星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势

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。

图1ASTRO 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2SED26 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3AST-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%。

（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-1

Germany ASTRO5 1.5 5 5，40 2~10 14.9×14.9 6.0 0.7(10Hz) Jena-Optronik ASTRO10 3.1 <14.5 2，15 8 17.6×13.5 6.0 0.6~1.0 ASTRO15 6.0 <24 1，10 4 13.3×13.3 6.5 0.3~2.0 France SED16/26 3.3 8.5 3，15(3σ,LFE)1~10 17×17 <10 SODERN SED36 3.7 8.4 1，6(3σ,LFE)<8 <10 Denmark DTU ASC[2] 1.2 8 1，8 1 22×16 1.2 USA Ball CT-601 7.8 8~12 3 10 8×8 1.0~6.0 0.3~1.5 HAST[3]0.2(<1(°)/s) 2 8.8×8.8 5.5 0~4 USA HDOS HD1003[4] 3.9 10 2，40 10 8×8 6.5

Lockheed

Martin

AST-301 7.1 18 0.18,5.1(pair) 2 5×5 0.42 Italy Galileo A-STR 3.0 13.5 9，95(3σ, 0.5(°)/s)10 16.4×16.4 1.5~5.5 0.5~2.0 U.K. SSTL Altair-HB 1.8 2.8 15，50 1 15.7×10.5 6.0 0.5 Denmark

Terma

HE-5AS 3.0 7 1，5 <4 22×22 6.2 0.5~2.0 Russia SRI of

RAS

BOKZ-MF 1.8 8 5，12 1 2.0

1.1.2 基于CMOS APS 的星敏感器

有源型CMOS图像传感器，是上世纪90年代美国JPL 研发的一种

CMOS图像传感器。与CCD 星敏感器相比，APS 星敏感器具有明显的不同，

主要表现为：较宽的视场(20°×20°)。大的视场有更多的较亮的导航星，星敏感器

星等阈值可以降低、光学部分的重量减轻、导航星表的容量减少。采用CMOS图

像传感器。CMOS 图像传感器把光敏阵列、驱动和控制电路、模拟信号处理电

路、存储器、A/D 转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，实现单芯片数

字成像系统，并且是单电压电源供电，它具有极低的功耗、数据可重复性读出方

式，减少了系统噪声[5]。APS图像传感器具随机窗口读取能力，这种能力简化了

接口，使系统小型化。单片ASIC(特殊用途集成电路)集成了星敏感器所有功能，

芯片集成了I2C 总线接口、快速的像心提取逻辑、微处理器(8051)、存储器等

等，使星敏感器的体积减小、功耗降低。APS 星敏感器硬件系统得以简化，避

免了电荷转移效率的限制，具有更好的抗辐射能力。由于像元结构集成了多个功

能晶体管的原因，CMOS图像传感器暗电流，固定模式噪声和响应不均匀性较

高，并且较低的填充率直接影响亚像元插分精度。以图4所示AeroAstro

Miniature Star Tracker(MST)为例，使用Fillfactory 的STAR1000 CMOS 图像

传感器，尺寸很小，重300 g，功耗2 W，成本很低，但精度稍差，为70 arcsec(3σ)。

为研制更小型、更低功耗的星敏感器，国际上的主要星敏感器供应商都在积极研

究基于CMOS 图像传感器的星敏感器及其相关技术，并已取得实用化成果。表

2 为各种APS 星敏感器的性能比较。