鐘紅軍，張占良，梁士通，盧 欣，楊 君，李 曉，李玉明

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引 言

星敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的重要測(cè)量部件，也是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的光學(xué)姿態(tài)敏感器[1-2].APS作為一種新型的圖像傳感器，比傳統(tǒng)的CCD具有更高的性?xún)r(jià)比，在星敏感器應(yīng)用中有著很好的前景.隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，基于CMOS工藝的APS圖像傳感器也逐漸成熟，具有低功耗、高耐輻照、高集成度、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是星敏感器的重要發(fā)展方向.目前國(guó)內(nèi)外星敏感器主要研究機(jī)構(gòu)都在積極研究基于APS圖像傳感器的星敏感器[3-4].

APS星敏感器具有長(zhǎng)壽命、高精度等特點(diǎn).隨著APS星敏感器在各軌道衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用，星敏感器在軌雜光干擾及太陽(yáng)照射問(wèn)題日益突出.由于軌道條件和安裝位置限制，部分型號(hào)星敏感器面臨太陽(yáng)頻繁長(zhǎng)時(shí)間照射問(wèn)題.

在太陽(yáng)照射星敏感器過(guò)程中，太陽(yáng)能量匯聚導(dǎo)致探測(cè)器溫度升高，可能引起探測(cè)器溫度過(guò)高，存在引起探測(cè)器失效的風(fēng)險(xiǎn).

本文首先對(duì)APS星敏感器的在軌太陽(yáng)照射工況及太陽(yáng)照射對(duì)星敏感器影響進(jìn)行了分析，而后設(shè)計(jì)了紫外輻照、擺動(dòng)掃描太陽(yáng)及凝視太陽(yáng)等試驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證方案，最后給出了相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果，明確了分析及試驗(yàn)結(jié)論.

1 APS星敏感器太陽(yáng)照射要求

APS星敏感器應(yīng)用于某LEO太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，太陽(yáng)光線與軌道面夾角處于變化過(guò)程，星敏感器無(wú)法安裝于背陰面，在軌將存在太陽(yáng)光進(jìn)入星敏視場(chǎng)范圍，照射星敏APS探測(cè)器的問(wèn)題.

根據(jù)實(shí)際在軌工況及總體仿真分析，APS星敏感器在壽命期間，太陽(yáng)光進(jìn)入APS星敏視場(chǎng)共有1 290次，每次進(jìn)入視場(chǎng)的最長(zhǎng)時(shí)間為360s左右，最短時(shí)間為5 s，太陽(yáng)照射時(shí)間共計(jì)121 h.

APS星敏感器受太陽(yáng)照射將存在如下風(fēng)險(xiǎn):

1)光學(xué)系統(tǒng)膜系的紫外輻照影響;

2)APS器件溫度影響[5];

3)APS器件成像特性[6].

2 太陽(yáng)照射星敏感器影響分析

APS星敏感器光學(xué)系統(tǒng)膜系受太陽(yáng)紫外輻照影響及APS探測(cè)器成像特性的影響通過(guò)第4節(jié)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.下面僅分析太陽(yáng)照射對(duì)APS探測(cè)器溫度的影響.

APS星敏感器受到太陽(yáng)照射期間，太陽(yáng)光能量集中于APS探測(cè)器表面局部區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間照射后會(huì)使探測(cè)器溫度升高，存在局部溫度可能超出探測(cè)器承受最大允許溫度，引起探測(cè)器失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此需對(duì)APS探測(cè)器受太陽(yáng)照射的情況進(jìn)行分析及試驗(yàn)驗(yàn)證.

APS探測(cè)器接收能量為

式中:S為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;為入瞳直徑;，為太陽(yáng)在400～800 nm譜段的能量百分比;，為太陽(yáng)照射能量.

太陽(yáng)視張角為32′，可計(jì)算太陽(yáng)在APS圖像探測(cè)器上的光斑大小[7]為

式中:f=43.3mm，為光學(xué)系統(tǒng)焦距;θSun為太陽(yáng)視張角.

