吳迪，陳紓，陳龍江，葉志龍，鄭循江

（1. 上海市空間智能控制技術(shù)重點實驗室，上海 201109；2. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，火星探測已成為21世紀深空探測的重要內(nèi)容之一。光電敏感器如星敏感器、太陽敏感器是航天器必備測量傳感器。傳感器的質(zhì)量、性能對整個任務(wù)的順利完成至關(guān)重要。

數(shù)字式太陽敏感器可為空間飛行器在給定視場內(nèi)進行太陽有無判斷，也可用來為其它光學(xué)敏感器（如星敏感器、紫外敏感器、紅外地球敏感器等）的視場提供監(jiān)護。此外，它還能用于太陽望遠鏡一類的有效載荷與太陽帆板的精確定向控制，星敏感器與紅外地平儀太陽入射光線的保護控制，產(chǎn)生開關(guān)和時標信號，確定空間飛行器在自旋過程中的相位基準，測定飛行器的自旋轉(zhuǎn)速和角度等姿態(tài)數(shù)據(jù)，確保深空探測任務(wù)的安全。

為了滿足航天器使用要求，需提高衛(wèi)星平臺關(guān)鍵測量單機的性能。我國目前衛(wèi)星研制電子元器件依賴于國外進口的一般等級的軍級產(chǎn)品達不到整個系統(tǒng)的長壽命、高可靠的要求。單片數(shù)字式太陽敏感器采用多芯片系統(tǒng)封裝集成SiP技術(shù)。SiP技術(shù)可以實現(xiàn)對系統(tǒng)已有芯片進行封裝集成，通過疊層的封裝，改變了傳統(tǒng)基于印制板的電路設(shè)計模式，使系統(tǒng)更緊湊、性能更好。通過這種技術(shù)可以設(shè)計出國產(chǎn)的SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器，極大地提高系統(tǒng)的可靠性，減少成本。在航天器上可以比較大規(guī)模地使用SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器，改變現(xiàn)有的航天器姿態(tài)的測量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高機動的性能，從而在空間環(huán)境中具有極好的適應(yīng)性和生存能力。

1 技術(shù)指標

1）視場：64° ± 2°（圓錐形視場）；

2）精度：60″（3σ）；

3）功耗：≤1 W；

4）重量：≤0.15 kg；

5）數(shù)據(jù)更新率：≥30 Hz；

6）供電：4.75～2.25 V

7）數(shù)據(jù)輸出接口：RS422 LVDS

8）設(shè)計壽命：8～15年（MEO/HEO軌道）；

9）工作溫度：–30～60 ℃；

10）在軌存儲溫度：–30～60 ℃。

2 組成與工作原理

2.1 組 成

圖1為SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器的組成示意圖。該產(chǎn)品有外殼體、SoC處理芯片、信號處理板、定制APS探測器[1-5]、溫度傳感器、基準棱鏡、RS422及LVDS接口組成。

圖1 SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器的組成Fig. 1 Components of the SiP digital sun sensor

1）光學(xué)系統(tǒng)

通過小孔成像原理（如圖2），將太陽光線矢量成像在SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器APS探測器光敏面上。

圖2 小孔成像原理Fig. 2 The pinhole imaging principle

2）結(jié)構(gòu)組件

采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，支撐光學(xué)系統(tǒng)及電路板、處理芯片的骨架，結(jié)構(gòu)主要分為殼體以及底蓋部分。

3）電子學(xué)模塊

電子學(xué)模塊主要用來完成圖像采集，信息處理和對外接口電路等功能。

4）軟件模塊

配合電子學(xué)模塊，將探測器通過光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，傳給SoC處理芯片，SoC處理芯片通過其軟件將光斑計算出相應(yīng)的灰度質(zhì)心，并把質(zhì)心坐標通過RS422或者LVDS接口傳出數(shù)字式太陽敏感器，供姿軌控分系統(tǒng)使用。

2.2 工作原理

SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器工作原理，如圖3、圖4所示。太陽光線矢量通過濾光片在探測器上進行成像，成像后通過探測器電路進行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，提供給SoC處理芯片。SoC處理芯片將圖像進行分析，求出光斑的灰度質(zhì)心坐標。光斑灰度質(zhì)心坐標輸出至上級系統(tǒng)。

