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清华大学 

综合论文训练 

题目 : 自旋卫星 N 型数字太阳敏感器 

设计与实验研究 

系 

专 

姓 

别 : 精密仪器与机械学系 

业 : 测控技术与仪器专业 

名 : 卫旻嵩 

指导教师 : 邢飞助理研究员 

2009 年 6 月 10 日

中文摘要 

太阳敏感器是卫星上常用的一种姿态敏感器。本文依据课题的目标参数 , 设 

计了一款自旋卫星 N 型数字太阳敏感器 , 通过单个线阵 CCD 实现了卫星两轴太 

阳角输出 , 具有低功耗、大视场角和高精度的特点。论文的主要工作有 : 

(1) 对太阳敏感器的相关的原理和应用进行了调研 , 应用转换矩阵进行了理 

论公式的推导。进一步 , 通过方案对比 , 选择了 N 字形狭缝线阵 CCD 的方案 , 

并且依据相关的技术参数 , 对 N 字形狭缝进行了参数设计。 

(2) 推导了含有玻璃窗口的面阵或线阵 CCD 与太阳敏感器输出精度的关系 , 

并进一步推导了线阵 CCD 在自旋卫星上使用时精度与玻璃厚度、自旋轴指向、 

自旋速度、像素分辨率、视场角以及更新率的关系 , 据此对太阳敏感器进行了光 

线引入器设计、CCD 选型等整体设计。 

(3) 根据功能需求 , 采用 C8051F021 单片机芯片完成对 CCD 芯片 TCD1305 

进行驱动以及数据采集串口通信 , 设计完成硬件电路的调试。通过软件设计 , 实 

现了 CCD 的时序驱动和信号的数据采集。 

(4) 设计完成原理样机 , 并通过平行光管和转台进行了太阳敏感器的初步标 

定和测试实验 , 采用了一阶质心距算法提高了系统分辨率 , 并通过对实验数据的 

处理和分析初步证明了设计的可行性。 

关键词 : 数字太阳敏感器 ;N 字形狭缝 ; 原理样机 ; 测试实验 

I

ABSTRACT 

The sun sensor is widely used in satellite attitude determination subsystems . In 

accordance with the objectives of parameters given in the topic, a digital sun sensor 

(DSS) with an N-shaped slit used for a spin satellite has been developed . The sun 

sensor can achieve the output of two-axis angle of the satellite with with low-power, 

wide field of view and high accuracy. The main tasks of the thesis are: 

(1)The thesis carries on a research on the principle of the sun sensor and related 

applications and derives formulas using the transformation matrix. Further more, by 

comparing the alternative schemes, the design of N-shaped slit and linear array CCD 

has been choosen, and the parameters of the N-shaped slit has also been calculated 

on the base of the goal parameters. 

(2) In this thesis, the relationship between the planar array or linear array CCD 

with a glass window above and the accuracy of the DSS output has been 

derived .Further more, we achieve the relationship between accuracy of a linear array 

CCD and factors such as the glass thickness,the angle of the spin axis,spin speed,pixel 

resolusion,field of view and update rate. And based on these researches, the work on 

the DSS such as the design of the mask for the sunray to go through and the choice of 

the CCD has been completed. 

(3)According to functional requirements, we use MCU C8051F021 to fulfil the 

target of CCD TCD1305 drive , data collection and serial communication and 

complete the circuit control system. By software control, we realize the timing drive 

of the CCD and signal data acquisition. 

(4) Prototype design and the test experiment on a single-axis precision rotating 

table with a collimating device have been completed in the thesis . To improve the system 

resolution, we use a first-order centroiding algorithm. The experimental results show 

that the digital sun sensor prototype can meet the design specifications. 

Keywords:digital sun sensor; N-shaped slit; prototype; test experiment 

II

目录 

第 1 章引言 ............................................................................................1 

1.1 课题背景 ...........................................................................................1 

1.2 太阳敏感器概述 ................................................................................3 

1.3 太阳敏感器分类 ................................................................................4 

1.3.1 “0-1” 式太阳敏感器 ......................................................................4 

1.3.2 模拟式太阳敏感器 ........................................................................5 

1.3.3 数字式太阳敏感器 ........................................................................5 

1.4 太阳敏感器发展状况 .........................................................................6 

1.4.1 太阳敏感器发展概述 ....................................................................6 

1.4.2 国内外数字太阳敏感器介绍 .........................................................7 

1.5 本课题太阳敏感器特点 .....................................................................9 

1.5.1 课题背景要求 ...............................................................................9 

1.5.2 设计任务 .......................................................................................9 

1.6 本论文的研究内容 ..........................................................................10 

第 2 章理论模型的建立与太阳敏感器总体方案 ....................................11 

2.1 坐标系与转换矩阵 ..........................................................................11 

2.1.1 基本概念 .....................................................................................11 

2.1.2 黄道坐标系 .................................................................................11 

2.1.3 本体坐标系 .................................................................................12 

2.1.4 转换矩阵 .....................................................................................12 

2.2 面阵 CCD 方案 ................................................................................13 

2.2.1 轨迹公式 .....................................................................................13 

2.2.2 分辨能力 .....................................................................................15 

2.2.3 折射影响 .....................................................................................16 

2.3 线阵 CCD 方案 ................................................................................17 

2.3.2 轨迹方程 .....................................................................................18 

2.3.3 分辨能力 .....................................................................................19 

2.3.4 折射影响 .....................................................................................20 

2.4 方案比较与选择 ..............................................................................21 

III

第 3 章 N 字形狭缝分析与参数设计 ....................................................22 

3.1 N 字形狭缝方案 ...............................................................................22 

3.1.1 方案概述 .....................................................................................22 

3.1.2 理论公式 .....................................................................................22 

3.1.3 考虑折射的修正公式 ..................................................................24 

3.2 参数设计 .........................................................................................26 

3.3 太阳敏感器分辨率设计分析 ...........................................................28 

3.3.1 CCD 像素参数选取 ......................................................................28 

3.3.2 参数校验 .....................................................................................29 

3.3.3 折射误差分析 .............................................................................31 

第 4 章硬件电路设计和软件调试 ..........................................................34 

4.1 硬件电路原理方案 ..........................................................................34 

4.2 主要芯片选型 ..................................................................................35 

4.2.1 线阵 CCD 选型 ...........................................................................35 

4.2.2 单片机选型 .................................................................................36 

4.2.3 其他芯片选型 .............................................................................37 

4.3 电路原理图 ......................................................................................38 

4.3.1 单片机电路 .................................................................................38 

4.3.2 CCD 电路 .....................................................................................39 

4.3.3 硬件电路总原理图及 PCB 版 .....................................................39 

4.4 程序设计 .........................................................................................41 

第 5 章原理样机结构设计 .....................................................................43 

5.1 上盖板 .............................................................................................43 

5.2 底板 .................................................................................................44 

5.3 基体 .................................................................................................45 

5.4 玻璃掩膜板 ......................................................................................45 

5.5 整体结构 .........................................................................................46 

第 6 章实验测试与结果分析 ..................................................................47 

6.1 实验说明 .........................................................................................47 

6.1.1 实验台介绍 .................................................................................47 

IV

6.1.2 实验操作流程 .............................................................................47 

6.2 数据处理 .........................................................................................49 

6.2.1 实验数据的 matlab 预处理 ..........................................................49 

6.2.2 数据处理理论分析 ......................................................................51 

6.2.3 数据汇总 .....................................................................................54 

6.3 实验数据分析 ..................................................................................56 

6.3.1 测量精度分析 .............................................................................56 

6.3.2 绕自旋轴 (Y 轴 ) 旋转测量分析 ...............................................58 

6.3.3 绕 X 轴旋转 ( 自旋轴偏转 ) 测量分析 .......................................61 

6.3.4 实验数据分析总结 ......................................................................64 

第 7 章结论与展望 .................................................................................65 

7.1 本课题取得的主要研究成果和完成的工作 .....................................65 

7.2 未来工作展望 ..................................................................................65 

插图索引 ...................................................................................................67 

表格索引 ...................................................................................................70 

参考文献 ...................................................................................................71 

致谢 .........................................................................................................74 

声明 ........................................................................... 错误 ! 未定义书签。 

附录 A 外文资料的书面翻译 ....................................................................76 

附录 B 单片机驱动采集与串口通讯程序 .................................................92 

附录 C 硬件电路原理图 .........................................................................101 

附录 D 上盖板零件图 .............................................................................102 

附录 E 基体零件图 .................................................................................103 

附录 F 底板零件图 .................................................................................104 

V

第 1 章引言 

1.1 课题背景 

“ 自旋稳定微纳探测器集成定姿系统研制 ” 为国家 863 计划项目 “ 卫星监测 

与实验技术集成与验证系统 ”( 编号 :2008AA12A216) 的子课题 , 由清华大学作 

为项目联合申请单位承担 , 其研究内容为研制用于自旋稳定微纳探测器的集成定 

姿系统。此集成定姿系统实现自旋卫星在整个生命和任务周期内的高精度姿态测 

量 , 主要包括以下三个方面 : 

(1) 速率阻尼模式下要求输出角速度测量信息 ; 

(2) 黄北极姿态捕获模式输出全方位姿态和角速度测量信息 ; 

(3) 起旋工作模式和黄北极定向自旋稳定模式输出姿态和角速度测量信息。 

技术指标要求 : 

(1) 总体技术要求 : 

质量 :1.5kg 

功耗 :2W 

(2) 速率阻尼模式 : 

角速度测量精度 :0.1º/s (1σ) 

输出频率 :10Hz 

(3) 黄北极姿态捕获模式 : 

定姿精度 :1º(1σ) 


(4) 起旋工作模式和黄北极定向自旋稳定模式 : 

自旋轴定姿精度 :0.1º(1σ) 


根据卫星监测与实验技术集成与验证系统中自旋稳定微纳探测器姿态测量的 

需求 , 研制基于数字式太阳敏感器 / 三轴磁强计 / 三 MEMS 陀螺组件的集成定姿系 

统 , 满足自旋和非自旋情况下自旋稳定微纳探测器的定姿要求。 

集成定姿系统为自旋稳定卫星提供姿态数据 , 其姿态敏感器件包括数字式太 

阳敏感器、陀螺和磁强计 , 有独立的数据处理模块、供电模块和安装结构。 

1

数字式太阳敏感器工作于日照条件下 , 无论卫星处于自旋状态或者非自旋状 

态 , 只要有光照即可输出太阳敏感器相对于当前太阳光线的姿态信息 ( 两轴 ), 

姿态测量精度中等。数字式太阳敏感器为长期工作器件 , 在各模式下均需开机工 

作。 

微陀螺由于存在长期漂移 , 因此只能工作于较短的时间内 , 可以输出精度很 

高的陀螺三轴姿态和三轴角速率数据 , 必需隔一段时间重新建立基准。微陀螺为 

短期工作器件 , 只工作在大转速以及需要高精度姿态数据的情况下。 

微磁强计可以测量相对于当前位置地磁场的三轴姿态 , 由于地磁场较微弱 , 

且卫星上存在剩磁等干扰源 , 因此只能用于低精度定姿以及提供太阳敏感器不能 

确定的第三轴姿态数据。磁强计为长期工作器件 , 各工作模式均需要开机。 

集成定姿系统 

数据处理模块 

: 多敏感器的控制、 

信号采集、数据输入 

和输出、和整星的数 

据接口、姿态解算等 

电气 

接口 

数字太阳敏感器陀螺磁强计 

: 在卫星处于日照区 

的时候 , 通过敏感太 

阳光线提供当前敏感 

器相对于太阳的姿态 

数据 , 精度中等 

: 提供短时间内的高 

精度三轴姿态以及角 

速率测量数据 , 精度 

最高 

: 提供磁强计相对于 

当前地磁场的三轴姿 

态 , 精度较低 

供电以及电压转换 

固定及安装结构 

图 1.1 集成定姿系统组成 

2

1.2 太阳敏感器概述 

太阳敏感器的基本功能 , 是获取太阳矢量在与太阳敏感器相固联的星体坐标 

系中的方位信息 , 主要用于空间飞行器的姿态测量、姿态确定与姿态控制 [1] 。此 

外 , 它还用于太阳望远镜一类有效载荷与太阳帆板的定向控制、星敏感器与红外 

地平仪的太阳保护控制、产生开关和时标信号、确定自旋卫星的相位基准、测定 

卫星自旋转速等等 [2-9] 。 

太阳敏感器一般分为光学探头与信号处理电路两部分 [10] 。光学探头安装在星 

体外部 , 环境条件比较恶劣。电路盒一般安装在仪器舱中。 

[10-14] 

太阳敏感器的基本工作框图如下图 1.1 所示 : 

输入 

空间 

滤波器 

光谱 

滤波器 

光电 

探测器 

信息处理电路 

( 含软件 ) 

输出 

图 1.2 太阳敏感器基本工作框图 

(1) 空间滤波器 

空间滤波器是限定入射光与光电探测器之间几何关系的部件。只有通过了空 

间滤波器的入射光才能被光电探测器感受。 

每个太阳敏感器都有自己的视场 , 这个视场就是利用空间滤波器来形成的。 

通常使用 “ 狭缝 ” 或者 “ 光阑 ” 这类空间滤波器来形成敏感器的视场 , 它们从几 

何上限定太阳光只能从空间某一特定立体角照射到光电探测器上 , 这就形成了特 

定的视场。 

(2) 光谱滤波器 

光谱滤波器衰减入射的太阳光 , 滤掉不希望辐射敏感元件产生响应的那些频 

带以及那些对光电探测器、光学材料、粘接剂有害的频带 , 从而提高信噪比 , 提 

高敏感器精度与稳定性。最典型的光谱滤波器就是滤光片 , 包括带通滤光片和对 

各频带均衡衰减的中性滤光片。 

(3) 光电探测器 

光电探测器把通过空间滤波器和光谱滤波器的辐射能转变为电信号 , 由信息 

处理电路进行处理。 

3

(4) 信息处理电路 ( 含软件 ) 