APS探測(cè)器的填充因子約50%，太陽(yáng)光斑照射至探測(cè)器硅片上為探測(cè)器熱效應(yīng)的主要原因.假設(shè)光斑成像于探測(cè)器中心位置，將上述參數(shù)代入熱分析軟件，對(duì)APS探測(cè)器進(jìn)行溫度分析，則APS探測(cè)器在太陽(yáng)照射情況下溫度升高約7℃.

3 太陽(yáng)照射試驗(yàn)方案

太陽(yáng)照射試驗(yàn)的目的為通過(guò)模擬在軌太陽(yáng)照射環(huán)境，對(duì)APS星敏感器受太陽(yáng)照射后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)項(xiàng)目有:紫外輻照試驗(yàn)、擺動(dòng)掃描太陽(yáng)試驗(yàn)、凝視太陽(yáng)試驗(yàn).

試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)注和測(cè)試以下項(xiàng)目和內(nèi)容:

1)受太陽(yáng)照射后星敏感器功能測(cè)試;

2)受太陽(yáng)照射后星敏感器探測(cè)器溫度測(cè)試;

3)對(duì)太陽(yáng)照射后星敏性能測(cè)試.

3.1 紫外輻照試驗(yàn)方案

APS星敏感器進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)材料輻照試驗(yàn)，紫外輻照條件如下:最大輻照量1 000等效太陽(yáng)時(shí)，輻照光譜為200～400 nm.

試驗(yàn)前后及試驗(yàn)中使用Lambda900分光光度計(jì)對(duì)樣品的光譜透過(guò)率進(jìn)行測(cè)試，光譜范圍400～1 100 nm，測(cè)量間隔1 nm.

試驗(yàn)中最大輻照量對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)照射1 000 h，APS星敏感器全壽命在軌太陽(yáng)照射為121 h，遠(yuǎn)小于最大試驗(yàn)量級(jí).

3.2 擺動(dòng)掃描太陽(yáng)試驗(yàn)方案

擺動(dòng)掃描太陽(yáng)試驗(yàn)按照0.04(°)/s角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星在軌實(shí)際運(yùn)動(dòng)，測(cè)試星敏感器在一個(gè)軌道周期受照射后的功能性能影響.

試驗(yàn)方案如下:

1)試驗(yàn)前采用靜態(tài)多星模擬器對(duì)星敏感器進(jìn)行性能測(cè)試;

2)測(cè)試結(jié)束后移除多星模擬器;

3)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)，使太陽(yáng)位于星敏感器視場(chǎng)邊緣，測(cè)試星敏感器性能及溫度;

4)轉(zhuǎn)臺(tái)以0.04(°)/s角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬在軌太陽(yáng)在星敏感器視場(chǎng)移動(dòng)速度;

5)在星敏感器視場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)太陽(yáng)移動(dòng)，待太陽(yáng)從一側(cè)邊緣視場(chǎng)移入視場(chǎng)，并最終移出視場(chǎng)，實(shí)時(shí)采集在此期間星敏感器圖像及APS溫度等數(shù)據(jù);

6)太陽(yáng)移出視場(chǎng)后安裝多星模擬器對(duì)星敏感器性能進(jìn)行測(cè)試，記錄時(shí)間及溫度、圖像等數(shù)據(jù);

7)轉(zhuǎn)臺(tái)以0.04(°)/s角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)次數(shù)共5次，每次太陽(yáng)掃過(guò)APS像面的位置略作調(diào)整，其他條件不變.

3.3 凝視太陽(yáng)試驗(yàn)方案

凝視太陽(yáng)試驗(yàn)?zāi)MAPS星敏感器在軌壽命期間，太陽(yáng)照射累計(jì)時(shí)間對(duì)星敏感器的影響.在軌壽命期間，APS探測(cè)器受太陽(yáng)照射的總時(shí)間為121 h，太陽(yáng)光斑在APS像面的圓斑直徑不超過(guò)30像素，APS探測(cè)器的分辨率為1 024×1 024.如果將太陽(yáng)照射在APS探測(cè)器上的位置近似考慮為均勻分布，則對(duì)于APS探測(cè)器的每個(gè)像元而言，壽命期間總的照射時(shí)間不超過(guò)30min.為了充分驗(yàn)證APS星敏感器，將試驗(yàn)的照射時(shí)間延長(zhǎng)為3 h[8].

