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皮卫星姿态确定系统传感器模块化设计

作　者: 蔡波
导　师: 郑阳明；王昊；蒙涛
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 全景环形镜头数字太阳敏感器模拟太阳敏感器三轴磁强计模块化低功耗体积小
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 55次
引　用: 3次
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内容摘要

皮卫星中的姿态确定系统与大卫星有较大的不同,有其自身的特殊性。本文研究的对象是通常应用于皮卫星姿态确定系统中的模拟太阳敏感器、数字太阳敏感器以及三轴磁强计。本文为了满足下一代皮卫星姿态确定系统更高精度、低功耗、体积小的要求,针对ZDPS-1A现有系统中存在的问题,对现有的传感器件进行了原理上的深度分析、从系统上进行了优化与改进,完成了相应的硬件和软件实现。基于全景环形镜头的数字太阳敏感器具有120°×180°的大视场,测角精度为0.02°。从硬件电路以及软件设计部分着重考虑到功耗问题,整个系统的最大功耗为250mW/3.3V(持续时间为一帧图像的时间)。系统的体积为50mm×40mm×40mm,大大提高系统的集成度以及可靠性。另外,根据数字太阳敏感器的特点,设计了一套对比方案,为单机性能测试以及工程化样机指标的确定提供了很好的参考。针对于现有系统中的模拟太阳敏感器精度不高,集成化程度低等缺点,采用了性能更好的太阳能敏感器件,并且在电路检测以及信号处理方面采用了集成化程度高、检测能力强的器件。分析了光学前端的特性,建立了理论模型,为电路设计提供了设计指标参考。分析了系统的结构误差,建立了结构模型,为机械加工提供相应的要求。分析了电路误差、噪声以及温度漂移等因素对系统的影响。本文设计的模拟太阳敏感器功耗为33mW,测角精度为1.21°,大大提高了系统的可靠性。针对于现有系统中的备份三轴磁强计精度不高,集成化程度低,功耗较大等问题,本文进行了电桥偏置补偿、输出磁场标定、消除共地串扰以及温度补偿等研究,建立了误差模型,提高了系统的测量精度,系统噪声为10-2mGuass，精度为0.9mGuass。并且采用了功能独立的设计思想,提高了系统的集成度和可靠性。另外,设计了一套对比方案,该方案体积更小、功耗更低,为单机性能测试以及指标的确定提供了很好的参考。本文所研究的敏感器实现了模块化、低功耗、精度高,取得了一定的成果,为下一代皮卫星姿态确定系统的设计提供重要的参考。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目次  9-12
1 绪论  12-20
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 微小卫星姿态确定系统传感器研究现状  13-17
    1.2.1 模拟太阳敏感器  14-15
    1.2.2 数字太阳敏感器  15-16
    1.2.3 三轴磁强计  16-17
  1.3 课题研究的目的及意义  17
  1.4 本文主要研究内容  17-20
2 数字太阳敏感器  20-56
  2.1 数字太阳敏感器原理  20-23
    2.1.1 普通数字太阳敏感器原理  20-22
    2.1.2 基于全景镜头的数字太阳敏感器原理  22-23
  2.2 光学系统设计  23-28
    2.2.1 镜头设计  24-27
    2.2.2 图像传感器选型  27-28
  2.3 电路高层设计  28-30
  2.4 基于CPLD+MCU架构的电路设计  30-45
    2.4.1 器件选型  30-31
    2.4.2 硬件电路设计与实现  31-34
    2.4.3 CPLD内部逻辑设计  34-39
    2.4.4 微控制器软件设计  39-45
    2.4.5 测试结果  45
  2.5 基于DSP架构的电路设计  45-52
    2.5.1 器件选型  46
    2.5.2 硬件电路设计  46-48
    2.5.3 DSP软件设计  48-51
    2.5.4 测试结果  51-52
  2.6 数字太阳敏感器标定与测试  52-55
    2.6.1 测试平台  52
    2.6.2 误差标定与测试  52-53
    2.6.3 误差分析与补偿  53-55
  2.7 本章小结  55-56
3 模拟太阳敏感器  56-76
  3.1 模拟太阳敏感器原理  56-57
  3.2 光学系统设计  57-59
  3.3 电路设计  59-62
  3.4 系统误差分析  62-64
  3.5 电路误差分析与测试  64-68
    3.5.1 四象限太阳能电池片特性测试  64-65
    3.5.2 运算放大器误差测试  65-66
    3.5.3 ADC误差测试  66-67
    3.5.4 电路误差分析  67-68
  3.6 电路噪声分析  68-71
  3.7 电路温度漂移分析  71-72
  3.8 系统测试  72-73
  3.9 补偿算法探究  73-75
  3.10 本章小结  75-76
4 三轴磁强计  76-96
  4.1 磁强计原理  76-85
    4.1.1 置位复位电路设计  77-79
    4.1.2 电桥补偿设计  79-81
    4.1.3 输出磁场标定  81-82
    4.1.4 温度补偿设计  82-83
    4.1.5 共地串扰  83-84
    4.1.6 三轴正交误差分析  84-85
  4.2 方案一设计  85-93
    4.2.1 硬件设计  85-88
    4.2.2 软件设计  88-89
    4.2.3 磁强计测试与结果分析  89-93
  4.3 方案二设计  93-95
    4.3.1 硬件设计  93-94
    4.3.2 软件设计  94
    4.3.3 测试结果  94-95
  4.4 本章小结  95-96
5 结论  96-98
参考文献  98-102
作者简介  102

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