基于CMOSAPS的微型数字式太阳敏感器

ICS SNN111-020202-300/ N54
清华大学学报 (自然科学版 ) J Tsingh ua U niv ( Sci & Tech ) ,
2008年 第 48卷 第 2期 2008, V o l. 48, N o. 2
w 12 http: / /qhx bw. chinajo urnal. net. cn
E-mai l: dlnj@ mail. tsi nghua. ed u. cn
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清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2008, 48( 2)
2 微型太阳敏感器设计
2. 1 CMOS APS图像传感器的选用
CM OS APS图像传感器是数字太阳敏感器的 核心元件 ,生产 CMO S APS图像传感器的厂家比较 多 ,但是能够满足大面阵的同时又具有抗辐射指标 的却很少。 Fi ll Facto ry 公司的 ST AR1000是一款性 能非常优异的 CMO S APS图像传感器 ,在航天应用 上已有成功经验 ,其性能指标 [ 10]见表 2, 外观 [ 10]如 图 1所示。
其 中: K= [T5 ,T4 , … ,T1 , 1 ]T , M= [U5 , U4 ,… , U1 ,
1 ]T。
3 微型数字太阳敏感器系统精度测试
本文研制的微型太阳敏感器外形尺寸 68 m m×
68 m m× 58 mm , 质量小于 300 g , 功耗低于 2. 5 W,
更新率优于 2 Hz。 下面对微型太阳敏感器进行标定 测试。 试验设备包括太阳模拟器、两轴转台、微型太
Key words: micro s pacecraf t; s un sensor; CM O S A PS
随着卫星小型化研究 [ 1- 2]的开展以及航天器姿 态控制精度的日益提高 [3 ] , 传统的模拟式太阳敏感 器在体积、质量和功耗上均无法满足要求 ,因此微型 化、高精度的数字式太阳敏感器逐渐成为国内外科 研机构 的研 究热点。 由于 CM OS( co mpl em enta ry
表 1 CMOS APS在太阳敏感器中的应用
研制单位
T N O T PD[8] Galileo [9]
精度 /(°) 0. 04( 3σ)
< 0. 02
质量 /kg < 0. 5 < 0. 4
功耗 /W 1. 7 <1
收稿日期: 2007-04-24 基金项目: 国家 “九七三” 重点基础研究项目 ( 5131203) 作者简介: 丁天怀 ( 1945— ) , 男 (汉 ) , 江苏 , 教授。
2. 3 微型数字太阳敏感器电路系统设计
基于 ST AR 1000的数字太阳敏感器原理框图 如图 4 所示。 太 阳光通 过小 孔在图 像传 感器 ST AR1000 上 成 像 , FPGA ( fi eld prog ramm able g ate a rray)控制 S T AR1000完成拍照以及图像数据
met al ox ide semiconduct or ) APS ( activ e pix el senso r )图像传感器 在小型化、低功耗 等方面具 有 CCD( cha rg e coupled dev ice)无法比拟的优势 ,先进
的 数字式微型太阳敏感器开始采用 CM OS APS作 为敏感元件 [4 ]。 同时由于 CMO S器件具有优异的抗 辐射性能 ,使得 CMOS APS在空间环境中应用的优 势更为明显。本文介绍的基于 CM OS APS图像传感
阳敏感器以及微型太阳敏感器上位机软硬件环境。
两轴转台可提供水平方向 - 64°～ + 64°的转角 , 给 定精度为 0. 001 4°; 提供俯仰方向 - 30°～ + 30°的转
角 ,给定精度 0. 005°。微型太阳敏感器上安装有配准
棱镜 ,安装时使用棱镜同太阳模拟器对准。由于转台
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d) 误差修正。
采 用五次多项式进行修正 ,由 M AT L AB求解
两组参数 θ= [θ1 ,θ2 ,… ,θ6 ] , ρ= [d1 ,d2 ,… ,d6 ]使得
式 ( 4)中的二范数最小:
N
∑ VT 2 =
(Ti - θK ) ,
i= 1
N
( 4)
∑ VU 2 =
(Ui - ρM) .
