太阳电池片可用作粗太阳敏感器（粗太敏），多个等规格粗太敏相互配合可实现太阳矢量的全天域获取；粗太敏的在轨性能决定了其获得太阳矢量的精度。本文基于TZ-1（天智一号）卫星长时间跨度的大量在轨数据，以差分式太阳敏感器确定的太阳矢量为基准，分析粗太敏所确定太阳矢量的角度偏差；对粗太敏输出进行反演，分析其安装偏差及性能衰减情况；并综合多片粗太敏输出，对三结砷化镓太阳电池片对应的凯利余弦曲线进行拟合。分析结果表明，粗太敏安装偏差较小，其所确定的太阳矢量偏差小于5°，性能衰减速率约为0.0621 V/a，可实现一定精度范围内太阳矢量的全天域获取。

微纳卫星对于载荷的苛刻要求使得太阳敏感器的微型化研究具有重要意义。为了解决光学器件和处理电路的集成兼容问题, 文章基于标准CMOS工艺提出一种新型片上太阳敏感器, 以金属走线层构建微型墙结构, 两侧均匀分布pn结构成光电传感器, 通过检测两侧光电流比例解算出入射光角度。文章从工艺实现、模型建立、数值仿真和实验测试等方面验证了器件的合理性和可行性。最终, 片上太阳敏感器阵列芯片质量为1.5g, 尺寸为304.2mm3, 检测精度为±1.6°, 视场范围为80°, 可满足微型化需求。

针对双折射太阳敏感器多光斑和重叠光斑问题,提出一种基于椭圆拟合的高精度光斑中心提取方法。对多光斑图像进行预处理,分割出不同的目标区域;通过检测目标区域的光斑形状特征后,迅速分辨并分割重叠光斑;利用椭圆拟合法分别提取各光斑的中心坐标。仿真结果表明该方法能快速分辨重叠光斑,计算出光斑数量和半径,实现圆形和椭圆形光斑的亚像素级中心坐标提取。这种方法对光斑大小、数量没有限制,对不完整光斑也能得到较好的结果。

光电二极管是一种体积小、成本低的感光传感器, 由至少三个配合可实现太阳矢量的测量, 从而可以作为低精度的太阳敏感器。为了尽可能实现在360°视场空间任意方位求解太阳矢量, 如何选择光电二极管数量并确定其布局方式是一个难点。文中首先将360°视场空间等表面积离散化, 将无限的传感器的布局优化问题转换为有限的组合优化(NP问题难)。然后, 通过建立覆盖度和均匀度的多目标优化函数, 并结合量子遗传算法求解最优方案。实验分析了不同光电二极管数量和视场范围的布局效果, 对多光电二极管的布局优化提供了理论性依据。实验结果显示, 选择12~14个光电二极管可以基本实现无覆盖风险和均匀风险的布局。

理论分析了石英材料内应力对数字太阳敏感器精度的影响机理,对石英样片进行了应力双折射测试,将不同的石英样片装在数字太阳敏感器单机上进行了全视场测试,给出了控制石英材料应力等级的措施。研究结果表明,只有局部内应力集中的石英样片才会产生干扰光斑,这与理论分析结果相吻合。

反射式点光源设备可用于光学遥感器的在轨调制传递函数检测和绝对辐射定标等,其高精度指向是确保太阳光反射至遥感器入瞳的关键。通过进一步提高指向精度,可以减小现有点光源的体积和质量,具有重要的工程意义。通过建立几何误差标校模型和反射镜法向标校模型,去除旋转矩阵参数的相关性;利用阻尼Gauss-Newton方法迭代求解标校模型参数,实现了反射式点光源优于0.1°的指向精度。该研究为实现光学卫星遥感器的高精度、高频次、全动态范围的定标检测提供了基础。

设计了一种专门用于对日观测成 像稳像系统的超高精度太阳敏感器。针对传统的四象限 太阳敏感器的不足，设计了一种基于十字差动式太阳硅光电池片 的探测器，以提高灵敏度和抗干扰能力。该系统在有效视场 (1°)内具有10″的低误差。

由于FY-3(01)星和FY-3(02)星宽视场扫描式太阳辐射监测仪(SIM)测量时间短、精度低, 本文利用FY-3(03)星SIM实现了太阳的高精度跟踪测量。首先, 分析了SIM太阳跟踪精度指标、跟踪转动范围, 测试并确定了数字太阳敏感器(DSS)的视场范围、频率、分辨率, 标定了DSS在轨像面辐照度。为消除跟踪抖动现象, 分析测试了控制时间间隔和跟踪精度的关系, 确定了理想控制时间间隔为500 ms。外场和在轨实验结果表明, SIM太阳跟踪精度优于±0.1°, 俯仰在轨跟踪精度为0.029°, 偏航在轨跟踪精度为0.025°, 原始太阳总辐照度(TSI)值为1 353.1 W/m2。另外, DSS太阳指向精确, 跟踪控制可靠, 大幅增加了TSI监测时间。FY-3(03)星SIM在太阳同步轨道卫星上实现了TSI的太阳跟踪测量, 跟踪精度是国际空间站(ISS)同类载荷CPD跟踪精度的10倍。

综述了当前广泛应用的数字太阳敏感器的原理、系统设计、应用领域和发展现状。首先, 叙述了太阳敏感器的工作原理; 数字太阳敏感器一般采用小孔成像的原理, 包括光学系统、光电探测器和信息处理单元3个部分。其次, 介绍了太阳敏感器的光学系统, 包括单光孔、单狭缝、多光孔和多狭缝等多种入光形式。然后, 从常规光电探测器件和集成了光学系统、图像传感器和信息处理单元的探测器两个层面, 说明了太阳敏感器涉及的光电探测器的发展, 并介绍了相应的太阳像点中心提取算法。最后, 给出了航天太阳敏感器的现有产品及应用现状, 讨论了未来航天太阳敏感器面临的挑战和发展趋势。

基于内嵌处理器软核 MicroBlaze的 FPGA，设计了一种太阳敏感器信息处理系统。采用 MicroBlaze软核实现光斑质心提取和姿态换算，并通过其它逻辑资源实现图像传感器驱动、图像存储和接口通信等模块的时序控制，同时根据 MicroBlaze软核的特点，提出了一种基于扫描方式的质心提取算法。结果表明，具有单精度浮点运算能力的 MicroBlaze软核能够保证太阳敏感器质心提取和姿态计算的精度；基于扫描方式的质心提取算法流程简单，占用资源少；采用 SOPC的太阳敏感器无需 DSP或 ARM等协处理器，减小了硬件设计复杂性，提高了系统的集成度和性能。