信息处理电路的功能是将光电探测器检测出来的信号放大并处理成为便于判 

读、计算、显示、传输与控制的姿态信息。这些信息可以传送到地面 , 也可以作 

为姿态控制系统的输入信息。 

1.3 太阳敏感器分类 

太阳敏感器按照其工作的方式可以分成 “0-1” 式、模拟式和数字式几种。 

1.3.1 “0-1” 式太阳敏感器 

“0-1” 式太阳敏感器又称太阳发现探测器 [15] , 即只要有太阳就能产生输出信 

号 , 可以用来保护仪器 , 使航天器或实验仪器定位。 

它的结构也比较简单 , 敏感器上面开一个狭缝 , 底面贴光电池 , 当卫星搜索 

太阳时 , 一旦太阳进入该探测器视场内 , 则光电池就产生一个阶跃响应 , 说明发 

现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。 

其结构如图 1.2 所示 [16] 。 

入射光线 

入口缝 

狭缝 

光电池 

图 1.3 “0-1” 式太阳敏感器 

一般来说 , 卫星的粗定姿是由 “0-1” 式的太阳敏感器来完成的 , 主要用来捕 

获太阳 , 判断太阳是否出现在视场中。“0-1” 式的太阳敏感器要能够全天球覆盖 , 

且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单 , 但是比较容易受到 

外来光源的干扰。例如 , 此球反射的太阳光信号、太阳帆板反射的太阳光等都容 

易对这种敏感器形成干扰。因此 , 敏感器的滤波器能够滤掉偶尔出现的电脉冲。 

4

1.3.2 模拟式太阳敏感器 

模拟式太阳敏感器的输出量为模拟信号 , 大部分也是由模拟器件组成 , 因此 

功耗较低 [15] 。模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器 , 常使用光电池作为其传感器 

件 , 它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关 , 硅光电池输出电流与太阳光入 

射角成余弦规律变化。 

[16] 

图 1.4 所示为一种单轴太阳敏感器 , 当太阳光线入射角等于 90˚ 时 , 光线正 

好照在两片性能相同的硅光电池的缝上 , 且输出电流差等于零。当太阳光线入射 

角不等于 90˚ 时 , 两元件输出电流之差不等于零 , 电流值与入射角的余弦成正比。 

入射缝 

元件一 

元件二 

图 1.4 单轴模拟式太阳敏感器 

模拟式太阳敏感器视场一般在 20°~30° 左右 , 精度在 1° 左右 , 它判断出现 

太阳信号的阈值以不高于太阳信号的 80% 为门限 , 主要应用于通信卫星。 

1.3.3 数字式太阳敏感器 

数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来 

计算太阳光的角度的敏感器 [17] , 主要有 CCD 和 APS 两种 , 其中 CCD 太阳敏感 

器包括线列 CCD 数字式太阳敏感器和面阵 CCD 式太阳敏感器 , 而 APS 数字式 

太阳敏感器则以面阵为主。目前应用 CCD 的数字式太阳敏感器产品较多。 

数字式的太阳敏感器的视场一般在 ±60° 左右 , 其精度能够达到 ≤0.05°。 

其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在 CCD 探测器上 , 通过计算太阳成像偏离 

CCD 中心的位置来计算太阳光的夹角。其工作波段多采用 0.4μm~1.1μm 的可 

见光波段。 

单缝式数字太阳敏感器的基本形式如下图 1.4a 所示 [18] , 用于太阳角的单角度 

测量。当太阳光线从不同角度入射时 , 在图像传感器阵列上得到一个狭缝的投影 

( 图 1.4b), 即一个亮斑 , 这个亮斑的几何中心坐标 x 

c 

与太阳角 θ 之间的关系是 : 

5

z 

θ 

tan 

x 

h 

c 

θ = (1-1) 

光强 

x c 

o 

h 

成像阵 

x 

x c 

o 

x 

a) 结构示意图 

b) 光强分布图 

图 1.5 单缝式数字太阳敏感器 

虽然数字式太阳敏感器的视场很大 , 但真正用到的只是其中的一小段 , 在实 

际工作中它只对靠近光轴的主要区域重点探测 , 远离光轴的两侧只在较少时候进 

行探测 ; 另外 , 为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰 , 太阳敏感器对 

偶然出现的较强信号也会将其滤除 ; 最后 , 数字式太阳敏感器一般在 CCD 的前 

面要加滤光片 , 用来衰减太阳光强 , 使其不至于工作在饱和状态。 

1.4 太阳敏感器发展状况 

1.4.1 太阳敏感器发展概述 

随着卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星的 

发展 , 太阳敏感器逐渐向着小型化、模块化、标准化、长寿命的方向发展 , 并且 

要求其具有大视场、高精度和高可靠性 , 数字式太阳敏感器是能够满足这些要求 

的首选 , 因此 , 数字式太阳敏感器必将成为太阳敏感器的发展趋势 , 世界各国也 

越来越注重数字式太阳敏感器的发展 [19][20][21] 。由原来的线阵 CCD 发展成面阵 

CCD, 再发展到现在的 APS 面阵的数字式太阳敏感器 , 其精度越来越高 , 体积 

越来越小 , 质量越来越轻 , 寿命也越来越长 [22][23][24] 。 

CCD 器件体积小 , 重量轻 . 有大规模工业生产的支持 , 可靠性易于控制 . 无 

需为太阳敏感器设立专用生产线 [25] 。它易于同光学系统接口 , 满足大、中、小视 

场的要求 ; 又便于同计算机接口 , 实现敏感器的智能化。用它制成太阳敏感器 , 

代表了 20 世纪末期的世界先进水平和主要潮流 [26][27] 。 

6

1.4.2 国内外数字太阳敏感器介绍 

a) b) 

c) d) 

图 1.6 国内外太阳敏感器实例 

[1] 

a) 俄罗斯 

质量 :0.28kg; 

尺寸 :70mm×70mm×50mm; 

视场 :92°×92°; 

测角误差均方根值 :12”; 

功耗 :0.6W。 

[28] 

b) 意大利 

光学头部尺寸 :170mm×94mm×85mm; 

电子学尺寸为 :204mm×152mm×121mm; 

重量 : 光学头部为 0.98kg×2, 电子学质量为 :2.8kg×2; 

精度 : 系统误差 :0.06°, 随机误差 :0.005°; 

功耗 : 光学头部 1.5W/ 轴 , 电子学 3W/ 轴。 

[29] 

c) 日本 

视场 :±64°×±60°; 


7

质量 :0.35kg; 

精度 :0.05°(0°~±32°),0.1°(-64°~-32°,+32°~+64°) 

功耗 :0.5W。 

[30] 

d) 中国 

视场 :±64°×±60°; 


质量 :0.22kg; 

精度 :0.05°(0°~±32°),0.1°(-64°~-32°,+32°~+64°) 

功耗 :0.5W。 

此外 , 目前国内外已经开展了基于 APS CMOS 感光探测器和多孔阵列式光线 

引入器的太阳敏感器研究 , 目前已经发展取得了实质性的进展 , 基本到实用阶段 

[31-35] , 如图 1.7 所示两款实例。意大利的 Galileo Avionica 公司在最近推出了 APS 

太阳敏感器产品 , 称之为 Smart Sun Sensor(S3) [36] 。其精度达到了 0.02°(2σ ), 

但是其仍然采用单孔光线引入器的形式。清华大学采用了 6×6 孔形成的多孔光 

线引入器构成的太阳敏感器于 2008 年在试验三号卫星上搭载成功 , 精度优于 0.02 

°(3σ ), 且很好的解决了由于杂光干扰或小孔堵塞对系统带来的影响 , 提高了系 

统的可靠性 [37] 。 

S3 太阳敏感器 ( 加利略 ) 微型太阳敏感器 ( 清华大学 ) 

图 1.7 APS 太阳敏感器实例 

8

1.5 本课题太阳敏感器特点 

1.5.1 课题背景要求 

日 - 地空间环境探测研究是通信、导航及对地观测领域的迫切需要 , 是提高 

航天器可靠性的必要手段 , 对空间物理、空间天气领域具有重要的科学意义。利 

用微纳卫星 ( 微纳探测器 ) 进行空间多点原位分布式组网探测是日 - 地空间探测 

技术的重要发展趋势。 

其中 , 微纳探测器全周期姿轨控方案组成框图见图 1.6。 

图 1.8 微纳探测器全周期姿轨控制方案 

本课题主要面向用于日 - 地空间环境探测自旋卫星的姿态测量系统 , 研制一 

种能满足自旋卫星姿态测量要求的数字式太阳敏感器。 

1.5.2 设计任务 

根据课题任务的要求 , 设计一款用于自旋卫星的数字太阳敏感器。根据卫星 

监测与实验技术集成与验证系统中的自旋稳定微纳探测器姿态测量的需求 , 在自 

旋角速率小于 30r/min 条件下 , 实现黄北极定向自旋 , 自旋轴 (Y 轴 ) 定姿精度 

0.1º(1σ) , 其余两轴 (X、Z 轴 ) 定姿精度优于 0.5º(1σ)。 

综合太阳敏感器、磁强计和陀螺的自身特点可知 , 太阳敏感器不可能在全周 

期内完成姿态的测量 , 它起作用的时间只有在被太阳光所照射到的时间内 , 整个 

姿态确定系统对于三轴的姿态测量需要三个传感器互相配合 , 互相补充。 

技术参数如下 : 

‣ 尺寸 : 满足总体方案设计要求 

9

‣ 质量 :

第 2 章理论模型的建立与太阳敏感器总体方案 

2.1 坐标系与转换矩阵 

2.1.1 基本概念 

[1][38] 

(1) 天球 

天球是研究天体的位置和运动而引进的一个半径为任意的假想圆球。根据所 

选取的天球中心不同 , 有站心天球、日心天球、地心天球等 , 各个天体同地球上 

的观测者的距离都不相同。 

天体和观察者间的距离与观测者随地球在空间移动的距离相比要大得多 , 人 

的肉眼分辨不出天体的远近 , 所以看上去天体似乎都离我们一样远 , 仿佛散布在 

以观测者为中心的一个圆球的球面上 ( 站心天球 )。实际上我们看到的是天体在 

这个巨大的圆球的球面上的投影位置 , 这个圆球就称为天球。 

观测者所能直接辨别的只是天体的方向。在球面上处理点和弧段的关系 , 比 

在空间处理视线方向间的角度要简便得多 , 在天文学的一些应用中 , 都用天体投影 

在天球上的点和点之间的大圆弧段来表示它们之间的位置关系。天球的半径是任 

意选定的 , 可以当作数学上的无穷大。 

[1] 

(2) 黄北极 

天文学把太阳在天球上的周年视运动轨迹 , 既太阳在天空中穿行的视路径的 

大圆 , 称为 “ 黄道 ”, 也就是地球公转轨道面在天球上的投影。 

黄极是通过观测点 ( 坐标中心 ) 做垂直于黄道面的直线与天球相交的两个点 , 

距天北极较近的点叫做黄北极 , 距天南极较近的点叫做黄南极。 

根据这个定义 , 采用自旋轴对于黄北极的姿态 , 可以使得太阳光总是垂直照 

射卫星的侧面板 , 对姿态的测量提供了方便。 

2.1.2 黄道坐标系 

基本定义如图 2.1 所示 , 黄道平面为 X、Z 轴平面 , 黄北极即为 Y 轴指向 , 

坐标系中心建立在太阳中心处。 

进一步将坐标中心建立在卫星中心处 , 取卫星中心与太阳中心连线为 Z 轴 , 

方向由卫星指向太阳。Y 轴仍然指向黄北极 ,XYZ 构成右手坐标系 , 如图 2.1 中 

XaYaZa 所示 , 则太阳光单位矢量会有固定表示。 

11

Y( 黄北极 ) 

Ya 

Z 

太阳 

Za 

黄道平面 

Xa 

X 

图 2.1 轨道与坐标系示意图 

2.1.3 本体坐标系 

坐标系与卫星固连 , 随着卫星的转动而转动。坐标系中心建立在太阳敏感器 

的遮光板的中心处 ,Y 轴平行于卫星的自旋轴 ,Z 轴平行于卫星中心与太阳中心 

的连线 ,XYZ 组成右手坐标系。 

进一步如果假设初始时刻 , 卫星坐标系各轴与黄道坐标系各对应轴平行 ( 遮 

光板正对入射光 ), 这样在初始时刻 , 卫星坐标系 Z 轴即为太阳光入射轴 , 卫星 

坐标系可以通过黄道坐标系平动得到 ( 卫星坐标系 Z 轴与黄道坐标系 Za 轴重合 )。 

2.1.4 转换矩阵 

如果卫星发生转动和倾斜 , 卫星坐标系相对于其初始时刻就发生了转动。 

从初始时刻开始 , 当卫星在空间发生偏转的时候 , 就是坐标系 XaYaZa( 假设 

其在这个时刻固定 ) 按照 zxy 方式偏转得到的坐标系 X3Y3Z3 的过程 ( 如图 2.2): 

绕 Z 轴先偏转 α 角 , 再绕新的 X 轴偏转 β, 最后绕偏转后的 Y 轴偏转 γ 角。 

可以得到转换矩阵 C ur 

3a 

⎡CC 3 1− SSS 

3 2 1 

CS 

3 1+ SSC 

2 3 1 

−CS 

2 3⎤ 

ur 

C3a 

= 

⎢ 

C2S1 C2C1 S 

⎥ 

⎢ 

− 

2 

⎥ 

⎢⎣SC 3 1+ SCS 

2 3 1 

SS 

2 1−SCC 2 3 1 

CC ⎥ 

2 3 ⎦ 

其中 ,S 表示 sin,C 表示 cos, 角标 123 分别代表 α、β、γ。 

12

Y3 

Ya 

Za 

Z3 

Xa 

X3 

图 2.2 坐标系变换 

2.2 面阵 CCD 方案 

选用面阵 CCD 可以利用两个坐标方向的坐标分量进行计算 , 得到每一时刻的 

太阳方向。首先对面阵 CCD 进行讨论、进行轨迹的相关模拟可以为线阵 CCD 进 

行理论准备。 

2.2.1 轨迹公式 

假设初始状态的 CCD 感光器所在平面为 z = − h,CCD 中心点为 (0,0, − h) 

