国外星敏感器现状

　　国外星敏感器现状

　　外星敏感器研究及应用已有近50年的时间。到目前为止，至少有三代产品在航天器上得到应用。第一代为星跟踪器，多采用光电倍增管之类光电元件作为敏感元件；第二代为星图仪式星敏感器，采用电荷耦合器CCD作为敏感元件，以中低性能的CPU为处理器，采用局部天区恒星识别算法；第三代星敏感器相对于第二代的主要进步在于采用了高分辨率成像元件和高性能处理器，提高了姿态确定精度和数据处理速度，增加了自主全天恒星识别功能，同时敏感器的体积、质量和功耗也有大幅度降低。表1为国外部分星敏感器指标

　　

　　表1 国外部分星敏感器指标

　　20世纪90年代初，随着大规模集成电路技术和CMOS加工工艺技术的日趋成熟，出现了采用CMOS工艺的动态像元星敏感器APS。目前欧美一些机构已率先开始采用APS作为探测元件，研制体积更小、功耗更低的星敏感器。欧空局的小卫星姿态敏感器项目就是为了促进和试验小型化姿态敏感器的一些新项目，其中采用了512×512动态像元敏感器（APS）、高集成度多芯片模块（MCM）电路等。其试验模型仅重270g，体积约为62mm×53mm×53mm（未计及盖子和处理器部件），功耗2.4w（带处理器时增加到5w）。实验证实，该星跟踪器当更新速率为10Hz时，在20°×20°视场中对5等星的测量精度和噪声等效角都优于1“（2）。

　　这类新型星敏感器正代表了现代星敏感器不断小型化、轻型化、低功耗、高实时性的发展趋势，特别是在减少体积、重量、功耗方面，有了重大飞跃。20世纪70年代，美国最早将星敏感器应用于航天器上。1989年，苏联将其用在和平号空间站上。联邦德国、法国和日本也先后使用星敏感器测量航天器姿态。接下来详细介绍一下基于CCD 图像传感器和基于CMOS APS的星敏感器现状。

　　基于CCD 图像传感器的星敏感器

　　电荷耦合器件（CCD）体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠性高，像元尺寸及位置固定，对磁场不敏感，适合空间应用需要，自70年代中期美国率先研发出基于CCD的星敏感器后，一直作为主流的图像传感器应用于星敏感器。

　　（1）德国 Jena-Optronik 的 ASTRO 系列

　　该公司的第一款星敏感器是 ASTRO 1，1984 年研制，1989年应用于MIR（和平）空间站上。其后的 ASTRO 5 是全自主星敏感器，重量轻、功耗小、价格便宜，但横滚轴精度较差，需要两枚同时工作以提高精度。ASTRO 10 为分体式结构，电子模块与光敏模块分离，主要应用于近地轨道的各类卫星（SAR-Lupe，TerraSAR，DARPA’s Orbital Express，我国的 HJ-1 与 FY-3 等）。ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等优点于一身，是全自主式星敏感器。

　　主要特点是：内置星表，无须先验知识定姿，遮光罩的遮光角可以自定。自主温控或者由飞行器控制。电子模块和敏感器头部相互独立，依靠电缆连接，便于在飞行器上的安装与调整。电子接口可选。可靠性高，在轨寿命长，抗辐射性能好。ASTRO 15 （图 1）是 Jena-Optronik 目前最先进的自主式星敏感器，具有高度的可靠性、耐用性和广泛的适用性。被波音公司选定为 Boeing 702 platform 卫星的标准配置。同 ASTRO 10 相比，ASTRO 15 尺寸重量增大，视场基本不变，观星能力增强，单星精度提高，定姿时间缩短。

　　

　　图 1 ASTRO 15 星敏感器

　　（2）法国SODERN的星敏感器

　　SED12 是 SODERN 公司第一款 CCD 星敏感器，自 1989 年在苏联 GRANAT 上使用以来 10 年无故障，三倍于设计寿命。1997 年开始研制的 SED 16 于 2001 年 5 月随 SPOT5 卫星首飞成功，SED16 可用于地球观察、科学探测、深空探测、地球同步轨道、ISS cargo 等多种任务，现在大量被客户采购。

　　SED26（图 2）是 SED16 的 ITAR （国际军品贸易条例）的自由版本。同样是多用途、全自主，可提供三轴姿态和载体运动角速度的星敏感器。

　　最新的 SED36 是专门为 Pléiades 卫星提供高姿态精度的星敏感器，设计源自SED26，使用同样的子部件，优化了热-机械设计，对光学畸变进行了精确的校正，升级了星表，增加了导航星数目。一体结构改为分体结构，以增强散热。

　　

　　图 2 SED26 星敏感器（无遮光罩）

　　（3）美国 Lockheed Martin 的 AST-301

　　AST-301（图 3）作为主要的姿态传感器应用在 JPL 2003 年 1 月发射的空间红外望远镜装置（SIRTF） 上。为实现 SIRTF 的要求，使用两个冗余 AST-301 自主式星敏感器。可以 2 Hz 的频率输出姿态四元数，X/Y，Z 轴精度分别达到 0.18/0.18 arcsec， 5.1arcsec， 优于 AST-201 星敏感器 5.5 倍。

　　AST-301 使用 ACT 星表，71，830 颗导航星，星图的质心算法提高到 1/50像素的水平，并优化姿态估算。使用自主式延时积分（TDI）完成 X 轴向的图像移动补偿，防止由于飞行器的运动造成的精度降低。Y 轴向使用图像移动调节（IMA）处理图像拖尾，使合成图像信噪比最大，这样可以在 0.42 °/s 的速度下做到精确跟踪。没有任何先验信息的条件下，全天任何地方 3 s 内成功获得姿态的概率为 99.98%。

　　

　    基于CMOS APS的星敏感器

　　有源型CMOS图像传感器，是上世纪90年代美国JPL 研发的一种CMOS图像传感器。与CCD 星敏感器相比，APS 星敏感器具有明显的不同，主要表现为：较宽的视场（20°×20°）。大的视场有更多的较亮的导航星，星敏感器星等阈值可以降低、光学部分的重量减轻、导航星表的容量减少。采用CMOS图像传感器。CMOS 图像传感器把光敏阵列、驱动和控制电路、模拟信号处理电路、存储器、A/D 转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，实现单芯片数字成像系统，并且是单电压电源供电，它具有极低的功耗、数据可重复性读出方式，减少了系统噪声。

　　APS图像传感器具随机窗口读取能力，这种能力简化了接口，使系统小型化。单片ASIC（特殊用途集成电路）集成了星敏感器所有功能，芯片集成了I2C 总线接口、快速的像心提取逻辑、微处理器（8051）、存储器等等，使星敏感器的体积减小、功耗降低。APS 星敏感器硬件系统得以简化，避免了电荷转移效率的限制，具有更好的抗辐射能力。由于像元结构集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器暗电流，固定模式噪声和响应不均匀性较高，并且较低的填充率直接影响亚像元插分精度。

　　以图4所示AeroAstro Miniature Star Tracker（MST）为例，使用Fillfactory 的STAR1000 CMOS 图像传感器，尺寸很小，重300 g，功耗2 W，成本很低，但精度稍差，为70 arcsec（3σ）。为研制更小型、更低功耗的星敏感器，国际上的主要星敏感器供应商都在积极研究基于CMOS 图像传感器的星敏感器及其相关技术，并已取得实用化成果。表2 为各种APS 星敏感器的性能比较。

　　

　　图四

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