太阳敏感器是姿态敏感器的一种，它通过测量太阳光线与卫星某一体轴之间的夹角，从而确定太阳在敏感器本体坐标系中的位置，然后通过坐标矩阵变换得到太阳在卫星本体坐标系中的位置，最终在卫星的姿控系统中求得卫星的姿态，即卫星在空间的方位。早期应用的太阳敏感器一般为模拟式和编码式，所用的光敏元件主要为光电池，其测量精度较低。今天，高精度太阳敏感器所用的光敏元件主要是CCD和CMOS图像传感器。CCD是在上世纪70年代才开始出现并发展的，由于具有尺寸小、重量轻、功耗低、超低噪声、动态范围大、线性好、工作可靠等特性，使得它在太阳敏感器领域迅速发展。现在，基于CCD的太阳敏感器已可以在大视场下达到0.01°的定姿精度，在小视场下精度可达角秒级，其技术已经相当成熟^【1】。但是，随着卫星微小型化的趋势，要求其组成部件也须微小型化。这便对系统的体积、重量和功耗等提出了更高的标准。而基于CCD的太阳敏感器却又难以满足其不断发展的要求。随着CMOS APS（Active Pixel Sensor―主动像素传感器）技术的发展与不断成熟，各方面性能正在逐渐达到并超过CCD，尤其是价格、功耗、集成度以及信号读取方面，使得基于CMOS APS的太阳敏感器代替CCD太阳敏感器用于小、微、纳卫星成为可能。

二、CMOS APS与CCD的比较

现在的固态成像器件主要有两类：电荷耦合器件（CCD）和CMOS图像传感器件。CCD自从70年代出现以来就一直在市场上保持优势地位，直到今天仍然如此。而CMOS图像传感器早在上世纪六十年代就出现了，但限于当时的工艺水平，各方面性能都较差。到1990年，英国爱丁堡大学的一些研究人员研制出PPS（Passive Pixel Sensor―被动像素传感器）器件^【2】。相对于APS，该类器件结构简单但灵敏度低、噪声大，因而限制了其应用。1992年，由于空间技术的发展需求，美国的喷气推进实验室（JPL）开始研究CMOS APS技术^【3】。以后，又有许多其他的公司加入这个行列。因为在商业领域的广泛应用，推动了CMOS APS技术的巨大发展。迄今为止，全球集成度最高的器件达到了1600万像素4096×4096元，是由美国Foveon（和

三、APS太阳敏感器一般方案

太阳敏感器包括光学头部和处理电路两大部分，APS太阳敏感器也不例外。

1、光学头部

如图2所示，太阳通过入射窗口在APS上投影。计算后求得的投影面中心即为太阳在APS上的成像位置。对光学头部的设计主要注意两个问题：窗口的边长和窗口到APS面的距离。在确定窗口边长的时候应考虑到太阳在APS面上投影的扩散现象，为了尽可能的避免衍射，窗口边长不能取得太小；对于窗口到APS面的距离，主要由整个系统的视场大小所决定。

2、电路处理部分

如图3所示，整个电路的电源由卫星姿控系统提供。FPGA主要实现三大功能：与卫星姿控系统的输出接口、计算太阳投影“质心”并转换成卫星姿控系统所要参数的数据处理电路以及能控制FPGA内部和APS同步工作的控制电路。APS阵列在FPGA中的控制电路的控制下，将光信号转换为电压信号，再由芯片内的ADC将此模拟信号转换成数字信号输出；在FPGA中，数据处理电路对APS输出的数据进行处理，求得太阳投影的“质心”并转换为卫星姿控系统所要参数，然后交给输出接口，传送到卫星姿控系统。

目前，基于CMOS APS的太阳敏感器在各项主要指标上都比较理想。如荷兰TNO-TPD研制的APS（512×512）太阳敏感器在120°×120°的视场范围内，精度能达到0.01°，而其重量才不过400g，功耗1.2W。意大利伽利略公司研制的APS（1024×1024）太阳敏感器在128°×128°的视场范围内精度能达到0.02°，分辨率小于0.005°，而其重量却不到400g，功耗不到1W。相对于CCD，APS太阳敏感器在视场和精度上丝毫不输，而在重量和功耗上却远胜于CCD太阳敏感器。

