航天太陽敏感器的應(yīng)用與發(fā)展

王紅睿，李會端，方 偉

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033;2.楚雄師范學(xué)院，云南楚雄675000)

1 引言

太陽敏感器是航天任務(wù)中的一種常用光電姿態(tài)傳感器，可提供太陽矢量與航天器上特定軸線間的角度反饋［1-5］。幾乎所有的航天器都需要安裝太陽敏感器，以便根據(jù)太陽敏感器提供的姿態(tài)反饋信息完成航天器各個(gè)階段的姿態(tài)控制任務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射入軌后或因各種故障丟失原有姿態(tài)后，衛(wèi)星控制系統(tǒng)一般首先啟動大視場太陽敏感器，根據(jù)太陽敏感器的反饋并結(jié)合自身的緩慢自旋運(yùn)動搜索太陽，盡快實(shí)現(xiàn)對日定向。在衛(wèi)星的穩(wěn)態(tài)在軌運(yùn)行中，衛(wèi)星根據(jù)數(shù)字太陽敏感器的高精度反饋，確定太陽與航天器本體坐標(biāo)系的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)航天器的高精度姿態(tài)控制，例如對地觀測衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定控制。

相對星敏感器、紅外地球敏感器等其他姿態(tài)敏感器而言，太陽敏感器具有單機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，由于太陽的亮度高，太陽敏感器的定位處理幾乎不受其他天體的干擾。太陽敏感器中的濾光片可很大程度上去除雜散光的影響。通常而言，為了構(gòu)造高冗余度的飛行導(dǎo)航系統(tǒng)，保證航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)在各種異常情況下正常運(yùn)行，需要在不同的航天器位置安裝多個(gè)數(shù)字太陽敏感器和模擬太陽敏感器［5-7］。除了用于航天器的姿態(tài)控制，太陽敏感器還應(yīng)用于構(gòu)建在軌太陽跟蹤控制系統(tǒng)，例如太陽電池帆板的對日定向控制、太陽活動觀測儀器的對日控制［8］。另外，在各類行星探測系統(tǒng)的導(dǎo)航控制中，太陽敏感器也有重要應(yīng)用。這是由于一方面火星、月球等星體的磁場較弱，難以應(yīng)用磁強(qiáng)計(jì)等磁場探測器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，另一方面，火星、月球等星體也沒有部署衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所以，基于太陽敏感器的行星導(dǎo)航控制受到了相當(dāng)?shù)闹匾暎?］。

早期的太陽敏感器采用模擬光電探測器，通過測量光電池等器件的電流輸出來獲取入射太陽光的角度信息。其中，入射太陽光的角度與光電探測器的電流輸出滿足特定規(guī)律。之后，出現(xiàn)了以圖像傳感器來替代光電池等模擬探測器的數(shù)字太陽敏感器。與光電池相比，基本探測單元從幾個(gè)增加到了幾百個(gè)，甚至是上萬個(gè)，大幅度地提高了太陽敏感器感知太陽光的能力。早期的數(shù)字太陽敏感器大多基于小孔成像的原理，采用無透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)。焦平面之前是具有單一光孔或單一狹縫的掩模。這種掩模為單一光孔或單一狹縫的太陽敏感器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但儀器視場(FOV)較小，測量精度受到圖像傳感器噪聲、雜散光等不利的影響。由于焦平面圖像中只有一塊太陽像點(diǎn)，同時(shí)圖像傳感器可能存在像素壞點(diǎn)，太陽像點(diǎn)中心提取算法容易受到各類噪聲干擾，且這些干擾難以去除，影響后繼的太陽角度計(jì)算。另外，若單一光孔部分或全部被阻塞，則太陽敏感器性能下降或失靈。為了進(jìn)一步提高太陽敏感器的測量精度，出現(xiàn)了具有多光孔或多狹縫的太陽敏感器。對于這種掩模為多光孔或多狹縫的太陽敏感器而言，其焦平面探測器可獲取同時(shí)具有多個(gè)太陽像點(diǎn)的圖像，結(jié)合后繼的中心提取算法，可降低圖像傳感器噪聲和太陽敏感器內(nèi)部雜散光的影響［9-15］。

