微型线阵式数字太阳敏感器技术研究

Micro sun sensor is an important component in attitude measurement for modern micro-satellite. Based on the demand of low cost, medium accurate micro-satellite, comprehensive and in-depth research on fundamental theories and key technology of linear-array micro sun sensor is carried out in this project. The main research contents are as following: With the help of vision measurement, designing a "V" shaped optical mask for linear-array image sensor to measure two-dimensional incident angle of sun light. Based on optical coating technology, designing a mask capable of reducing earthshine to improve the reliability of sun senor. Investigating the high precision information processing algorithm to calculate the altitude angle from output of image sensor. Establishing an error model for two axies separately, and improving the accuracy by software compensation. Establishing a complete and accurate measurement model, and proposing a calibration method for the parameters in the model through the "unified modeling algorithm of internal-external parameter". Developing a prototype product of this linear-array micro sun sensor with the following key performance specification: weight less than 30 gram, precision better than 0.05(1σ) and can withstand earthshine less than 0.6 sun light intensity. The research of this project can provide a miniaturized, low cost, high reliability sun sensor for low cost, medium accurate micro-satellite.

微型太阳敏感器是现代微小卫星姿态测量的重要部件。本项目以低成本、中等精度微小卫星为应用背景，围绕微型线阵式数字太阳敏感器基础理论和关键技术展开系统深入的研究，主要研究内容有：运用视觉测量思想，设计"V"形透光狭缝的光学掩膜，使基于一维线阵图像传感器能测量太阳光在二维方向的入射角。基于现代光学镀膜技术，设计具有地球反照光和杂光抑制能力的掩膜膜系，提高太阳敏感器工作可靠性。研究高精度信息处理算法，实现姿态角的测算。提出两轴分离的误差模型，通过软件补偿的方式提高姿态测量精度。建立完善准确的测量模型，并基于内外参数统一建模的标定方法对模型中各参数精确标定。研制微型线阵式数字太阳敏感器原理样机，主要技术指标达到：重量小于30g，精度优于0.05 (1σ)，并具有0.6个太阳常数的地球反照光抑制能力。通过本项目研究，为低成本、中等精度微小卫星平台提供小型化、低成本、高可靠的太阳敏感器新产品。

太阳敏感器是现代微小卫星姿态测量的重要部件。本项目以低成本、中等精度微小卫星为应用背景，研制成功一种基于V形光学掩膜和线阵式图像传感器的微型数字太阳敏感器产品。本项目突破的关键技术如下：设计出"V"形透光狭缝的光学掩膜，使基于一维线阵图像传感器能测量太阳光在二维方向的入射角。设计出具有地球反照光和杂光抑制能力的掩膜膜系，提高了太阳敏感器工作可靠性。采用高精度信息处理算法，实现姿态角的测算。提出两轴分离的误差模型，通过软件补偿的方式提高了姿态测量精度。建立了完善准确的测量模型，并基于内外参数统一建模的标定方法对模型中各参数精确标定。本项目突破了微型线阵式太阳敏感器的基础理论和关键技术，完成原理样机研制，产品性能指标达到：重量为28g，视场范围±65°×±60.5°，精度优于0.05 (1σ)，数据更新率15Hz，功耗仅0.2W，动态性能达到20°/s，并具有0.7个太阳常数的地球反照光抑制能力。. 本项目研制的微型线阵式太阳敏感器填补了国内空白，与国外同类产品相比在杂光抑制能力、算法鲁棒性以及动态性能等关键指标上具有显著优势。本项目研究成果为各类微小卫星提供了小型化、低成本、高可靠的姿态测量技术手段，目前已在众多卫星型号上推广应用，包括2018发射的天平A/B星，龙江一/二号，OBT，鸿雁等多颗卫星。产品在轨工作稳定可靠，具有非常广阔的产业化应用前景。. 本项目研究成果发表研究论文8篇，其中SCI论文5篇，EI论文2篇，国际会议论文1篇，申请发明专利2项，其中授权发明专利1项。本项目提出的标定技术作为“高动态星敏感器技术与工程应用”部分内容，获2016年度国家科技进步二等奖（排名第5）。围绕本项目研究内容，培养硕士研究生4名。