星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势.doc

1星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势0 引言星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航能力，具有重要的应用价值星敏感器的研究发展与应用已历经半个多世纪，随着新材料，新器件的出现和工艺技术的进步，精度提高，功耗减小，成本降低，应用领域日益广泛的新型星敏感器不断推出因此，及时收集整理分析比较国外星敏感器的信息，有利于国内有关姿态测量控制技术的发展1 星敏感器研究现状1.1 应用于卫星等空间飞行器的星敏感器星敏感器空间适用性好，且成本较高，因此传统上多用于卫星等空间飞行器的定姿1.1.1 基于 CCD 图像传感器的星敏感器电荷耦合器件(CCD )体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠性高，像元尺寸及位置固定，对磁场不敏感，适合空间应用需要，自 70 年代中期美国率先研发出基于 CCD 的星敏感器后，一直作为主流的图像传感器应用于星敏感器1）德国 Jena-Optronik 的 ASTRO 系列该公司的第一款星敏感器是 ASTRO 1，1984 年研制，1989年应用于MIR(和平)空间站上。

其后的 ASTRO 5 是全自主星敏感器，重量轻、功耗小、价格便宜，但横滚轴精度较差，需要两枚同时工作以提高精度ASTRO 10 为分体式结构，电子模块与光敏模块分离，主要应用于近地轨道的各类卫星(SAR-Lupe， TerraSAR， DARPA’s Orbital Express,我国的 HJ-1 与 FY-3 等)ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等优点于一身，是全自主式星敏感器主要特点是：内置星表，无须先验知识定姿，遮光罩的遮光角可以自定自主温控或者由飞行器控制电子模块和敏感器头部相互独立，依靠电缆连接，便于在飞行器上的安装与调整电子接口可选可靠性高，在轨寿命长，抗辐射性能好ASTRO 15 (图 1)是 Jena-Optronik 目前最先进的自主式星敏感器，具有高度的可靠性、耐用性和广泛的适用性被波音公司选定为 Boeing 702 platform 卫星的标准配置同 ASTRO 10 相比，ASTRO 15 尺寸重量增大，视场基本不变，观星能力增强，单星精度提高，定姿时间缩短2图1 ASTRO 15 星敏感器（2）法国SODERN的星敏感器SED12 是 SODERN 公司第一款 CCD 星敏感器，自 1989 年在苏联 GRANAT 上使用以来 10 年无故障，三倍于设计寿命。

1997 年开始研制的 SED 16 于 2001 年 5 月随 SPOT5 卫星首飞成功，SED16 可用于地球观察、科学探测、深空探测、地球同步轨道、ISS cargo 等多种任务，现在大量被客户采购SED26(图 2)是 SED16 的 ITAR (国际军品贸易条例)的自由版本同样是多用途、全自主，可提供三轴姿态和载体运动角速度的星敏感器图2 SED26 星敏感器（无遮光罩）最新的 SED36 是专门为 Pléiades 卫星提供高姿态精度的星敏感器，设计源自 SED26，使用同样的子部件，优化了热-机械设计，对光学畸变进行了精确的校正，升级了星表，增加了导航星数目一体结构改为分体结构，以增强散热3）美国 Lockheed Martin 的 AST-301[1]AST-301（图 3）作为主要的姿态传感器应用在 JPL 2003 年 1 月发射的空间红外望远镜装置(SIRTF) 上为实现 SIRTF 的要求，使用两个冗余 AST-301自主式星敏感器可以 2 Hz 的频率输出姿态四元数，X/Y ，Z 轴精度分别达到 0.18/0.18 arcsec, 5.1arcsec， 优于 AST-201 星敏感器 5.5 倍。

