嫦娥一號(hào)衛(wèi)星紫外月球敏感器

黃 欣，王 立，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京l00080）

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星紫外月球敏感器

黃 欣，王 立，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京l00080）

探月工程是我國(guó)航天領(lǐng)域的又一項(xiàng)重大工程項(xiàng)目，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星是探月工程的第一步。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星首次采用了一種全新的光學(xué)姿態(tài)敏感器——紫外月球敏感器，實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星環(huán)月飛行期間的姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。紫外月球敏感器是一種以月球?yàn)樽藨B(tài)參考源的大視場(chǎng)成像式光學(xué)姿態(tài)敏感器，本文介紹其工作原理、功能與組成以及在軌飛行試驗(yàn)的相關(guān)情況。

紫外月球敏感器；嫦娥一號(hào)衛(wèi)星；姿態(tài)測(cè)量

1 引 言

探月工程是繼載人航天工程之后我國(guó)航天領(lǐng)域又一重大項(xiàng)目。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星是這項(xiàng)重大工程的第一步。以往我國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星，都是環(huán)繞地球飛行的，而嫦娥一號(hào)衛(wèi)星除了要完成從地球到月球的奔月之旅，更多的時(shí)間要環(huán)繞月球軌道飛行。由于飛行任務(wù)的特殊性，要求嫦娥衛(wèi)星具有某些不同于以往衛(wèi)星的新功能。為實(shí)現(xiàn)這些新功能，保證飛行任務(wù)順利完成，對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，其中之一就是紫外月球敏感器。

2 測(cè)量原理

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星攜帶多種科學(xué)探測(cè)儀器執(zhí)行月球科學(xué)探測(cè)任務(wù)。為最大限度地發(fā)揮各種科學(xué)儀器的功效，就必須很好地控制衛(wèi)星在繞月飛行時(shí)的姿態(tài)。衛(wèi)星平臺(tái)需要實(shí)時(shí)測(cè)量俯仰和滾動(dòng)方向的姿態(tài)偏差并及時(shí)加以修正，以確保探測(cè)儀器始終處于最佳工作狀態(tài)。

對(duì)于地球衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，測(cè)量俯仰和滾動(dòng)姿態(tài)角的任務(wù)通常是由紅外地球敏感器完成。地球大氣在l4～l6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射十分穩(wěn)定，無(wú)論晝夜以及氣象條件如何，地球大氣的紅外輻射帶始終呈現(xiàn)為一個(gè)完整、穩(wěn)定的圓盤。因此利用掃描的方法探測(cè)地球大氣紅外輻射帶內(nèi)外熱輻射值的陡變，可以獲得地球地平信息，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的技術(shù)處理可得到地心垂線方向，即可計(jì)算出俯仰方向或滾動(dòng)方向的姿態(tài)偏角，如圖l-a所示[l]。

月球的情況則截然不同。一方面，月球上沒(méi)有大氣層，不具有類似地球大氣那樣穩(wěn)定的紅外輻射帶；另一方面，隨陽(yáng)光照射角及觀察方向的不同，月球會(huì)呈現(xiàn)圓缺不同的月相。由于在近月空間可探測(cè)的月球輻射區(qū)并不呈現(xiàn)一個(gè)完整的圓盤，若用掃描式敏感器掃描月面可能出現(xiàn)以下兩種不利情況：第一種，掃描線完全經(jīng)過(guò)月影區(qū)，由于輻射太弱，這時(shí)候儀器不能測(cè)量出姿態(tài)；第二種，掃描線既掃到了月影區(qū)，也掃到了月面陽(yáng)照區(qū)。當(dāng)掃描線經(jīng)過(guò)其間的晨昏分界線時(shí)，由于這里輻射強(qiáng)度存在陡變，難以與月面邊緣的輻射陡變相區(qū)分，因此儀器有可能輸出錯(cuò)誤姿態(tài)角。如圖l-b、c所示。這兩種情況都不是飛行任務(wù)所能忍受的，因此在探月衛(wèi)星上不宜使用基于掃描方案的月球敏感器。

可行的解決方案是設(shè)計(jì)一種成像式光學(xué)敏感器，在獲取測(cè)量對(duì)象的影像之后，通過(guò)圖像處理技術(shù)，可準(zhǔn)確檢測(cè)出月面真實(shí)邊緣并有效剔除晨昏分界線的影響，最終實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量目標(biāo)。

在此思想下研制了紫外月球敏感器，其工作原理是：首先由敏感器拍攝一幅月球圖像，然后由敏感器內(nèi)部的算法軟件提取月球圓盤邊緣信息，再利用在明亮月球圓盤和黑暗太空背景之間的亮度反差，檢測(cè)出月球圓盤的真實(shí)邊緣，并與晨昏分界線相區(qū)分；接著逐一為各邊緣點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)空間矢量；最后根據(jù)這些空間矢量集合，擬合出月心矢量在敏感器測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，進(jìn)而求解出俯仰角和滾動(dòng)角。

3 姿態(tài)測(cè)量方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 紫外月球敏感器的功能與組成

為完成姿態(tài)測(cè)量任務(wù)，紫外月球敏感器需具備兩項(xiàng)主要功能：圖像獲取和圖像處理。這兩項(xiàng)功能分別由紫外月球敏感器頭部（簡(jiǎn)稱UVSH）與紫外月球敏感器線路（UVSE）完成。

UVSH負(fù)責(zé)拍攝圖像并將視頻信號(hào)傳送到UVSE。UVSH主要由光機(jī)結(jié)構(gòu)與電子線路兩大部分組成。光機(jī)結(jié)構(gòu)部分包括紫外物鏡、平面反射鏡組件、反射鏡支架、電控箱箱體和調(diào)焦組件等。電子線路由CCD時(shí)序電路、驅(qū)動(dòng)電路、視頻處理電路、接口電路與二次電源等組成。