i= 1
基于 CMOS APS的微型数字式太阳敏感器
丁天怀 1 , 毕研刚2 , 北京 100084; 2. 清华大学 精密仪器与机械学系 , 北京 100084)
摘 要: 研 制了一 种适用 于微型航 天器的 两轴数 字式太 阳 敏感器 ,其光学系统由 CM O S A PS图像传感器和 M EM S工 艺制作的 孔阵列结构光 线引入器 组成。 敏感器外 形尺寸 68 mm× 68 mm× 58 mm, 质量小于 300g , 功耗低于 2. 5 W , 更 新率优于 2 Hz。该文介绍了 CM O S AP S图像传 感器的优势及 其在太阳敏感器中的应用 ,以及所研制微型太阳敏感器 的系 统硬件、软件设计。对微型太阳敏感器样机进行了标定 ,结果 表明微型太阳敏感器在± 64°视场 以内精度优于 0. 1°, ± 10° 视场以内精度优于 0. 02°。
器的太阳敏感器属于新一代的数字式太阳敏感器 , 技术指标上能够满足小卫星以及其他航 天器的应
用。
1 数字太阳敏感器与图像传感器
20世纪 90年代初 , CCD技术已经比较成熟并 得到了广泛 的应用 , 但是其缺 点也逐 渐显露 [5- 7 ]。 C C D 光敏 单 元 阵 列 难 与 其驱 动 电 路 和 信 号 处 理 电 路集成 ; 难以处理一些模拟和数字电路功能 ; 阵列
表 2 STAR1000性能指标
性能参数
技术指标
阵列规格 像素尺寸
功耗 感光光谱
1 024× 1 024 15μm× 15μm 100～ 350 mW 400～ 1 000 nm
的存储。 DSP( digi tal sig nal processor )完成两轴太 阳角度解算 ,通过 M CU( micro co ntro ller uni t)将角 度数据向总线发送。 M CU具有 DSP的备份功能同 时完成系统的状态监测。使用直流 28V 电源对微型 太阳 敏感 器 供电 , 室 温环 境 下其 实 测功 耗 为 2. 46 W。
关键词: 微型航天器 ; 太阳敏感器 ; CM O S A PS
中图分类号: V 448. 2; T P 212. 1 文章编号: 1000-0054( 2008) 02-0203-04
文献标识码: A
Micro-digital sun sensor with CMOS APS
DING Tianhuai 1 , BI Yangang 2, WANG Peng2
驱动脉冲复杂 ,使用相对较高的工作电压 ; 无法与 深亚微米的 V LSI技术兼容 ,这些缺点一定程度都 限制了 CCD的应用。
CMO S图像传感器的光敏单元包括无源像素 结构 ( P PS)和有 源像素结 构 ( APS)两 大类。 由 于 CMO S AP S的突出性能 ,目前很多研究机构致力于 继续提高 CM OS APS的性能 ,缩小单元尺寸 ,调整 工艺参数 ,以期实现低成本、低功耗、高集成度的单 芯片成像系统。 国内外科研机构相继开展了 CMOS APS 的应用研究 ,表 1列出了一些使用 CMO S APS 作为图像传感器的太阳敏感器。
通过计算与仿真 ,确定光线引入器掩膜层到光 探测面的距离 h= 2 000μm; 小孔尺寸为 60μm× 60 μm; 小 孔 间 距 500 μm; 小 孔 阵 列 6× 6。 采 用 M AT L AB做 光学 系 统 成 像仿 真 , 结 果 如 图 2所 示 [11 ]。孔阵列光阑在 S T A R1000上的实际成像效果 如图 3所示。
( 1. State Key L aboratory of Precis ion Measurement Technology and Instruments, Tsi nghua University, Bei jing 100084, Chi na;
2. Department of Precisi on Instruments and Mechanology, Ts inghua Uni versi ty, Bei jing 100084, Chi na)
图 4 微型数字太阳敏感器原理框图
系统采用一种近年开始在微小卫星上使用的控 制器局域网 ( CAN— Cont ro ller Area Netw o rk)同综 合微电子系统进行通信。 CAN是 BOSCH公司为现 代汽车应用领先推出的一种多主机局域网。 因其性 能卓越 ,现已广泛用于工业自动化、多种控制设备等 领域 ,在我国得到了迅速的发展。 1991年飞利浦半 导体制定并发布了 CAN 技术规范 , 1993年 ISO正 式颁布了控制器局域网国际标准。
Abs tract: A t w o-axis di git al sun s ens or was dev elop ed f or mi cro spacecraf ts. The s ens or is 68 mm× 68 mm× 58 m m, w ei gh t s less th an 300 g, has a pow er consu mpti on of less than 2. 5 W and a t urnover rat e of more th an 2 Hz. Th e s ens or opt ical sys tem includ es a CM O S A PS image sensor and a M EM S based diaphragm w i th a pi nhol e array s t ruct ure. This paper des cribes t he advant ag es of th e CM O S A PS image senso r i n t he s un s ens or and t he hardw are and sof t ware design of th e micro-di gi tal s un sensor based on the CM O S APS image senso r. Th e cali brati on i ndicat ed th at th e angl e es ti mation accu racy i s 0. 1°wi t h a fi eld of view ± 64°and bet t er than 0. 02°wi thi n ± 10°.