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)中的重要測量部件，也是當前廣泛應用的光學姿態(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具有更高的性價比，在星敏感器應用中有著很好的前景.隨著微電子技術的發(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、接口簡單等優(yōu)點，是星敏感器的重要發(fā)展方向.目前國內外星敏感器主要研究機構都在積極研究基于APS圖像傳感器的星敏感器[3-4].

APS星敏感器具有長壽命、高精度等特點.隨著APS星敏感器在各軌道衛(wèi)星的廣泛應用，星敏感器在軌雜光干擾及太陽照射問題日益突出.由于軌道條件和安裝位置限制，部分型號星敏感器面臨太陽頻繁長時間照射問題.

在太陽照射星敏感器過程中，太陽能量匯聚導致探測器溫度升高，可能引起探測器溫度過高，存在引起探測器失效的風險.

本文首先對APS星敏感器的在軌太陽照射工況及太陽照射對星敏感器影響進行了分析，而后設計了紫外輻照、擺動掃描太陽及凝視太陽等試驗測試及驗證方案，最后給出了相關試驗過程和試驗結果，明確了分析及試驗結論.

1 APS星敏感器太陽照射要求

APS星敏感器應用于某LEO太陽同步軌道衛(wèi)星，太陽光線與軌道面夾角處于變化過程，星敏感器無法安裝于背陰面，在軌將存在太陽光進入星敏視場范圍，照射星敏APS探測器的問題.

根據(jù)實際在軌工況及總體仿真分析，APS星敏感器在壽命期間，太陽光進入APS星敏視場共有1 290次，每次進入視場的最長時間為360s左右，最短時間為5 s，太陽照射時間共計121 h.

APS星敏感器受太陽照射將存在如下風險:

1)光學系統(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 太陽照射星敏感器影響分析

APS星敏感器光學系統(tǒng)膜系受太陽紫外輻照影響及APS探測器成像特性的影響通過第4節(jié)試驗進行驗證.下面僅分析太陽照射對APS探測器溫度的影響.

APS星敏感器受到太陽照射期間，太陽光能量集中于APS探測器表面局部區(qū)域，長時間照射后會使探測器溫度升高，存在局部溫度可能超出探測器承受最大允許溫度，引起探測器失效的風險，因此需對APS探測器受太陽照射的情況進行分析及試驗驗證.

APS探測器接收能量為

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

太陽視張角為32′，可計算太陽在APS圖像探測器上的光斑大小[7]為

式中:f=43.3mm，為光學系統(tǒng)焦距;θSun為太陽視張角.

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

3 太陽照射試驗方案

太陽照射試驗的目的為通過模擬在軌太陽照射環(huán)境，對APS星敏感器受太陽照射后的風險進行評估，試驗項目有:紫外輻照試驗、擺動掃描太陽試驗、凝視太陽試驗.

試驗過程中關注和測試以下項目和內容:

1)受太陽照射后星敏感器功能測試;

2)受太陽照射后星敏感器探測器溫度測試;

3)對太陽照射后星敏性能測試.

3.1 紫外輻照試驗方案

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

試驗前后及試驗中使用Lambda900分光光度計對樣品的光譜透過率進行測試，光譜范圍400～1 100 nm，測量間隔1 nm.

試驗中最大輻照量對應于太陽照射1 000 h，APS星敏感器全壽命在軌太陽照射為121 h，遠小于最大試驗量級.

3.2 擺動掃描太陽試驗方案

擺動掃描太陽試驗按照0.04(°)/s角速度轉動，模擬衛(wèi)星在軌實際運動，測試星敏感器在一個軌道周期受照射后的功能性能影響.

試驗方案如下:

1)試驗前采用靜態(tài)多星模擬器對星敏感器進行性能測試;

2)測試結束后移除多星模擬器;

3)調整轉臺，使太陽位于星敏感器視場邊緣，測試星敏感器性能及溫度;

4)轉臺以0.04(°)/s角速度轉動，模擬在軌太陽在星敏感器視場移動速度;

5)在星敏感器視場內觀測太陽移動，待太陽從一側邊緣視場移入視場，并最終移出視場，實時采集在此期間星敏感器圖像及APS溫度等數(shù)據(jù);

6)太陽移出視場后安裝多星模擬器對星敏感器性能進行測試，記錄時間及溫度、圖像等數(shù)據(jù);

7)轉臺以0.04(°)/s角速度轉動，試驗次數(shù)共5次，每次太陽掃過APS像面的位置略作調整，其他條件不變.

3.3 凝視太陽試驗方案

凝視太陽試驗模擬APS星敏感器在軌壽命期間，太陽照射累計時間對星敏感器的影響.在軌壽命期間，APS探測器受太陽照射的總時間為121 h，太陽光斑在APS像面的圓斑直徑不超過30像素，APS探測器的分辨率為1 024×1 024.如果將太陽照射在APS探測器上的位置近似考慮為均勻分布，則對于APS探測器的每個像元而言，壽命期間總的照射時間不超過30min.為了充分驗證APS星敏感器，將試驗的照射時間延長為3 h[8].

試驗方案分為擺動掃描太陽試驗和凝視掃描太陽試驗[9-10].試驗方案如下:

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

2)測試結束后移除多星模擬器;

3)調整轉臺，使太陽位于星敏感器視場邊緣，測試星敏感器性能及溫度，并開始計時;

4)太陽照射星敏感器30min后，安裝多星模擬器對星敏感器進行性能測試;

5)測試結束后，轉臺停止轉動，靜置星敏感器，并觀察星敏感器數(shù)據(jù);

6)重復上述試驗，將照射時間從30min增加為3 h，其他條件不變.

