件。分析了光学前端的特性，建立了理论模型，为电路 设计提供了设计指标参考。分析了系统的结构误差，建立了结构模型，为机械加 工提供相应的要求。分析了电路误差、噪声以及温度漂移等因素对系统的影响。 本文设计的模拟太阳敏感器功耗为3 3 m w ，测角精度为1 2 1 0 ，大大提高了系统 的可靠性。 针对于现有系统中的备份三轴磁强计精度不高，集成化程度低，功耗较大等 问题，本文进行了电桥偏置补偿、输出磁场标定、消除共地串扰以及温度补偿等 研究，建立了误差模型，提高了系统的测量精度，系统噪声为1 0 。2 m g u a s s ，精度 为o 9 m g u a s s 。并且采用了功能独立的设计思想，提高了系统的集成度和可靠性。 另外，设计了一套对比方案，该方案体积更小、功耗更低，为单机性能测试以及 指标的确定提供了很好的参考。 本文所研究的敏感器实现了模块化、低功耗、精度高，取得了一定的成果， 为下一代皮卫星姿态确定系统的设计提供重要的参考。 i i l 浙江大学硕士学位论文 关键词：全景环形镜头；数字太阳敏感器；模拟太阳敏感器；三轴磁强计；模块 化；低功耗；体积小 a b s t r a c t a b s t r a c t p i c o - s a t e l l i t ea t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mh a si t so w np a r t i c u l a r i t yf o ri ti s t o t a l l yd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l s a t e l l i t e t h eo b je c t so ft h ep a p e rc e n t e r o nt h e a n a l o gs a i ls e n s o r , d i g i t a l s u ns e n s o ra n dt h r e e - a x i sm a g n e t o m e t e ra p p l i e d t o p i c o - s a t e l l i t e i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fm o r ea c c u r a t e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na n d s m a l l e rv o l u m e ，t h ep r i n c i p l e so ft h es e n s o r sa r ea n a l y z e di nd e p t ha n dt h ee x i s t i n g d e s i g n sa r eo p t i m i z e da n di m p r o v e d t h ed i g i t a ls a i ls e n s o r , b a s e do np a n o r a m i ca n n u l a rl e n s ，h a sal a r g ef e t i do f12 0 。 18 0 。a n dt h eh i g ha c c u r a c yo f0 0 2 0 t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sp r i m a r i l yp u t e m p h a s i so l ld u r i n gt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a sar e s u l t ，t h em a x i m u m p o w e rc o n s u m p t i o nf o rt h ew h o l es y s t e mr e a c h e sa sl o wa s2 5 0 m w 3 3 vf o rt h e d u r a t i o no fo n ef r a m et i m e t h ev o l u m eo ft h ew h o l es y s t e mi s5 0 m m 4 0 r a m 4 0 m m ，g r e a t l yi