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毕业论文-自旋卫星N型数字太阳敏感器设计与实验研究，共111页，

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;
II
prototype;
test experiment
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