APS CMOS星敏感器系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方法

　　星敏感器是一種以恒星作為測量參考基準(zhǔn)的空間姿態(tài)敏感器，是迄今為止航天器上姿態(tài)測量精度高的敏感器，具有無漂移、工作壽命長等優(yōu)點，是航天器賴以生存和性能提升的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性器件，在對地遙感、深空探測、空間攻防等航天應(yīng)用中具有重要的戰(zhàn)略意義。星敏感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了掃描式星敏感器、凝視電荷耦合器件（CCD）星敏感器和有源像素傳感器（APS）星敏感器三代。掃描式星敏感器原理簡單，識別星數(shù)目少，但因其具有轉(zhuǎn)動部件，使系統(tǒng)壽命、可靠性受到影響，體積龐大且精度不高，除在后續(xù)的大氣層內(nèi)白天星敏感器上保留相應(yīng)功能外，在衛(wèi)星等應(yīng)用中基本已淘汰；凝視CCD星敏感器是目前星敏感器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，在多顆衛(wèi)星上廣泛使用，但因其功耗、體積、質(zhì)量都較大，且容易受到空間環(huán)境等干擾，在微納衛(wèi)星上使用較為困難；以APS互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）感光探測器為基礎(chǔ)的新一代微型星敏感器是當(dāng)前星敏感器領(lǐng)域的研究重點方向?！禔PS CMOS星敏感器系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方法》在國家安全重大基礎(chǔ)研究計劃（973）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863：2012AA121503）、國家自然科學(xué)基金（51522505，61377012）等的支持下，開展了APSCMOS星敏感器的新工藝，新機理和新方法研究，并針對微型航天器姿態(tài)敏感系統(tǒng)輕小型、高精度的特點，進行了基于APSCMOS技術(shù)的微小型星敏感器樣機、系統(tǒng)、算法的研制，并按照我國航天規(guī)范進行了地面環(huán)境實驗和在軌應(yīng)用。課題組研制的微型APSCMOS星敏感器指向精度7“，質(zhì)量1.lkg，功耗1.3W，捕獲時間0.5s，并可以在月光或云層反射光等進入視場時保持正常工作，在精度與國際高性能星敏感器相當(dāng)?shù)那闆r下，將捕獲時間和低功耗方面提升了近1個量級，顯著提高了我國微小衛(wèi)星的姿態(tài)測量水平。在此基礎(chǔ)上，課題組又開展了150g納型星敏感器、50g皮型星敏感器等技術(shù)研究，并在我國第1個微機電系統(tǒng)（MEMS）衛(wèi)星任務(wù)中得到了應(yīng)用，取得了令人振奮的實驗效果。《APS CMOS星敏感器系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方法》從星敏感器的原理和基本方法人手，以某型號衛(wèi)星的APSCMOS星敏感器及在軌應(yīng)用的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，共包括10章，其中第1章主要介紹星敏感器研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀，并對其工作原理和關(guān)鍵技術(shù)進行了簡要介紹；第二章主要介紹星敏感器的主要技術(shù)指標(biāo)與各參數(shù)之間的關(guān)系，給出了星敏感器的一般設(shè)計原則和基本方法；第3章主要介紹了APSCMOS星敏感器成像系統(tǒng)設(shè)計原則，以及信噪比和星點濾波等方法，給出星敏感器的星點提取方法和準(zhǔn)則；第4章介紹了APSCMOS星敏感器的光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計、指標(biāo)間的關(guān)系等，重點介紹了星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)方法，并對溫度等變化造成星敏感器精度分析等技術(shù)指標(biāo)進行了分析；第5章介紹了星敏感器的標(biāo)定方法，重點介紹了一種基于光學(xué)自準(zhǔn)直原理進行參數(shù)解耦的標(biāo)定方法，簡單實用，且相比于傳統(tǒng)方法精度更高；第6章重點闡述了基于流水線工作模式的星敏感器星圖識別方法；第7章主要闡述了星敏感器的星圖識別方法，在系統(tǒng)總結(jié)與提煉不同星圖識別算法之間的本質(zhì)運算邏輯的同時，提出了一種基于導(dǎo)航星域的快速星圖識別方法；第8章主要介紹了一體化星敏感器的測試系統(tǒng)與方法，包括實驗室測試與真實星空測試；第9章主要介紹了星敏感器的在軌實驗，并著重分析了星敏感器的在軌動態(tài)性能提升方法，同時對上述內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)進行了驗證；第十章主要擴展介紹納型星敏感器的發(fā)展，研制、測試及在軌應(yīng)用情況。《APS CMOS星敏感器系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方法》不僅系統(tǒng)介紹了APSCMOS星敏感器的研制方法與系統(tǒng)實驗，而且還簡要概括了目前課題組所進行的納型星敏感器和皮型星敏感器等系統(tǒng)的研究情況，使得整個研究體系和發(fā)展歷程更加清晰明確。《APS CMOS星敏感器系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方法》的相關(guān)內(nèi)容源于清華大學(xué)精密儀器系智能微系統(tǒng)實驗室的長期研究實踐，希望能夠為國內(nèi)大專院校及科研院所等相關(guān)研究提供參考。

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