由于尺寸和功耗較大，上述的一般航天太陽敏感器通常無法安裝在微小衛(wèi)星上。皮衛(wèi)星等微小航天器的姿態(tài)控制、自主火星車或月球車的定位導(dǎo)航需要低功耗、小尺寸的微型太陽敏感器。微型太陽敏感器包括精密掩模和單片焦平面探測器等部件。精密掩模上具有通過微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)加工而成的單一微小光孔或多個(gè)微小光孔。單片焦平面探測器一般為高度集成的有源像素傳感器(Active Pixel Sensors，APS)探測器，其中包括像素陣列、A/D變換器、時(shí)序控制電路等［16-19］。

本文從航天太陽敏感器的工作原理、太陽敏感器的結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光電探測器、太陽像點(diǎn)中心提取算法等幾個(gè)方面出發(fā)，主要圍繞航天數(shù)字太陽敏感器，結(jié)合現(xiàn)有的主流太陽敏感器航天產(chǎn)品，簡略地介紹了航天太陽敏感器的發(fā)展歷史，敘述了航天太陽敏感器的技術(shù)現(xiàn)狀，并討論了航天太陽敏感器的未來發(fā)展趨勢。

2 太陽敏感器原理

太陽敏感器可大體分為三類。第一類為“0-1”太陽敏感器，光電探測器為光電池，光電池上面為入射狹縫，一旦太陽光入射，則光電池產(chǎn)生階躍響應(yīng)。這種太陽敏感器僅能給出太陽在視場中、視場外兩個(gè)結(jié)果，可快速捕獲太陽，但無法給出太陽角度信息，可用于星敏感器等光學(xué)儀器保護(hù)、航天器的粗定姿。第二類為模擬太陽敏感器，大多利用光電池作為光電探測器，當(dāng)太陽光照射到光電池時(shí)，光電池的輸出電流大小與太陽光入射強(qiáng)度的垂直分量滿足特定關(guān)系。可由試驗(yàn)來精確測定其中的參數(shù)。以光電池為探測器的模擬太陽敏感器工作過程為:首先，太陽光照射光電池，光電池輸出電流;然后，光電池輸出的微弱電流信號經(jīng)拾取、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，送入信息處理單元;最后，信息處理單元根據(jù)查表等特定方法獲取當(dāng)前的入射太陽光角度信息。相對數(shù)字太陽敏感器，模擬太陽敏感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低，航天器上通常安裝大視場的模擬太陽敏感器用于在失去姿態(tài)等異常狀態(tài)下搜索太陽。模擬太陽敏感器的缺點(diǎn)是角度測量精度相對較低。第三類為數(shù)字太陽敏感器，其采用小孔成像的原理構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng)，以圖像傳感器作為焦平面探測器，目前廣泛用于各類大型衛(wèi)星、微小衛(wèi)星和行星探測系統(tǒng)等。相對模擬太陽敏感器而言，由于數(shù)字太陽敏感器中的光學(xué)系統(tǒng)可有效去除雜散光影響，同時(shí)圖像探測器的基本光電探測單元數(shù)量較多，數(shù)字太陽敏感器可在原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)去除地球反射太陽光等誤差因素，提高測量精度［3，9，13］。

大多航天數(shù)字太陽敏感器以小孔成像的原理工作，主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器和信息處理單元組成，見圖1。光學(xué)系統(tǒng)主要包括光孔或狹縫、視場光闌和衰減片。焦平面探測器一般為圖像傳感器，例如面陣CCD。信息處理單元完成圖像處理等工作，提取太陽像點(diǎn)的中心，給出入射太陽光的角度信息。

圖1 數(shù)字太陽敏感器組成Fig.1 Structure of digital sun sensor

單光孔太陽敏感器的示意圖見圖2。單光孔太陽敏感器的工作過程如下。入射的太陽光從唯一的光孔入射后，由衰減濾光片降低入射光的能量，防止入射光的能量過強(qiáng)，損害圖像探測器。衰減后的太陽光入射到焦平面探測器上，形成具有單一太陽像點(diǎn)的焦平面圖像［3］。焦平面圖像記錄了入射太陽光的信息。信息處理單元讀取焦平面圖像后，通過圖像處理方法來定位太陽像點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)(xc，yc)，最后給出入射太陽光相對于太陽敏感器主光軸的角度δ。

