APS CMOS星敏感器系统原理及实现方法

　　星敏感器是一种以恒星作为测量参考基准的空间姿态敏感器，是迄今为止航天器上姿态测量精度高的敏感器，具有无漂移、工作寿命长等优点，是航天器赖以生存和性能提升的基础性、关键性器件，在对地遥感、深空探测、空间攻防等航天应用中具有重要的战略意义。星敏感器的发展大致经历了扫描式星敏感器、凝视电荷耦合器件（CCD）星敏感器和有源像素传感器（APS）星敏感器三代。扫描式星敏感器原理简单，识别星数目少，但因其具有转动部件，使系统寿命、可靠性受到影响，体积庞大且精度不高，除在后续的大气层内白天星敏感器上保留相应功能外，在卫星等应用中基本已淘汰；凝视CCD星敏感器是目前星敏感器领域的主流产品，在多颗卫星上广泛使用，但因其功耗、体积、质量都较大，且容易受到空间环境等干扰，在微纳卫星上使用较为困难；以APS互补金属氧化物半导体（CMOS）感光探测器为基础的新一代微型星敏感器是当前星敏感器领域的研究重点方向。《APS CMOS星敏感器系统原理及实现方法》在国家安全重大基础研究计划（973）、国家高技术研究发展计划（863：2012AA121503）、国家自然科学基金（51522505，61377012）等的支持下，开展了APSCMOS星敏感器的新工艺，新机理和新方法研究，并针对微型航天器姿态敏感系统轻小型、高精度的特点，进行了基于APSCMOS技术的微小型星敏感器样机、系统、算法的研制，并按照我国航天规范进行了地面环境实验和在轨应用。课题组研制的微型APSCMOS星敏感器指向精度7“，质量1.lkg，功耗1.3W，捕获时间0.5s，并可以在月光或云层反射光等进入视场时保持正常工作，在精度与国际高性能星敏感器相当的情况下，将捕获时间和低功耗方面提升了近1个量级，显著提高了我国微小卫星的姿态测量水平。在此基础上，课题组又开展了150g纳型星敏感器、50g皮型星敏感器等技术研究，并在我国第1个微机电系统（MEMS）卫星任务中得到了应用，取得了令人振奋的实验效果。《APS CMOS星敏感器系统原理及实现方法》从星敏感器的原理和基本方法人手，以某型号卫星的APSCMOS星敏感器及在轨应用的实验数据为基础，共包括10章，其中第1章主要介绍星敏感器研究意义及发展现状，并对其工作原理和关键技术进行了简要介绍；第二章主要介绍星敏感器的主要技术指标与各参数之间的关系，给出了星敏感器的一般设计原则和基本方法；第3章主要介绍了APSCMOS星敏感器成像系统设计原则，以及信噪比和星点滤波等方法，给出星敏感器的星点提取方法和准则；第4章介绍了APSCMOS星敏感器的光学成像系统的设计、指标间的关系等，重点介绍了星敏感器的光学系统装调方法，并对温度等变化造成星敏感器精度分析等技术指标进行了分析；第5章介绍了星敏感器的标定方法，重点介绍了一种基于光学自准直原理进行参数解耦的标定方法，简单实用，且相比于传统方法精度更高；第6章重点阐述了基于流水线工作模式的星敏感器星图识别方法；第7章主要阐述了星敏感器的星图识别方法，在系统总结与提炼不同星图识别算法之间的本质运算逻辑的同时，提出了一种基于导航星域的快速星图识别方法；第8章主要介绍了一体化星敏感器的测试系统与方法，包括实验室测试与真实星空测试；第9章主要介绍了星敏感器的在轨实验，并着重分析了星敏感器的在轨动态性能提升方法，同时对上述内容和主要技术指标进行了验证；第十章主要扩展介绍纳型星敏感器的发展，研制、测试及在轨应用情况。《APS CMOS星敏感器系统原理及实现方法》不仅系统介绍了APSCMOS星敏感器的研制方法与系统实验，而且还简要概括了目前课题组所进行的纳型星敏感器和皮型星敏感器等系统的研究情况，使得整个研究体系和发展历程更加清晰明确。《APS CMOS星敏感器系统原理及实现方法》的相关内容源于清华大学精密仪器系智能微系统实验室的长期研究实践，希望能够为国内大专院校及科研院所等相关研究提供参考。

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第一章 绪论
1．1 APSCMOS星敏感器的研究意义
1．2 航天器姿态敏感器综述
1．2．1 太阳敏感器
1．2．2 红外地平敏感器
1．2．3 磁强计
1．2．4 星敏感器
1．2．5 惯性敏感器
1．2．6 姿态敏感器比较
1．3 星敏感器工作原理
1．3．1 导航星
1．3．2 星敏感器测量原理
1．3．3 星敏感器的组成
1．4 国内外星敏感器研究发展现状
1．4．1 国外星敏感器发展现状
1．4．2 国内星敏感器发展现状
1．5 微小型APSCMOS星敏感器的关键技术
1．5．1 APSCMOS技术
1．5．2 卷帘曝光成像方法
1．5．3 光学设计方法
1．5．4 星图滤波算法
1．5．5 实时的星图处理方法
1．5．6 导航星域和露矢量联合的星图识别方法
1．5．7 标定、测试与在轨验证
1．6 本章小结
第2章 微小型APSCMOS星敏感器系统原理
2．1 引言
2．2 APSCMOS星敏感器关键技术指标分析与确定
2．2．1 APSCMOS感光探测器的选择
2．2．2 视场和焦距的确定
2．2．3 敏感星等的确定
2．2．4 初始捕获时间和更新率
2．3 微小型APSCMOS星敏感器总体设计
2．3．1 星敏感器的总体构型
2．3．2 质量总体分析
2：3．3 功耗总体分析
2．3．4 总体技术指标和实现框图
2．4 本章小结
第3章 APSCMOS星敏感器成像系统原理与方法
3．1 引言
3．2 目标星在探测器上的成像特征
3．2．1 光斑的形状和大小
3．2．2 恒星的特性分析
3．2．3 恒星的辐射能量分析
3．2．4 星敏感器感光性能分析与预测
3．2．5 分布到像素上的能量
3．3 APSCMOS星敏感器感光探测器噪声分析
3．3．1 APSCMOS感光探测器响应特性
3．3．2 APSCMOS各种噪声分析
3．4 星点有效信号的滤波和提取
3．4．1 直接能量和滤波
3．4．2 能量相关滤波
3．4．3 星点判别和DN确定原则
3．5 APSCMOS星敏感器图像的实验验证
……
第4章 APSCMOS星敏感器光学系统设计与装调
第5章 星敏感器的精度分析与标定技术
第6章 APSCMOS星敏感器的成像控制与星点提取方法
第7章 APSCMOS星敏感器的快速星图识别方法
第8章 星敏感器的地面测试与实验系统
第9章 星敏感器在轨测试
第10章 纳型星敏感器及其在轨测试
展望
参考文献