APS星敏感器太阳照射影响分析及试验验证*

钟红军，张占良，梁士通，卢 欣，杨 君，李 晓，李玉明

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引 言

星敏感器是卫星姿态控制系统中的重要测量部件，也是当前广泛应用的光学姿态敏感器[1-2].APS作为一种新型的图像传感器，比传统的CCD具有更高的性价比，在星敏感器应用中有着很好的前景.随着微电子技术的发展，基于CMOS工艺的APS图像传感器也逐渐成熟，具有低功耗、高耐辐照、高集成度、接口简单等优点，是星敏感器的重要发展方向.目前国内外星敏感器主要研究机构都在积极研究基于APS图像传感器的星敏感器[3-4].

APS星敏感器具有长寿命、高精度等特点.随着APS星敏感器在各轨道卫星的广泛应用，星敏感器在轨杂光干扰及太阳照射问题日益突出.由于轨道条件和安装位置限制，部分型号星敏感器面临太阳频繁长时间照射问题.

在太阳照射星敏感器过程中，太阳能量汇聚导致探测器温度升高，可能引起探测器温度过高，存在引起探测器失效的风险.

本文首先对APS星敏感器的在轨太阳照射工况及太阳照射对星敏感器影响进行了分析，而后设计了紫外辐照、摆动扫描太阳及凝视太阳等试验测试及验证方案，最后给出了相关试验过程和试验结果，明确了分析及试验结论.

1 APS星敏感器太阳照射要求

APS星敏感器应用于某LEO太阳同步轨道卫星，太阳光线与轨道面夹角处于变化过程，星敏感器无法安装于背阴面，在轨将存在太阳光进入星敏视场范围，照射星敏APS探测器的问题.

根据实际在轨工况及总体仿真分析，APS星敏感器在寿命期间，太阳光进入APS星敏视场共有1 290次，每次进入视场的最长时间为360s左右，最短时间为5 s，太阳照射时间共计121 h.

APS星敏感器受太阳照射将存在如下风险:

1)光学系统膜系的紫外辐照影响;

2)APS器件温度影响[5];

3)APS器件成像特性[6].

2 太阳照射星敏感器影响分析

APS星敏感器光学系统膜系受太阳紫外辐照影响及APS探测器成像特性的影响通过第4节试验进行验证.下面仅分析太阳照射对APS探测器温度的影响.

APS星敏感器受到太阳照射期间，太阳光能量集中于APS探测器表面局部区域，长时间照射后会使探测器温度升高，存在局部温度可能超出探测器承受最大允许温度，引起探测器失效的风险，因此需对APS探测器受太阳照射的情况进行分析及试验验证.

APS探测器接收能量为

式中:S为光学系统入瞳面积;为入瞳直径;，为太阳在400～800 nm谱段的能量百分比;，为太阳照射能量.

太阳视张角为32′，可计算太阳在APS图像探测器上的光斑大小[7]为

式中:f=43.3mm，为光学系统焦距;θSun为太阳视张角.

APS探测器的填充因子约50%，太阳光斑照射至探测器硅片上为探测器热效应的主要原因.假设光斑成像于探测器中心位置，将上述参数代入热分析软件，对APS探测器进行温度分析，则APS探测器在太阳照射情况下温度升高约7℃.

3 太阳照射试验方案

太阳照射试验的目的为通过模拟在轨太阳照射环境，对APS星敏感器受太阳照射后的风险进行评估，试验项目有:紫外辐照试验、摆动扫描太阳试验、凝视太阳试验.

试验过程中关注和测试以下项目和内容:

1)受太阳照射后星敏感器功能测试;

2)受太阳照射后星敏感器探测器温度测试;

3)对太阳照射后星敏性能测试.

3.1 紫外辐照试验方案

APS星敏感器进行了光学系统材料辐照试验，紫外辐照条件如下:最大辐照量1 000等效太阳时，辐照光谱为200～400 nm.

试验前后及试验中使用Lambda900分光光度计对样品的光谱透过率进行测试，光谱范围400～1 100 nm，测量间隔1 nm.

试验中最大辐照量对应于太阳照射1 000 h，APS星敏感器全寿命在轨太阳照射为121 h，远小于最大试验量级.

3.2 摆动扫描太阳试验方案

摆动扫描太阳试验按照0.04(°)/s角速度转动，模拟卫星在轨实际运动，测试星敏感器在一个轨道周期受照射后的功能性能影响.

试验方案如下:

1)试验前采用静态多星模拟器对星敏感器进行性能测试;

2)测试结束后移除多星模拟器;

3)调整转台，使太阳位于星敏感器视场边缘，测试星敏感器性能及温度;

4)转台以0.04(°)/s角速度转动，模拟在轨太阳在星敏感器视场移动速度;

5)在星敏感器视场内观测太阳移动，待太阳从一侧边缘视场移入视场，并最终移出视场，实时采集在此期间星敏感器图像及APS温度等数据;

6)太阳移出视场后安装多星模拟器对星敏感器性能进行测试，记录时间及温度、图像等数据;

7)转台以0.04(°)/s角速度转动，试验次数共5次，每次太阳扫过APS像面的位置略作调整，其他条件不变.

3.3 凝视太阳试验方案

凝视太阳试验模拟APS星敏感器在轨寿命期间，太阳照射累计时间对星敏感器的影响.在轨寿命期间，APS探测器受太阳照射的总时间为121 h，太阳光斑在APS像面的圆斑直径不超过30像素，APS探测器的分辨率为1 024×1 024.如果将太阳照射在APS探测器上的位置近似考虑为均匀分布，则对于APS探测器的每个像元而言，寿命期间总的照射时间不超过30min.为了充分验证APS星敏感器，将试验的照射时间延长为3 h[8].

