基于CMOSAPS的微型数字式太阳敏感器

第8卷　第4期　2008年2月167121819(2008)420940206　科　学　技　术　与　工　程Science Technol ogy and Engineering　Vol .8　No .4　Feb .2008Ζ　2008　Sci .Tech .Engng .基于C MO S 图像传感技术的新型数字式太阳敏感器饶　鹏　孙胜利　陈桂林(中国科学院上海技术物理研究所,上海200083)摘　要　数字式太阳敏感器是目前应用于航天器姿态控制系统的高精度敏感器。

随着有源像素传感器(APS )作为新型图像传感器件在空间任务中的广泛应用,一种以APS 为技术基础的新型数字式太阳敏感器以视场大、精度高、微型化、低功耗等特点,正在成为现阶段太阳敏感器的最新趋势。

介绍了这种太阳敏感器的研制情况,其中详细阐述了设计原理、系统实现方案以及地面闭环测试等技术工作。

关键词　有源像素传感器 数字式太阳敏感器 航天飞行器 姿态控制中图法分类号　TP335.3; 文献标志码　A2007年11月5日收到第一作者简介:饶　鹏(1977—),男,副研究员,研究方向:航天飞行器姿态敏感器。

当前除大型地面遥感、对地观测卫星发展迅速以外,已出现了发展小卫星和微小卫星的热潮,卫星姿态控制技术的发展趋势是:高精度、微型化、高可靠。

由此对卫星姿态敏感器提出了同样的要求:精度高、体积小、重量轻和低功耗等。

总之,长寿命、高可靠、高精度、智能自主控制部件的模块化、微型化已成为未来卫星控制技术的发展方向。

作为姿态控制分系统的关键组件———姿态敏感器通常选用一些空间目标(诸如地球、太阳或其他恒星等)作为定位参考,而太阳离地球近,亮度高,发光均匀性好,以其作为目标,容易实现高精度,因此,太阳敏感器也就成为卫星姿态控制系统中不可或缺的重要测量仪器。

1　背景介绍太阳敏感器主要通过检测太阳矢量方位,进行卫星和其他空间飞行器的姿态测量,也可用来进行其他光学敏感器的视场监护等工作。

APS（Active Pixel Sensor）CMOS 星敏感器是一种采用CMOS 技术制造的数字成像设备，用于捕捉和处理星体图像。

其工作原理主要是通过检测星体图像的特征，用于航天器姿态控制和导航。

以下是APS CMOS 星敏感器系统的基本原理及实现方法：
1. 系统原理
APS CMOS 星敏感器基于主动像素传感技术，每个像素都具有独立的光电转换和信号读取功能。

在成像过程中，光子撞击像素单元，将其转化为电信号。

信号读取电路将电信号转换为数字信号，并按照预定的格式输出。

2. 星敏感器核心组件
（1）CMOS 图像传感器：作为星敏感器的核心元件，CMOS 图像传感器将光信号转换为电信号。

常见的CMOS 图像传感器类型包括APS、BSI（Back-Side Illuminated）等。

（2）信号处理电路：对CMOS 图像传感器输出的电信号进行放大、滤波、模数转换等处理，得到数字化的星体图像。

（3）星体识别算法：通过分析星体图像的特征，例如星点的形状、亮度等，实现星体的识别和定位。

（4）姿态解算模块：根据星体的识别结果，结合预先存储的星表数据，计算航天器的姿态信息。

3. 实现方法
（1）硬件实现：设计并制造具有高性能的CMOS 图像传感器，提高星敏感器的灵敏度和信噪比。

（2）软件实现：开发星体识别算法和姿态解算模块，实现对星体图像的实时处理。

（3）系统集成：将CMOS 星敏感器、信号处理电路、星体识别算法等组件集成到一个紧凑的系统中，便于安装和使用。

（4）标定与优化：针对不同的应用场景，对星敏感器进行标定和优化，提高系统性能。

第14卷第1期功能材料与器件学报V o l 14,N o 1 2008年2月J OURNA L O F FUNCT IONA L M ATER I ALS AND DEV ICES F eb.,2008文章编号:1007-4252(2008)01-0246-05基于ME M S光线引入器的太阳敏感器技术邢飞,尤政,张高飞(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要:太阳敏感器是卫星等航天器上的重要姿态测量部件,其原理是测量太阳光线和敏感器本体主轴的夹角,近而确定卫星的指向。