, 太 

ur 

阳光单位矢量 S = (0,0, −1) 

在新得到的坐标系中可以知道 ,CCD 平面仍然为 z3 

= − h, 有太阳光矢量在新 

uur 

' 

坐标系中为 S 

uur ur ur 

' 

S = C3a 

S 

uur 

⎡CC 3 1− SSS 

3 2 1 

CS 

3 1+ SSC 

2 3 1 

−CS 

2 3⎤⎡ 0 ⎤ 

' 

S = 

⎢ 

C2S1 C2C1 S 

⎥⎢ 

2 

0 

⎥ 

⎢ 

− 

⎥⎢ ⎥ 

⎢⎣SC 3 1+ SCS 

2 3 1 

SS 

2 1−SCC 2 3 1 

CC ⎥⎢ 

2 3 ⎦⎣−1⎥⎦ 

uur 

⎡ cos β sin γ ⎤ 

' 

S = 

⎢ 

sin β 

⎥ 

⎢ 

− 

⎥ 

⎢⎣− 

cos β cosγ 

⎥⎦ 

13

计算其在 CCD 平面 ( z 3 

也即 

=− h) 上的投影轨迹可以得到轨迹方程 : 

从以上方程中可以看出 , 从 CCD 面上获得的数据无法计算自旋轴绕 Z 轴的 

偏转 (α), 而绕 X 轴的偏转 (β) 可由 y 值求出 , 由于卫星自旋产生的偏转 (γ) 

同时影响了 x、y, 自旋角度的变化同时也是时间延伸的表现 , 假设卫星自旋速度为 

ω , 则 γ = ωt 

, 我们可以得到坐标随着时间的变化关系 : 

x = htan( ωt+ 

ϕ) 

h tan β 

y =− 

cos( ωt 

+ ϕ) 

其中 ϕ 为太阳光刚好入射到 CCD 面上时的角度。 

做出 x、y、t 的关系曲线 ( 取 h=2mm, 假设视场角为 ± 45°, 即 ϕ =−45 

o , 

ω t = 0~90 

o , 面阵 CCD 即为 4mm× 4mm 

, 进一步假定转速为 30rpm) 如图 2.3: 

( 给定一个 β) 

x = h tan γ 

h tan β 

y =− 

cosγ 

2 

y =− x + h 2 tan β 

图 2.3 光线投影轨迹 

14

在面阵 CCD 上 , 考虑利用 XY 的坐标进行角度计算 , 如图 2.4: 

图 2.4 面阵方案不同角度下理论轨迹 

可以看出 , 不同的坐标组合对应的角度是唯一的 , 这样利用坐标就可以对偏 

角进行确定。 

2.2.2 分辨能力 

考虑到当转轴发生一个小角度偏移 , 坐标值的变化 , 即是对下述公式 

2 

y = x + h 2 tan β 

两边求导有 : 

2 2 

x + h 

dy = dβ 

2 

cos β 

2 

cos β 

即 dβ = dy 

2 2 

x + h 

从这个关系式可以得出 : 

当 CCD 分辨率固定 ( 即 dy 为定值 ) 后 , 可以检测的最小变化 (dβ) 随着 β 

的增加而减小 , 随着 x 和 h 的增加而减小 ( 也即分辨角度精度提高 )。 

取 h=2mm,dy=10um, 做出 β 与 dβ 的关系曲线 , 如图 2.5 所示。 

15

图 2.5 面阵方案不同角度下的最小分辨角 

如果要使得精度在每时每刻达到 0.1°, 可以通过进一步设计参数达到要求。 

2.2.3 折射影响 

图 2.6 光线折射示意图 

16

当 CCD 上有保护玻璃层的时候 , 光线产生折射 , 在 CCD 上的照射点产生移 

动 , 需要对相关公式进行修正。 

如图 2.6 所示 [37] , 假设真空、玻璃和空气的折射率分别为 n1、n2 和 n3, 于 

是有 : 

sinθ 

n2 

= 

sinθ 

n 

3 1 

sinθ 

n 

= 

sinθ 

n 

3 3 

4 2 

l = h tanθ + h tanθ + h tanθ 

2 3 3 4 4 

也即 

n sinθ 

n sinθ 

l = h tanθ 

+ h tan(arcsin ) + h tan(arcsin ) = x + y 

1 1 

2 3 4 

n2 n3 

2 2 

这样 ,θ 可以由两个坐标 xy 求出。 

在进行偏角计算时候 , 由于折射的影响 , 在利用最先推导的关系式的时候 , 

xy 坐标产生偏移 , 要进行补偿 , 补偿由以下关系决定 :( 带 ’ 的为无折射的测量值 ) 

' 

l 

htanθ 

k = = > 1 

l 

n1sinθ 

n1sinθ 

h2tanθ 

+ h3tan(arcsin ) + h4 

tan(arcsin ) 

n 

n 

2 3 

( + + )tanθ 

k = = = 

n sinθ 

n sinθ 

h tanθ 

+ h tan(arcsin ) + h tan(arcsin ) 

x y 

' ' 

h2 h3 h4 

x y 

1 1 

2 3 4 

n2 n3 

计算公式为 

2 2 

ky = ( kx) + h tanβ 

即 

2 2 

y = x + ( h ) tanβ 

k 

相应的灵敏度公式为 

dβ = 

x 

cos 

2 

β 

+ ( h ) 

k 

2 2 

dy 

与没有考虑折射的情况相比较灵敏度降低。 

2.3 线阵 CCD 方案 

一般的单缝线阵 CCD 方案如图 2.7 所示 

17

图 2.7 单缝线阵 CCD 方案草图 

2.3.2 轨迹方程 

计算偏角 β 的时候要通过时间和 Y 值 , 根据之前在面阵 CCD 的计算 , 即用 

如下公式 : 

h tan β 

y =− 

cos( ωt 

+ ϕ) 

o 

取 h=2mm, 假设视场角为 ± 45°, 即 ϕ =− 45 , ωt = 0 ~ 90 

o , 进一步假定转速 

为 30rpm, 则 t = 0~0.5s, 得到图 2.8 的理论轨迹 , 该图像说明线阵 CCD 需要用 

时间量来补偿测量一个测量维度。 

图 2.8 线阵方案不同角度下理论轨迹 

18

2.3.3 分辨能力 

当在某一时刻偏角发生变化的时候 , 仍然要考虑 Y 的变化是否满足像素分辨 

率的要求。 

h tan β 

y =− 

cosωt 

同理可有 

cosωt 

cos 

dβ =− 

h 

2 

β 

dy 

仍旧取 h=2mm,dy=10um, 做出 β 与 dβ 的关系曲线 ( 时间单位为 :s), 如 

图 2.9 所示。 

图 2.9 线阵方案不同角度下的最小分辨角 

如果考虑一般的稳定状态的时候 , β = 0 ,y 值也就稳定在 0; 一旦产生偏转 , 

β ≠ 0 , 相应的 Y 值不再为零 , 如果在稳定状态的时候 , 考虑 Y 值变化一个最小 

可分辨值 , 计算相应的 β 变化即可校验是否满足精度要求。 

cos( ωt 

+ ϕ) 

tan Δ β =− Δ y 

h 

取 Δ y = 1um 

( 选取 1/10 像素精度 ), 如图 2.10。 

19

图 2.10 线阵方案取 1/10 像素精度时最小分辨角 

由图 2.10 还可以看出 , 当优化算法 , 取得 1/10 像素精度的时候 , 分辨率是远 

远满足技术参数要求的。 

2.3.4 折射影响 

同样考虑到有玻璃的影响 , 在 K 值选取上 , 首先列出一切可能的 K 值 , 如图 

1.11 所示 : 

图 2.11 角度与 K 值曲线 

20

一般可以选取 k=1.3 进行误差计算分析 ( 视场角 45° 时的 k 值 ), 计算误差可 

以得到大概有 23% 的误差 , 但是误差角度绝对值很小 , 基本上满足精度要求。如 

果要求出 k, 利用单缝的线阵 CCD 在技术上存在缺陷 , 需要采取较为复杂的算法 

或者标定的方式。 

2.4 方案比较与选择 

面阵 CCD 优点是噪声低、光电量子转换效率高 , 精度较高 , 选用面阵 CCD 

可以利用两个坐标方向的坐标分量进行计算 , 得到每一时刻的太阳方向 , 但是其 

电路较为复杂 ; 线阵 CCD 驱动和外围采集的电路比较简单 , 应用较为灵活方便 , 

价格便宜 , 但是由于相对于面阵缺少一个坐标维度 , 需要引入时间量辅助计算。 

由于线阵面阵的基本理论公式原理上的一致性 , 在分辨率方面选取适当参数后均 

可以达到要求 , 在应用方面 , 尽量采用线阵 CCD 来进行设计。为了弥补线阵单 

缝方案的计算问题 , 引入一种特殊形状的狭缝 ——N 字形狭缝 , 这样一方面仍然 

采用线阵 CCD, 使得电路设计较为简单和灵活 , 另一方面 , 通过特殊狭缝形成多 

个投影点 , 利用投影点之间相对位置移动 , 补偿了缺少的维度 , 实现了任意时刻 

对于偏转角度的测量。 

21

第 3 章 N 字形狭缝分析与参数设计 

3.1 N 字形狭缝方案 

3.1.1 方案概述 

采用如下图 3.1 所示的 N 字形狭缝 ( 紫色 ) 的线阵 CCD 太阳敏感器 , 可以 

敏感两个方向太阳光偏角 ,CCD( 红色 ) 的方向与自旋轴平行 

Xa 轴 

图 3.1 N 字缝方案简图 

太阳光仍然沿着 Z 轴的负方向入射 , 设狭缝与 CCD 平面的距离为 h,CCD 

中心坐标为 (0,0,-h), 平行于 Ya 轴 , 即与中心狭缝垂直 , 而倾斜狭缝与中心 

狭缝的夹角均为 δ。 

3.1.2 理论公式 

计算太阳光矢量在偏转后的坐标系中的表示 , 如前所述 

uur ur ur 

' 

S = C3a 

S 

uur 

⎡CC 3 1− SSS 

3 2 1 

CS 

3 1+ SSC 

2 3 1 

−CS 

2 3⎤⎡ 0 ⎤ 

' 

S = 

⎢ 

C2S1 C2C1 S 

⎥⎢ 

2 

0 

⎥ 

⎢ 

− 

⎥⎢ ⎥ 

⎢⎣SC 3 1+ SCS 

2 3 1 

SS 

2 1−SCC 2 3 1 

CC ⎥⎢ 

2 3 ⎦⎣−1⎥⎦ 

其中 ,S 表示 sin,C 表示 cos, 角标 123 分别代表 α、β、γ。 

22

uur 

⎡ cos β sin γ ⎤ 

' 

S = 

⎢ 

sin β 

⎥ 

⎢ 

− 

⎥ 

⎢⎣− 

cos β cosγ 

⎥⎦ 

首先计算中心狭缝在 CCD 上的投影的变化 , 考虑中心狭缝为直线 , 可由之 

上两点唯一确定 , 取点 M1( m,0,0), M 

2(0,0,0) 

。 

偏转后太阳光矢量变化 , 但是取得的两点随坐标系一起变化 , 其坐标值没有 

变化 , 由一点和一个方向可以确定一条直线 , 计算该直线与 CCD 所在平面的交 

点即可得到太阳光的投影点 , 得到两个投影点之后 , 中心狭缝在 CCD 所在平面 

的投影也可求出 , 进而求出了中心狭缝在线阵 CCD 上的投影。算式如下 : 

1 

: x − 

l 

m = y = 

z 

CS −S −CC 

与 z3 

1 

2 3 2 2 3 

=− h平面的交点为 

Sh Sh 

a = m+ − −h 

3 2 

( , , ) 

C3 C2C3 

同理 , M 2 

(0,0,0) 在该平面上的投影为 

a 

2 

= Sh 

− Sh 

− 

3 2 

( , , h) 

C3 C2C3 

a1, 

a 

2决定的直线为 

Sh 

3 

Sh 

2 

x− y+ 

C C C 

l : = 

m 0 

3 2 3 

与线阵 CCD 的交点为 

y 

Sh 

2 

1 

=− (4-1) 

CC 

2 3 

其次计算倾斜狭缝 , 同样取 M1( m,0,0), M3(0, mtan δ ,0) , 得到 : 

Sh Sh Sh Sh 

a = ( m+ , − , − h), a = ( , mtan δ − , −h) 

3 2 3 

2 

1 2 

C3 C2C3 C3 C2C3 

a1, 

a 

2决定的直线为 

23

Sh 

3 

Sh 

2 

x− y− mtanδ 

+ 

C 

C C 

l : = 

m − mtanδ 

3 2 3 

与线阵 CCD 的交点为 

y 

Sh 

2 3 

2 

= mtanδ 

− + 

CC 

2 3 

C3 

Sh 

tanδ 

易知在没有偏转的初始时刻 , 太阳光透过狭缝在 CCD 面上的像点为 

y = mtanδ 

可设 : 

Sh 

Sh 

2 3 

Δ y = y2 

− y =− + tanδ 

(4-2) 

CC 

2 3 

C3 

Δ y, 

y1 

的直观含义分别为倾斜狭缝和中心狭缝在 CCD 投影与初始时刻相比移 

动的距离 , 而且从图中和公式可以看出 , Δ y 中包含了 y 

1 

的变化 , 这样可以保证 

每时每刻都在 CCD 上得到三个投影点 , 而且投影点不会重叠。 

利用两个变化量得到 ( 联立解式 (4-1)(4-2)): 

Δy− 

y1 

tan γ = 

h tanδ 

y1 

tanδ 

tan β = 

2 2 2 

( Δy− y ) + h tan δ 

1 

其中 ,γ 是与卫星自旋有关的角度 , β 是需要敏感的偏角。 

3.1.3 考虑折射的修正公式 

图 3.2 角度定义图 

24

有如下定义 : 