试验方案分为摆动扫描太阳试验和凝视扫描太阳试验[9-10].试验方案如下:

1)采用静态多星模拟器对星敏感器进行性能测试并记录数据;

2)测试结束后移除多星模拟器;

3)调整转台，使太阳位于星敏感器视场边缘，测试星敏感器性能及温度，并开始计时;

4)太阳照射星敏感器30min后，安装多星模拟器对星敏感器进行性能测试;

5)测试结束后，转台停止转动，静置星敏感器，并观察星敏感器数据;

6)重复上述试验，将照射时间从30min增加为3 h，其他条件不变.

4 试验过程及结果

4.1 太阳照射试验过程

为了尽可能接近APS星敏感器在轨使用状态，根据APS星敏感器在轨的热控状态，对星敏感器外部进行了隔热包覆，包覆材料为多层隔热材料，包覆部位有遮光罩、敏感器本体结构和安装支架.

试验前将星敏感器安装固定于转台，星敏感器与转台间采取了绝缘、隔热处理.连接各设备后开始调试，监测试验现场的太阳照度.每次试验开始前对星敏感器闭光加电半小时，进行产品预热.试验现场如图1所示.

4.2 摆动扫描太阳试验结果

试验开始前星敏感器APS探测器温度46.1℃，图像均值82.6，标准差3.16.试验期间太阳照度约0.8个太阳常数，星敏感器以0.04(°)/s进行摆动试验，试验过程中APS探测器最高温度49.9℃，试验结束后立即安装静态星模拟器进行测试，APS星敏感器约1 min后正常输出姿态四元数，顺利进入窗口跟踪模式，此姿态输出时间与产品未经太阳照射前相同.图像均值83.1，标准差3.25.经测试，APS星敏感器其他各项功能正常.

图1 太阳照射试验现场图Fig.1 The scene of direct sun irradiation test

4.3 凝视太阳试验结果

凝视太阳试验1:转台对日定向，太阳照射星敏感器30min，试验前星敏感器APS探测器温度39.4℃，图像均值73.6，标准差3.00，期间太阳照度平均为0.8个太阳常数，试验过程中APS探测器最高温度47.9℃.试验结束后立即安装静态星模拟器进行测试，APS星敏感器约1min后正常输出姿态四元数，顺利进入窗口跟踪模式[11]，此姿态输出时间与产品未经太阳照射前相同.图像均值81，标准差3.13.经测试，APS星敏感器其他各项功能正常.

凝视太阳试验2:太阳照射星敏感器3h，试验前星敏感器APS探测器温度48.6℃，图像均值84.4，标准差3.45，凝视期间太阳照度平均为0.8个太阳常数.试验过程中 APS探测器最高温度58.0℃.试验结束后立即安装静态星模拟器进行测试，APS星敏感器约1 min后正常输出姿态四元数，顺利进入窗口跟踪模式，此姿态输出时间与产品未经太阳照射前相同.图像均值87.8，标准差4.04.经测试，APS星敏感器其他各项功能正常.

4.4 太阳照射试验结论

各次太阳照射试验结果如表1所示.

全部试验结束后，在室温下对APS星敏感器参试产品进行了功能及性能测试，星敏感器各项功能正常，星敏感器APS探测器温度32.0℃，图像均值65.0，标准差2.52，图像均值、标准差恢复至太阳照射前水平.

表1 太阳照射试验结果Tab.1 The test results of direct sun irradiation

由上述太阳照射试验数据，可以得出以下结论:

1)摆动扫描结束后，APS星敏感器1min内即可正常输出姿态，无明显的太阳照射恢复时间;太阳照射后，星敏感器图像均值、标准差略有增加，经分析不影响星敏感器精度等性能.

2)受太阳照射后，星敏感器APS探测器温度有所升高(见表1)，远低于探测器允许的85℃最高工作温度.由于试验过程中星敏感器本体壳温高于产品实际在轨控制温度，同时具有在轨开启致冷器进一步降低APS探测器温度的手段，因此APS探测器在轨实际温度将低于试验中的最高温度.

3)图像均值、标准差增加幅度与APS探测器工作温度相关.经过共约4 h的太阳照射试验后，未发现星敏感器产品及APS探测器存在不可逆损伤，产品功能性能未受太阳照射影响.

通过APS星敏感器的数据分析和地面试验，可知在轨太阳照射对APS星敏感器探测器及整机的功能和性能无影响，满足在轨使用要求.

4.5 紫外辐照试验结果

试验中主要测试点见表2，表中列出了等效1 000 h紫外辐照量的测试数据.

表2 光学系统紫外辐照试验数据Tab.2 The test results of ultraviolet radiation on optics

从紫外辐照试验结果来看，光学系统透过率无明显变化，在测试仪器的误差范围.

另外，即使光学系统透过率在寿命末期下降了10%，其对星敏感器灵敏度影响为0.1等，此影响小于APS星敏感器灵敏度余量范围.

5 结 论

本文针对APS星敏感器在轨过程中太阳照射问题进行了研究，分析了太阳照射对星敏感器功能和性能的影响，设计了太阳照射相关的试验及验证方案，给出了相关试验过程和试验验证结果，明确了分析及试验结论.通过分析和试验结果表明:紫外辐照试验对光学系统透过率无明显影响，星敏感器探测灵敏度仅降低约0.1等，在APS星敏感器灵敏度余量范围内;在轨太阳照射对APS星敏感器探测器及整机的功能和性能无影响.

APS星敏感器满足LEO太阳同步轨道卫星轨道太阳进入星敏视场，照射星敏APS探测器的使用要求.相关分析和试验数据可作为星敏感器后续改进设计的依据，具有实际参考价值.

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