随着ME M S技术和高精度图像传感器技术的发展,将M E M S光线引入器阵列和APS(A ctive P i x el Sensor)图像传感器技术进行组合,在不增加系统的质量和功耗的情况下通过多个成像阵列来降低系统的随机误差,提高成像中心位置的准确性,从而将太阳敏感器的测量精度提高一个量级。

同时采用图像预测提取相关算法(Future Ex traction and I m age Corre-lation-FE I C),提高了系统的鲁棒性,在部分小孔受到堵塞等干扰情况下,依然保证系统正常工作,精度上基本上不受影响。

传统的太阳敏感器一般采用单孔式光线引入器和CCD等方案来实现的,精度比较低。

这种新设计思路和实现方法为太阳敏感器系统的可靠性提供了重要保障。

关键词:ME M S光线引入器;太阳敏感器;预测相关算法;鲁棒性中图分类号:TB 文献标识码:ASun sensor based on t heM E M S sunlight lead-inX I N G Fe,i YOU Zheng,Z HANG G ao-fe i(Depart m ent of Precisi o n I nstru m ent&M echa n ics Engineeri n g,Tsi n ghua Uni v ersity,Beiji n g100084,Chi n a)Abst ract:Sun sensor i s the key co m ponent of the attitude m easure on the sate llite.Its pri n ciple is to de-ter m i n e the satellite direction by m easuring t h e elevati o n and azi m ut h angle bet w een the sun sensor and sunli g h.t W it h the deve l o pm ent of the ME M S and high reso luti o n i m age sensor techno l o gy,the accuracy of t h e ne w sun senso r is i m proved m agn itude by co mb i n i n g t h e ME M S sunlight lead-in and APS C MOSi m age sensor,the co m b i n ati o n w hich w ithout additional volum e and po w er consum ption decrease t h e ran-do m error of th is sensor syste m by the m u lti-i m age m atrix.M eanw h ile,w it h t h e Future Ex traction andI m age Co rre l a ti o n a l g orithm,the syste m robustness is i m proved.Even when so m e b l o ckades happened a tso m e sunlight ho les,the syste m can w ork w ellw ith a l m ost no loss of t h e accuracy by the algorith m.The accuracy of the traditi o na l sun senso r,w hich is consist of only one si n gle ho le light l e ad-in and CCD etc.,is relatively unreliab le.W ith this ne w constr uction and i m ple m entati o n m ethod i n the design of the syste m,t h e reliab ility for the ne w solar sensor is guaranteed.K ey w ords:ME M S sun li g ht lead-i n;sun sensor;f u ture extracti o n and i m age corre lation;r obustness收稿日期:2007-07-20; 修订日期:2007-09-22基金项目:国家973.作者简介:邢飞(1979-),男,博士,助研(E-m a i:l x i ngf02@m ails.tsi ).0 引言太阳敏感器是卫星上使用的最为普遍和重要的姿态测量器件。

用于超小型地球观测卫星的基本APS的微型太阳敏感器MarcelloBuonocore;MicheleGrassi;GiancarloRufino;郑克隆;潘科炎
【期刊名称】《控制工程（北京）》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】本文介绍那不勒斯(Naples)大学对于用在微型与超小型卫星姿态确定系统中的一种基于APS的低成本微型太阳敏感器的研究工作与样机开发情况，阐述这种敏感器的总体结构以及样机和实验室测试设备的开发工作。