μ 为方位角 ; 

ν 为仰角 ; 

y 

1 

为中心狭缝投影在 CCD 阵列上移动的距离 ( 与垂直入射 : μ = ν = 0 的时 

候相比 ); 

Δ y 为边缘倾斜狭缝投影在 CCD 阵列上移动的距离 ( 与垂直入射时候相比 ); 

δ 为中心狭缝与边缘倾斜狭缝之间的夹角。 

根据三角关系 , 可以推出自旋轴偏角 β 与以上角度的关系 : 

tan β = tan μcosν 

而 γ = ν 

所以 : 

tan μ = 

y1 

h 

Δy− 

y1 

tanν 

= 

h tanδ 

利用测出的两个变化量可以求出以上两个角度。而且从公式和图中可以看 

出 , 卫星绕自旋轴的自转只导致了 Δ y 的变化 , y 1 

仅仅与自旋轴的偏转有关 , 但 

是自旋轴的偏转需要由以上两个变量共同决定。 

tan β = 

y tanδ 

1 

2 2 2 

( Δy− y ) + h tan δ 

1 

由于两个角度可求 , 可以利用关系式 

2 2 2 

tan θ = tan ν + tan μ 

(4-3) 

以及测得的两个变化值求出原始的角度 , 根据之前的计算 , 有如下公式 : 

h tan 

k = θ 

1 

n sinθ 

n sinθ 

> 

h tanθ 

+ h tan(arcsin ) + h tan(arcsin ) 

1 1 

2 3 4 

n2 n3 

修正公式为 : 

tan 

ky 

h 

1 

μ = (4-4) 

25

tanν 

k( Δy− 

y ) 

h tanδ 

1 

= (4-5) 

带入 (4-3) 得到关于 θ 的函数关系式 , 求出 θ 后 K 值确定 , 利用下式计算。 

tan β = 

ky tanδ 

1 

1 

2 2 2 2 

( Δy− y ) k + h tan δ 

3.2 参数设计 

图 3.3 N 字缝设计参数图 

° 

取参数 δ = 45 ( 简化计算考虑 ),CCD 型号选择为 TCD1305( 关于 CCD 的 

选型将在下文介绍 ), 其像素为 8um*64um, 长度为 29.184mm, 近似作为 29.2mm; 

° 

° 

按照视场角为 60 考虑 ( 即要求太阳光在一个顶角为 120 圆锥面内时都可以在 

° 

CCD 上成像 , θ 

max 

= 60 ), 取中心缝长为 2l , 则倾斜狭缝长为 2 2l , 计算推导 

如下 : 

易知 , 只考虑 μ 角度的偏转的时候 , 当倾斜狭缝投影在 CCD 感光面上时 , 

中心狭缝产生的投影不会投射到 CCD 感光面之外 , 因此只需要保证倾斜狭缝产 

° 

生的投影在要求视场角 ( θ 

max 

= 60 ) 内都会落在 CCD 感光面上即可。按照对称 

性 , 只需要考虑右边 ( 或左边 ) 的一条即可。而中心狭缝如果投影在 CCD 线阵 

° 

外 , 只能是因为 ν 值过大造成的 , 取其极限值 60 计算 : 

26

° 

tan 60 

l 

≥ (4-6) 

h 

目标要求 ( 只考虑右侧倾斜狭缝 ) 

y =Δ y+ y =Δ y+ l ≤ 

2max 

l CCD 

2 

也就是求出 Δ y 的最大值 , 根据 

2 2 2 

tan θ = tan ν + tan μ 

tan μ = 

y1 

h 

tanν 

Δy− 

y d 

h h 

1 

= = 

于是我们得到一个条件极值问题 : 

2 2 

2 1 

2 

tan θ = y d 

tan 60 3 

2 2 

h 

+ h 

= o 

= 

满足 Δ y = d + y1 

取得最大值。 

求解这个问题 , 得到 : 

6 

y1 

= d = h时 , Δ y max 

= 6h 

2 

于是 : 

l CCD 

29.2 

y2max 

=Δ y+ y = 6h+ l ≤ = (4-7) 

2 2 

联立 (4-6)(4-7) 取等号 , 解得 : 

h= 3.5 mm, l = 6.0mm 

经过验算 , 视场角满足要求。 

缝宽需要考虑不能太小 ( 衍射影响 ), 也不能过大 ( 中心能量中心区过大对 

于分辨率提高没有意义 ), 按照基本经验 , 可以选取大概十个最小像素大小进行 

设计 , 这里设计中心缝宽 d=0.08mm。 

27

设计参数汇总如表 3.1 所示 , 相关参数的定义如图 3.4 所示。 

表 3.1 参数汇总 

参数数值说明 

δ 45° 中心狭缝与倾斜狭缝夹角 

L1 12.0mm 中心狭缝长 

D1 0.08mm 中心狭缝宽 

L2 17.0mm 倾斜狭缝长 

D2 0.06mm 倾斜狭缝宽 ( 垂直于狭缝长度方向 ) 

h 3.5mm 狭缝到 CCD 感光面竖直距离 

图 3.4 狭缝参数示意图 

3.3 太阳敏感器分辨率设计分析 

3.3.1 CCD 像素参数选取 

关于 CCD 像素分辨率 ( 像素大小 ) 的选择主要取决于角度分辨率的要求 , 

考虑要达到 0.1° 的分辨率 , 通过选取初始的像素大小 , 带入分辨率计算公式进 

行验证 , 如果分辨率最差值无法满足要求 , 则进一步选择分辨率高的像素进行验 

算 , 知道满足要求为止。 

按照以上的思路 , 进过设计验算 , 我们选取的 CCD 像素大小为 8um, 经过 

细分计算 ( 软件 ) 可以达到的最小变化量为 0.8um, 也即 Δ ymin = y1min = 0.8μm。 

28

3.3.2 参数校验 

考虑从初始卫星绕 Y 自旋 , γ < 0(Xa 轴向纸面外转 ), 由于 Δ y 至少等于 y 

1 

, 

直接取变化量按照公式 (4-8) 做出曲线 ( 单位 mm), 如图 3.5 所示。 

tan β = 

y 

1 

( Δy− y ) + h 

1 

2 2 

(4-8) 

图 3.5 变化参数与偏角关系示意图 

可以看出根据两个变化参数可以唯一确定偏角 β。进一步分析分辨能力 , 放 

大原图 , 得到图 3.6. 

29

图 3.6 变化参数与偏角关系示意图 ( 局部放大 ) 

变化 0.1° 的偏角 , 需要的最小的 Δ x 的变化都远大于 0.8um, 说明分辨率远 

远满足要求。 

进一步计算分辨率 ( 考虑 β 很小情况 , 当 y1 变化一个最小分辨量时候 β 的变 

化 ): 

对公式 (4-8) 求导 , 并取 cosβ=1, dy 1 

= 0.008mm 

, 于是有 : 

dβ = 

dy 

1 

( Δy− y ) + h 

1 

2 2 

做出曲线如图 3.7 所示。 

图 3.7 分辨率曲线 

30

可以看出 , 在太阳光垂直于 CCD 平面入射时候 ( 横坐标为 0) 分辨率最低 , 

但是最低的精度也达到了 0.013° 左右 , 远远满足要求。 

3.3.3 折射误差分析 

首先计算所有可能取得的 k 值 , 如图 3.8 所示 : 

图 3.8 k 值曲线 

可以看出 , 当太阳光在垂直入射稍微偏一个很小角度是 ,k 值在 1.072 附近 , 

而如果 θ 不断增大 ,k 最大也只是取到 1.135 附近。 

而关于公式中各层高度的数值 , 同样需要 CCD 相关参数的支持 , 查阅 

TCD1305 datasheet 的参数 , 得到高度参数如表 3.1 所示。 

表 3.2 高度数据表 

h 3.5mm 狭缝到 CCD 感光面竖直距离 

h2 1.98mm 狭缝到 CCD 玻璃上表面 

h3 0.7mm CCD 玻璃厚度 (datasheet) 

h4 0.82mm 玻璃下表面到 CCD 感光面 (datasheet) 

我们分别计算 k=1.072 和 k=1.135 两个取值造成的误差 , 实际误差应该是介 

于这两者之间的取值 , 如图 3.9 所示。 

31

图 3.9 玻璃误差分析 

图 3.9 是在实际值 β=0.1° 时若没有考虑玻璃折射造成的测量结果误差 , 蓝色 

曲线和红色曲线中间的紫色线段基本可以说明实际情况中误差的变化。可以看 

到 , 对于 0.1° 的偏角 , 是否考虑玻璃折射造成的最大误差也只是 0.007 度左右 , 

可以忽略不计。下图是扩展多种角度的结果 : 

图 3.10 玻璃误差分析 ( 角度扩展 ) 

32

可以看到 , 当偏角达到 1° 时 , 玻璃的误差影响也只在 0.07°, 因此只要在 

稳定阶段偏角不大的时候可以忽略折射误差影响 , 只有当偏角特别大的时候不能 

忽略 , 这个时候就必须利用插值的方式对 k 值进行求解 , 然后按照修正公式计算 ; 

或者采用实验标定的方式进行补偿。 

33

第 4 章硬件电路设计和软件调试 

4.1 硬件电路原理方案 

硬件电路部分的主要设计功能包括 : 

(1) 驱动 CCD 进行光电转换 ; 

(2) 对光电转换后的信号进行 AD 转换 ; 

(3) 对 AD 后的信息进行初步的处理、储存 ; 

(4) 完成与外界的通信 , 实现太阳敏感器的外部可调控 ; 

针对以上的目标功能 , 需要一个主控芯片实现驱动 CCD( 时序控制 )、信息 

处理储存以及完成与外界的通信控制 , 选取单片机实现上述功能要求 , 为了方便 

系统调试 , 设计 JTAG 接口用于单片机程序的调试。 

设计原理方案框图如图 4.1 所示。 

JTAG 

电 

源 

上位机 

串口通信 

单片机 

驱动 

AD 

CCD 

电压基准 

其他外设 

图 4.1 硬件设计原理方案框图 

34

4.2 主要芯片选型 

4.2.1 线阵 CCD 选型 

对于线阵 CCD 的要求主要有三点 : 一点是要满足像素分辨率的要求 , 这是线 

阵 CCD 选择最为重要的一个原则 , 只有满足像素大小在 10um 下的线阵 CCD 才 

能满足方案设计中关于分辨率参数的要求 ; 另外一点是具有高速的数据传输能 

力 , 因为线阵 CCD 的像素数目一般都在 1000 以上 , 这么多的点通过移位输出 , 

只有速度足够快 , 才能满足整体系统的速度要求 ; 第三是积分时间可调 , 通过调 

整积分时间 , 可以取得不同曝光时间的图像 , 方便不同光强下工作。 

根据上述的要求 , 通过比较选择 , 最终选用东芝公司的 TCD1305 型号线阵 

CCD( 如图 4.2) [39] 。 

图 4.2 TOSHIBA TCD1305 

该 CCD 的主要技术参数和特点如下 : 

(1)3648 像素 , 像素大小 8um*64um; 

(2)5V 供电 , 高灵敏度、低暗电流 ; 

(3) 具有采样保持功能 , 快门功能 ( 积分时间可调 ); 

(4) 输出电压最大 2.7V( 典型值 ); 

(5) 驱动高频电压频率 0.8M~2M。 

35

4.2.2 单片机选型 

单片机在电路中式核心器件 , 其必需的功能包括 : 

(1) 根据 TCD1305 的时序要求提供相应的驱动信号 ( 频率的匹配性 ); 

(2) 高速的 AD 转换模块 ; 

(3) 足够大的存储空间 , 便于数据存储 ; 

(4) 与外界进行通信 , 能够通过串口向上位机收发指令。 

综合考虑以上的基本要求 , 再加上考虑能够与在线的编程调试接口 JTAG 相 

兼容 , 最终选择 C8051F021 型单片机 , 如图 4.3 所示 [40] 。 

图 4.3 C8051F02X 型单片机 

该单片机的特点如下 : 

(1) 采用 CIP-51 内核 , 流水线的指令结构 , 使得在时钟频率为 25MHz 时 , 

其峰值速度可以达到 25MIps。微处理器支持多达 22 个中断向量源。 

(2) 内部集成 64KB 的 Flash 程序存储器 ,4352B 的 RAM 数据存储器。 

36

(3)8 位 ADC(ADC1), 具有 500kb/s 的最大可编程转换速率。 

(4) 具有高精度内部电压基准 , 也可以选用外部电压基准输入。 

(5) 具有多大 32 个数字 I/O 端口。 

(6) 硬件集成两个全双工的 UART 串口、SPI 接口和 SMBus 接口。 

(7) 片内集成了标准 JTAG 编程扫描和调试电路。 

(8) 芯片工作电压 2.7V~3.6V。 

因此 , 无论是驱动、AD 转换、数据存储和串口通信 , 该款单片机都满足功 

能要求。 

4.2.3 其他芯片选型 

不同于 CCD5V 的电压需求 , 单片机的电压需求为 3.3V 左右 , 选用 1117-33 

芯片作为电压转换芯片 , 为单片机供电。 

在与上位机 ( 电脑 ) 的串口通信过程中 , 由于电脑的串行接口是 RS232 标准 , 

而单片机的接口电路为 TTL 信号 , 通信之前首先要解决电平转换问题。针对这一 

情况 , 对于双向的串行数据传输 , 选择 MAX232 芯片来实现电平转换。该芯片内 

部集成了电压倍增电路 , 只需要提供 5V 电压即可完成电平转换。 

在 AD 转换过程中 , 单片机内部只能提供 2.4V 的电压基准 , 针对输入电压可 

以达到 2.7V, 需要外接电压基准。鉴于对精度的需求 , 采用 AD780 提供电压基 

准。该芯片结构如图 4.4 所示 [41] 。 

图 4.4 AD780 电压基准 

37

该电压基准具有极高的精度 ( 最大偏压 1mV), 超低的温漂 ( 最大 3ppmm/ 

℃) 和噪声 (100 nV / Hz ), 可以很好满足电路要求。 

4.3 电路原理图 

4.3.1 单片机电路 

图 4.5 单片机电路原理图 

单片机电路原理图如图 4.5 所示 , 主要是对单片机进行了外围电路的配置 , 

包括 : 晶振、RESET、参考电压。并且参照 datasheet 对于需要应用的管脚 ( 电源、 

JTAG、串口通信、AD 输入信号和 CCD 驱动信号 ) 进行了设置。 

38

4.3.2 CCD 电路 

图 4.6 CCD 电路原理图 

CCD 电路如图 4.6 所示 , 主要是通过 ICG、SH 和 PHIM 连接单片机实现 CCD 

的驱动 ,OS 实现模拟电压的输出 ( 接 AD)。值得注意的是电压匹配的问题。即 

单片机为 3.3V 电压驱动 , 能够输出的驱动信号最高也为 3.3V, 但是 CCD 需要 

5V 的驱动信号 , 通过三个上拉电阻 , 并且将单片机相应的输出信号 I/O 口配置成 

开漏模式 , 即可实现驱动电压电平匹配。 

4.3.3 硬件电路总原理图及 PCB 版 

硬件电路原理图如图 4.7 所示。 

39

图 4.7 电路原理图 

PCB 印刷电路板如图 4.8 所示 , 左侧为正面 , 右侧为反面。 

图 4.8 电路 PCB 图 

40

最终完成的电路板如图 4.9 所示 , 左侧为正面 , 右侧为反面。 

图 4.9 电路板实物图 

4.4 程序设计 

程序的主要功能包括三部分 : 