上級系統(tǒng)可通過RS422對SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器進行曝光時間及曝光閾值的控制?？赏ㄟ^LVDS接口將太陽光斑進行拍攝并下傳。

圖3 Sip單片集成數(shù)字式太陽敏感器原理框圖Fig. 3 Principle chart of Sip digital Sun sensors

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1）視場的確定

基于數(shù)字太陽敏感器的用途，其視場一般有兩種，即矩形視場和圓形視場。驗證樣機的視場為圓形，視場范圍為64° ± 2°（圓錐形視場）。

2）焦距的確定

由于驗證樣機所采用的光電探測器為類似于APS型通用CMOS APS探測器的定制APS探測器，由其性能參數(shù)可知，像元大?。?5 μm × 15 μm，總像素數(shù)：1 024 × 1 024，對應(yīng)的有效芯片尺寸為15.3 mm × 15.3 mm，視場半高為7.65 mm。

為保證整機的視場達到64° ± 2°，并使視場邊緣不會出現(xiàn)漸暈，光線引入器的半視場角為64°。估算焦距近似為f = 1.73 mm，經(jīng)實際光線追跡仿真得到，半高為7.65 mm時，整機光線引入器系統(tǒng)的焦距為1.4 mm，此時整體視場為132°，半視場滿足66°。

3）濾光片

太陽敏感器的工作原理是針對太陽光進行小孔成像，而由于太陽光強度太大，需進行濾光、衰減。

本項目驗證樣機所研制的濾波片，由藍寶石基片、濾光層、阻光層3個疊層結(jié)構(gòu)組成，中心為微型濾光孔，濾光層將高強度的太陽光衰減到滿足定制探測器工作照度閾值要求的強度，微型濾光孔將光闌口徑的光束，同比例、均勻地縮小為探測器成像及質(zhì)心定位算法所需的光斑大小及像素個數(shù)，以提供探測器進行精確光電轉(zhuǎn)換所需的微型均勻光斑，形成的濾光片方案如圖5所示。

濾光片有濾光層和阻光層兩個膜層，要求采用具有良好溫度適應(yīng)性和良好空間抗輻照性能的多層介質(zhì)膜系；工作溫度范圍為–50～+100 ℃，膜層結(jié)構(gòu)形變 ＜5%，透過率變化 ＜ 1%；兩個膜層中金屬膜抗輻照性能指標要求 ＞ 180 Krad（Si）；對兩個膜層的光譜透過率有具體數(shù)值要求，在滿足上述視場、工作溫度及輻照指標要求下：

濾光層的光譜范圍為：400～1 100 nm，中心波長為620 nm，透過率中心值和平均值為（2.5 ± 0.01）‰（千分之二點五，定值），正入射和掠入射（65°入射角）透過率相對差值 ＜ 10% （百分之十），膜層厚度 ≤300 nm。

阻光層的光譜范圍：200～1 400 nm，中心波長為620 nm，透過率中心值和平均值 ≤ 1‰（小于等于千分之一），膜層厚度 ≤ 300 nm。

阻光層有防反射要求：要求綜合反射率小于1%。濾光片實物如下圖6所示。

圖6 濾光片實物Fig. 6 Filters

采用光學(xué)設(shè)計軟件進行光學(xué)分析，以0.85個太陽常數(shù)的400～1 100 nm入射光為目標光束，剩余反射率取4%，追跡光線數(shù)目為40萬條，進行光線追跡模擬。分析的對象包括單孔視場光闌和單孔濾光片，在充分利用空間尺寸情況下設(shè)計出數(shù)太光電探頭的成像系統(tǒng)模型，并對該光學(xué)成像系統(tǒng)進行光學(xué)仿真。

數(shù)字式太陽敏感器的濾光片的光學(xué)仿真效果如圖7所示。

圖7 數(shù)字太陽敏濾光片光學(xué)仿真Fig. 7 Optics simulation of the digital sensor filter

在光強為0.7個太陽常數(shù)、入射角為66.7°的雜散光入射時，其平均消光系數(shù)為0.057 ＜ 0.1，滿是數(shù)字式太陽敏感器中軟件算法的閾值要求，剩余反射率取1%～4%，追跡光線數(shù)目為50萬條，進行光線追跡模擬。

