提出了一种基于正交光电二极管阵列的定制化数字太阳敏感器设计。面向立方星应用，将几何孔径掩模应用于光探测器的常见方案在该设计中采用了非常规的实现方式。该设计的主要特点是在使用光电二极管阵列数字读出的同时，引入啁啾式狭缝图案。这种图案有望实现更高的角度检测精度，而数字式光电二极管读出方式则降低了系统复杂度和功耗。与基于矩阵的方案相比，这种基于阵列的设计方法功耗更低，读出接口与信号处理也更简单。所提出的太阳敏感器设计将作为技术验证载荷的一部分，在DESCENT立方星上进行演示。原型传感器的测试结果表明，当前的5狭缝设计在±51.5度视场角下实现了0.3度的精度。
一、引言
在过去的几十年里，空间研究经历了几次革命性的变化。许多太空活动（如卫星开发、太空探索、太空旅游等）已经实现私有化并开始商业化提供。商业航天产业的快速增长，部分得益于低成本卫星平台的发展，这些平台可以作为“拼单”发射服务的一部分以低成本发射。这一重大进步与微机电系统技术的发展同步进行，后者通过将关键航天器子系统集成到越来越小的封装中，提升了小卫星的能力。纳卫星，特别是立方星，是现代航天器高度小型化的绝佳范例，并且由于其成本相对较低，越来越被认为是验证太空新技术以及培养航天工程专业人才的有效工具。
微型化卫星的一个关键子系统是姿态确定与控制系统。立方星的姿态确定与控制系统由多个微型化传感器和执行器组成，它们协同工作以控制卫星的姿态。太阳敏感器是立方星姿态确定与控制系统不可或缺的组成部分，同时（尽管不那么常见）也是有效载荷系统的一部分，当太阳相对于卫星的方位对有效载荷运行至关重要时。太阳敏感器是一种光电器件，通常基于光电二极管，需要占用卫星的表面积以将所需部分暴露在阳光下。目前有几种商用太阳敏感器，其中许多对于立方星级别的卫星来说价格昂贵、体积庞大和/或需要大量功率才能运行。本文回顾了当前可用的太阳敏感器技术，概述了所提出的低成本数字太阳敏感器设计，并给出了原型传感器的表征结果，该原型传感器将用于即将执行的DESCENT任务。
二、数字太阳敏感器设计
01.基于光电二极管的太阳敏感器设计
最简单的太阳敏感器形式是依赖光电二极管模拟读出的那种。通常在卫星的每个面上放置一个光电二极管，这样传感器可以测量沿每个面轴向上的入射光强度；然后将每次测量值转换为卫星本体坐标系中太阳矢量的一个分量。基于光电二极管设计的优点是成本低、质量轻，因为所需元件很少。这种设计通常与其他姿态确定传感器结合使用，以便在不影响质量和功率预算的情况下提高整体确定精度。由于信号处理简单，其精度相对较低。复杂的处理算法可以显著提高精度，但代价是计算能力消耗大且实现可能较为困难。随着小型、低成本、高精度传感器的发展，这种设计正变得越来越不常见。基于二极管的太阳敏感器视场角理论上为360度，因为每个传感器的视场角与相邻传感器重叠。这种传感器设计的精度范围很大，取决于处理的复杂程度。通常，基于光电二极管设计的精度在3到17度之间。
02.基于太阳能电池板电流的太阳敏感技术
用于光强度探测的另一种方案是使用太阳能电池板，即使是最小的卫星也通常配备有太阳能电池板。这种设计的几何结构与基于光电二极管的设计非常相似。卫星的每个面上安装有一个或多个太阳能电池。利用三角函数关系，可以建立电流输出与光入射角之间的关系。基于太阳能电池板电流的太阳敏感技术通常应用于那些由于质量或其他预算限制而不允许增加额外部件的小型任务，以及旨在减轻重量和降低成本的项目。与基于光电二极管的设计类似，基于太阳能电池板的传感器的精度范围很大，受模数转换精度、处理复杂度和传感器模型等因素影响。典型太阳能电池太阳敏感器设计的精度约为±3度。
03.基于四象限的太阳敏感器设计