m p r o v i n gs y s t e mi n t e g r a t i o n a n dr e l i a b i l i t y i na d d i t i o n , a n o t h e r s o l u t i o ni sp r o p o s e df o rp r o v i d i n gac o n t r a s ts a m p l e a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c i e ss u c ha sl o wa c c u r a c ya n di n t e g r a t i o no ft h ea n a l o g s u ns e n s o ri nz d p s 1a ，t h en e ws e n s o rd e v i c ew i t hh i g hp e r f o r m a n c ei sa p p l i e da n d t h ed e s i g no fc i r c u i tf o rs i g n a lp r o c e s s i n gi so p t i m i z e dt om i n i m i z et h ev o l u m ea n d i m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y b ya n a l y z i n go f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i c a l f r o n te n d ，t h et h e o r e t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt op r o v i d ear e f e r e n c ef o rc i r c u i td e s i g n b ya n a l y z i n go ft h ee r r o ro ft h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fas t r u c t u r a l m o d e lf o rm a c h i n i n gp r o v i d e st h ec o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t s t h ec i r c u i te r r o r s ， n o i s ea n dt e m p e r a t u r ed r i f ta l ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t a sar e s u l t ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o no fa n a l o gs u ns e n s o ri sa sl o wa s3 3 m w , w i t ht h ea n g l em e a s u r e m e n t a c c u r a c yo f1 21o ，s i g n i f i c a n t l ye n h a n c i n gt h es y s t e mr e l i a b i l i t y f o rt h es h o r t c o m i n go ft h eb a c k u pt h r e e a x i sm a g n e t o m e t e ri nz d p s 1 as u c ha s l o wa c c u r a c y , l o wi n t e g r a t i o na n dh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ei m p o r t a n tf a c t o r s ， v 浙江大学硕士学何论文 s u c ha st h eb r i d g eo f f s e tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n ，t h eo u t p u tm