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。
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。
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。
图 2 SED26 星敏感器(无遮光罩)
(3)美国 Lockheed Martin 的 AST-301
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。
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%。