传统的太阳敏感器设计基于一个按2×2矩阵排列的四段式光电探测器，并带有一个中间有单条狭缝的孔径掩模。光线通过狭缝形成一个光斑，覆盖所有四个段但强度不同，利用这些强度差异来推算太阳角度。四象限设计的主要优点是几何形状相对简单且成本低。主要缺点是在大视场角下精度较低，尽管它仍高于前述设计。四象限设计及其他基于掩模的设计，其精度随探测器与掩模之间距离的增加而提高。这个距离h与视场角成反比。因此，可以理解很难同时实现高精度和大视场角，研究人员在参考文献中对这一问题进行了阐述和解决。他们提出了一种模拟太阳敏感器的测量原理，并将其应用于基于四象限设计的原型样机。类似设计的精度从0.06度到0.5度不等，视场角在±60度范围内。
04.基于矩阵的太阳敏感器设计
四象限方法的扩展是基于矩阵的设计，其中光电探测器部分由一个光电二极管矩阵组成。每行的像素尺寸通常达数百个像素。使用有源像素传感器，例如互补金属氧化物半导体或电荷耦合器件，作为光探测器。孔径掩模的选项包括单缝、多缝、十字形、L形等。基于光电二极管矩阵或图像传感器设计的主要优点是其高精度的潜力，这取决于孔径掩模的设计和信号处理。主要缺点是实现的复杂性。有源像素图像传感器通常采用复杂的数字接口，需要硬件转换器或专用控制器进行处理，或者需要一次一个像素地读取矩阵中每个光电二极管的模拟值，这增加了数据处理的复杂性。这些传感器的精度也不同，参考文献中为0.006度，参考文献[20]中为0.02度。视场角与前述设计类似，约为±60度。
05.基于阵列的太阳敏感器设计
基于矩阵设计的一个简化版本是双阵列配置。两个光电二极管阵列相互垂直排列，并与航天器本体坐标系对齐。这种设计去除了矩阵中的大部分像素，只保留一行和一列，从而形成能够感知二维方向的类似配置。两个阵列分别对应一个轴。与基于矩阵的设计类似，这种方法允许灵活采用各种孔径掩模配置，例如每个阵列单条狭缝、L形以及每个阵列多条狭缝。这种设计的主要优点是有可能实现类似于矩阵方法的高精度，同时最小化用于传感的像素数量，从而降低功耗，并消除对复杂接口或复杂数据处理的需求。基于阵列设计的主要缺点是实现所需的表面积。包括基于阵列设计在内的基于掩模的设计，其精度随探测器与掩模之间距离的增加而提高，而视场角则随该距离增加而减小。其精度和视场角与基于四象限的设计相似，范围从小于0.1度到0.5度。
总之，大多数采用有源传感元件（光电二极管阵列或有源像素传感器）的太阳敏感器似乎都能达到优于0.5度的精度。虽然一些文献报道了优于0.1度的精度，但这些结果基于仿真和理论评估，而非在轨测量。在最近的一项研究中，研究人员指出：“当今，用于立方星的最先进太阳敏感器的分辨率约为0.5度，视场角在45度到90度范围内。”该研究还将所设计传感器与“精度为0.3度”的“一种最好的商用现货传感器”进行了比较，这里指的是参考文献[24]中描述的基于矩阵的设计。在本研究中，研究人员旨在将所提出的基于阵列的太阳敏感器设计与目前可供立方星开发者使用的商用太阳敏感器（例如NanoSSOC、NSS和SSOC系列传感器）进行比较。关于商用立方星太阳敏感器的更详细调查也在参考文献中有所描述。例如，NanoSSOC-A60具有±60度视场角、优于0.5度的精度、尺寸为27.4×14×5.9毫米，质量为4克。相比之下，所提出的太阳敏感器设计具有±51.5度视场角、优于0.3度的精度，尺寸为23×23×4毫米，质量为3克。
三、基于数字阵列的太阳敏感器设计
所提出的太阳敏感器设计由两个正交的光电二极管阵列（每个都带有集成的读出电路）和一个组装在定制印刷电路板上的多狭缝孔径掩模组成。光电探测器是一款商用集成电路，具有模数转换器和串行外设接口通信协议。本节将描述与该太阳敏感器设计相关的每个组件和设计参数。