a g n e t i cf i e l dc a l i b r a t i o n , v o l t a g ec r o s s t a l ka n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a l ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h et h e e r r o rm o d e lo fs t r u c t u r ei se s t a b l i s h e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c y a sar e s u l t ，t h es y s t e m n o i s ei s10 2 m g u a s sa n dt h em e a s u r e m e ma c c u r a c yr e a c h e sa sl o wa s0 9 m g u a s s i n a d d i t i o n ，a n o t h e rs o l u t i o n 丽t hl o w e rc o n s u m p t i o na n ds m a l l e rv o l u m ei sp r o p o s e df o r p r o v i d i n gag o o dr e f e r e n c e t h es e n s o r sa c h i e v et h er e q u i r e m e n t so fl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g h a c c u r a c y , p r o v i d i n gt h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x tg e n e r a t i o no fp i c o - s a t e l l i t e k e y w o r d s ：p a n o r a m i ca n n u l a rl e n s ；d i g i t a ls u ns e n s o r ；a n a l o gs u ns e n s o r ；t h r e e - a x i s m a g n e t o m e t e r ；m o d u l a r ；l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ；s m a l lv o l u m e v l 致谢 致谢 三年前春寒料峭时，怀着好奇与憧憬的心情踏入求是学园，留恋于西湖畔， 品味着欲把西湖比西子的维妙。然撰此文时，时光已悄然逝去。一身的稚气懵懂 蜕变为稳重成熟，内心的浮躁已波澜不惊。风雨中一路走来，受惠于实验室的老 师与同学的恩泽。纵使要挥一挥衣袖地走，却永远停滞不了我感恩的心。 感谢导师金仲和老师和郑阳明老师。他们能够从百忙之中抽出时间来悉心指 导我的生活与学 - j ，让我非常感动。毕业设计过程中金老师对选题、设计方案以 及如何克服难题严格把关，详细指导。设计与调试过程中碰到的难题，郑老师总 是独具慧眼，切中问题难点。金老师和郑老师严谨的态度、敏锐的洞察力、独到 的见解使我受益匪浅。 感谢王昊老师和蒙涛老师。王昊老师平易近人，热心帮助我解决学 - - j 、生活 中碰到的问题。蒙涛老师总是能够提出建设性意见，使我在解决问题时很是受用。 感谢丁纯老师。如果没有丁老师当年的鼓励，我的求学生涯可能早就结束， 或许现在混迹于广东仍是生产线上一名普通的技术人员，是丁老师带我体会到了 充满希望是如此的美好。知遇之恩，无以回报，唯有临表涕零。 感谢吴昌聚老师、金小军老师、张朝杰老师、王春辉老师、王慧泉老师、马 慧莲老师和康晓黎老师。 感谢姿控组韩柯师兄、屠斌杰师兄、朱小丰师兄、向甜师姐、王俊硕士、郭 振东硕士、王志远硕士、丁泽伟硕士、王萌萌硕士。 感谢同届的丁立聪硕士、沈国权硕士、陈宇睿硕士、赵科硕士。 感谢杨牧师兄、杨伟君师兄、任阳师兄、毛慧师兄、赵翔宇师兄、周阳师兄、 张立军师兄、张顾洪师兄。 感谢徐峥轩工程师、郭媛媛工程师、何湘鄂工程师、邱宇工程师、罗丹霞工 程师。 三年一轮回，希望在成长。 