圖2 單光孔太陽敏感器示意圖Fig.2 Illustration of sun sensor with single aperture

圖1中，太陽光與太陽敏感器主光軸夾角δ為:

式中:焦距f為光孔到探測器焦平面的距離，x是太陽像點(diǎn)中心在焦平面的X軸位移，y是太陽像點(diǎn)中心在焦平面的Y軸位移。

太陽像點(diǎn)中心位移x與y可由太陽像點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)(xc，yc)、圖像傳感器參數(shù)等來獲取。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的可靠性、魯棒性，降低系統(tǒng)造價(jià)，大多數(shù)航天太陽敏感器都采用小孔成像的原理來工作，采用無透鏡等光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不存在像差，易于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào)，可承受強(qiáng)烈振動的發(fā)射環(huán)境，便于航天產(chǎn)品的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)［2-3］。

航天數(shù)字太陽敏感器的光學(xué)系統(tǒng)主要包括光孔或狹縫、視場光欄、衰減濾光片等組件。光孔或狹縫的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)測量精度有重要的影響。早期的數(shù)字太陽敏感器大多采用單光孔或單光縫的設(shè)計(jì)［5，9］。單光孔或單光縫的優(yōu)點(diǎn)是易于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但是由于焦平面圖像上僅有一個(gè)太陽像點(diǎn)，太陽像點(diǎn)中心提取算法容易受到圖像噪聲、太陽敏感器內(nèi)部雜散光的影響，導(dǎo)致太陽角度測量精度下降。為了提高太陽敏感器的測量精度和系統(tǒng)的可靠性，研究人員提出了具有多光孔或多狹縫的太陽敏感器［13，15，20］，如圖 3 和圖 4 所示。圖5是一個(gè)采用N型狹縫和線陣CCD的太陽敏感器。這種多光孔或多狹縫的設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。以圖3中的多光孔數(shù)字太陽敏感器為例，入射太陽光在焦平面上同時(shí)形成多個(gè)太陽像點(diǎn)后，信息處理單元由多個(gè)太陽像點(diǎn)獲取了多個(gè)太陽角度測量值，進(jìn)行平均處理等操作后，可降低隨機(jī)噪聲的影響。然而，這種多光孔或多狹縫的光學(xué)設(shè)計(jì)增大了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷，太陽像點(diǎn)中心提取算法較為復(fù)雜，需要額外的處理時(shí)間。

圖3 多光孔太陽敏感器示意圖［13］Fig.3 Sun sensor with multiple apertures［13］

圖4 多狹縫太陽敏感器［20］Fig.4 Sun sensor with multiple splits［20］

圖5 N型狹縫太陽敏感器示意圖［15］Fig.5 Illustration of sun sensor with N type split［15］

考慮到太陽光的輻照度強(qiáng)，在軌的輻射環(huán)境可能傷害大規(guī)模集成電路，故一般采用衰減濾光片減低入射太陽光的能量來保護(hù)圖像探測器。在設(shè)計(jì)衰減濾光片時(shí)，首先要考慮圖像探測器的特性，控制入射到圖像探測器上的太陽光譜頻帶和入射光輻照度;其次，結(jié)合航天任務(wù)的抗輻射要求，對圖像探測器進(jìn)行抗輻射加固。另外，應(yīng)合理選擇濾光片的通帶透過率系數(shù)，準(zhǔn)確調(diào)整入射到圖像探測器上的光通量，以保證圖像探測器工作在非飽和區(qū)，維持圖像探測器的最佳工作狀態(tài)。

在太陽敏感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)字太陽敏感器的視場與角度分辨率是一對相互制約的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合航天任務(wù)的具體背景和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)衡決定。