01.孔径掩模
多狭缝孔径提供的光斑图案由若干个亮区和暗区组成。当图案沿阵列移动时，每个明暗边界都提供了一个参考点，这些参考点是入射角估计的基础。具体在本工作中，多狭缝掩模选择了基于啁啾余弦函数的狭缝图案。所提出太阳敏感器的光探测器由两个正交放置的光电二极管阵列集成电路组成，下一节将对此进行更详细的讨论。由于两个探测器完全相同，因此掩模的设计以一维方式进行。孔径掩模直接放置在光电探测器阵列芯片的顶部，使得图案的中心与二极管阵列的中心对齐。掩模的高度h定义为光电二极管表面与孔径掩模下表面之间的距离（图1）。这种转换通过简单的三角关系 d = tanθ/h 实现，其中θ表示传感器的期望分辨率，距离d表示光电二极管阵列的像素间距，高度h为未知量。在相关研究中，研究人员在AMS 0.35μm光学工艺上制造了芯片，像素间距为8μm。其他研究人员使用同样的关系设计了视场角大于±45°的单缝掩模。
图1. 孔径掩模设计的概念图
所提出设计的重点是在保持成本、功耗和实现难度最低的同时，最大化精度。在考虑了几何形状后，选择了图2所示的5狭缝设计。掩模的厚度t定义为狭缝的厚度（图1）。为该设计选择的光电探测器的最大距离 dmax = 3.55 mm；因此，在 h = 2.07 mm 和 t = 0.75 mm 时，最大视场角估计为 ±51.5°（即 tan⁻¹(dmax/(h+t))）。5狭缝孔径掩模的最终设计以及制作好的掩模（两轴配置）总结在表1中，并描绘在图2和图3中。5狭缝设计旨在作为一种误差减小方法，特别是在低入射角下。中心狭缝用于计算太阳角度，其他狭缝用于减少任何读出误差。
图2. 两轴掩模设计的主视图（左图）和等轴测视图（右图）
图3. 安装在DESCENT卫星太阳能有效载荷上的两轴掩模设计
02.光电探测器和读出电子器件
在设计传感器的读出电子器件时，考虑了几种方案，最终选择了一款带有内部控制与读出电路以及高速模数转换器的光电探测器芯片。该芯片的控制逻辑通过串行外设接口进行操作，该接口也用于数据传输。该芯片上有多种模数转换器工作模式可用：8位、4位、2位和1位。这些模式对应模数转换器转换的量化级别。在8位读出模式下，一个像素由8位表示，这意味着传感器一个轴的一次读出将是142 × 8 = 1136位。由于所提出的设计基于二进制像素读出，因此使用了1位模式。这减轻了微控制器的计算负担，并将一次读出的大小从1136位减少到142位。数据大小是卫星设计中的一个重要考虑因素，因为能够传输到地面的数据量非常有限。微控制器接收到的数据是每个光电二极管阵列一个240位的数字字符串。在这个二进制字符串中，0表示对应像素未检测到光；1表示对应像素检测到了光。在本文的其余部分，所有光电阵列的读出（0和1）将被表示为一串暗/亮像素。
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03.仿真研究
通过仿真研究检验了所提出太阳敏感器设计的性能，研究人员生成了一系列在-60度到+60度入射角之间的图像。图5展示了基于模拟光照条件的光电探测器图像序列，其中(a)为单缝设计，(b)为五缝设计。
每一行代表在给定入射角下的探测器读数，而列代表同一像素在不同入射角下的读数。
传感器算法旨在解读光电探测器图像以估计入射角。图4展示了计算中使用的简单几何关系。如前所述，t表示掩模的厚度，h表示传感器的高度，θ表示入射角。Xi 是从掩模边缘到开口的距离，di 是读数从0变为1（对于奇数索引）或从1变为0（对于偶数索引）的像素位置。利用简单的三角关系进行计算。
图4. 太阳角度计算中使用的参数
04.视场角计算