蔡波 2 0 1 2 0 】 浙江大学硕士学位论文 n 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 浙江大学微小卫星研究中心于2 0 1 0 年9 月在酒泉卫星基地成功发射了 “z d p s 1 a ”卫星，标志着我国首颗公斤级皮卫星的研制成功。z d p s 1 a 皮卫 星的姿态确定系统采用了三轴磁强计、太阳敏感器、三轴m e m s 陀螺进行测量， 姿态控制系统采用了俯仰轴偏置动量飞轮和磁力矩器。核心处理器为d s p ，d s p 通过采集多种姿态相关信息( 太阳矢量、磁场矢量以及卫星旋转角速度) ，根据 姿态确定算法实时解算卫星当前姿态，判断姿态偏差，从而驱动星上各种执行机 构协调工作来达到姿态控制和稳定的效果【l 】 z d p s 1 a 皮卫星a d c s 中姿态测量系统中采用的传感器如下： 太阳敏感器：余弦式太阳敏感器以及朝天面差动式太阳敏感器； 三轴磁强计：h m r 2 3 0 0 ( h o n e y w e l l 公司) ； 备份三轴磁强计：磁阻敏感器h m c l 0 0 1 1 0 0 2 ( h o n e y w e l l 公司) ； m e m s 陀螺：a d x r s 4 0 1 ( a d 公司) 。 表1 1 是差动式太阳敏感器以及备份三轴磁强计的指标。 表1 1差动式太阳敏感器以及备份三轴磁强计的指标 测量器件参数性能结构安装 体积3 7 m m x 2 2 m m x 4 m m 敏感器件安装在卫星 差动式太阳敏感器精度约3 0 左右外表面，处理电路处 视场范围5 0 。 于传感器板 功耗 4 3 0 m w 测量精度 3 5 m g u a s $ 敏感芯片以及处理电 备份三轴磁强计 测量噪声0 5 m g u a s s 路均处于传感器板上 量程范围o 5 g u a s s 浙江大学硕士学位论文 1 2 微小卫星姿态确定系统传感器研究现状 卫星姿态确定系统中存在着多种不同类别的姿态敏感器，如陀螺、红外地球 探测器、三轴磁强计、太阳敏感器和星敏感器等。由于体积以及功耗的限制，皮 卫星的姿态测量中常用的是三轴磁强计、模拟太阳敏感器、c m o s 数字太阳敏感 器、m e m s 陀螺等几种；皮卫星的轨道测量方式目前只有地面站测轨和g p s 两 种。参考国外的一些公开设计，表1 2 列出了一些已发射皮卫星姿态轨道测量系 统的设计情况。 表1 2 国外皮卫星姿控系统设计及实验结果 皮卫星名 研究机构 测量系统发射日期试验结果 太阳敏感器 a a u s a t 丹麦奥尔堡大学 2 0 0 3 0 6 只收到信标 磁强计 压电振荡陀螺 c u t e 1 日本东京科技大学 2 0 0 3 0 6 未知 c m o s 太阳敏感墨 太阳敏感器 c a n x 1 加拿大多伦多大学 2 0 0 3 0 6 只收到信标 磁强计 太阳能电池板收到遥测数据 x 1 i v 日本东京大学 2 0 0 3 0 6 c m o s 相机完成对地拍照 太阳敏感器 d t u s a t 丹麦技术大学 2 0 0 3 0 6 未知 磁强计 太阳敏感器 n c u b e 挪威的数所大学 磁强计2 0 0 5 1 0 未知 g p s 太阳能电池板多次捕获地震异常 q u a k e s a t美国斯坦福大学 2 0 0 3 0 6 c m o s 相机至少工作一年 m e m s 陀螺 收到遥测数据 c u t e - 1 7日本东京科技大学磁强计2 0 0 6 0 2 工作了不到一个月 太阳敏感器 国内的皮卫星研制，最早由浙江大学开始。z d p s 1 a 的姿态确定系统中采用 绪论 了模拟太阳敏感器、主备份磁强计、m e m s 陀螺。该星于2 0 1 0 年成功发射升空。 表1 3 列出了国内部分卫星姿态确定系统的设计情况以及实验结果【l 】 表1 3 国内皮卫星、徼卫星姿控系统设计及实验结果 皮纳卫星名研究机构 测量系统发射日期姿控在轨实验结果 太阳敏感器 姿态控制精度5 。 上海微小卫星磁强计 神7 伴星 2 0 0 8 0 9 多次变轨 工程中心 陀螺 完成伴飞任务 g p s 中国航天科技空间自旋 希望1 号 无2 0 0 9 1 2 集团公司角速度2 。s 1 2 1 模拟太阳敏感器 太阳矢量是卫星姿态确定系统中重要的参考依据。通常意义上将太阳敏感器 划分为粗太阳敏感器和精太阳敏感器，或是分为模拟太阳敏感器和数字太阳敏感 器。