可知該濾光片所設(shè)置的波段、透過率、材料所形成的太陽光斑能滿足光強分布輸入要求，且雜散光保護角可到66.7°（圓錐），滿足視場為64°圓錐視場的要求。

4 電子學(xué)設(shè)計

如圖8所示，SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器設(shè)計了SoC芯片 + 定制APS探測器的架構(gòu)。其中，SoC芯片作為主處理器，完成對APS探測器的驅(qū)動、信息處理、太陽光斑灰度質(zhì)心計算、接口控制。SoC芯片為定制生產(chǎn)的SoC803A芯片。

1）SOC的設(shè)計指標

（1）工作電壓：3.3 V，接口兼容5V（2）工作溫度：（–55～+125）℃

（3）功耗：＜ 0.5 W（40 MHZ），＜ 1 W（100 MHZ），＜ 100 μW（待機）

（4）重量：＜ 10 g

（5）TID：300 Krad（Si）

（6）SEL：120 MeVcm/mg；SEU ＜ 1E-6/d（7）封裝：軍用陶瓷封裝（8）工藝：軍用0.25 μm（9）標準：GJB2438-95、GJB597A-96

圖8 SIP單片集成數(shù)字式太陽敏感器電子學(xué)框圖Fig. 8 Electronic chart of SiP digital sun sensor

2）定制APS探測器

結(jié)合濾光片、精密構(gòu)型陶瓷管座、陶瓷臺階，以高精度、高可靠的精密裝調(diào)技術(shù)，形成如圖9所示的定制APS探測器。

5 樣機研制情況

如圖11所示，完成了SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器的研制。經(jīng)過初步標定測試，拍圖測試分析，各項技術(shù)指標均可達到要求。

圖9 帶濾光片的SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器探測器實物圖Fig. 9 SiP digital sun sensor with filter

圖10 SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器Fig. 10 SiP digital Sun sensor

如圖11所示的采點方式，對整個探測器幅面進行標定采點，計算該產(chǎn)品的焦距及主點。

對濾光片的安裝及膜層進行外場測試，如圖12所示。由圖12可看出整個濾光片膜層均勻可靠，濾光片安裝沒有出現(xiàn)透光縫隙，滿足使用要求。圖12（a）是全幅面的拍攝結(jié)果，可知整個幅面除小孔以外均是黑暗的，滿足設(shè)計要求。圖12（b）是左圖放大的小孔成像光斑。

圖11 SIP單片集成數(shù)字式太陽敏感器標定數(shù)據(jù)圖Fig. 11 Calibration chart of SiP digital Sun sensor

圖12 外場實際太陽拍攝圖像Fig. 12 Sun image

6 結(jié) 論

本文主要設(shè)計了一種SiP單片集成數(shù)字式太陽敏感器，并介紹了該產(chǎn)品的原理、濾光片的設(shè)計及電子學(xué)的設(shè)計方法，完成了原理樣機的研制。對整機進行標定、測試并在外場進行太陽光斑的拍圖測試。實驗表明所提出方法可行，可滿足火星探測、深空探測的使用需求。

參考文獻

[1]GIANCARLO R，MICHELE G. Multi-Aperture CMOS Sun sensor for microsatellite attitude[J]. Determination，sensors，2009（94）：503-4524.

[2]BOOM C M，LEIJTENS J A，Duivenbode L M，Heiden Micro Digital Sun Sensor：System in a Package，MEMS，NANO and Smart Systems[C]//ICMENS 2004. Proceedings. 2004 International Conference. Banff，Alta，Canada: [s.n.]，2004.

[3]XIE N，THEUWISSEN A. A miniaturized Micro-Digital Sun sensor by means of Low-Power Low-Noise CMOS imager[J]. IEEE Sensors Journal，2013，14（1）：96-103.

[4]ELACHI C. The Critical role of communications and navigationtechnologies to the success of space science enterprise missions[C]//Keynote Address Descanso International Symposium.America：[s.n.]：1999.

[5]章仁為. 衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998：185-207