(1) 为 CCD 提供三路时序驱动信号 ; 

(2) 进行 AD 采样 , 存储采样结果 ; 

(3) 将储存的数据通过串口传给电脑进行分析。 

一帧数据的流程图如图 4.9 所示 , 程序见附录 B。 

41

图 4.10 程序流程图 

42

第 5 章原理样机结构设计 

结构设计主要目的有如下三点 : 

(1) 加工 N 字形狭缝板 ; 

(2) 固定狭缝板与电路板 , 并满足其相对关系参数要求 ; 

(3) 整体密封 , 并预留与外界的相关接口。 

整体结构如图 5.1 所示 , 从上到下依次为上盖板、带有 N 字缝的玻璃掩膜板 

( 半透明、示意 )、基体 ( 砖红色 )、电路板 ( 绿色、示意 )、底板。 

图 5.1 整体结构图 

5.1 上盖板 

上盖板如图 5.2 所示。它主要是与基体一起固定玻璃掩膜板。零件图见附录。 

43

图 5.2 上盖板结构轴侧图 

5.2 底板 

底板如图 5.3 所示。它主要是与基体一起起封装的作用 , 并且在四角预留了 

安装孔 , 可以与固结在其他装置上。零件图见附录。 

图 5.3 底板结构轴侧图 

44

5.3 基体 

基体如图 5.4 所示。它主要是与上盖板和底板一起起到封装以及固定玻璃掩 

膜板和电路板的作用 , 并且在预留 DB9 的安装槽 , 为实现电路与外界通过串口连 

接的通信创造了条件。零件图见附录。 

图 5.4 基体结构轴侧图 

5.4 玻璃掩膜板 

玻璃掩膜板的实物如图 5.5 所示。采用玻璃掩膜板作为太阳敏感器的光线引 

入器 , 是利用其所镀的金属膜只有 100nm 左右的厚度 , 能够最大程度的减少由于 

遮光层厚度对于视场角和光线入射的影响。采取的工艺是在指定大小的玻璃上镀 

一层金属铬 , 然后在其上光刻出一个 N 字形的狭缝 , 这样 , 只有刻蚀掉的 N 字形 

狭缝可以透过光 , 其他部分均被所镀的铬层覆盖 , 阻止光的射入。 

45

图 5.5 掩膜板实物图 

5.5 整体结构 

整体结构设计图样和实物图分别如图 5.6 和图 5.7 所示。 

图 5.6 原理样机设计整体图 ( 半剖 ) 

图 5.7 原理样机实物图 

46

第 6 章实验测试与结果分析 

6.1 实验说明 

6.1.1 实验台介绍 

实验台如图 6.1 所示 , 主要包括原理样机 ( 第一版 )、固定件、转台 ( 转台选 

用北京京卓立汉光仪器有限公司生产的 SC1 步进电机控制转台 )、转台控制器以 

及平行光管组成。原理样机通过实验室电源供电 , 并且通过串口连接到电脑进行 

实验数据传送。转台控制器通过步进电机精确控制转台的转角。 

图 6.1 实验台图片 

6.1.2 实验操作流程 

将原理样机固定在转台上 , 使得狭缝掩膜板处于转台的中心 , 调整平行光管 , 

使入射光垂直于掩膜板平面入射。另外 , 将原理样机通过串口与电脑相连 , 设置 

串口调试助手的波特率等参数 ( 如图 6.2), 等待接受数据。 

47

图 6.2 串口调试助手界面与参数设置 

完成准备工作之后 , 操作流程如图 6.3 所示。 

开始 

启动单片机程序 

保存传送的数据 

旋转一个小角度 

达到预设角度 

F 

T 

结束 

图 6.3 实验操作流程 

48

6.2 数据处理 

按照之前介绍的实验流程 , 分别进行了五次实验 : 

实验 (1): 在初始状态 , 不进行角度旋转 , 进行 10 次测量 , 保存文件 01— 

10; 

实验 (2): 从实验 (1) 出发 , 绕自旋轴 (Y 轴 ) 旋转 , 模拟卫星自转 , 每一 

度测量一次 , 测量 30 次 , 保存文件 11—40, 实验文件 10—40; 

实验 (3): 绕自旋轴旋转 , 每零点一度测量一次 , 测量 11 次 , 保存文件 44 

—54; 

实验 (4): 绕 X 轴旋转 , 模拟自旋轴偏转 , 每零点五度测量一次 , 测量 22 

次 , 保存文件 57—78; 

实验 (5): 绕 X 轴旋转 , 每零点一度测量一次 , 测量六次 , 保存文件 84—89。 

6.2.1 实验数据的 matlab 预处理 

针对实验数据 , 每一帧采样点都保存为一个 txt 文件 , 且为 16 进制 , 首先需 

要将其导入 matlab 并转化为 10 进制 , 该十进制的数字可以代表每一个像素点的 

灰度值 , 我们导入文件 10 和 20, 如图 6.4 所示。 

图 6.4 实验数据导入结果 

49

可以看出 , 有明显的三个亮斑 , 初步符合理论分析的结果 , 进一步将负峰值 

变换为正峰值 , 并且选择灰度值 10 作为为阈值 , 提取三个峰信息 ( 像素点与灰 

度值 ), 程序如下 : 

fid=fopen('Rec10.txt'); % 文件 10 

a=fscanf(fid,'%x'); 

b=226-a; % 默认稳定在 226 

plot(b); 

hold on; 

k=b-10; % 取 10 为阈值 

c=sign(k); 

d=c+1; 

e=sign(d); 

f=e.*b; % 将小于 10 的滤除 , 归零 

plot(f); 

hold on; 

fid=fopen('Rec20.txt'); % 文件 20 


b=226-a; % 默认稳定在 226 

plot(b); 

hold on; 

k=b-10; % 取 10 为阈值 

c=sign(k); 

d=c+1; 

e=sign(d); 


plot(f); 

处理结果如图 6.5 所示。 

50

图 6.5 亮斑提取图示 

可以看出 , 经过一系列预处理之后 , 亮斑信号的灰度和像素值都被很好的提 

取出来 , 为之后的计算打好基础。而且需要进一步说明 , 受到实验设备条件的限 

制 , 该实验数据的获取是在具有较高定位精度的样机成型之前使用实验样机搭 

建 ,CCD 和 N 字缝没有在中心重合 , 相对位置产生偏差 , 所以中心亮斑没有按 

照理论要求处于边缘两个亮斑中心 , 这对于试验角度点多少的获取有一定影响 

( 旋转一定角度后光线偏离 CCD 感光面 ), 但是对于理论公式的验证没有任何影 

响 , 其计算关系式仍然满足之前的理论推导。 

6.2.2 数据处理理论分析 

针对理论公式 , 需要从实验数据中获得的是投影点的移动距离 , 也就是峰值 

电压对应像素值的移动。直接读图可以获取亮斑像素点的读数 , 但是只能达到一 

像素的精度 , 如果采用质心算法 [16][37][42-45] , 则可以大大提高计算精度。 

质心算法是将图 6.5 中每一部分尖峰与坐标轴围成的部分作为一个整体 ( 如 

部分放大之后的图 6.6), 计算其质心位置 , 用质心对应的像素值作为亮斑点的像 

素值 , 这样通过十几点的参与运算 , 可以将亮斑的像素点精度从一个像素提高到 

0.1 个像素。类同于组合物体质心的计算 , 推导公式如下 : 

51

y 

c 

n 

∑ 

2 

yi 

i= 

1 

= 

n 

(6-1) 

2∑ yi 

i= 

1 

x 

c 

1 

= + 

2 

n 

∑ 

i= 

1 

( x × y ) 

n 

i 

∑ 

i= 

1 

y 

i 

i 

(6-2) 

其中 , 

x 

c 

为质心的像素值 , 

y 

c 

为质心的灰度值 , 

x 

i 

为提取出来的亮斑范围内的像素值 , 

y 

i 

为提取出来的亮斑范围内的像素对应的灰度值。 

图 6.6 局部亮斑放大图 

52

经过之前的分析和计算 , 利用 matlab, 以一帧数据的处理为例 , 程序如下 : 

fid=fopen('Rec01.txt'); % 打开文件 01 


b=226-a; % 默认稳定在 226 

k=b-10; % 取 10 为阈值 

c=sign(k); 

d=c+1; 

e=sign(d); 


%plot(f); 

[I,J,V]=find(f); 

I1=I(3:end)-I(2:end-1); 

m=find(I1>15); % 提取亮斑分割点 

P1=I(2:m(1)+1); 

P2=I(m(1)+2:m(2)+1); 

P3=I(m(2)+2:end); % 三部分的像素值 

n1=size(P1,1); 

n2=size(P2,1); 

n3=size(P3,1); % 三部分的像素个数 

Q1=V(2:m(1)+1); 

Q2=V(m(1)+2:m(2)+1); 

Q3=V(m(2)+2:end); % 三部分的像素灰度值 

Sx1=sum(P1.*Q1); 

Sx2=sum(P2.*Q2); 

Sx3=sum(P3.*Q3); %x*y 的和 

Sy1=sum(Q1); 

Sy2=sum(Q2); 

Sy3=sum(Q3); %y 的和 

Sy11=sum(Q1.*Q1); 

Sy22=sum(Q2.*Q2); 

Sy33=sum(Q3.*Q3); %y^2 的和 

% 求质心 

53

% 第一个亮斑点 

Xc1=0.5+Sx1/Sy1; 

Yc1=0.5*Sy11/Sy1; 

Cx1(1)=Xc1; 

% 储存在向量中 

Cy1(1)=Yc1; 

% 第二个亮斑点 

Xc2=0.5+Sx2/Sy2; 

Yc2=0.5*Sy22/Sy2; 

Cx2(1)=Xc2; 

Cy2(1)=Yc2; 

% 第三个亮斑点 

Xc3=0.5+Sx3/Sy3; 

Yc3=0.5*Sy33/Sy3; 

Cx3(1)=Xc3; 

Cy3(1)=Yc3; 