图3 AST-301 星敏感器AST-301 使用 ACT 星表 ，71，830 颗导航星 ，星图的质心算法提高到 1/50 像素的水平，并优化姿态估算使用自主式延时积分（TDI）完成 X 轴向的图像移动补偿，防止由于飞行器的运动造成的精度降低Y 轴向使用图像移动调节(IMA)处理图像拖尾，使合成图像信噪比最大，这样可以在 0.42 °/s 的速度下做到精确跟踪没有任何先验信息的条件下，全天任何地方 3 s 内成功获得姿态的概率为 99.98%3（4）其他基于 CCD 传感器的星敏感器除上面介绍的以外，丹麦技术大学(DTU)，意大利伽利略，美国 Ball，英国萨里(SSTL)，俄国空间研究院等机构在星敏感器研发领域都处于领先的地位，这里不作详细描述，仅将各个型号的 CCD 星敏感器的主要参数列表如下：表 1 基于 CCD 的星敏感器性能参数列表Company Star sensor Mass/kg Power/W Accuracy(arcsec) 1σ P/Y，R Update rate/Hz FOV/(°) Sensitivity/Mv Slew Rate/(°)s-1Germany ASTRO5 1.5 5 5，40 2~10 14.9×14.9 6.0 0.7(10Hz)Jena-Optronik ASTRO10 3.1 20。

ST 在白天观星，通过附加两片截止在红外的高通滤光片实现图 6 给出使用 IR PRO 809 滤光片在白天对金星的观测结果(July, 25, 15:00 UT Venus Mv=-3.6)图6 使用IR PRO 809 对金星的观测1.4 应用于导弹等军事领域的星敏感器SED20 星跟踪器是 SODERN 公司专门为法国 M51 弹道导弹(计划于 2010 年取代 M4)设计的，SED20 的研发在 2005 年底已经完成图7 SED20 星跟踪器2006 年 3 月 ，美国 Microcosm 公司宣布可在海平面白天观测 7.1 等恒星的 DayStar 系统研制成功实验表明午后太阳位于天顶时，DayStar 系统仍能探 测到 7.1 等星Microcosm 公司称即使在天空有薄云的情况下 DayStar 系统仍能可靠工作，比 DayStar 系统体积更小、性能类似的星敏感器系统将在飞机导航系统上得到应用，与惯导系统进行组合提供高精度的导航参数6图8 DayStar 星敏感器系统结构2 星敏感器工作原理2.1 星敏感器基本 模型（1）测量模型 星敏感器属于天体敏感器的一种，它可通过光电和射电方式被动的去探测自然天体的方位信息。

星敏感器的测量模型分为四种基本类型，即星光焦平面坐标测量模型、方向矢量测量模型、星光角度坐标测量模型和惯性姿态测量模型下面介绍一种最常用的星光方向矢量测量模型，它是由 Shueter 提出来的 QUEST 测量模型 [9,10]： _mPSCV其中， ，表示单位矢量测量值；mP，表示恒星的射线方向在载体坐标系的投影矢量 122203 01xxyyxyzPqPff式中， = ， ， 为恒定星体的位置在 CCD 平面上q0xyf的投影，也就是星像坐标中心； 为星敏感器相机的焦距 [11]，在光学系统领域中，焦距应该为恒值，即 S 是测量误差，可近似为高斯分布，所以0zPf测量误差的均值和方差分别为： 3123[][]()TTSERIP其中， 表示星敏感器噪声方差； 表示 星 敏 感 器 的 方 向 余 弦 矩 阵 ； 表示2CV星光方向矢量在惯性系中投影的 单 位 矢 量 2）姿态动力学模型 7星体姿态动力学微分方程 [12-16]如下所示：.11()JJTTV其中， 代表星体的惯量矩阵； 表示时间常数； 表示零均值的高斯白噪声。

