APS星敏感器太阳照射影响分析及试验验证

针对APS星敏感器在轨过程中太阳照射问题进行了研究,分析了太阳照射对星敏感器功能和性能的影响,设计了太阳照射相关的试验及验证方案,最后给出了相关试验过程和试验验证结果,明确了分析及试验结论.通过分析和试验结果表明:紫外辐照试验对光学系统透过率无明显影响,且影响在APS星敏感器灵敏度余量范围内;在轨太阳照射对APS星敏感器探测器及整机的功能和性能无影响.相关分析和试验数据可作为星敏感器后续改进设计的依据和参考.     

扫频源程控器及其应用

目前,国内现有的 YIG 和返波管扫频信号源和其他带有外扫描电路的扫频信号源大多数都不带程控接口,为此,自行研制了扫频信号源程控器,来对上述扫频信号源进行频率控制,介绍了该程控接口的工作原理、电路设计及调试方法,给出了电路功能的数学模型。该扫频源程控器的初级接口具有 L 功能和 AH 功能;次级接口可完成16位 D/A 转换,输出0～10V 的程控扫描电压,选频点数可达65536个,输出电压的分辨度为140μV。     

低功耗CMOS带隙基准电压源的设计

设计了低功耗、高电源抑制比CMOS带隙基准电压发生器电路。其设计特点是采用了共源共栅电流镜 ,运放的输出作为驱动的同时还作为自身的偏置电路 ;使用CSMC标准 0 6 μm双层多晶硅n -wellCMOS工艺混频信号模型 ,利用Cadence的Spectre工具对其仿真 ,结果显示当温度和电源电压变化范围为 - 5 0℃～ 15 0℃和4 5V～ 5 5V时输出基准电压变化小于 1 6mV和 0 13mV ;低频电源抑制比达到 75dB。电路在 5V电源电压下工作电流小于 10 μA。该电路适用于对功耗要求低、稳定度要求高的集成温度传感器电路中     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

线性补偿型带隙基准电压源设计

设计了一种高准确度基准电压源电路,电路采用了电流镜技术,运放的输出作为驱动的同时还作为自身的偏置电路,双极晶体管EB结压降作运放的输入,获得正温度系数的电流IPTAT;同理将电阻的压降和双极晶体管EB结压降作运放的输入,获得负温度系数的电流ICTAT,通过电流的减法运算将在整个温度范围内分两段产生不同的补偿电流INL,进而产生不同的补偿电压,并完成对带隙基准电压的分段线性补偿。由此得到温度系数很小的带隙基准电压。采用TSMC0.18μm1.8/3.31P6MCMOS标准工艺,在1.8V电源下,-40℃~130℃温度范围内,仿真结果显示输出电压的温度系数小于1.88ppm/V,低频时电源电压抑制比为-86dB,功耗为237.5μW。     

基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断

针对使用两个星敏感器进行姿态测量的三轴稳定控制系统,利用星敏感器输出值与陀螺输出值的解析冗余关系,通过设计两个滤波器实现对不同星敏感器的故障隔离.考虑到陀螺测量噪声以乘性噪声的形式出现在姿态运动学方程中,利用陀螺输出测量值和目标星敏感器的测量值,采用线性最小均方差估计器得到包含目标星敏感器故障信息的残差; 以无故障情况下残差的统计方差为基础得到阈值,通过检验残差评价值是否超过相应的阈值,实现对目标星敏感器故障的检测; 分别将两个星敏感器作为目标星敏感器,综合两个故障检测结果隔离故障.对星敏感器出现测量偏差和精度逐渐下降两种故障的仿真验证了该方法的有效性.     