为了解该太阳敏感器设计在1位读出模式下的最大可能视场角，进行了几何计算。如图4所示，由于掩模厚度t不为零，入射长度 (d2 - d1) 不等于狭缝长度 (X2 - X1)。这一点，连同光电二极管阵列本身的长度，共同构成了传感器视场角的约束条件。为了找到传感器真实的视场角锥，在图4中定义了光电二极管阵列的x轴和y轴。几何计算表明，y轴上的视场角为 ±60.66°。仿真研究表明，在光电二极管x轴上，首次读数可以在 ±51.5度时获取，如图5所示。这表明横向视场角足够宽，以至于在进行测量时两个光电二极管阵列之间不会有任何盲点，并且传感器的总体视场角可以用一个103度的传感器锥体来表示。
图5. 使用单中缝（左图）和五缝设计（右图）在-60度至60度入射角范围内的模拟入射图案图像
05.结果与讨论
图6展示了太阳敏感器性能仿真的结果。研究人员向太阳敏感器模型输入了一系列入射角，为线阵生成了一组像素值。该过程模拟了预计由传感器在轨执行的入射角反演算法。结果发现，在 -51.5° 到 51.5° 的范围内，反演算法返回的入射角均方根误差为0.31度（平均误差Δθ = 0.26度），标准差 σθ = 0.32度。
图6. 基于模拟图像的估计角度与计算角度对比
四、太阳敏感器表征
01.实验室表征
上述结果通过实验室表征得到了进一步验证。用于太阳敏感器表征的实验室装置如图7和图8所示。该装置的主要组成部分包括旋转台、安装有太阳敏感器印刷电路板的板卡支架、光源以及一台连接到该印刷电路板的计算机（图中未显示）。本实验中使用的旋转平台为一台ARMS机械轴承直驱旋转台，由Soloist基于驱动器的单轴运动控制器进行控制。该公司标称的定位分辨率高达0.02角秒，定位精度为±2.5角秒。该平台仅限于沿图中圆形平台上方的箭头所示的单轴旋转。平台上有一个与支架中心对齐的标记，而底座上则有指示旋转角度的刻度标记。板卡支架由平板电脑支架改制而成，能够将印刷电路板近乎垂直地安装在旋转台上。使用的光源是一台300瓦灯泡的便携式工作灯。实验中使用的灯泡在传感器处的视直径约为3.3度。这个视直径大于太阳的视直径（近日点为0.5度），然而，由于实验室表面的反射，在较远距离下会显著影响传感器图案。
图7. 太阳敏感器表征的实验室测试装置（俯视图）
图8. 显示印刷电路板在旋转台上安装方式的计算机辅助设计模型（等轴测视图）
为了从传感器读取数据，印刷电路板上的串行外设接口被重新用于与光电二极管阵列通信，而最初用于与光电二极管阵列接口的通用同步/异步收发器则被重新用作印刷电路板与计算机之间的串行连接。专门为此测试开发的测试算法被烧录到微控制器单元中。计算机的USB端口由MATLAB软件驱动，该软件向光电探测器阵列发送命令，并接收和记录测量数据。装有太阳敏感器的印刷电路板被安装在旋转平台上，使得太阳敏感器水平方向的光电二极管阵列中心与旋转轴的中心对齐。印刷电路板的水平方向已用水平仪验证。光源放置在距离旋转台2米处。将平台设置为垂直入射角（0度），连续读取并记录10次读数。然后以0.5度为增量改变角度，每个位置测量10次，直到达到30度。对另一侧（负角度）重复相同的过程，直到达到-30度。针对第二个光电二极管阵列（对应第二个轴），通过将印刷电路板旋转90度并重新安装在平台上，重复了整个流程。
02.实验室表征结果
测试采用5狭缝设计，在-30度至30度的范围内进行。下图展示了从-30度到30度实验室表征测试的结果。与仿真结果一样，从-30度到0度的结果是负角度侧结果的镜像。图9和图10中的图像之间的相似性很明显，但也有一些例外。实验数据中最显著的异常是在-15度、6度、20度、25度和30度测量时观察到的读出错误。此外，第125号像素读取不正常，表明该像素已损坏。偶尔也观察到亮像素的错误读数（例如在-4度或21度入射角时）。