4 光電探測器

模擬太陽敏感器，一般選用光電池、光電二極管作為光電探測器，這些光敏元件結(jié)構(gòu)簡單，后面的信號探測電路和太陽角度計(jì)算方法的復(fù)雜度都相對較低，系統(tǒng)造價(jià)較低。早期的數(shù)字太陽敏感器大多采用電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)作為焦平面光電探測器，例如線陣CCD和面陣CCD?，F(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)字太陽敏感器則采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)有源像素傳感器(Active Pixel Sensor，APS)圖像傳感器［9-10，13］。CMOS APS圖像傳感器采用單個(gè)像元的有源晶體管產(chǎn)生信號，沒有光影、光暈等失真，并且內(nèi)部集成了信號采樣、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、串行命令總線和多位并行數(shù)據(jù)輸出接口。相對CCD成像器件，CMOS APS圖像傳感器具有高集成度、低噪聲、低功耗、高傳輸效率等優(yōu)點(diǎn)。CMOS APS圖像傳感器還具有較強(qiáng)的抗輻照能力，采用單一電源供電。對于太陽敏感器而言，CMOS APS圖像傳感器比多電源供電的CCD成像器件有明顯的優(yōu)勢，利于系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)。

上述的一般太陽敏感器，受制于尺寸、功耗等因素，無法安裝在微小航天平臺上。為了實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制和行星探測系統(tǒng)的定位導(dǎo)航，研究人員采用MEMS技術(shù)，提出微型光電探測器，用于構(gòu)造 微型太陽敏感器［4，9-10，16，21］。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了微型模擬光電探測器，用于構(gòu)造微小的太陽敏感器。其中的微型模擬光電探測器為兩對正交安裝的光電二極管。兩對光電二極管在同一塊硅基底上生長。文獻(xiàn)［10］考慮微小航天器的任務(wù)要求，提出了一種集成了光學(xué)系統(tǒng)和CMOS APS圖像傳感器的微型光電探測器，外形大小見圖6，其中的光電探測器包括512 pixel×512 pixel陣列、512個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯、時(shí)序控制電路［10］。前置多孔掩模采用MEMS技術(shù)加工而成，與光電探測器封裝在一塊芯片上。文獻(xiàn)［9］則進(jìn)一步提出了無線、自主、高集成度的微型數(shù)字太陽敏感器，見圖7，將太陽敏感器的光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信息處理單元、太陽能電池板、RF通信單元整合到了單一芯片上，縮小了系統(tǒng)尺寸，降低了功耗。圖8是無線微型數(shù)字太陽敏感器的功能框圖。

圖6 微型模擬光電探測器示意圖［4］Fig.6 Illustration of micro analog photo detector［4］

圖7 微型數(shù)字太陽敏感器［10］Fig.7 Micro digital sun sensor［10］

圖8 無線、自主微型數(shù)字太陽敏感器結(jié)構(gòu)示意圖［9］Fig.8 Illustration of wireless and autonomous micro digital sun sensor［9］

5 太陽像點(diǎn)中心提取算法

太陽敏感器的信息處理單元用于在獲取焦平面圖像后，對焦平面圖像進(jìn)行處理［22-24］，對焦平面圖像中的每個(gè)太陽像點(diǎn)中心進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算每個(gè)太陽像點(diǎn)中心的像素標(biāo)號，進(jìn)而獲取入射太陽光的角度。對于采用單光孔和二維圖像傳感器的太陽敏感器而言，焦平面圖像中只有一個(gè)太陽像點(diǎn)，通常采用重心法獲取太陽像點(diǎn)中心［22-25］，太陽像點(diǎn)中心提取算法如下［17，26-27］:(1)設(shè)置灰度閾值gt，用于將焦平面圖像分割為太陽像點(diǎn)區(qū)域和背景區(qū)域。(2)像素標(biāo)記，將灰度值超過閾值gt的像素標(biāo)記為太陽像點(diǎn)區(qū)域的像素，否則標(biāo)記為背景區(qū)的像素。(3)計(jì)算太陽像點(diǎn)中心(xc，yc)的像素標(biāo)號，見圖2，太陽像點(diǎn)中心(xc，yc)的像素標(biāo)號為:

式中:pj為太陽像點(diǎn)區(qū)域的像素灰度，xj是太陽像點(diǎn)區(qū)域像素的列標(biāo)號，yj是太陽像點(diǎn)區(qū)域像素的行標(biāo)號，N為太陽像點(diǎn)區(qū)域的像素總數(shù)。

