太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件,是在航天领域应用最广泛的一类敏感器。低功耗、轻质量以及高精度是对太阳敏感器的基本要求。由于传统的太阳敏感器采用CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)作为图像传感器,需要复杂的外围时序电路和电源模块,使得太阳敏感器的质量、功耗难以进一步降低。随着卫星向着微小型、甚至纳卫星皮卫星方向的发展,国内外许多科研机构开展了将高端CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补型金属氧化物半导体)有源像素传感器应用于太阳敏感器的探索。本文提出了基于CMOS相机的数字式太阳敏感器的设计方案,方案主要由PAL(Panoramic Annular Len,全景环形镜头)、CMOS相机模组以及FPGA(FieldProgrammable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)组成。其中浙江大学自行研制的全景环形光学镜头可在360°内一次凝视成像,具有景深大、图像处理全景化等特性,比一般镜头的视场更大。提出了基于全景环形镜头的太阳敏感器的姿态测量原理,先根据“灰度门限法”对全景图像进行二值化,找到图像的边界点,再运用改进的八邻域边界跟踪算法找到满足周长的太阳轮廓曲线,然后找到离探测器光敏面中心最远和最近的两个点,计算出太阳相对于卫星本体坐标系的位置。该算法能有效去除噪声和不封闭曲线,具有一定的应用价值。本文详细介绍了算法的分析设计过程,以及基于特定FPGA芯片的SoC(System on Chip,片上系统)体系结构实现方法。系统验证采用了内嵌PowerPC405的Xilinx Virtex-ⅡPro器件,其中主要姿态测量算法通过PowerPC核软件实现,数值计算和存储管理等采用FPGA可编程逻辑实现。另外,本文还在设计开发过程中使用Matlab和Verilog HDL混合仿真的方法对系统的设计模块和算法进行了验证。结果表明,本文的设计方案满足小型化、低功耗等微小卫星应用需求。