模拟太阳敏感器由于检测电路较为简单、体积小以及数据处理负担较小，但 是前端电流检测能力一般以及地球反照光的干扰导致其精度一般。国内外的模拟 太阳敏感器检测精度大约在一度到几度左右。 ( 1 ) m a s d a ri n s i t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 研制的模拟太阳敏感器重量小 于1 0 0 9 ，视场角为6 0 0 x 6 0 0 。采用校正矩阵对测量结果进行修正后的误差为l 。 左右【2 】。 ( 2 ) 西班牙纳卫星n a n o s a t - 1 b 采用的模拟太阳敏感器由硅二极管组成。大 小为3 c m x 3 c m ，重量为2 4 9 ，视场为6 0 。x 6 0 0 ，测量误差为o 5 0 左右【3 】。 图1 1m i s t 模拟太阳敏感器实物 图1 2n a n o s a t 0 1 b 模拟太阳敏感器实物 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 数字太阳敏感器 数字太阳敏感器一般采用c c d 或是c m o sa p s 图像传感器作为敏感部件。 下面是国外采用c c d 图像传感器作为光电探测器的的数字太阳敏感器的一些例 子。 ( 1 ) 意大利伽利略公司设计的太阳敏感器，使用2 0 4 8 元长线列c c d 探测器。 其技术指标为：光学尺寸： 1 7 0m m 9 4 m m 8 5 m m ； 电学尺寸为：2 0 4 m m x l 5 2 m m x l 2 1 m m ；质量：光学系统为0 9 8 k g x 2 ，电路系统质量为2 8 k g x 2 ； 精度：系统误差0 0 6 。，随机误差0 0 0 5 0 3 1 。 ( 2 ) 俄罗斯地球物理协会设计的c c d 太阳敏感器【4 】，其技术指标为：体积： 7 0 m m x 7 0 m m x 5 0 m m ；视场：9 2 0 x 9 2 0 ；测角误差：1 2 ”；功耗：0 6 w 。 图1 - 3 意大利伽利略公司c c d 太阳敏感器图1 - 4 俄罗斯地球物理协会 ( 3 ) 美国g o o d r i c h 公司设计的型号为1 3 5 1 7 的太阳敏感器。视场为1 2 8 0 x 1 6 8 0 ， 误差小于o 3 0 ，功耗约为0 3 w 。 ( 4 ) 荷兰t n o t p d 公司设计的太阳敏感器，采用了线列阵c c d 器件以及带 有一个与线列阵器件垂直的狭缝的光学部分。测量精度达到o 1 0 0 ，使用查找表 的方式来实现误差补偿，补偿后的精度为o 0 2 0 。 j o 熟吝 奴：拳 图1 - 5 美国g o o d r i c h 公司太阳敏感器图1 _ 6 荷兰t n o t p d 公司太阳敏感器 近年来，随着c m o sa p s 图像传感器的发展，其性能逐渐接近c c d 图像传 感器。a p s 具有低成本、低功耗以及高度集成的等优点，使它能够更好地应用于 4 黛 绪论 微小卫星的数字太阳敏感器【5 1 。目前，在欧洲、北美等国家中以a p s 为核心的 太阳敏感器的研制工作已经发展得较为成熟，如表1 4 所示，其主要应用于微小 卫星的姿态确定系统【6 】【7 】【引。 表1 - 4 国外a p s 数字式太阳敏感器发展情况 国家 探测器视场( 。)3 0 精度( 。) 质量( g ) 功耗( w ) 意大利 1 0 2 4 1 0 2 4 1 2 8 x 1 2 8 0 0 2 3 3 0 l ( 伽利略公司) 加拿大 1 0 2 4 x 1 0 2 41 2 5 x 1 2 5 0 0 52 5 0 o 7 ( 沃特卢大学) 荷兰( t n o t p d ) 5 1 2 x 5 1 2 1 2 0 x 1 2 0 0 0 1 4 0 01 2 1 2 3 三轴磁强计 目前世界上采用三轴磁强计作为定姿传感器件的皮卫星中基本上都采用 h o n e y w e l l 公司设计的h m r 2 3 0 0 。三轴磁强计h m i 迎3 0 0 计体积小、重量轻、 功耗低，具有较高的测量精度，是微小卫星定姿的理想传感器件。卫星的姿态确 定系统利用磁强计采集到的磁场矢量，结合地球磁场模型就可以确定卫星在地球 磁场中的位置，实现卫星的姿态角度解算。h m r 2 3 0 0 磁强计各项指标如表1 5 所示【9 】。 