國(guó)外星敏感器現(xiàn)狀
外星敏感器研究及應(yīng)用已有近50年的時(shí)間。到目前為止，至少有三代產(chǎn)品在航天器上得到應(yīng)用。第一代為星跟蹤器，多采用光電倍增管之類光電元件作為敏感元件；第二代為星圖儀式星敏感器，采用電荷耦合器CCD作為敏感元件，以中低性能的CPU為處理器，采用局部天區(qū)恒星識(shí)別算法；第三代星敏感器相對(duì)于第二代的主要進(jìn)步在于采用了高分辨率成像元件和高性能處理器，提高了姿態(tài)確定精度和數(shù)據(jù)處理速度，增加了自主全天恒星識(shí)別功能，同時(shí)敏感器的體積、質(zhì)量和功耗也有大幅度降低。表1為國(guó)外部分星敏感器指標(biāo)
表1 國(guó)外部分星敏感器指標(biāo)
20世紀(jì)90年代初，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和CMOS加工工藝技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了采用CMOS工藝的動(dòng)態(tài)像元星敏感器APS。目前歐美一些機(jī)構(gòu)已率先開始采用APS作為探測(cè)元件，研制體積更小、功耗更低的星敏感器。歐空局的小衛(wèi)星姿態(tài)敏感器項(xiàng)目就是為了促進(jìn)和試驗(yàn)小型化姿態(tài)敏感器的一些新項(xiàng)目，其中采用了512×512動(dòng)態(tài)像元敏感器（APS）、高集成度多芯片模塊（MCM）電路等。其試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H重270g，體積約為62mm×53mm×53mm（未計(jì)及蓋子和處理器部件），功耗2.4w（帶處理器時(shí)增加到5w）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該星跟蹤器當(dāng)更新速率為10Hz時(shí)，在20°×20°視場(chǎng)中對(duì)5等星的測(cè)量精度和噪聲等效角都優(yōu)于1“（2?）。
這類新型星敏感器正代表了現(xiàn)代星敏感器不斷小型化、輕型化、低功耗、高實(shí)時(shí)性的發(fā)展趨勢(shì)，特別是在減少體積、重量、功耗方面，有了重大飛躍。20世紀(jì)70年代，美國(guó)最早將星敏感器應(yīng)用于航天器上。1989年，蘇聯(lián)將其用在和平號(hào)空間站上。聯(lián)邦德國(guó)、法國(guó)和日本也先后使用星敏感器測(cè)量航天器姿態(tài)。接下來(lái)詳細(xì)介紹一下基于CCD 圖像傳感器和基于CMOS APS的星敏感器現(xiàn)狀。
基于CCD 圖像傳感器的星敏感器
電荷耦合器件（CCD）體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊，可靠性高，像元尺寸及位置固定，對(duì)磁場(chǎng)不敏感，適合空間應(yīng)用需要，自70年代中期美國(guó)率先研發(fā)出基于CCD的星敏感器后，一直作為主流的圖像傳感器應(yīng)用于星敏感器。
?。?）德國(guó) Jena-Optronik 的 ASTRO 系列
該公司的第一款星敏感器是 ASTRO 1，1984 年研制，1989年應(yīng)用于MIR（和平）空間站上。其后的 ASTRO 5 是全自主星敏感器，重量輕、功耗小、價(jià)格便宜，但橫滾軸精度較差，需要兩枚同時(shí)工作以提高精度。ASTRO 10 為分體式結(jié)構(gòu)，電子模塊與光敏模塊分離，主要應(yīng)用于近地軌道的各類衛(wèi)星（SAR-Lupe，TerraSAR，DARPA’s Orbital Express，我國(guó)的 HJ-1 與 FY-3 等）。ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等優(yōu)點(diǎn)于一身，是全自主式星敏感器。
主要特點(diǎn)是：內(nèi)置星表，無(wú)須先驗(yàn)知識(shí)定姿，遮光罩的遮光角可以自定。自主溫控或者由飛行器控制。電子模塊和敏感器頭部相互獨(dú)立，依靠電纜連接，便于在飛行器上的安裝與調(diào)整。電子接口可選?？煽啃愿?，在軌壽命長(zhǎng)，抗輻射性能好。ASTRO 15 （圖 1）是 Jena-Optronik 目前最先進(jìn)的自主式星敏感器，具有高度的可靠性、耐用性和廣泛的適用性。被波音公司選定為 Boeing 702 platform 衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置。同 ASTRO 10 相比，ASTRO 15 尺寸重量增大，視場(chǎng)基本不變，觀星能力增強(qiáng)，單星精度提高，定姿時(shí)間縮短。
圖 1 ASTRO 15 星敏感器
?。?）法國(guó)SODERN的星敏感器