图9. X轴在负视场（左图）与正视场（右图）下的实验室实验测量结果
图10. Y轴在负视场（左图）与正视场（右图）下的实验室实验测量结果
为了提高精度，在每个入射角下进行了10次测量。对于验证实验，计算了10次测量的平均值，并使用0.5作为亮像素和暗像素的阈值。其次，单个像素的异常（两个暗像素之间的一个亮像素或相反情况）被视为读出噪声而予以去除。最后，任何由于读取错误导致的显著测量误差（例如在-15度、6度等入射角时）作为异常值被忽略。为了确定读数是否有效，分别对五个狭缝进行了角度估计，如果所有五个角度θ_i与它们前一次测量的差值都超过10度，则该读数被视为异常值。
除了光学和探测器误差（上述读出错误和死像素）之外，还有几个误差源可归类为“工程误差”。相关研究列出了四种误差类型：机械误差（制造和对准）、光学与探测器误差（探测器和孔径几何形状）、电气误差（信号含义和失真）以及环境误差（温度和辐射）。前三种误差源通过系统校准测试进行补偿。实验结果显示测量值与入射角呈线性关系。其他可能的误差源包括工作灯的散射反射以及光电二极管阵列上设置的未达最优的硬件阈值寄存器。对于上述呈现的数据集，线性回归模型方程如下。
其中θ_cal和θ_meas分别表示校准后的入射角和测量得到的入射角；α和β为校准参数。对于负向视场，α = 1.22，β = 4.14度。校准结果显示，校准后的均方根误差为0.33度（平均误差Δθ = 0.28度），误差标准差σθ = 0.33度，与之前仿真研究预测的误差非常接近。
03.未来工作与硬件校准
实验室测试显示，数值数据与测试数据之间的差异在合理范围内。测试数据输出的入射图案不如模拟数据那样平滑和对称，这表明需要按照第4.2节所述进行校准。未来的校准工作将对传感器的硬件进行校准。MLX75306集成电路上的光电二极管利用了可重新编程的阈值寄存器。这些寄存器可在板上编程，并可在飞行任务的调试阶段重新编程。未来的工作包括对阈值寄存器进行表征，并开发一种能够自动确定和设置合适阈值的算法。相信通过使用这些阈值寄存器，实验数据中出现的异常可以被最小化，并且入射边缘可以变得平滑，以与模拟数据相吻合。
图11. 校准后（右图）与未校准（左图）的估计值-入射角关系图
目前，尚未对地球反照率对太阳敏感器的影响进行评估。校准步骤能够减轻实验室表面杂散光散射的影响，并且孔径掩模的视场角从物理上阻挡了来自大于61度入射角的杂散光（第3.4节）。结合板上的光电二极管寄存器阈值设置，相信传感器读数中的地球反照率影响可以得到缓解。
五、结论
本文提出、阐述、实现并在实验室环境中验证了一种新型数字太阳敏感器设计。所提出的传感器原型计划搭载于DESCENT立方星上，该卫星已完成总装和测试，并准备于2020年发射。作为技术验证有效载荷的一部分，该太阳敏感器已完成了全面的环境与功能测试。一旦在轨验证成功，这项新技术将通过立方星任务的飞行 heritage 提供太空级产品。
通过实验室表征测试，我们证明，经过仔细校准，可以获得0.3度的精度（优于当前市场上现有数字太阳敏感器0.4度的行业标准）。除精度外，该传感器的精密度为0.33度（1倍标准差），分辨率为0.5度。为了实现如此理想的测量结果，需要针对传感器在组装后（即传感器安装到宿主卫星之后）以及在卫星运行调试阶段的在轨流程，开展传感器表征工作。通过实施基于模型的信号处理或滤波器（例如扩展卡尔曼滤波器），预计可以进一步提高精度。此外，通过对像素值实现多位读出（可能达到亚像素精度）也可以提高精度，但这必须与二进制处理的速度和数据优势进行权衡评估。
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