低成本星敏感器与微机电陀螺仪集成系统在小型卫星姿态控制中的应用研究

作者及机构
本研究的作者为Sara Scibelli、Vincenzo Ferrara和Fabrizio Bernardini，均来自意大利罗马大学信息工程、电子与通信系（Sapienza University of Rome）。研究成果发表于2019年6月17日至20日在意大利罗马举办的“Photonics & Electromagnetics Research Symposium — Spring (PIERS — Spring)”会议。

学术背景
研究领域为小型卫星（微纳卫星）的姿态控制技术。传统高精度姿态传感器因成本、重量、体积和能耗限制，难以适用于微纳卫星。为此，本研究提出一种集成APS（Active Pixel Sensor，主动像素传感器）星敏感器与MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems，微机电系统）陀螺仪的低成本、低功耗、低质量自主姿态传感器，无需占用星载计算机资源。目标是通过数据融合实现0.1°的实时姿态确定精度。

研究流程
1. 需求定义与组件选型
- 需求分析：针对微纳卫星任务场景（如快速阻尼初始旋转速率、冷气推进控制等），明确传感器需支持0.1°~1°的姿态精度及0.001~15°/s的角速率范围。
- 组件选型：
- 微控制器：采用Microchip公司的32位PIC32MZ2048EFM100，支持浮点运算（用于旋转矩阵计算）。
- MEMS陀螺仪：选用STMicroelectronics的I3G4250DTR，灵敏度为8.75 mdps/±245 dps，具有零漂稳定性和低功耗特性。
- APS图像传感器：选用ON Semiconductor的NOIP1SN1300A（Python 1.3百万像素CMOS），支持LVDS输出和210 fps帧率，或高预算方案Cypress的Star 1000（空间级认证）。
- 光学系统：原型阶段采用Vixen 8×20多目镜（视场角6.8°）。

1. 原型开发与算法设计

   • 硬件开发：通过Cadence/OrCAD设计分体测试电路板，分别验证陀螺仪与图像传感器性能。
     
   • 陀螺仪测试：通过I²C协议采集数据，结合MATLAB实时模拟姿态运动，最终采用SPI接口输出角速率。
     
   • 星敏感器算法：
     
     • 去噪：基于4层离散小波变换（DWT）降低图像噪声（图3展示去噪效果）。
       
     • 星点识别与跟踪：通过对比度增强、几何参数筛选（如Delaunay三角剖分，图4）及光斑位移计算相对姿态。
       
     • 姿态解算：结合针孔模型（式1）将星点位移转换为坐标系旋转量；陀螺仪模式通过四元数微分方程（式2）避免欧拉角奇异点。
       

2. 数据融合与性能验证

   • 多传感器协同：低角速率下以星敏感器为主，高角速率下切换至陀螺仪，通过四元数积分实现连续姿态更新。
     
   • 精度验证：地面测试显示，800 km轨道高度的卫星在0.1°姿态精度下，对地指向误差为1.39 km（图5）。
     

主要结果
- 硬件性能：陀螺仪在低角速率下数据误差可控；星敏感器通过去噪和几何聚类算法有效识别星群。
- 算法效能：Delaunay三角剖分提升了星点聚合的鲁棒性；四元数模型解决了欧拉角在±90°时的奇异性问题。
- 系统集成：传感器自主性验证通过，可独立输出姿态、角速率及姿态变化量，减轻星载计算机负担。

结论与价值
- 科学价值：提出了一种低成本、高自主性的微纳卫星姿态传感器架构，填补了传统方案与小型化需求间的技术空白。
- 应用价值：适用于地球观测、快速机动卫星等场景，尤其适合预算有限的学术或商业小卫星任务。

研究亮点
1. 创新集成方案：首次将商用级APS与MEMS陀螺仪集成于单一单元，支持双模式切换。
2. 算法优化：结合DWT去噪与Delaunay几何分析，提升星图处理的实时性与鲁棒性。
3. 工程可行性：通过3.3V低电压设计及抗辐射故障恢复机制，满足空间应用基础要求。

其他价值
- 开源潜力：采用的MATLAB算法与商用硬件（如Python传感器）为后续研究提供了可复现的基准。
- 扩展性：未来可适配更高精度的光学系统或强化抗辐射设计，进一步满足深空任务需求。