J2.2 星敏感器测姿 原理CCD 星敏感器主要由外围电路部分，信号检测部分，模拟信号处理部分，数据采集存储部分、数据处理部分以及对外接口部分组成 [17]信号检测模块包括遮光罩、光学 系统、CCD 探头线路、CCD 光电转换器和光学镜头等几个部分，被捕获到的星体经过光学镜头进行成像，然后由 CCD 组件把星体的光能量转换为模拟电信号，把此电信号再进行处理后，送入数据采集存储部分再进行模数转换与数据采集处理当 CCD 摄像头捕获到的星图按数字的方式存储于内存中时，数据处理模块便会对已经数字化后的星图进行星点提取和星点坐标计算以及星图识别处理，并将星体所形成的像点与导航星库进行匹配，经分析可得到与像点相互对应的星体在天球坐标系中的位置坐标 [18]，最后由此指向完成载体姿态最终的确定其具体工作原理 [17]如下，首先星敏感器将捕获到的星图与导航星基准库进行比对，而后利用识别技术得出星图中的恒星体在天球坐标系下的坐标： 123cosinlVl天球系下恒星体的坐标投影到像空间系为： 1213321232[]TalblclxflllyfWxyfxyf星敏感器的敏感光轴在天球坐标系下的坐标 为：(,)13tansi()bc其中， 表示星敏感器的相机主距； 表示天球的赤经，纬经； 表示加f ,l速度计到原点的距离； 表示载体坐标系。

abc82.3 星敏感器测量 精度由于单星测量精度能够彻底影响光轴的指向精度、姿态角的测量精度以及系统噪声等，所以单星测量精度是星敏感器整体精度的基石也是其关键所在这里用星等来表征星体的亮度，星等数值越小表示该星体越亮，同时也越容易被观测到实际能够用到的星体的星等在 0~7 范围内，且前一星等的平均亮度是后一星等的 2.51 倍星等的精度主要受宇宙背景辐射、杂散光、星敏感器自身精度等误差源的影响，这些误差会造成丢星现象，使星图失真为了得到尽可能真实的星图，就需要把这些误差对星等的影响都考虑成零均值的高斯白噪声来继续分析星图中星体的灰度强弱受星体的星等大小和星敏感器的曝光时间长短的影响较大，且星等数值越高，灰度值越大由于计算机灰度级有限，只有 256 个灰度级，所以星体灰度的考虑范围在 0~255 之间，星等与灰度的关系可如下表示： max25.1g其中： 为星体的星等； 为星敏感器能够敏感到星等的最大值，它是星mmax敏感器的主要指标之一； 为星图中星体的灰度当观测的星体星等超过此最大值时，按最大值计算由于成像灰度大小随曝光时间的长短成正比，所以在上式的基础上，引入曝光时间来继续考虑，又因为不同星敏感器的曝光时间不同，所以可以用能表征不同星敏感器的曝光系数 来表示灰度与曝光时间的关H系即： 0g其中， 为考虑曝光时间的灰度值。

0g一般把星目标当作理想的点光源，当它的辐射能量在满足一个聚焦平面时，在正常情况下星点的像则会充满一个像元空间，又因为单个 CCD 像元的角分辨率主要影响着它的指向精度，所以可以定义一个像元的角分辨率 [19]为：FOVCDkN其中， 表示 FOV 的角度； 表示一行或一列像元的数目FOV普通情况下，星点目标总会聚集于一小块圆形的连续像元区域里，而焦平面上的星象能量分布取决于星敏感器中的光学系统，所以可以用光学系统的点扩散函数来表示此番能量分布，进而可以把它近似成二维高斯分布函数来表达，而且在仅仅 的像元区域内就聚集了 80% 的主能量：322（ -x） ()1(,)ep2i iyxy其中： 为方差，根据 的取值不同，星体能量的分布也就会有所不同2星敏感器的曝光时间长短与成像灰度值大小可成正比，所以时间也会与方差成9正比，且满足： (1)0.72H在 取 0.7 时，星等值 5.3 的星体所成的像的中心大概能达到 255 个灰度；当星等高于 5.3 时，灰度则会溢出。