6.2.3 数据汇总 

排除低于阈值电压的实验结果 , 得到最终的实验数据如表 6.1— 表 6.5 所示。 

表 6.1 实验 (1) 数据结果 

项目 Cx1 Cy1 Cx2 Cy2 Cx3 Cy3 实验次数 

1209.157 12.401 2197.173 30.162 2693.503 13.803 1 

1209.139 13.328 2197.245 31.159 2693.465 15.301 2 

1209.132 13.251 2197.213 30.998 2693.465 15.143 3 

1209.354 12.833 2197.13 30.539 2693.419 14.445 4 

数值 

1209.121 12.574 2197.121 30.288 2693.441 14.14 5 

1209.34 12.739 2197.113 30.675 2693.413 14.355 6 

1209.131 13.198 2197.101 30.538 2693.445 14.419 7 

1209.303 12.282 2197.095 29.866 2693.428 13.907 8 

1209.131 12.896 2197.095 30.333 2693.444 14.246 9 

1209.11 12.748 2197.1 30.468 2693.421 14.222 10 

54

表 6.2 实验 (2) 数据结果 


1209.192 12.825 2197.139 30.5026 2693.444 14.3981 1 

1219.342 14.751 2197.12 31.302 2703.911 15.784 2 

1230.073 14.574 2196.826 31.998 2714.453 15.726 3 

1240.095 13.721 2196.593 31.475 2724.624 14.878 4 

1250.703 12.867 2196.394 30.105 2735.219 13.863 5 

1261.063 11.688 2196.096 28.806 2745.5 11.945 6 

1271.315 11.01 2195.799 27.905 2755.937 11.722 7 

1281.964 10.677 2195.582 27.456 2766.552 12.096 8 

1292.769 11.094 2195.286 27.851 2777.177 11.656 9 

数值 1303.514 10.527 2195.012 27.153 2787.946 10.875 10 

1313.765 10.272 2194.796 26.444 2798.617 10.635 11 

1325.416 7.7952 2194.467 25.372 2809.516 9.1947 12 

1335.978 9.6413 2194.504 26.188 2820.315 10.757 13 

1346.78 9.3971 2194.206 25.459 2831.142 10.096 14 

1357.494 8.3035 2193.991 24.257 2842.023 9.0632 15 

1368.606 9.2317 2193.661 24.127 2853.539 8.6382 16 

1380.017 7.6949 2193.352 23.141 2864.929 8.5075 17 

1390.806 7.7066 2193.123 22.863 2876.114 8.2087 18 

1402.873 7.678 2192.902 22.599 2887.996 8.0669 19 

表 6.3 实验 (3) 数据结果 


1221.392 13.335 2196.732 31.559 2705.812 15.652 1 

1222.028 12.837 2196.682 31.024 2706.328 15.081 2 

1223.1 12.862 2196.666 31.004 2707.586 15.202 3 

1224.074 12.429 2196.634 30.979 2708.562 14.58 4 

1225.31 13.027 2196.546 31.537 2709.621 15.931 5 

数值 1226.415 12.207 2196.613 31.061 2710.662 14.805 6 

1227.235 12.401 2196.471 30.706 2711.803 14.963 7 

1228.255 11.515 2196.552 30.162 2712.849 14.541 8 

1229.553 12.543 2196.432 31.059 2713.815 15.287 9 

1230.32 12.742 2196.386 30.535 2714.832 15.085 10 

1231.344 12.054 2196.476 30.344 2715.64 14.903 11 

55

表 6.4 实验 (4) 数据结果 


1200.123 17.422 2195.312 33.386 2685.063 6.0625 1 

1205.21 18.132 2200.522 33.225 2690.483 5.9138 2 

1210.567 17.526 2205.953 32.664 2695.856 5.7 3 

1215.792 18.427 2211.244 32.988 2701.446 5.6964 4 

1221.059 18.637 2216.44 32.828 2706.926 5.9255 5 

数值 1226.251 17.464 2221.666 32.449 2711.519 5.463 6 

1231.684 17.264 2227.145 31.957 2716.922 5.7 7 

1236.919 17.435 2232.405 32.119 2721.803 5.5909 8 

1242.126 17.208 2237.597 32.365 2727.25 5 9 

1247.516 16.801 2243.053 31.945 2732.529 5.6765 10 

1252.418 17.39 2248.427 30.789 2738 5 11 

表 6.5 实验 (5) 数据结果 


1198.138 20.993 2196.412 37.184 2683.506 13.472 1 

1199.091 21.042 2197.251 36.999 2684.253 13.87 2 

数值 

1200.144 21.48 2198.35 37.077 2685.469 13.94 3 

1201.171 21.505 2199.376 37.148 2686.482 14.217 4 

1202.172 22.158 2200.418 37.895 2687.5 14.631 5 

1203.15 22.103 2201.464 37.65 2688.41 14.416 6 

6.3 实验数据分析 

6.3.1 测量精度分析 

根据实验数据选取中央亮斑的质心坐标进行测量精度的分析 , 因为在目前情 

况下 , 中心亮斑处于整个转台的中心位置 , 在十次测量中 , 由于各次测量之间都 

间隔一段时间用于串口调试助手的数据存储 , 中心亮斑的稳定性使其能够最大程 

度保证受到外界干扰最少 , 能够最为接近要求的 “ 同一位置角度 ” 的重复测量。 

计算平均值和标准差 , 结果如表 6.6 所示 , 做出散点图 , 如图 6.7 所示 , 图中 

横坐标表示像素值 , 纵坐标表示灰度 , 中心红色数据点为平均值坐标。 

计算时需要的数据是像素坐标的移动 , 只需要考虑 Cx 的取值即可。从表中 

可见 ,1σ =0.05, 反推出对应的角度为 0.005° 左右 , 远远满足设计的精度 (0.1 

°) 要求 , 系统在重复性上能够满足要求。 

56

同样也可以计算出另外两个亮斑的均值与标准差 , 如表 6.7 所示 , 同样 , 他 

们也都很好地满足了精度的要求。 

表 6.6 中心亮斑分析结果 

项目 Cx2 Cy2 

数值 

2197.173 30.162 

2197.245 31.159 

2197.213 30.998 

2197.13 30.539 

2197.121 30.288 

2197.113 30.675 

2197.101 30.538 

2197.095 29.866 

2197.095 30.333 

2197.1 30.468 

均值 2197.139 30.5026 

标准差 0.053585 0.380915 

图 6.7 中心亮斑重复测量数据图 

表 6.7 精度分析结果 

项目 Cx1 Cy1 Cx2 Cy2 Cx3 Cy3 

均值 1209.192 12.825 2197.139 30.5026 2693.444 14.3981 

标准差 0.098434 0.354286 0.053585 0.380915 0.027288 0.481973 

57

6.3.2 绕自旋轴 (Y 轴 ) 旋转测量分析 

(1) 实验 (2) 数据分析 

根据偏转角度和亮斑质心像素值的对应关系 , 做出曲线如图 6.8 所示。横坐 

标为角度 ( 单位 : 度 ), 纵坐标为像素值。 

图 6.8 实验 (2) 角度 - 像素值图 

从图中可以看出 , 中心亮斑基本上不随转动而变化 , 两侧的亮斑向同侧移动 , 

斜率基本一致 , 说明移动距离基本一致 , 直观验证了之前的理论分析。 

进一步进行验证理论公式 , 依据以下的公式 : 

Δ 

arctan y − y 1 

ν = 

h 

比较计算测量值反推的偏角与真实偏角 , 如图 6.9 所示。 

58

图 6.9 实验 (2) 测算与理论比较图 

可见 , 测算值和实际值基本上很好地吻合 , 进一步分析 , 按照每转一度进行 

实际值和测算值的误差分析 , 如图 6.10 所示。 

图 6.10 实验 (2) 转角误差 ( 单位 : 度 ) 

对于 1° 的偏转来说 , 实际和测算的最大误差在 0.06° 之内 , 可以接受。 

59

(2) 实验 (3) 数据分析 

对于实验 (3), 同实验 (2) 相仿 , 变化规律相同 , 只需要对测算和实际值进 

行分析。值得注意的是 , 在实验 (3) 中 , 第一次和第二次测量之间的误差明显 

大于之后各次间的误差 , 将第一次测量值剔除后重新采用十组数据进行分析 , 得 

到的测算实际曲线和单次转角测量误差分别如图 6.11 和图 6.12 所示。从图中可 

见 , 对于 0.1° 的偏转 , 系统的测量结果也可以很好满足要求。 


图 6.12 实验 (3) 转角误差 ( 单位 : 度 ) 

60

6.3.3 绕 X 轴旋转 ( 自旋轴偏转 ) 测量分析 

(1) 实验 (4) 数据分析 

根据偏转角度和亮斑质心像素值的对应关系 , 做出曲线如图 6.13 所示。横坐 

标为角度 , 纵坐标为像素值。 

图 6.13 实验 (4) 角度 - 像素值图 

从图中可以看出 , 三个亮斑基本上变化一致 , 说明移动距离基本一致 , 直观 

验证了之前的理论分析。 

进一步进行验证理论公式 , 依据以下的公式 : 

μ = arctan y h1 

比较计算测量值反推的偏角与真实偏角 , 如图 6.14 所示。 

61


可见 , 测算值和实际值基本上很好地吻合 , 进一步分析 , 按照每转 0.5° 进行 

实际值和测算值的误差分析 , 如图 6.10 所示。 

图 6.15 实验 (4) 转角误差 ( 单位 : 度 ) 

对于 0.5° 的偏转来说 , 实际和测算的最大误差在 0.02° 之内 , 可以接受。 

62

(2) 实验 (5) 数据分析 

对于实验 (5), 也是将第一次测量值剔除后重新进行分析 , 得到的测算实际 

曲线和单次转角测量误差分别如图 6.16 和图 6.17 所示。由于得到的数据点过少 , 

只是进行一些直观上检查效果 , 初步可以认为 , 对于 0.1° 的偏转 , 系统的测量 

结果也可以很好满足要求。 


图 6.17 实验 (5) 转角误差 ( 单位 : 度 ) 

63

6.3.4 实验数据分析总结 

通过以上实验的结果分析可以看出 , 在现有条件下 , 原理样机可以较好地满 

足设计任务关于精度的要求 , 而且对于分辨率和角度的测算结果均与实际值存在 

很好的拟合关系 , 实验结果较为令人满意。 

64

第 7 章结论与展望 

7.1 本课题取得的主要研究成果和完成的工作 

本课题通过对太阳敏感器原理和应用的研究 , 完成了一款应用于自旋卫星的 

N 字缝数字太阳敏感器的设计和原理样机的制作 , 经过相关的实验 , 证明了设计 

和样机可以满足目标任务的需求。 

本课题完成的具体工作如下 : 

(1) 对太阳敏感器的相关的原理、设计和应用进行了调研 , 根据背景课题的 

要求规划了目标传感器的技术参数 , 选择了数字太阳敏感器的研究方向。 

(2) 通过比较研究 , 选择了 N 字形狭缝加线阵 CCD 的原理方案 , 并且依据 

相关的技术参数 , 对 N 字形狭缝进行了参数设计。利用姿态矩阵 , 对该种太阳敏 

感器的太阳关线计算公式进行了推导 , 推导了含有玻璃窗口的面阵或线阵 CCD 

与太阳敏感器输出精度的关系 , 并进一步推导了线阵 CCD 在自旋卫星上使用时 

精度与玻璃厚度、自旋轴指向、自旋速度、像素分辨率、视场角以及更新率的关 

系 , 据此对太阳敏感器进行了光线引入器设计 ,CCD 选型等太阳敏感器整体设计。 

(3) 根据功能需求 , 对 CCD 和单片机等芯片进行了比较和选型 , 并设计了 

硬件电路并完成了电路调试。通过软件设计 , 实现了 CCD 的时序驱动和信号的 

数据采集。 

(4) 设计完成了原理样机的结构设计 , 完成了原理样机的组装与初步调试。 

(5) 通过平行光管和转台进行了太阳敏感器的初步标定和测试实验 , 采用了 

一阶质心距算法提高了系统分辨率。转台调试实验中通过转台模拟角度偏转 , 利 

用串口将采集的数据传送至计算机。采用质心算法 , 对实验数据进行了处理和分 

析 , 包括原理公式的验证和对精度、误差、数据的分析拟合 , 初步证明了设计的 

可行以及目标的实现。 

7.2 未来工作展望 

本课题基于目标任务要求 , 进行了 N 字缝数字太阳敏感器的研究和设计并完 

成了原理样机的搭建。在此基础上 , 下一阶段的工作主要是对原理样机进行进一 

步的测试和标定 , 以及对软件进行优化。具体说来 , 包括以下两点 : 

65

(1) 对质心算法进行优化研究 , 加入单片机对数据的处理程序 , 使其能够在 

本地进行偏转角度的计算 , 减少与外界的数据传送量 , 提高更新率 ; 

(2) 对原理样机进行精确实验测试并对其进行标定。 

66

插图索引 

图 1.1 集成定姿系统组成 .......................................................................2 

图 1.2 太阳敏感器基本工作框图 ............................................................3 

图 1.3 “0-1” 式太阳敏感器 ....................................................................4 

图 1.4 单轴模拟式太阳敏感器 ................................................................5 

图 1.5 单缝式数字太阳敏感器 ................................................................6 

图 1.6 国内外太阳敏感器实例 ................................................................7 

图 1.7 APS 太阳敏感器实例 ....................................................................8 

图 1.8 微纳探测器全周期姿轨控制方案 .................................................9 

图 2.1 轨道与坐标系示意图 ..................................................................12 

图 2.2 坐标系变换 .................................................................................13 

图 2.3 光线投影轨迹 .............................................................................14 

图 2.4 面阵方案不同角度下理论轨迹 ...................................................15 

图 2.5 面阵方案不同角度下的最小分辨角 ...........................................16 

图 2.6 光线折射示意图 .........................................................................16 

图 2.7 单缝线阵 CCD 方案草图 ............................................................18 

图 2.8 线阵方案不同角度下理论轨迹 ...................................................18 

图 2.9 线阵方案不同角度下的最小分辨角 ...........................................19 

图 2.10 线阵方案取 1/10 像素精度时最小分辨角 ................................20 

图 2.11 角度与 K 值曲线 .....................................................................20 

图 3.1 N 字缝方案简图 ..........................................................................22 

图 3.2 角度定义图 .................................................................................24 

图 3.3 N 字缝设计参数图 ......................................................................26 

图 3.4 狭缝参数示意图 .........................................................................28 

67

图 3.5 变化参数与偏角关系示意图 .......................................................29 

图 3.6 变化参数与偏角关系示意图 ( 局部放大 ) ................................30 

图 3.7 分辨率曲线 .................................................................................30 

图 3.8 k 值曲线 .....................................................................................31 

图 3.9 玻璃误差分析 .............................................................................32 

图 3.10 玻璃误差分析 ( 角度扩展 ) ...................................................32 

图 4.1 硬件设计原理方案框图 ..............................................................34 

图 4.2 

TOSHIBA TCD1305....................................................................35 

图 4.3 C8051F02X 型单片机 .................................................................36 

图 4.4 AD780 电压基准 .........................................................................37 

图 4.5 单片机电路原理图 .....................................................................38 

图 4.6 CCD 电路原理图 ........................................................................39 

图 4.7 电路原理图 .................................................................................40 

图 4.8 电路 PCB 图 ...............................................................................40 

图 4.9 电路板实物图 .............................................................................41 

图 4.10 程序流程图 ..............................................................................42 

图 5.1 整体结构图 .................................................................................43 

图 5.2 上盖板结构轴侧图 .....................................................................44 

图 5.3 底板结构轴侧图 .........................................................................44 

图 5.4 基体结构轴侧图 .........................................................................45 

图 5.5 掩膜板实物图 .............................................................................46 

图 5.6 原理样机设计整体图 ( 半剖 )...................................................46 

图 5.7 原理样机实物图 .........................................................................46 

图 6.1 实验台图片 .................................................................................47 

68

图 6.2 串口调试助手界面与参数设置 ...................................................48 

图 6.3 实验操作流程 .............................................................................48 

图 6.4 实验数据导入结果 .....................................................................49 

图 6.5 亮斑提取图示 .............................................................................51 

图 6.6 局部亮斑放大图 .........................................................................52 

图 6.7 中心亮斑重复测量数据图 ..........................................................57 

图 6.8 实验 (2) 角度 - 像素值图 ...........................................................58 

图 6.9 实验 (2) 测算与理论比较图 .....................................................59 

图 6.10 实验 (2) 转角误差 ( 单位 : 度 ) ..........................................59 

图 6.11 实验 (3) 测算与理论比较图 ..................................................60 

图 6.12 实验 (3) 转角误差 ( 单位 : 度 ) ..........................................60 

图 6.13 实验 (4) 角度 - 像素值图 ........................................................61 

图 6.14 实验 (4) 测算与理论比较图 ..................................................62 

图 6.15 实验 (4) 转角误差 ( 单位 : 度 ) ..........................................62 

图 6.16 实验 (5) 测算与理论比较图 ..................................................63 

图 6.17 实验 (5) 转角误差 ( 单位 : 度 ) ..........................................63 

69

表格索引 

表 3.1 参数汇总 ....................................................................................28 

表 3.2 高度数据表 .................................................................................31 

表 6.1 实验 (1) 数据结果 ....................................................................54 

表 6.2 实验 (2) 数据结果 ....................................................................55 

表 6.3 实验 (3) 数据结果 ....................................................................55 

表 6.4 实验 (4) 数据结果 ....................................................................56 

表 6.5 实验 (5) 数据结果 ....................................................................56 

表 6.6 中心亮斑分析结果 .....................................................................57 

表 6.7 精度分析结果 .............................................................................57 

70

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73

致谢 

衷心感谢邢飞老师在毕设期间对我的悉心指导和耐心帮助。邢飞老师对问题 

的把握和分析问题解决问题的思路和方法对我启发很大 , 并且在论文撰写过程中 

给与我极大的帮助和指导 , 在此致谢 ! 