表1 5磁强计h m r 2 3 0 0 指标 指标条件最小标准最大 供电电压( v ) 6 51 5 供电电流( m a ) 2 73 5 工作温度( 摄氏度) 4 08 0 量程( g u a s s ) 22 + 2 g u a s s ( f s ) 12 精度 士1g u a s s ( f s )0 1 2o 5 2 士2 g u a s s ( f s ) 12 线性误差 士1g u a s s ( f s )o 1o 5 增益误差 零读数时磁场( f s ) o 0 5o 1 0 偏置误差 零读数时磁场( f s ) 0 0 lo 0 3 增益的温度系数( p p m c ) 6 0 0 温度影响 偏置的温度系( p p m 。c ) 1 1 4 重量( g r a m s ) 2 8 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的及意义 本文研究的目的是对z d p s 1 a 姿态确定与控制系统中现有的模拟太阳敏感 器与备份三轴磁强计进行优化，采用模块化的设计理念，提高各传感器的测量精 度，提高整个系统的可靠性，减小系统体积，大大降低了系统功耗。另外，根据 现有的相机有效载荷，设计了一种新型的太阳敏感器，为姿态确定提供新的参考 依据。这些器件将应用于下一代皮卫星中。 本文针对于z d p s 1 a 姿态确定系统中的模拟太阳敏感器精度不高( 约为3 0 ) ， 集成化程度低等缺点，采用了性能更好的太阳敏感器件，能够有效地降低系统误 差。并且在电路检测以及信号处理方面采用了集成化程度高、检测能力强的器件， 能够有效地降低系统功耗，减小系统体积，大大提高集成度。 针对于z d p s 1 a 姿态确定系统中的备份三轴磁强计精度不高，集成化程度 低，功耗较大等问题，进行了电桥偏置补偿、输出磁场标定、消除共地串扰以及 温度补偿研究，建立了误差模型，提高了系统的测量精度。并且采用了功能独立 的设计思想，改变原有的与其它传感器共用器件的架构，大大提高了系统的集成 度和可靠性，相应地减小了体积。 另外，z d p s 1 a 皮卫星上搭载了一个相机有效载荷，对地球拍照成像。该相 机采用了浙江大学现代光学仪器国家重点实验室研制的全景环形光学镜头，可以 实现大视场成像。该相机在轨正常工作，成功拍摄了清晰的地球图像。经过理论 与可行性分析后，该相机载荷经过适当改进后能够设计成大视场低功耗的数字太 阳敏感器，为下一代皮卫星姿态确定提供一个新的传感器，可以弥补现有模拟太 阳敏感器的精度低、视场小等缺点。 1 4 本文主要研究内容 本文以满足皮卫星姿态确定系统的体积小、功耗低、可靠性高等要求为基准， 优化了模拟太阳敏感器、三轴磁强计，设计了数字太阳敏感器。本文的内容安排 如下： 第一章绪论介绍了本文研究的课题背景，调研了微小卫星姿态确定系统传感 器研究的现状以及各传感器件的现有水平，阐述了本文研究的意义，明确了本文 6 绪论 的目的和任务。 第二章论述了数字太阳敏感器的工作原理，分析了光学系统的工作原理，提 出了光学系统的设计要求。硬件电路设计中充分考虑到低功耗的要求，提出了两 套不同的硬件设计方案，采用了功耗低、体积小的器件，详细论述了各单元之间 接口电路的设计以及c p l d 内部数字逻辑设计。微控制器中软件设计采用模块化 的设计思想，实现了太阳角度的求解。搭建了测试平台，对敏感器进行了精度测 试，并建立了误差模型，作出了相应的误差补偿。 第三章分析了差动式模拟太阳敏感器的原理，分析了其光学前端部分，建立 了相应的理论模型，为电路设计提供了设计指标参考。分析了系统的结构误差， 建立了结构模型，为机械加工时提供相应的要求。本章论述了系统的电路设计， 从电路误差、噪声以及温度漂移等方面分析了这些因素对系统的影响。搭建了测 试平台，对敏感器进行了精度测试。 第四章本章介绍了三轴磁强计的基本原理，重点论述了设计中应该注意的置 位复位电路、电桥补偿、温度补偿以及共地串扰等环节，理论上分析了这些因 素对设计的影响，并提出了相应的解决措施。通过两种不同的设计方案实现了三 轴磁强计，对磁强计器进行了精度、噪声以及动态响应测试。 第五章对本文所研究的课题进行了总结，提出了工作中的不足以及以后需要 改进的地方。 数字太阳敏感器 2 数字太阳敏感器 2 1 数字太阳敏感器原理 太阳敏感器是皮卫星姿态确定系统中的重要测量器件。