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四、一步的探讨

CMOS APS虽然能够较大程度的解决太阳敏感器在重量、体积和功耗方面的缺点，但视场和精度相互制约的矛盾依然非常突出。即视场的扩大势必造成精度的降低；反之，精度的提高也会造成视场的缩小。如图4所示：

假设APS面像素阵列在单个轴向上的长度为l，入射窗口到APS面的距离为h，视场角为2θ。因此有：

l = h×tanθ                                  （1）

不妨假定APS面上像素大小为a，它所对应的视场角大小为α，则同样有：

a = h×tanα                                 （2）

对于选定的APS，l和a是确定的。当要扩大其视场，即加大θ时，由（1）式可知需要减小h；当减小h时，由（2）式可知，势必造成α的增大，也就是说单个像素所对应的视场角度变大，亦即此太阳敏感器的原始分辨率变低，自然引起精度的降低。反之，当要提高其精度，即减小单个像素对应的视场角度时，则必须加大入射窗口到APS面的距离h，这便会不可避免的造成视场的缩小。

在此简要的介绍一种方法来解决这一矛盾。如图5所示为入射面的俯视图。

在这个入射面上开了五个窗口。此方法的基本思想就是通过多个入射窗口来复用整个APS面阵列，每个入射窗口负责一定的视场。这样，在一定视场的前提下，通过多个入射窗口来分担总视场，即每个入射窗口负责的实际视场变小了，从而在已定APS和总视场的情况下达到提高精度的目的。

但是，这会增加电路部分数据处理的复杂度：当太阳在APS面上同时通过多个窗口成像时，就必须确定APS面上的像分别是由哪个入射窗口造成的，并且还得确定最终由哪个像位置来计算太阳光线的实际角度。不过，这些在CMOS APS中都可以得到有效的解决。由于APS提供了开窗术（Windowing），即能对APS面内任意大小、任意区域的像素进行随机读取，这就使得实际处理的数据量大大减少；在芯片上集成的A/D转换器直接输出数字信号，相对于CCD太阳敏感器，这使得所需的模拟信号处理电路大为削减，这也正是CMOS APS太阳敏感器能在体积上大大减小的原因；APS还拥有较高的帧读取速率，能保证信号处理的实时性。另外，随着半导体工艺水平的不断提高，CMOS APS中每个像素的尺寸将越来越小。那么，在一定的入射窗口到APS面距离的情况下，实际单个像素对应的视场角度也变得越来越小。也就是说，器件的原始分辨率将变得越来越高。

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五、结束语

目前，CMOS APS朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、低噪声、超微型化、数字化的方向发展。随着太阳敏感器尺寸不断减小的发展趋势，CMOS图像传感器将凭借其在体积、重量、功耗、成本、抗辐射和可靠性等方面的优势，在此领域得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1] 尤政，李涛.CMOS 图像传感器在空间技术中的应用[J]， 光学技术. 2002.28(1): P.31-35
[2]D. Renshaw, P. Denyer, G. Wang and M. Lu. ASIC image sensors[J], IEEE Int. Symposium of Circuits and Systems, 1990.4：3038~3041
[3]E S. Mendis, S. Kemeny, and E. Fossum, CMOS active pixel image sensor[J], IEEE Trans. Electron Devices, 1994.41：452-453

High Precision Sun Sensor Based On CMOS APS

Abstract: After being introduced and compared with CCD, CMOS APS is proved to have superiorities in  the field of  sun sensor .A common design of CMOS APS sun sensor is presented and more deep analysis is given .

In the process of discussing the relation between sun sensor’s Field-Of-View(FOV) and the accuracy, the conditionality of them is put forward . It is point out  in this paper that this problem can be solved effectively in the MOS APS sun sensor based on the advantages of  CMOS APS , although it is difficult to be deal with for ordinary CCD sun sensor.

Keywords: CMOS APS; sun sensor; CCD; image Sensor  

作者简介：

朱鸿泰，中科院上海技术物理研究所博士研究生，主要研究方向为光电混合信号实时处理等。
地址：上海市玉田路500号中科院上海技术物理研究所第七研究室         邮编：200083
电话：021－65420850＃46201/13817285828（手机）
E-mail: h_t_zhu@163.com
孙胜利，中科院上海技术物理研究所研究员，博士生导师。主要从事航天遥感技术方面的研究。
陈桂林，中国科学院院士，中科院上海技术物理研究所研究员，博士生导师，风云二号气象卫星副总设计师。主要从事空间红外遥感技术方面的研究