試驗(yàn)方案分為擺動(dòng)掃描太陽(yáng)試驗(yàn)和凝視掃描太陽(yáng)試驗(yàn)[9-10].試驗(yàn)方案如下:

1)采用靜態(tài)多星模擬器對(duì)星敏感器進(jìn)行性能測(cè)試并記錄數(shù)據(jù);

2)測(cè)試結(jié)束后移除多星模擬器;

3)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)，使太陽(yáng)位于星敏感器視場(chǎng)邊緣，測(cè)試星敏感器性能及溫度，并開(kāi)始計(jì)時(shí);

4)太陽(yáng)照射星敏感器30min后，安裝多星模擬器對(duì)星敏感器進(jìn)行性能測(cè)試;

5)測(cè)試結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，靜置星敏感器，并觀察星敏感器數(shù)據(jù);

6)重復(fù)上述試驗(yàn)，將照射時(shí)間從30min增加為3 h，其他條件不變.

4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

4.1 太陽(yáng)照射試驗(yàn)過(guò)程

為了盡可能接近APS星敏感器在軌使用狀態(tài)，根據(jù)APS星敏感器在軌的熱控狀態(tài)，對(duì)星敏感器外部進(jìn)行了隔熱包覆，包覆材料為多層隔熱材料，包覆部位有遮光罩、敏感器本體結(jié)構(gòu)和安裝支架.

試驗(yàn)前將星敏感器安裝固定于轉(zhuǎn)臺(tái)，星敏感器與轉(zhuǎn)臺(tái)間采取了絕緣、隔熱處理.連接各設(shè)備后開(kāi)始調(diào)試，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的太陽(yáng)照度.每次試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)星敏感器閉光加電半小時(shí)，進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)熱.試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示.

4.2 擺動(dòng)掃描太陽(yáng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)開(kāi)始前星敏感器APS探測(cè)器溫度46.1℃，圖像均值82.6，標(biāo)準(zhǔn)差3.16.試驗(yàn)期間太陽(yáng)照度約0.8個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，星敏感器以0.04(°)/s進(jìn)行擺動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中APS探測(cè)器最高溫度49.9℃，試驗(yàn)結(jié)束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進(jìn)行測(cè)試，APS星敏感器約1 min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進(jìn)入窗口跟蹤模式，此姿態(tài)輸出時(shí)間與產(chǎn)品未經(jīng)太陽(yáng)照射前相同.圖像均值83.1，標(biāo)準(zhǔn)差3.25.經(jīng)測(cè)試，APS星敏感器其他各項(xiàng)功能正常.

圖1 太陽(yáng)照射試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 The scene of direct sun irradiation test

4.3 凝視太陽(yáng)試驗(yàn)結(jié)果

凝視太陽(yáng)試驗(yàn)1:轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)日定向，太陽(yáng)照射星敏感器30min，試驗(yàn)前星敏感器APS探測(cè)器溫度39.4℃，圖像均值73.6，標(biāo)準(zhǔn)差3.00，期間太陽(yáng)照度平均為0.8個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中APS探測(cè)器最高溫度47.9℃.試驗(yàn)結(jié)束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進(jìn)行測(cè)試，APS星敏感器約1min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進(jìn)入窗口跟蹤模式[11]，此姿態(tài)輸出時(shí)間與產(chǎn)品未經(jīng)太陽(yáng)照射前相同.圖像均值81，標(biāo)準(zhǔn)差3.13.經(jīng)測(cè)試，APS星敏感器其他各項(xiàng)功能正常.