太阳敏感器是通过测 量太阳的相对位置来获取卫星姿态信息的仪器，太阳敏感器主要特点主要有以下 两点： ( 1 ) 在卫星上测得的太阳视直径要远小于地球，因此相对于地球敏感器，太 阳敏感器更容易实现高精度。 ( 2 ) 太阳比其它星体的辐射强，所以相对于恒星敏感器而言，太阳敏感器信 号处理电路简单，体积小，可行性高 1 0 j 。 本部分将着重论述普通数字太阳敏感器与本文设计的基于全景镜头的数字 太阳敏感器的基本原理，通过比较两者间的设计异同点以及性能的好坏，验证本 设计的可行性和优势之处，为以后的系统方案设计提供理论依据。 2 1 1 普通数字太阳敏感器原理 普通的数字太阳敏感器主要分为：码盘式太阳敏感器和阵列式太阳敏感器【1 0 1 。 ( 1 ) 码盘式太阳敏感器 码盘式太阳敏感器应用广泛，测量视场大，精度从0 5 0 到几十角秒。敏感器 的输出根据码位的安排在码盘上的线位移是离散的数字量【1 0 1 。常见的码盘式太 阳敏感器工作原理如图2 1 所示。 阿盯f f 汀斤而j 图2 - 1 码盘式太阳敏感器原理图 9 浙江大学硕士学位论文 太阳光经过测量入缝射入，经玻璃折射后在码盘上形成一个窄带。利用该窄 带在码道上形成的一系列排列位置不同的格雷码就可以测量太阳的姿态角【1 0 1 ( 2 ) 阵列式太阳敏感器 目前，阵列式太阳敏感器采用的探测器主要是c c d 与c m o s 图像传感器。 基于面阵c c d 或c m o s 图像传感器的数字式太阳敏感器主要由光学系统、图像 传感器和数字信号处理电路组成。光学系统主要利用了微电机系统( m e m s ) 技术， 即在掩模板上刻蚀出小孔，采用小孔成像原理对太阳进行成像，后续处理电路用 某种算法提取像光斑中心位置，然后计算出太阳入射角，因此这些光学系统又被 称为光学掩模。图2 2 是单孔掩膜的太阳敏感器的原理。 图2 - 2 面阵式数字太阳敏感器工作原理图 由图2 - 2 的几何关系，可以得到太阳光线入射角度如下式所示： 口= 一 倍， 文匝h p 2 ， 式中q 、p 分别为太阳入射光线与坐标轴x 、z 所成的角度，h 为掩膜板与图 像传感器平面之间的距离，x s 、y s 为太阳光线经小孔后在图像传感器- y - 面上所 成光斑质心的坐标值。 单孔的精度相对较低，为了提高测量精度可以采用多孔掩膜的结构。为了增 大视场，可以采用球形多孔复用等结构复杂的掩膜结构。 1 0 数字太阳敏感器 2 1 2 基于全景镜头的数字太阳敏感器原理 全景环形光学镜头的工作机制是平面圆柱透视成像( f c p ) 。f c p 将透镜周围 圆柱区域的景像转化到一个平面，将空间3 6 0 。全景映射到二维平面。 图2 3 是平面圆柱透视的工作原理示意图。在传统的映射方法中不同方向的 平行光线聚焦在一条水平线上。而在f c p 映射中，所有平行的光线汇聚在一个 点上。所成像与镜头中心的距离对应于物体在垂直方向的入射角p 。具有相同入 射角度b 的物体映射到像平面上是一个同心圆，同心圆上的不同位置的像对应于 物体在横向上不同的入射角度c 【。全景环形透镜的景深为无穷远【1 1 】。 o 1 3 | 卜一i ；一 图2 - 3f c p 工作原理示意图 本文设计的数字太阳敏感器，光学部分采用的是全景环形光学镜头，其具体 的工作原理如图2 - 4 所示。c m o s 敏感器的成像对象是太阳经全景环形光学镜头 在敏感器平面上的光斑，光斑形状和大小取决于太阳和全景环形光学镜头。 zp 棚 图2 4 基于全景镜头的太阳敏感器工作原理图 根据前面介绍的全景环形光学镜头成像原理可知，所成像的像高满足以下的 关系【1 2 】： h = ( 2 - 3 ) 浙江大学硕士学位论文 式中f 为全景环形光学镜头焦距，1 3 为太阳光线与光轴的夹角，h 为像高。 由此可以得到基于全景镜头的太阳敏感器角度测量方法如下式所示【1 2 1 ： 口= 一 c 2 卅 ：掣( 2 - 5 ) 式中f 为镜头焦距，q 、1 3 分别为太阳入射光线与坐标轴x 、z 所成的角度， x 。y 。分别为像平面匕太阳光斑质心的坐标。 2 2 光学系统设计 光学系统设计指标主要包括镜头的光学口径、视场、焦距以及成像质量等 5 1 。 ( 1 ) 光学口径d 为了确定镜头的光学口径d ，c m o s 探测器接收到的太阳功率密度 h 锄( w c m 2 ) ，可由下式算得： 如= ( h x r l x s ) s 1 ( 2 - 6 ) 式中，h 是太阳的功率密度( 已知为0 1 3 5 3 w c m 2 ) ， 刁为镜头的效率， s 为镜头的通光面积( c m 2 ) ，s = 三d 2 ， s l 为太阳光斑面积( c m 2 ) ， s 1 三d 2 ，d 为太阳光斑直径( c m ) 。 c m o s 探测器正常工作的最小功率密度h m ( w c m 2 ) 茭3 ： 风= 击 ( 2 7 ) 式中，e 。为c m o s 饱和曝光量( j c m 2 ) ， r d 为c m o s 的动态范围， t m 为最大积分时间( s ) 。 太阳被敏感器检测到至少要满足以下条件 1 2 数字太阳敏感器 h 潮s h m 可以得到 s 墨墨 h r 由此可以算出镜头的光学1 2 1 径如下式所示。 d ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) f 2 1 0 ) ( 2 ) 视场与焦距 镜头焦距的确定需要根据探测器的有效面积以及对应的视场要求。假设 c m o s 探测器敏感区的有效尺寸为a x b ，镜头的焦距为f ，目标视场为a x l 3 ，则 有： 口：姜5 7 一。( 2 1 1 ) 5 7 3口2 _ ” u 。 ，l 夕= 丢5 7 3 0 ( 2 - 1 2 ) 为了使f 满足以上关系，f 的值应取f l 、f 2 两者的最小值。 ( 3 ) 成像质量 成像质量主要是指太阳光斑( 散焦后的弥散圆) 的形状、大小以及能量分布。 太阳成像的好坏将直接决定了太阳质心的定位精度。由于光学系统设计的时候总 是存在缺陷，导致太阳光斑不可能是理想上的圆形，会产生一定程度上的畸变。 但是为确保测量精度最少应该做到在整个测量视场内，太阳光斑大小变化在可控 范围内，并且形状产生的畸变应基本上呈轴对称分布，便于用算法来补偿误差【1 0 1 。 2 2 1 镜头设计 镜头设计主要包括全景环形镜头和滤光膜两部分。本文所设计的太阳敏感器 采用的全景环形镜头是由浙江大学现代光学仪器国家重点实验室设计。全景环形 镜头的设计主要依据是前面提及的光学系统要求、视场精度要求，以及与后端选 用图像传感器的相关参数相匹配等要求。 经过综合考虑，全景环形光学镜头在设计时满足的指标如下表【】。 1 3 浙江大学硕士学位论文 表2 - 1 光学系统指标 系统1 2 径 8 m m 1 5 m m 光谱范围 4 8 6 n m 6 5 6 n m 视场 0 0 一6 0 。x 3 6 0 0 焦距1 0 7 m m 入瞳大小0 2 6 m m 分辨率 1o o p l m m 后焦距5 m m 镜头光路图如图2 5 所示，由于受镜头材料折射率的限制，镜头存在o o 3 0 。 范围的盲孔，该盲孔会一定程度上减小视场。镜头实物图如图2 - 6 所示。 1 厶_ i 、2 圈 图2 - 5 镜头光路图图2 - 6 镜头实物图 太阳敏感器的测量精度会受到背景光的严重干扰。在这里我们对有可能的背 景光进行深入分析。背景光是指太阳敏感器视场内的杂散光源经过太阳敏感器的 光学系统的衰减后到达探测器敏感面形成的背景图像。它的亮度和均匀性将直接 影响太阳敏感器的正常工作。因此，需要弄清楚杂散光的光源及其光学特性。 杂散光源主要包括地球反照光、月球反照光、卫星本体的反照光d 0 。地球 反照光的特点是范围大、影响大，太阳敏感器安装在朝天面，尽量防止地球反照 光的进入，另外太阳光的特点是亮度大，通过设定合适的背景光阈值可以有效将 地球反照光( 地球反照光的亮度为太阳光亮度的3 0 左右) 滤去。月球反照光比太 阳光亮度低得更多( 星等为1 2 7 ) 、张角小( 1 5 3 2 6 ”) ，对太阳敏感器的影响较小， 一般可以忽略。卫星本体的表面形状以及镜头不规则，反照光比较复杂，多次反 射后的光线也可能会进入视场。上述各种杂散光源将通过光学系统的设计以及有 效光强的阈值设定，能够使视场内的背景亮度足够低，以保证太阳敏感器的精度。 1 4 数字太阳敏感器 另外，太空中太阳光线强度极强，会使c m o s 图像传感器饱和，因此在设计 时应加入滤光膜，用来衰减全景环形光学镜头之后的光线，使其处于图像传感器 的动态范围内。 为了提取光滑的太阳圆盘，需要滤除来自其他星体的太阳反射光以及镜头表 面的二次反射光，这些杂散光干扰已经无法通过滤光膜来去除【1 4 1 。在本设计中， 通过算法予以滤去，具体做法是： ( 1 ) 设定太阳亮度阈值，小于该亮