开发该敏感器的数字仿真器也是本项目的重要内容。

这种仿真器用来预测敏感器性能，并模拟样机的实验室测试。

初步结果显示，敏感器最终精度优于1’。

【总页数】3页(P55-57)
【作者】MarcelloBuonocore;MicheleGrassi;GiancarloRufino;郑克隆;潘科炎【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】V47
【相关文献】
1.APS星敏感器太阳照射影响分析及试验验证 [J], 钟红军;张占良;梁士通;卢欣;杨君;李晓;李玉明
2.附录F 采用有源像元敏感器（APS）的数字式太阳敏感器 [J],
3.基于多功能动态像元敏感器APS的微型跟踪器 [J], 郑克隆;Eise.,AR
4.一种新的APS数字式太阳敏感器测姿算法 [J], 何丽;胡以华;杨勇;徐自飞
5.基于CMOS APS高精度太阳敏感器 [J], 朱鸿泰;孙胜利;陈桂林
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基于CMOS图像传感技术的新型数字式太阳敏感器
饶鹏;孙胜利;陈桂林
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2008(008)004
【摘要】数字式太阳敏感器是目前应用于航天器姿态控制系统的高精度敏感器.随着有源像素传感器(APS)作为新型图像传感器件在空间任务中的广泛应用,一种以APS为技术基础的新型数字式太阳敏感器以视场大、精度高、微型化、低功耗等特点,正在成为现阶段太阳敏感器的最新趋势.介绍了这种太阳敏感器的研制情况,其中详细阐述了设计原理、系统实现方案以及地面闭环测试等技术工作.
【总页数】6页(P940-945)
【作者】饶鹏;孙胜利;陈桂林
【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083
【正文语种】中文
【中图分类】TP335.3
【相关文献】
1.基于CMOS图像传感器的太阳能电池缺陷检测系统设计 [J], 孙智权;周奇;陈震;赵不贿;陶鹤鸣
2.基于CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器 [J], 李楠;刘现收;张莹
3.基于CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器及其应用 [J], 李敏;孟臣
4.星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应研究 [J], 曹中祥;钟红军;张运
方;李全良
5.一种基于新颖的CMOS有源像素图像传感器的微型星敏感器成像系统的实现方法 [J], 王彦;袁家虎;兰荣清
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基于SiP技术的单片集成数字式太阳敏感器吴迪;陈纾;陈龙江;叶志龙;郑循江【期刊名称】《深空探测学报》【年(卷),期】2018(005)001【摘要】设计了一种新型的数字式太阳敏感器.采用SiP (Stystem in Package)设计,将滤光片直接安装于探测器上.此设计减小了数字式太阳敏感器的体积与质量,可提高其可靠性.所设计的数字式太阳敏感器可用于深空探测卫星系统的太阳捕获和太阳定向,同时,也可作为星上其他光电敏感器的监护仪器,防止其他光学敏感器被强光损坏.最后,完成了原理样机的研制与标定,并在外场进行了太阳光斑的拍图测试.实验表明所提出方法可行,可满足火星探测、深空探测的使用需求.【总页数】5页(P85-89)【作者】吴迪;陈纾;陈龙江;叶志龙;郑循江【作者单位】上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109;上海航天控制技术研究所,上海201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109;上海航天控制技术研究所,上海201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109;上海航天控制技术研究所,上海201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109;上海航天控制技术研究所,上海201109;上海市空间智能控制技术重点实验室,上海201109;上海航天控制技术研究所,上海201109【正文语种】中文【中图分类】V488.21【相关文献】1.基于MEMS的数字式太阳敏感器光学系统设计 [J], 魏新国;江洁;温志明;张广军;樊巧云2.附录F 采用有源像元敏感器（APS）的数字式太阳敏感器 [J],3.基于CMOS图像传感技术的新型数字式太阳敏感器 [J], 饶鹏;孙胜利;陈桂林4.基于SiP技术的单片集成数字式太阳敏感器 [J], 吴迪;陈纾;陈龙江;叶志龙;郑循江;;;;;;;;;;5.数字式太阳敏感器测试方法的研究 [J], 王文靖;梁旭;郭宏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于CMOS APS高精度太阳敏感器
朱鸿泰;孙胜利;陈桂林
【期刊名称】《传感器世界》
【年(卷),期】2006(12)9
【摘要】通过对CMOS APS的简要介绍以及它与CCD的性能比较,揭示出CMOS APS在太阳敏感器的研究发展方面所具有的优越性.在提出CMOS APS太阳敏感器一般方案的同时,对它进行了更进一步的探讨.并在探讨太阳敏感器视场和精度相互制约这一问题的过程中,结合CMOS APS各方面的优点,阐明了这一问题虽然在CCD太阳敏感器中难以解决,但在CMOS APS太阳敏感器中却可以得到有效解决.
【总页数】4页(P26-29)
【作者】朱鸿泰;孙胜利;陈桂林
【作者单位】中科院上海技术物理研究所,200083;中科院上海技术物理研究所,200083;中科院上海技术物理研究所,200083
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.1
【相关文献】
1.基于CMOS APS的星敏感器光学系统参数确定 [J], 董瑛;邢飞;尤政
2.基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化 [J], 何灵娜;崔维鑫;裴云天
3.CMOS APS在太阳敏感器中的应用研究 [J], 朱鸿泰;孙胜利;陈桂林
4.基于CMOS APS的星敏感器技术发展研究 [J], 许苏晓;肖靖
5.基于CMOS图像传感技术的新型数字式太阳敏感器 [J], 饶鹏;孙胜利;陈桂林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。