恒星敏感器是什么?关于恒星敏感器的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:28:14

恒星敏感器(Star Tracker)又称为星跟踪器,是一种以恒星为参考源的姿态测量设备。因为恒星看起来极小,通常以毫秒或者角秒作为单位,最大值也仅为0.05角秒,因此星敏感器提供的姿态数据信息一般为角秒量级,是目前精密度最高且随时间产生的误差最小的航天器定姿工具。因具备自主性好、被动测量隐蔽性好、抗电磁干扰能力强、定姿定向精度高、误差不随时间累积等优势,而成为卫星、导弹、舰船和飞机等平台姿轨控系统不可缺少的姿态测量设备之一。

概论

星敏感器是一种以恒星为测量对象,从而获取航天器姿态信息的测量装置,通过识别不同位置的恒星进行解算,为卫星、导弹、航天器和深空探测器等提供精准的空间方位和基准信息,具有自主导航的能力。

星敏感器技术的研究始于20世纪50年代,早期基于光电倍增管的框架式星跟踪器在舰船、导弹等平台得到成功应用;20世纪70年代电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)的出现以及集成电路的发展,促使固定探头星敏感器技术得到快速发展;20世纪90年代大规模集成电路技术和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)加工工艺的日趋成熟,使CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器在卫星等平台得到成功应用。总之,星敏感器在大气层外太空环境以及大气层内晴好夜空环境平台上得到广泛应用。

星敏感器原理及结构

星敏感器是集光学、机械、电子等技术于一体的姿态测量仪器,其本身是一项非常复杂的系统工程。如图 下所示,星敏感器主要由遮光罩、光学镜头、图像传感器、成像电路、图像处理电路、电源和数据接口以及机壳组成,下面分别对各组成部分的功能进行简要介绍:

(1)遮光罩:消除杂散光,避免其对星敏感器的成像质量造成影响;

(2)光学镜头:将恒星星光映射到图像传感器的靶面上;

(3)图像传感器:实现光信号到电信号的转换;

(4)成像电路:实现图像传感器的成像驱动和时序控制;

(5)图像处理电路:实现星敏感器图像和数据的处理;

(6)电源和数据接口:实现星敏感器的稳定供电和数据通讯。

星敏感器从工作原理上主要分为成像系统和图像处理系统两部分。星敏感器首先利用光学镜头和图像传感器对恒星成像,经过星点提取和质心定位得到星点在图像传感器靶面上的位置和亮度信息,然后通过星图识别获得星点在星表中对应的恒星,最后根据识别结果通过姿态解算得到星敏感器的三轴姿态,为载体控制系统提供姿态数据以实现载体的导航,其原理框图如下图所示。

星敏感器技术研究现状

回顾历史中出现的星敏感器,可以将其分为四个不同阶段。这四个阶段的星敏感器分别被称为:早期星敏感器、第一代CCD(Charge Coupled Device)星敏感器(也被称为电荷耦合器件式星跟踪器)、第二代CCD星敏感器和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)星敏感器。如今国内外研究与应用的主流产品大多为后两个阶段之间的过渡产品,它们的共同特点为:

(1) 具有较大的视场,可以观测到更多的信息,从而急剧提升了定姿的成功率;

(2) 导航星库容量大大提高,从而实现全天球自主星图识别,无需其他装置或结构对其进行辅助工作,即可自主实现首次定姿。

国内外众多学者已经开始深入开展了该领域相关技术的研究,国外典型CCD 星敏感器的性能指标如下列表格所示。

虽然目前最常用的是第二代CCD星敏感器,但其本身仍然具有缺陷,如重量大、功耗高、抗辐射性差等。此外,CCD传感器集成度差,像元阵列只能布置在相同芯片上,为了驱动这些阵列,还需要搭建几种不同的电源电路以及特殊的时钟脉冲电路,导致CCD传感器的成像系统设计困难、制作工艺困难、生产所需价格偏高,难以普及使用。

20世纪90年代,美国JPL实验室成功研制了CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器的实验样机,命名为Stracker。CMOS APS的产品具有与前一代CCD的产品相同的技术性能,且还拥有更多优良的性能,因此CMOS系列产品逐渐取代了第二代CCD系列产品在星敏感器中的地位。近年来,由于CMOS传感器制造水平的进步,其性能也有了极大的进步。下列表格为国外典型CMOS星敏感器性能指标。1980年起,中国展开了对该领域的深入开发进程。其中,北航的研究处于先进水平,其研发的YK010与SS2K型号性能优秀,视场均为20°×20°,功耗分别为2.43W和1.5W,重量分别为0.975kg和1.5kg,实现全天球自主星图识别的用时仅为0.5秒。目前国内典型星敏感器的性能指标如下表所示。然而,我国对该领域的研究仍较为落后,无法达到国外的水准,在星点提取方法和星图识别算法两方面尤为明显。国内的星敏感器在面对复杂背景(包括杂光、噪声等)时,往往无法成功实现星图识别,因此有必要对相关领域展开更为深入的研究。