灵巧型大孔径四反星敏感器镜头设计

星敏感器镜头是星敏感器姿态轨道控制系统的重要组成部分，具有相对孔径大、工作谱段宽、绝对畸变低的特点，针对这些特点，在四反射镜初始结构的基础上，分析了镜头探测能力和相对孔径的关系，明确了镜头设计指标，利用非球面反射镜强大的像差校正能力，优化设计得到了全反射4反星敏感器镜头。镜头焦距170mm，轴向长度50mm，镜头F数2，等效入瞳直径51.2mm，圆视场±2.25°。镜头工作波段可由膜系决定，无色差，空间频率35lp/mm处传递函数优于0.6，畸变优于0.01%，弥散斑直径优于13μm，系统15μm范围内能量集中度优于80%，渐晕系数小于0.95，该镜头可用于亚像素精度的飞船姿态轨道控制系统，为星敏感器导航光学系统设计提供了参考。     

空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

基于精密时间的星敏感器绝对姿态基准的建立

根据星敏感器外场试验的实际需要,提出一种用于建立星敏感器参考姿态基准的方法.介绍星敏感器参考姿态基准建立的基本原理;分别求取从赤道惯性坐标系i系到地球坐标系w系的转换矩阵Cw1（依靠原子钟精密计时）、从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw、从t系到平台坐标系p系的转换矩阵Cpt,从p系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵Csp,从而得到i系到s系的转化矩阵Cs1;根据Csi求取星敏感器的姿态角,作为参考姿态基准;编制求解星敏感器参考姿态基准的电算化程序,并绘制星敏感器3个姿态角的误差曲线,最大误差小于0.25″.仿真结果表明,通过精密时间得到的姿态可以作为星敏感器外场试验的参考姿态基准.     

一种基于虚拟星敏感器的卫星姿态确定方法

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星载计算机在轨实时计算的星敏感器时间滞后补偿及相对基准标定算法,将星敏感器的输出数据统一到当前星时,同时将星敏感器的测量基准统一.基于单星敏/双星敏的输出数据构造虚拟星敏感器(安装矩阵为单位阵)的输出数据,设计统一的定常增益矩阵进行姿态确定.仿真结果表明,本方法与常规的定常增益卡尔曼滤波方法姿态确定精度相当,从而验证该方法有效,且具有重要的工程应用价值.     

星载圆柱阵电子消旋天线研究

对同步轨道自旋稳定卫星提出了一种 32列圆柱阵的电子消旋天线。该天线每列有 4个辐射单元 ,通过开关矩阵和数字可变功分器 ,对相邻五列阵顺序馈电形成覆球波束 ,在 0°～ 360°范围内周向扫描。利用星载地球敏感器输出脉冲作为角度参考 ,通过控制软件实现自主消旋 ,并获得了周向约 1 6°的波束跃度和电平起伏小于 1dB的平稳消旋结果     

无电阻CMOS带隙基准电压源的设计

设计了一种高准确度无电阻的带隙基准电压源。该电路采用差分结构的电压传输单元来代替电阻,并且没有使用运算放大器,从而避免了运算放大器所带来的高失调和必须补偿的缺陷。电流源采用共源共栅结构,提高了电源抑制比。增加了启动电路,保证电路可以正常工作。在0.6μm CMOS工艺条件下,电路的各项性能指标采用Sm artSp ice进行模拟验证,结果表明有效温度系数可以达到6×10-6/℃,电源电压从3.8 V变化到5.5 V时,输出的基准电压波动不到3 mV。     

星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应研究

对星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应进行研究,机理分析及总剂量试验结果表明像素暗电流及暗电流不一致性随总剂量增加而增加,像素光强响应及满阱容量随总剂量增加而降低.进一步分析得出星敏感器星点定位误差随辐照总剂量增加而增大,在100krad(Si)总剂量下,星点定位误差相比辐照前增加约3倍.结合器件总剂量效应退化机理,提出星敏感器在轨使用时器件采用增加像素内传输管电荷转移的开启时间、提高传输管的控制电压以及提高像素的复位电压等措施,可以降低由于总剂量效应导致星敏感器的星点定位误差增加.     