4 試驗過程及結果

4.1 太陽照射試驗過程

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)，對星敏感器外部進行了隔熱包覆，包覆材料為多層隔熱材料，包覆部位有遮光罩、敏感器本體結構和安裝支架.

試驗前將星敏感器安裝固定于轉臺，星敏感器與轉臺間采取了絕緣、隔熱處理.連接各設備后開始調試，監(jiān)測試驗現(xiàn)場的太陽照度.每次試驗開始前對星敏感器閉光加電半小時，進行產品預熱.試驗現(xiàn)場如圖1所示.

4.2 擺動掃描太陽試驗結果

試驗開始前星敏感器APS探測器溫度46.1℃，圖像均值82.6，標準差3.16.試驗期間太陽照度約0.8個太陽常數(shù)，星敏感器以0.04(°)/s進行擺動試驗，試驗過程中APS探測器最高溫度49.9℃，試驗結束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進行測試，APS星敏感器約1 min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進入窗口跟蹤模式，此姿態(tài)輸出時間與產品未經太陽照射前相同.圖像均值83.1，標準差3.25.經測試，APS星敏感器其他各項功能正常.

圖1 太陽照射試驗現(xiàn)場圖Fig.1 The scene of direct sun irradiation test

4.3 凝視太陽試驗結果

凝視太陽試驗1:轉臺對日定向，太陽照射星敏感器30min，試驗前星敏感器APS探測器溫度39.4℃，圖像均值73.6，標準差3.00，期間太陽照度平均為0.8個太陽常數(shù)，試驗過程中APS探測器最高溫度47.9℃.試驗結束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進行測試，APS星敏感器約1min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進入窗口跟蹤模式[11]，此姿態(tài)輸出時間與產品未經太陽照射前相同.圖像均值81，標準差3.13.經測試，APS星敏感器其他各項功能正常.

凝視太陽試驗2:太陽照射星敏感器3h，試驗前星敏感器APS探測器溫度48.6℃，圖像均值84.4，標準差3.45，凝視期間太陽照度平均為0.8個太陽常數(shù).試驗過程中 APS探測器最高溫度58.0℃.試驗結束后立即安裝靜態(tài)星模擬器進行測試，APS星敏感器約1 min后正常輸出姿態(tài)四元數(shù)，順利進入窗口跟蹤模式，此姿態(tài)輸出時間與產品未經太陽照射前相同.圖像均值87.8，標準差4.04.經測試，APS星敏感器其他各項功能正常.

4.4 太陽照射試驗結論

各次太陽照射試驗結果如表1所示.

全部試驗結束后，在室溫下對APS星敏感器參試產品進行了功能及性能測試，星敏感器各項功能正常，星敏感器APS探測器溫度32.0℃，圖像均值65.0，標準差2.52，圖像均值、標準差恢復至太陽照射前水平.

表1 太陽照射試驗結果Tab.1 The test results of direct sun irradiation

由上述太陽照射試驗數(shù)據(jù)，可以得出以下結論:

1)擺動掃描結束后，APS星敏感器1min內即可正常輸出姿態(tài)，無明顯的太陽照射恢復時間;太陽照射后，星敏感器圖像均值、標準差略有增加，經分析不影響星敏感器精度等性能.

2)受太陽照射后，星敏感器APS探測器溫度有所升高(見表1)，遠低于探測器允許的85℃最高工作溫度.由于試驗過程中星敏感器本體殼溫高于產品實際在軌控制溫度，同時具有在軌開啟致冷器進一步降低APS探測器溫度的手段，因此APS探測器在軌實際溫度將低于試驗中的最高溫度.

3)圖像均值、標準差增加幅度與APS探測器工作溫度相關.經過共約4 h的太陽照射試驗后，未發(fā)現(xiàn)星敏感器產品及APS探測器存在不可逆損傷，產品功能性能未受太陽照射影響.

通過APS星敏感器的數(shù)據(jù)分析和地面試驗，可知在軌太陽照射對APS星敏感器探測器及整機的功能和性能無影響，滿足在軌使用要求.

4.5 紫外輻照試驗結果

試驗中主要測試點見表2，表中列出了等效1 000 h紫外輻照量的測試數(shù)據(jù).

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

從紫外輻照試驗結果來看，光學系統(tǒng)透過率無明顯變化，在測試儀器的誤差范圍.

另外，即使光學系統(tǒng)透過率在壽命末期下降了10%，其對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 論

本文針對APS星敏感器在軌過程中太陽照射問題進行了研究，分析了太陽照射對星敏感器功能和性能的影響，設計了太陽照射相關的試驗及驗證方案，給出了相關試驗過程和試驗驗證結果，明確了分析及試驗結論.通過分析和試驗結果表明:紫外輻照試驗對光學系統(tǒng)透過率無明顯影響，星敏感器探測靈敏度僅降低約0.1等，在APS星敏感器靈敏度余量范圍內;在軌太陽照射對APS星敏感器探測器及整機的功能和性能無影響.

APS星敏感器滿足LEO太陽同步軌道衛(wèi)星軌道太陽進入星敏視場，照射星敏APS探測器的使用要求.相關分析和試驗數(shù)據(jù)可作為星敏感器后續(xù)改進設計的依據(jù)，具有實際參考價值.

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