同时真诚感谢李滨老师在开题过程中对我的指导和帮助 ! 

74

声明 

75

附录 A 外文资料的书面翻译 

一种新型数字太阳传感器的研制和搭载飞行测试 

C.W. de Boom, N van der Heiden 

摘要 

为了空间飞行器的姿态测控应用 , 一种新型的低成本的数字太阳敏感器 

(DSS) 正在研制当中。ESA( 欧洲空间局 ) 在一个技术项目的框架中对这项 

工作进行了研究 , 力求得到一种能在欧洲通用的、在价格上有吸引力的高精度 

太阳敏感器。对于这样一种传感器 , 在未来远程通讯任务中将会有应用价值 , 

而且 , 这种传感器也同样适用于其他应用。 

这是一种能够为空间飞行器的姿态和轨道控制子系统提供高精度的太阳方 

位信息的太阳跟踪器 , 无论该空间飞行器是处于地球轨道 (LEO) 还是外层空 

间 (0.3AU—50AU)。依靠一个建立在 CMOS 有源像素传感器 (APS) 基础上 

的光学头 , 传感器可以自主提供两轴姿态信息。 

传感器的视场角 (FOV) 为 128°x 128°, 精度为 0.01°(1σ), 再整个视 

场范围内 , 分辨率为 0.01°。 

另外 , 该传感器还具有星体反照抗性 , 高的耐辐射能力 , 抗单粒子翻转和 

锁定保护等特性 

DSS 的主要构成包括 : 

• 光学前端 , 包括带有片上 AD 的 APS 和直接连接到其上的孔形狭缝。 

• 电气前端 , 与其他的电子设备一起安装在刚性柔性结合的嵌入了现场可 

编程门阵列 (FPGA) 的印刷电路板 (PCB) 上 , 起控制 APS 探测器和 

视频信号处理的作用。 

• DC-DC 转换模块 , 应用于内部电源调节。 

• 外壳 , 带有机械接口、准直方孔、电源连接以及数据和测试接口。 

我们研制了一款 DSS 的工程样机 (EM) 并且将其在一个较宽温度范围内 

的真空条件下进行了功能和预确认测试。测试结果显示 , 该太阳敏感器能够在 

精度和分辨率上完成目标要求。 

准飞行模型 (PFM) 的研制正在进行中。该 PFM 将会在一个大型飞行资格 

检测项目进行测试 , 确保为敏感器应用而设计的功能满足要求 , 这些应用领域 

包括远程通讯、导航和地球观测 / 科学实验。 

76

在成功完成 PFM 的项目之后 ,PMF 将会搭载在欧洲 PROBA-2 空间飞行器 

中 , 进行技术实验。 

1 介绍 

TNO TPD 在为不同空间任务中的 AOCS 子系统提供姿态测量而研制生产光 

学传感器领域有着悠久的成功历史。他的产品范围覆盖了能够进行对太阳角进 

行粗测和精测的模拟太阳敏感器、高精度宽视场的数字太阳敏感器以及为自旋 

飞行器使用的固态星图探测器。 

TNO TPD 在欧洲的太阳探测传感器 (SAS) 领域属于顶级制造商 , 这种自 

从 1975 年就开始生产的传感器是具有半球视场角的粗精度太阳敏感器 , 已经在 

超过 40 个航天器上取得成功应用。 

另一款在许多科学任务中的粗精度太阳敏感器 , 是姿态异常探测器 (AAD)。 

这是一种太阳探测器 , 具有 10° 到 120° 的圆锥形视场。 

基于将象限探测作为光线敏感元素的高精度模拟太阳敏感器也已经成功生 

产制造并在许多科学和商用的地球观测卫星中得到了成功使用。 

在为欧洲空间局研制的数字太阳敏感器代表了下一阶段的取得高精度太阳 

位置数据的研发方向。 

图 1 数字太阳敏感器工程样机 

该数字太阳敏感器建立在有源像素传感器 STAR250 基础上 ,STAR250 为一 

个面阵传感器 , 面阵大小为 512×512。该 CMOS 器件来自欧洲制造商 

FillFactory, 相比而言之前使用的线阵或者面阵 CCD 有许多优势。它的辐射很 

难达到 Mrad 水准 , 可以全画面或者全窗口读出 , 具有抗光晕设置 , 能够进行 

77

片上双采样以消除特定的噪声图像和进行片上十位的 AD 转化。为了提高拍照 

响应统一性 , 独立的像素还包含多个二极管。该器件还具备了电子快门技术。 

对于 APS 和原始图像数据获取过程的控制集成在 FPGA 中 , 它还包含了 

对于太阳斑点中心坐标点的亚像素精度处理。使用这种方式 , 太阳敏感器可以 

紧凑而高效地解决问题。通过 RS232 或者 SD16 协议 , 太阳中心斑点的坐标可 

以依靠 RS422 数据链传送给飞行器子系统 , 用以后续处理。 

2 工作原理 

太阳光通过位于 APS 指定高度上的方形小孔 (250×250 平方微米 ) 成像于 

APS 探测器阵列面上。小孔尺寸的大小可以根据 FOV 进行调整 ( 如图 2)。 

图 2 工作原理 

图 3 说明了在 FPGA 中应用的一种平衡质心算法。 

78

图 3 利用平衡计算质心 

从图中可以看出 , 综合考虑细分线两侧的 S1 和 S2 信号可以使我们得到辐 

射照度曲线中心线对于细分线的偏移量 xB。 

而太阳敏感器的电路部分可以从 APS 上提取并处理显示的图像信号。首先 , 

系统开机并进行初始化 , 然后系统开始自动进行太阳探测 , 读出整个 APS 的画 

面信号。在探测到模糊地太阳位置后 , 进入追踪模式。这时 , 太阳敏感器自动 

在太阳亮斑附近定义一个追踪窗口。即使在飞行器转速高达 20°/s 的情况下 , 

该窗口也能够动态跟踪太阳亮斑。如果一旦太阳跟踪失败 , 太阳敏感器会自动 

返回太阳探测模式。 

模式流程图如图 4 所示。 

利用亚像素分辨率和精度 ,FPGA 可以计算出太阳中心坐标。计算出来的 

坐标值必须在机载电脑 (OBC) 上进行进一步的处理。利用地面校准的关键参 

数 , 再加上传感器视轴像素坐标和 APS 探测面与光线引入器的高度 h,OBC 可 

以很简单地计算出太阳在传感器的固定参考坐标系中的方位角。 

考虑带点粒子 ( 质子撞击 ) 会影响 APS, 太阳探测基准确立了太阳探测的 

准确。在跟踪模式 , 在 FPGA 处理过程中 , 修正 FPGA 处理过程中不断进行 , 

用以修正坏的像素数值。 

太阳敏感器对机载电脑的输出包括太阳坐标和独立储存的数据 , 包括太阳 

的出现、工作模式和太阳偏离视场。 

通过模拟遥感 , 传感器的温度数据传送给 S/C 系统。 

总体而言 , 这款数字太阳敏感器能够自主运行 , 但是也可以由机载电脑进 

行控制。在机载电脑控制下 , 关于追踪窗口的大小、电子视场 ( 只可以在 APS 

的像素阵列子集中选址 ) 的大小、增益以及积分时间等的初始参数都可以远程 

调整。 

79

图 4 运行模式的自动流程 

3 工程样机结构和测试结果 

我们研制了一款数字太阳敏感器的工程样机 , 并在环境温度和极限工作温 

度进行了测试实验。工程样机的图像见图 1。工程样机包括了 APS 探测器和图 

像处理电路 , 它包含了电源后级调整模块但是没有包括 DC/DC 转换模块。相应 

地 , 工程样机通过经过调理的 6.5V 电压供电。 

光学机构前端 

系统的 “ 光学心脏 ” 由集成光线引入器封装的 APS 组成 ( 如图 5)。 

80

图 5 APS 与光线引入器集成封装 

包含有小孔遮光板的光线引入器精确地安装在 APS 探测阵列之前 , 而且使 

用蚀刻技术在抗辐射的硅片上进行了小孔工艺制作。在遮光面上 , 还镀了一层 

抗反射材料 , 避免了不透明的铬层和小孔玻璃表面的反射。而且 , 这层膜还对 

入射太阳光起了衰减滤波的作用。 

其他针对避免杂散光的方法包括在前端的不同部位增加金属滤光片。 

太阳敏感器的视场是由 APS 的尺寸和小孔的大小共同决定的。一个视场中 

心像素的瞬时视场大约是 0.4° 而边缘像素不足 0.1°。 

而质心算法使用亚像素精度 ( 基本上是一个像素的四十分之一 ), 可以满足 

在整个视场范围内关于精度和分辨率的设计要求。 

光线透过方形狭缝还要受到近场衍射的影响。由于衍射的存在 , 会在 APS 

的太阳光斑点引起光强的不均匀性 , 但却是按照一定规律对称分布。( 图 6) 

图 6a APS 上太阳光斑的近场衍射 

81

图 6b 近场衍射的 V 代码分析 

尽管在理论上 , 衍射不会对质心均衡算法有影响 , 我们仍然采用使得传感 

器工作在宽频谱范围和像素饱和装态来将衍射的影响降到最小。 

工程样机的电路结构 

电路部分是为数字太阳敏感器的功能服务的。他的构造模型如图 7 所示。 

图 7 工程样机的电路结构模块 

82

工程样机的目的是验证概念思想的可靠正确 , 因此电路部分的功能要求如 

下 : 

• APS 自带 ADC 

• 使用 FPGA 控制 APS 的运行、读数和图像处理 , 并且要进行通信协议 

控制 

• 通信的收发 

• 输入电压的后级线性调整 

• 温度传感 

例如 DC/DC 转换、任务特定数据的处理接口电路 , 太阳向量姿态重建软件 

等其他功能不需要在工程样机中完成。 

主要的电路模块是 FPGA 功能模块 , 它所要完成的工作如下 : 

• 通信协议控制 (CPC): 完成输入输出数据传送。通过 FPGA 的这个功 

能 , 可以不需要独立的 UART 器件 ,FPGA 的 CPC 部分遵从 RS422 电 

气标准。 

• APS 程序控制 : 包含时钟、时钟频率、窗口地址等等 , 都要求与 FillFactory 

生产的 512×512APS STAR250 相匹配。 

• 测量控制 : 通过程序控制定义了 APS 的工作模式。同时也进行设置管理 , 

并且通过通信控制部分处理从 TC/TM 接口或者 FPGA 的图像处理模块 

进行输入输出的必要性。 

• 图像处理 : 从数字化处理后的像素输出接受数据并且利用图像信息进行 

太阳亮斑坐标计算和状态描述 ( 使用 S/C 或者 AOCS 子系统进行通信 ) 

我们选择 Actel 公司的 RT54SX32S 器件 , 该器件具有 32K 的逻辑门 , 能够 

抗辐射 ( 上限 100KRad)。它能够防止单粒子锁定并且具有防止单粒子翻转功能 , 

最高外置时钟频率 25MHz。 

工程样机的太阳位置数据通过异步的 RS422/RS232 接口上传给机载电脑。 

另外 , 传感器还可以使用一种同步双向连续数据传送接口 (SD-16)。 

考虑到质量、功耗以及成本 , 其他的一些接口 ( 如 OBDH、Mils-STD1553) 