圖9是單光孔數(shù)字太陽敏感器焦平面圖像和太陽像點(diǎn)中心的標(biāo)記結(jié)果［27］。圖9(a)為數(shù)字太陽敏感器抓取的焦平面圖像，圖9(b)為對焦平面圖像進(jìn)行圖像分割、太陽像點(diǎn)中心像素的處理結(jié)果。

圖9 單光孔數(shù)字太陽敏感器焦平面圖像和太陽像點(diǎn)中心標(biāo)記結(jié)果［27］Fig.9 Sun image obtained by digital sun sensor with single aperture and centroiding results of sun spot［27］

上述太陽像點(diǎn)中心提取算法每一次都要遍歷焦平面圖像中的全部像素，每次遍歷光電探測器全部像素的大約需要幾瓦的能量?？紤]到微小航天平臺的功耗嚴(yán)格受控，微型太陽敏感器一般采用首先粗略定位、然后精確定位的太陽像點(diǎn)中心提取算法，算法分成兩步。第一步，粗略定位階段，對應(yīng)文獻(xiàn)［9］的獲取(acquisition)階段，按照一定的原則抽取部分元素，例如等間距的方法，獲取大致的包含太陽像點(diǎn)的興趣區(qū)域ROI(Region of Interest)。第二步，精確定位階段，對應(yīng)文獻(xiàn)［9］的跟蹤(tacking)階段，在第一步確定的興趣區(qū)域ROI中，采用重心法提取太陽像點(diǎn)中心。這種先粗略定位再精確定位的二步處理方法只需要處理部分的像素，不需要處理全部的像素，降低了太陽像點(diǎn)中心獲取耗費(fèi)的能量，適合于功耗敏感的微小衛(wèi)星。

6 現(xiàn)有航天產(chǎn)品

幾乎每一顆衛(wèi)星、每一艘飛船都要安裝太陽敏感器，太陽敏感器的產(chǎn)品研制受到了各國廠商、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)等組織的廣泛關(guān)注［28-31］。因此，各種航天用太陽敏感器相繼問世，見表1。與模擬太陽敏感器相比，數(shù)字太陽敏感器的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，其缺點(diǎn)是數(shù)字太陽敏感器中的圖像傳感器成本較高，易受空間輻射影響，導(dǎo)致入軌后圖像傳感器性能下降，單機(jī)壽命存在風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字太陽敏感器的可靠性仍需進(jìn)一步提高。由于模擬太陽敏感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、單機(jī)造價(jià)低、在軌壽命長等顯著優(yōu)勢，模擬太陽敏感器依舊被廣泛應(yīng)用，特別是角度測量精度較低的各種系統(tǒng)。高集成度的微型數(shù)字太陽敏感器則仍停留在試驗(yàn)階段。

表1 部分太陽敏感器航天產(chǎn)品Tab.1 Some products of current sun sensors

7 結(jié)論

所有的航天任務(wù)幾乎都需要安裝航天太陽敏感器，故航天太陽敏感器的研制一直受到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。從模擬的光電池探測器到全數(shù)字高度集成化的CMOS APS光電探測器，從單光孔到采用MEMS技術(shù)的多光孔高分辨率掩模，航天太陽敏感器在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)微型化等方面取得了較大的進(jìn)展。未來的航天任務(wù)要求航天太陽敏感器能夠自主處理更為復(fù)雜的光照環(huán)境，同時(shí)視場角、角度分辨率等常規(guī)指標(biāo)進(jìn)一步提高，這意味著需要更高的測量精度，更低的功耗，更大的感知范圍和更為智能的處理算法。在火星探測、小行星探測、長期飛行等航天任務(wù)中，航天太陽敏感器面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如，未知的環(huán)境或者長距離飛行可能導(dǎo)致太陽光照條件出現(xiàn)較大的變化，靜態(tài)的太陽角度計(jì)算算法可能會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致太陽敏感器性能下降甚至失靈，影響行星探測或者飛行任務(wù)。航天太陽敏感器的魯棒性、自主能力還要進(jìn)一步提高，以滿足未來航天任務(wù)的需要。

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