SED12 是 SODERN 公司第一款 CCD 星敏感器，自 1989 年在蘇聯(lián) GRANAT 上使用以來(lái) 10 年無(wú)故障，三倍于設(shè)計(jì)壽命。1997 年開始研制的 SED 16 于 2001 年 5 月隨 SPOT5 衛(wèi)星首飛成功，SED16 可用于地球觀察、科學(xué)探測(cè)、深空探測(cè)、地球同步軌道、ISS cargo 等多種任務(wù)，現(xiàn)在大量被客戶采購(gòu)。
SED26（圖 2）是 SED16 的 ITAR （國(guó)際軍品貿(mào)易條例）的自由版本。同樣是多用途、全自主，可提供三軸姿態(tài)和載體運(yùn)動(dòng)角速度的星敏感器。
最新的 SED36 是專門為 Pléiades 衛(wèi)星提供高姿態(tài)精度的星敏感器，設(shè)計(jì)源自SED26，使用同樣的子部件，優(yōu)化了熱-機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)光學(xué)畸變進(jìn)行了精確的校正，升級(jí)了星表，增加了導(dǎo)航星數(shù)目。一體結(jié)構(gòu)改為分體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)散熱。
圖 2 SED26 星敏感器（無(wú)遮光罩）
（3）美國(guó) Lockheed Martin 的 AST-301
AST-301（圖 3）作為主要的姿態(tài)傳感器應(yīng)用在 JPL 2003 年 1 月發(fā)射的空間紅外望遠(yuǎn)鏡裝置（SIRTF） 上。為實(shí)現(xiàn) SIRTF 的要求，使用兩個(gè)冗余 AST-301 自主式星敏感器?？梢?2 Hz 的頻率輸出姿態(tài)四元數(shù)，X/Y，Z 軸精度分別達(dá)到 0.18/0.18 arcsec， 5.1arcsec， 優(yōu)于 AST-201 星敏感器 5.5 倍。
AST-301 使用 ACT 星表，71，830 顆導(dǎo)航星，星圖的質(zhì)心算法提高到 1/50像素的水平，并優(yōu)化姿態(tài)估算。使用自主式延時(shí)積分（TDI）完成 X 軸向的圖像移動(dòng)補(bǔ)償，防止由于飛行器的運(yùn)動(dòng)造成的精度降低。Y 軸向使用圖像移動(dòng)調(diào)節(jié)（IMA）處理圖像拖尾，使合成圖像信噪比最大，這樣可以在 0.42 °/s 的速度下做到精確跟蹤。沒(méi)有任何先驗(yàn)信息的條件下，全天任何地方 3 s 內(nèi)成功獲得姿態(tài)的概率為 99.98%。
? ?基于CMOS APS的星敏感器
有源型CMOS圖像傳感器，是上世紀(jì)90年代美國(guó)JPL 研發(fā)的一種CMOS圖像傳感器。與CCD 星敏感器相比，APS 星敏感器具有明顯的不同，主要表現(xiàn)為：較寬的視場(chǎng)（20°×20°）。大的視場(chǎng)有更多的較亮的導(dǎo)航星，星敏感器星等閾值可以降低、光學(xué)部分的重量減輕、導(dǎo)航星表的容量減少。采用CMOS圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器把光敏陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、模擬信號(hào)處理電路、存儲(chǔ)器、A/D 轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，實(shí)現(xiàn)單芯片數(shù)字成像系統(tǒng)，并且是單電壓電源供電，它具有極低的功耗、數(shù)據(jù)可重復(fù)性讀出方式，減少了系統(tǒng)噪聲。
APS圖像傳感器具隨機(jī)窗口讀取能力，這種能力簡(jiǎn)化了接口，使系統(tǒng)小型化。單片ASIC（特殊用途集成電路）集成了星敏感器所有功能，芯片集成了I2C 總線接口、快速的像心提取邏輯、微處理器（8051）、存儲(chǔ)器等等，使星敏感器的體積減小、功耗降低。APS 星敏感器硬件系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，避免了電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，具有更好的抗輻射能力。由于像元結(jié)構(gòu)集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器暗電流，固定模式噪聲和響應(yīng)不均勻性較高，并且較低的填充率直接影響亞像元插分精度。
以圖4所示AeroAstro Miniature Star Tracker（MST）為例，使用Fillfactory 的STAR1000 CMOS 圖像傳感器，尺寸很小，重300 g，功耗2 W，成本很低，但精度稍差，為70 arcsec（3σ）。為研制更小型、更低功耗的星敏感器，國(guó)際上的主要星敏感器供應(yīng)商都在積極研究基于CMOS 圖像傳感器的星敏感器及其相關(guān)技術(shù)，并已取得實(shí)用化成果。表2 為各種APS 星敏感器的性能比較。
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