星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势..doc

星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势 0 引言 星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航能力，具有重要的应用价值。 星敏感器的研究发展与应用已历经半个多世纪，随着新材料，新器件的出现和工艺技术的进步，精度提高，功耗减小，成本降低，应用领域日益广泛的新型星敏感器不断推出。因此，及时收集整理分析比较国外星敏感器的信息，有利于国内有关姿态测量控制技术的发展。 1 星敏感器研究现状 1.1 应用于卫星等空间飞行器的星敏感器 星敏感器空间适用性好，且成本较高，因此传统上多用于卫星等空间飞行器的定姿。 1.1.1 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。 图 2 SED26 星敏感器（无遮光罩） 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。 （3）美国 Lockheed Martin 的 AST-301[1] 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。 图 3 AST-301 星敏感器 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%。 （4）其他基于 CCD 传感器的星敏感器 除上面介绍的以外，丹麦技术大学(DTU)，意大利伽利略，美国 Ball，英国萨里(SSTL)，俄国空间研究院等机构在星敏感器研发领域都处于领先的地位，这里不作详细描述