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(jī)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(jìn)行了基于APSCMOS技術(shù)的微小型星敏感器樣機(jī)、系統(tǒng)、算法的研制，并按照我國航天規(guī)范進(jìn)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(jìn)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(jī)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?！禔PS 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了驗證；第十章主要擴(kuò)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?！禔PS 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(jìn)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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