0—10V高稳定直流电压基准的研究

介绍一种0～10V可调直流电压基准的设计。该电压基准通过对电压平均技术和双通道脉宽调制分压技术的研究与应用，既可使用内部高稳定直流电压基准，也可外接高稳电压基准实现0V～10V直流电压的连续输出，保障了直流电压基准输出的连续性与稳定性，其10V输出稳定度指标优于2·10^-6／y（恒温条件下），可广泛用于高水平电压标准器的研制。     

星敏感器低频误差分析

介绍星敏感器的误差分类、低频误差定义、误差产生原因及其测试标定方法等.星敏感器输出姿态周期性误差的主要原因为视场空间误差和热弹性变形误差,典型星敏感器采取相应的解决措施后,低频误差可控制在0.8″以内.     

基于FPGA的星敏感器探测器制冷控制系统

星敏感器探测器用于得到精确的星图数据以解算出高精度的位置、姿态等信息。而星敏感器在轨运行时,需要控制探测器的工作温度,使其工作性能稳定可靠。文章提出了一种基于FPGA的星敏感器探测器制冷控制系统。该系统采用分段式数字PID控制算法生成脉冲宽度调制PWM波驱动半导体制冷器进行高精度制冷,电路结构简单、可靠性高。通过试验验证,该系统具有制冷响应快、超调量小、控温精度高的特点,控温精度可达±0.25℃。     

光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计

为解决由于色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,提出一种光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计方案.该高精度准直光学系统的光谱范围为500~800nm,像质测试结果表明,全视场畸变小于0.08%,MTF在60lp·mm-1处大于0.6.基于DMD光源系统的组成和工作原理,对光谱分辨率和光谱曲线模拟精度进行分析,设计了一套光谱分辨率全谱段优于2nm的Czerny-Turner分光系统.测试结果表明,星点位置精度优于7";光谱分辨率为10nm和20nm时光谱曲线模拟精度分别优于2%和5%,有效降低了由于色温不匹配对星敏感器标定精度的影响.      

新型电子束焊机高压电源的设计与实现

传统的电子束焊机高压电源电路结构复杂、体积庞大,为此研发了一种新型60 kV/100 mA逆变式电子束焊机高压电源,电路结构简单、电压输出稳定。电源调压电路采用脉宽调制(PWM)技术控制的全桥变换器,使三相整流后的约540 V电压转化为0~500 V幅值可调的稳压直流电,然后经全桥逆变电路逆变为频率为20 kHz方波交流电;升压电路采用变压器串联与倍压整流的方式,将前级20 kHz方波交流电转变为60 kV的直流高压;控制电路采用基于比例积分微分(PID)调节的电压双闭环控制策略,能够使电源实现稳定的高压输出。搭建了高压测试平台对所研制的高压电源进行了测试,结果表明电源高压输出稳定、控制精度高,高压输出纹波与稳定度均能稳定在1%范围内,能够满足电子束焊机的要求。     

基于地标信息的星敏感器低频误差标定方法

针对星敏感器及其安装结构热变形等因素引起的星敏感器低频误差(LFE)影响卫星姿态确定精度的问题,提出了根据有效载荷提供的地标信息,采用最小二乘算法标定星敏感器低频误差的方法.考虑到卫星姿态确定系统是为有效载荷服务的,为了使卫星姿态确定系统输出的姿态信息与有效载荷相一致,从而准确反映有效载荷的指向变化情况,星敏感器低频误差的标定以有效载荷提供的地标信息为观测量进行.仿真结果表明,所提方法能够有效减弱星敏感器低频误差对卫星姿态确定精度的影响,从而提高卫星姿态确定精度.     

星敏感器定标精度影响因素分析

介绍了星敏感器定标过程中多种因素对定标精度的影响,其中着重讨论了定标光源与待观测星的光谱非匹配对星敏感器定标精度产生的影响。通过数值模拟计算,定量分析了在0等星时由于不同色温光源与待测目标光谱非匹配所产生的测量误差。分析结果表明,光谱非匹配造成的星敏感器的定标误差最高可以达到0.323个星等。提出一种光谱可调谐光源实施方案,可以模拟任意光谱分布的星体并用于星敏感器定标,试验结果表明定标精度可以提升至0.62%以内。