凝視太陽(yáng)試驗(yàn)2:太陽(yáng)照射星敏感器3h，試驗(yàn)前星敏感器APS探測(cè)器溫度48.6℃，圖像均值84.4，標(biāo)準(zhǔn)差3.45，凝視期間太陽(yáng)照度平均為0.8個(gè)太陽(yáng)常數(shù).試驗(yàn)過(guò)程中 APS探測(cè)器最高溫度58.0℃.試驗(yàn)結(jié)束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進(jìn)行測(cè)試，APS星敏感器約1 min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進(jìn)入窗口跟蹤模式，此姿態(tài)輸出時(shí)間與產(chǎn)品未經(jīng)太陽(yáng)照射前相同.圖像均值87.8，標(biāo)準(zhǔn)差4.04.經(jīng)測(cè)試，APS星敏感器其他各項(xiàng)功能正常.

4.4 太陽(yáng)照射試驗(yàn)結(jié)論

各次太陽(yáng)照射試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

全部試驗(yàn)結(jié)束后，在室溫下對(duì)APS星敏感器參試產(chǎn)品進(jìn)行了功能及性能測(cè)試，星敏感器各項(xiàng)功能正常，星敏感器APS探測(cè)器溫度32.0℃，圖像均值65.0，標(biāo)準(zhǔn)差2.52，圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差恢復(fù)至太陽(yáng)照射前水平.

表1 太陽(yáng)照射試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The test results of direct sun irradiation

由上述太陽(yáng)照射試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論:

1)擺動(dòng)掃描結(jié)束后，APS星敏感器1min內(nèi)即可正常輸出姿態(tài)，無(wú)明顯的太陽(yáng)照射恢復(fù)時(shí)間;太陽(yáng)照射后，星敏感器圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差略有增加，經(jīng)分析不影響星敏感器精度等性能.

2)受太陽(yáng)照射后，星敏感器APS探測(cè)器溫度有所升高(見(jiàn)表1)，遠(yuǎn)低于探測(cè)器允許的85℃最高工作溫度.由于試驗(yàn)過(guò)程中星敏感器本體殼溫高于產(chǎn)品實(shí)際在軌控制溫度，同時(shí)具有在軌開(kāi)啟致冷器進(jìn)一步降低APS探測(cè)器溫度的手段，因此APS探測(cè)器在軌實(shí)際溫度將低于試驗(yàn)中的最高溫度.

3)圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差增加幅度與APS探測(cè)器工作溫度相關(guān).經(jīng)過(guò)共約4 h的太陽(yáng)照射試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)星敏感器產(chǎn)品及APS探測(cè)器存在不可逆損傷，產(chǎn)品功能性能未受太陽(yáng)照射影響.

通過(guò)APS星敏感器的數(shù)據(jù)分析和地面試驗(yàn)，可知在軌太陽(yáng)照射對(duì)APS星敏感器探測(cè)器及整機(jī)的功能和性能無(wú)影響，滿(mǎn)足在軌使用要求.

4.5 紫外輻照試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中主要測(cè)試點(diǎn)見(jiàn)表2，表中列出了等效1 000 h紫外輻照量的測(cè)試數(shù)據(jù).

表2 光學(xué)系統(tǒng)紫外輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The test results of ultraviolet radiation on optics

從紫外輻照試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率無(wú)明顯變化，在測(cè)試儀器的誤差范圍.

另外，即使光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率在壽命末期下降了10%，其對(duì)星敏感器靈敏度影響為0.1等，此影響小于APS星敏感器靈敏度余量范圍.

5 結(jié) 論

本文針對(duì)APS星敏感器在軌過(guò)程中太陽(yáng)照射問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了太陽(yáng)照射對(duì)星敏感器功能和性能的影響，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)照射相關(guān)的試驗(yàn)及驗(yàn)證方案，給出了相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，明確了分析及試驗(yàn)結(jié)論.通過(guò)分析和試驗(yàn)結(jié)果表明:紫外輻照試驗(yàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率無(wú)明顯影響，星敏感器探測(cè)靈敏度僅降低約0.1等，在APS星敏感器靈敏度余量范圍內(nèi);在軌太陽(yáng)照射對(duì)APS星敏感器探測(cè)器及整機(jī)的功能和性能無(wú)影響.

APS星敏感器滿(mǎn)足LEO太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星軌道太陽(yáng)進(jìn)入星敏視場(chǎng)，照射星敏APS探測(cè)器的使用要求.相關(guān)分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為星敏感器后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，具有實(shí)際參考價(jià)值.

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