由于需要复杂的接口模型 , 并不适合在小型传感器上使用。 

工程样机的电压线性调整模块提供了一个 6.5V 的模拟输入电压的后级调 

整。电路包括了 APS 锁定的检测规则 , 如果 APS 发生了锁定 ,FPGA 会自动改 

变 APS 的电源电压以便防止 APS 的永久性损坏。 

电路布在柔性刚性印刷电路板上 ( 如图 8), 电路板安装在传感器的铝制外 

壳中 ( 如图 9)。 

83

图 8 工程样机电路板 

图 9 工程样机内部 

DSS 工程样机性能检测 

我们使用环境条件下的太阳模拟器进行 DSS 工程样机的性能测试 ( 见图 

10), 并且通过旋转扫描模拟在整个传感器视场范围内的大量太阳位置。 

图 10 工程样机环境测试实验台 

84

图 11 工程样机环境测试误差数据 

为了验证 DSS 的精度 , 图 11 反映了 8000 个视场范围内的位置测量误差 ( 测 

量的太阳位置值与转台设定值的比较 ) 数据。 

上图中总体曲线的曲率是由于初始传感器的微小的安装校准误差导致的 , 

属于系统误差。 

该系统误差可以通过一个四阶多项式进行拟合修正。在修正之后 , 剩余的 

随机误差只有 0.008°。因此可以说明系统分辨率可以在整个视场范围内达到 

0.01° 或者更好。 

其他性能测试在热真空舱中进行 , 其测试的温度范围为 -50° 到 +80°( 如 

图 12)。 

图 12 工程样机放置在真空管中 

85

从测试结果中可以得到 DSS 的实际比例因子。这些测算可以直接得到 , 实 

际上的比例因子随温度的线性变化 , 表示了实际上温度和光线引入器与 APS 芯 

片距离 h 的线性相关。 

从 TV 测试中可以得到传感器的原始数据 , 如果在利用这些数据计算太阳 

方位角时 , 我们考虑包含这种温度变化的比例因子 , 那对于不同温度的测试误 

差曲线如图 13 所示。图中表示在不同的所处温度中 , 传感器的太阳位置的误差 

( 测量值与设定值的比较 ) 情况。 

图 13 不同温度下传感器视场内的误差图像 

从图中可以看出 , 每一条曲线的整体曲率变化仍然表示了由于测试轴 ( 单 

轴测试安装校正的精确很难达到 , 并且残余的误对正比在环境条件下的两轴校 

准要稍微大一些 ) 安装校正而产生的微小系统误差。如果忽略整体的曲率变化 , 

所有的误差都位于 0.06° 范围之内 (6σ)。 

4 准飞行模型测试 

经过之前的实验 , 应用于工程样机的工作原理得到了验证 , 可以推广到商 

用的精确太阳敏感器中使用。由于 CCD 相比 CMOS APS 来说更加复杂、价 

格更高 , 在太阳敏感器上使用 APS 更有优势。 

下一个阶段的发展方向是研制经过飞行证明的欧洲数字传感器 , 首先是要 

生产的鉴定符合飞行标准的传感器模型 —— 准飞行模型 (PFM)。 

86

与工程样机相比 ,PFM 的机构设计和电路设计有着很大的相似。与工程样 

机的不同的设计之初在于以下几点 : 

• 增加了 DC/DC 转换模块。这个功能模块要求一块外置的印刷电路板。 

权衡之后 , 我们选择将该电路板加在 DSS 的结构之内 , 而不是将它单 

独安置在外置的转换盒中。DC/DC 

• 模块的提供多种输出电压的特性代替了原来 FPGA 板上的线性电压调 

整模块的大部分功能 , 但是对于 APS 的锁定保护功能能然保留。 

• 使用异步双向的 RS422/RS232 数据接口或者同步双向的 SD-16 数据接 

口。 

• 增加了测试刺激输入。它能够使得传感器在闭合回路测试中得到激励。 

它会接受表示太阳光斑中心坐标的逻辑数据字进行逻辑输入 ,FPGA 会 

将这种输入转化成数据 , 向飞行器机载系统接口进行输出。 

• EEE 器件的选择不仅由功能性、可靠度和耐辐射能力决定 , 欧洲标准或 

者至少是非 ITAR 控制标准也是重要的选择标准。 

在数字太阳敏感器中的 DC/DC 转换模块驱动设计如下 : 

• 工作电压范围为 20V~52V 或者 40V~105V, 作为更高的总线电压 , 后 

者在将来的远程通讯平台使用更多。 

• 在非常低的负载 (~1W) 情况下能够具有高效率。 

• 高达 100kRad 的抗辐射能力 

• 非 ITAR 

为了达到高效的设计目标 , 转换模块的设计遵循返驰拓扑式设计。 

除了这些主要的主要的设计变化 , 为了提高抑制质子撞击引起的像素亮斑 

影响 , 准飞行模型的硬件也会做出相应的变化 , 比如电路视场大小以及数据点 

均布等。 

传感器的机械结构外形图类似于工程样机 , 只是为了容纳增加的 DC/DC 转 

换模块增加了高度。而且 , 准飞行模型还预留了四个安装脚 , 为了满足标准设 

计和今后空间飞行器项目的接口需求。 

准飞行模型不会再增加一个独立的太阳光衰减滤波器 , 投影在探测器表面 

的太阳光强的测量高低会由一个位于小孔掩膜层的太阳光衰减滤波器检测到 , 

然后通过衰减滤波器的调整 , 使得 APS 的积分时间能够在一个范围内进行调整 , 

以适应太阳系内 (0.4AU~50AU) 的任务需求。 

设计单元预留三个接口 , 三个接口都是完整可靠地迷你 D 型口。预留的接 

口一个是用来与机载电脑进行数据交换的数据交换口 , 还有激励输入和热控管 

87

的输出的实验连接口以及电源接口。数据和测试接口位于传感器的一端 , 电源 

接口位于另外一端。 

准飞行模型的外形 CAD 图片如图 14. 

图 14 包括 DC-DC 转换模块的 PFM 外形图 

带有 DC/DC 转换模块的准飞行模型的性能特征和物理参数如表 1 所示。 

性能和物理参数如下 : 

特征 

参数 

视场角工程样机 :120°×120° 

准飞行模型 :128°×128° 

精度 

0.0024°(2σ) 

分辨率 0.01° 

输出数据字 RS422(RS232 或者 SD-16 协议 ) 

工作模式探测和追踪模式 , 流程自动 

更新率探测模式 10Hz 

跟踪模式 >100Hz 

质量 ( 见说明 ) 310g( 不含 DC/DC) 

500g( 包含 DC/DC) 

88

物理尺寸 130×120×45mm( 不含 DC/DC) 

130×120×55mm( 包含 DC/DC) 

功耗 

1W( 电压调整前 6.5V) 

1.8W( 包含 DC/DC 转换 ) 

工作温度 -50℃~+80℃ 

辐射环境 100kRad 

抗 SEU 

防锁定 

可靠性 350FIT( 可靠度 B 级 ) 

数据处理在 AOCS 中将太阳中心点坐标转换为太阳方位角 

说明 : 为了完成长期的通讯、导航等任务 , 额外的辐射屏蔽将会增加重量。 

(15 到 18 年通讯任务 : 增加 250g, 导航任务 : 增加 500g) 

表 1: 性能和物理参数 

在环境温度和极限温度条件下 , 准飞行模型的硬件将在环境资格鉴定项目 

中进行性能测试 , 包括热真空、震动和 EMC/ESD 测试。( 如表 2) 

针对大部分艰巨的任务要求 , 例如远程通讯、导航和科学 / 地球观测 , 测试 

结果符合资格认证要求。在 2004 年第三季度 , 关于准飞行模型的生产和测试将 

会完成。 

需求项目目标要求 

工作温度 -50℃~+80℃ 

热真空循环 8 循环 

正弦振荡 5Hz-1g 增加到 15Hz-30g, 单调变化至 100Hz-30g 

随机振荡 20-100 Hz:+6dB/oct 

面外模式 100-400Hz: 2 g2/Hz 

400-1200 Hz: 0.3 g2/Hz 

1200-2000 Hz: -6 dB/oct 

Global: 32.41 g RMS 

20-100 Hz: +6dB/oct 

平面模式 100-1000: 0.3 g2/Hz 

1000-2000: -6 dB/oct 

Global: 21 g RMS 

震动半正弦波 ( 应用震动器 ) 

表 2: 准飞行模型的环境实验 

5 准飞行模型的在轨验证 

在于 ESA-ESTEC 约定的飞行试验项目成功结束之后 , 准飞行模型将交由 

PROBA-2 空间飞行器项目组进行空间飞行验证。 

89

PROBA-2 是项目中的第二个小卫星 , 是为了验证自主性研制的。在比利时 

总承包人名下的 ESA 项目提供了诸多方面的技术验证机会 , 涉及姿态和轨道 

控制、电源子系统、软件以及航空电子技术等方面。 

该空间飞行器将会搭载科学仪器进行太阳物理学、等离子体物理学以及地 

球观测等科学探测研究。飞行器和搭载的科学设备特性都为我们的自主 DSS 的 

在轨性能特性验证提供了一个极好的平台环境。 

该飞行器 PROBA-2 预计在 2005 年底发射升空。 

6 超越半球数字太阳敏感器 

由于应用了鱼眼镜头 , 这种数字太阳敏感器成为有极大吸引力的产品 , 其 

特性如下 : 

• 太阳光通光孔很小 

• 大量视场数据的单频运算成为可能 

针对这种可能性 , 我们做了相关评价 , 从普通的镜片类型中定义出鱼眼镜 

头 , 其可以作为一种掺杂铈的抗辐射材料。 

图 15 表示了鱼眼镜头的配置。应用鱼眼镜头可以使得 DSS 的视场角达到 

( 或者超过 ) 半球范围。 

图 15 具有超越半球视场角的 DSS 的光学前端 

光学系统的性能如图 16 所示。图中画出了被照亮的方孔 ( 位于 APS 表面 ) 

投影 , 作为太阳角的响应。在达到极限视场角的时候 , 得到的投影仍然形状清 

晰并且亮度均匀。 

90

图 16 不同太阳入光射角时 APS 上的光斑能量分布 

这为设计具有极大视场角 ( 超过半球 ) 的模拟太阳探测器提供了一种选择 

思路。 

典型的模拟传感器适合于太阳探测 , 但是缺少太阳位置偏移的精度 , 而且 , 

还会受到地球或者其他行星的反照率的极大影响。 

鱼眼镜头的数字太阳敏感器则避免了反照率的影响而且可以测量太阳位 

置 , 可以在整个视场角范围可以达到 1° 的精度。 

如果使用两个鱼眼镜头背对背放置 , 可以使太阳敏感器达到全天球工作状 

态。 

7 致谢 

这项工作的开展受到了 ARTES 技术项目里的 ESA 合约支持。 

作者在此对来自法国 SODERN 的 M. Pochard 和 R. Dobin 表示感谢 , 感谢 

他们在 FPGA 电路设计中所作的工作 ; 对来自比利时 FillFactory 的 Dirk Uwaerts 

表示感谢 , 感谢他在 APS 方面所作的工作。 

本文作者代表了 TNO TPD, SODERN 和 ETCA 中的这项传感器研究工作的 

科研专家组。 

原文索引 

C.W. de Boom, N van der Heiden A NOVEL DIGITAL SUN SENSOR: DEVELOPMENT 

AND QUALIFICATION FOR FLIGHT 54th International Astronautical Congress 29 

September - 3 October 2003, Bremen, Germany 

91

附录 B 单片机驱动采集与串口通讯程序 

#include 

#include 

#include // 声明了 void _nop_(void); 

void SYSCLK_Init (void); 

void PORT_Init (void); 

void Timer3_Init (void); 

void ADC1_Init (void); 

void UART0_Init (void); 

int data i,k ; 

sbit P0_3=P0^3; 

sbit P0_2=P0^2; 

sbit P0_4=P0^4; 

unsigned char xdata *p=0x0000; 

void main(void) 

{ 

WDTCN = 0xde; 

WDTCN = 0xad; 

SYSCLK_Init (); 

PORT_Init (); 

ADC1_Init (); 

UART0_Init (); 

EA=1; // 全局中断开 

i=1; 

k=2; 

P0_3 = 1; 

P0_4 = 0; 

P0_2 = 1; 

loop: 

92

k--; 

if(k==0) 

goto loop1; 

i=3694; 

// 开始时序 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

//t3=3us 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

93

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

94

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

95

P0_4 = 0; 

//tint-t3=9us 

P0_2 = 0; 

P0_2 = 0; 

P0_2 = 0; 

P0_2 = 0; 

P0_2 = 0; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 1; 

P0_4 = 0; 

96

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

P0_4 = 0; 

// 积分时间 tint=12us 

P0_2 = 1; 

P0_2 = 1; 

while(1) 

{ 

P0_3 = 0; //start PHIM 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

ADC1CN = 0x90; // 启动 AD 

_nop_(); // 产生一条 NOP 指令 

97

P0_3 = 0; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

i=i-1; // 计数器减 1 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 0; 

*p= ADC1; // 读数 

_nop_(); 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

p=p+1; // 指针加 1 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

98

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

P0_3 = 0; 

ADC1CN = 0x80; 

_nop_(); 

P0_3 = 0; 

// 重置 AD 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

P0_3 = 1; 

if(i==0) // 判断是否一帧数据 

{ 

p=p-3694; // 一帧结束后 , 指针归零 

goto loop; 

} 

} 

loop1: 

P0_3 = 1; 

P0_4 = 0; 

P0_2 = 1; 

i=3694; 

while(i!=0) 

{ 

SBUF0 = *p; 

while(TI0==0); 

TI0=0; 

p++; 

i--; 

} // 串口通信 

p=p-3694; // 指针归位 

} 

99

void SYSCLK_Init (void) 

{ 

int j; 

OSCXCN = 0x67; 

// 启动外置 25M 晶振 

for (j=0; j < 256; j++) ; 

// X 等待振荡器启动 (>1ms) 

while (!(OSCXCN & 0x80)) ; // 等待外界晶振稳定 

OSCICN = 0x88; // 选择外部晶振作为系统时钟源并使能丢失时钟检测器 

} 

void PORT_Init (void) 

{ 

XBR2 = 0x42; // 启用 crossbar;Xdata 低端口 

P0MDOUT = 0x01; 

// 配置输出 ; 三脚漏开、一脚推挽 

P1MDIN =0xfe; 

// 模拟输入 

EMI0CF =0; 

//Xdata 配置 

XBR0 = 0x04; // 使能 UART0 

} 

void ADC1_Init (void) 

{ 

ADC1CN = 0x80; 

REF0CN = 0x02; 

// 启用内部基准源 

AMX1SL = 0; 

// 选择采样输入源 

ADC1CF = 0x11; 

EIE2 = 0x00; 

// 禁用 ADC 中断 

} 

void UART0_Init (void) 

{ // 初始化 UART0 

SCON0 = 0x50; 

TMOD = 0x20; 

TH1 = 0xE5; 

TR1 = 1; // 启动 Timer1 

CKCON |= 0x10; 

// Timer1 使用系统时钟 

PCON |= 0x80; 

TI0 = 1; 

} 

100

附录 C 硬件电路原理图 

101

附录 D 上盖板零件图 

102

附录 E 基体零件图 

103

附录 F 底板零件图 

104

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