UVSE具有月球圖像處理及姿態(tài)計(jì)算、UVSH參數(shù)控制、與控制計(jì)算機(jī)（GNCC）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及向數(shù)傳通道傳送圖像數(shù)據(jù)等功能。UVSE主要包含了圖像采集電路、DSP處理器電路、接口電路、二次電源和機(jī)箱。UVSH與UVSE的功能組成如圖2所示。

圖l 掃描方案的比較

圖2 紫外月球敏感器功能組成示意圖

3.2 紫外月球敏感器的技術(shù)設(shè)計(jì)

3.2.l 光學(xué)系統(tǒng)

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星軌道高度為200km，此時(shí)月球圓盤的視張角為l27.48°。由于紫外月球敏感器是成像式敏感器而非掃描系統(tǒng)，所以如對(duì)整個(gè)月球圓盤成像則其光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角應(yīng)大于月球視張角。要實(shí)現(xiàn)如此大的視場(chǎng)角，同時(shí)又要保證良好的成像質(zhì)量，光學(xué)設(shè)計(jì)和加工的難度都非常大。

圖3 紫外月球敏感器視場(chǎng)分布與所成圖像

考慮到僅月球邊緣部分對(duì)姿態(tài)測(cè)量任務(wù)有貢獻(xiàn)，而月球中心區(qū)沒(méi)有貢獻(xiàn)，故紫外月球敏感器的光學(xué)系統(tǒng)采用組合式系統(tǒng)：在紫外物鏡的物方光路中加入平面反射鏡組，對(duì)敏感器物方視場(chǎng)進(jìn)行分割和偏移。在平面反射鏡組件的作用下，紫外月球敏感器的方形視場(chǎng)被分解為8個(gè)互不重疊的子視場(chǎng)投射到月球圓盤邊緣附近區(qū)域，如圖3所示。通過(guò)采取這一措施，使視場(chǎng)為70°的紫外物鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)l l0°～l50°空間范圍的探測(cè)。

3.2.2 高速大容量的數(shù)據(jù)處理器

由于必須實(shí)時(shí)處理大量圖像信息并完成高精度快速浮點(diǎn)運(yùn)算，因此選擇高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為圖像數(shù)據(jù)處理CPU。這種處理器的最大指令執(zhí)行速度為l6MIPS，最大浮點(diǎn)處理速度為32MFLOPS，最高浮點(diǎn)運(yùn)算精度為40bit。它在滿足型號(hào)降額要求的同時(shí)，還為軟件算法提供了高速高精度的硬件平臺(tái)。

由于紫外月球敏感器軟件復(fù)雜，裝訂參數(shù)多，需處理的數(shù)據(jù)量大，設(shè)計(jì)中采用了大容量存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，可以滿足處理紫外圖像的特殊需求。研制中解決了在一塊電路板上DSP外圍配置大量存儲(chǔ)器芯片帶來(lái)的總線隔離驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，有效地減小了印制板尺寸，并降低了電路功耗。

設(shè)計(jì)中采用了DSP與RS422總線和l553B總線的標(biāo)準(zhǔn)接口，使用FPGA小型化技術(shù)，使得軟件編程更為簡(jiǎn)便。

3.2.3 算法及軟件

由于光學(xué)系統(tǒng)組合視場(chǎng)的特殊性、月球成像目標(biāo)陰晴圓缺的特點(diǎn)和處理算法魯棒性要求等因素，使得紫外月球敏感器數(shù)據(jù)處理算法面臨很多難點(diǎn)。

l）紫外敏感器圖像整合技術(shù)

紫外月球敏感器的環(huán)形視場(chǎng)由空間上互不相連的8個(gè)子視場(chǎng)組成，因此呈現(xiàn)在CCD上的月像邊緣信息表現(xiàn)為8條獨(dú)立的雙曲線線段。必須對(duì)這些曲線信息進(jìn)行有效地整合，才能保證敏感器測(cè)量精度。為解決圖像整合問(wèn)題，研究出了圖像整合方法，將原來(lái)8個(gè)子月像轉(zhuǎn)化為一個(gè)完整月像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行姿態(tài)與視半徑確定，從而大幅度地提高了姿態(tài)測(cè)量精度。

2）月像邊緣的快速檢測(cè)算法

紫外月球敏感器需要處理的圖像尺寸為l024×l024，圖像數(shù)據(jù)量達(dá)到l M字節(jié)。若采用傳統(tǒng)的邊緣提取算法檢測(cè)月像邊緣信息，則運(yùn)算量巨大，處理時(shí)間長(zhǎng)，使姿態(tài)數(shù)據(jù)更新率不能滿足任務(wù)要求。為提高月像邊緣的檢測(cè)速度，開(kāi)發(fā)了一種新的邊緣點(diǎn)快速提取算法，在保證姿態(tài)確定精度的前提下，提高了數(shù)據(jù)更新率。

3）晨昏分界線鑒別算法

由于月相的變化，在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)紫外敏感器所拍攝的月球圖像邊緣包括了兩個(gè)部分：月球圓盤的真實(shí)邊緣與晨昏分界線。若把晨昏分界線也作為月球邊緣點(diǎn)進(jìn)行月心矢量的擬合，必將帶來(lái)很大的姿態(tài)確定誤差，所以紫外敏感器信息處理軟件必須具備將晨昏分界線剔除的功能。為解決這一問(wèn)題，建立了晨昏分界線與月球邊緣的信息模型并提出了剔除算法，在軌驗(yàn)證非常有效。

4）姿態(tài)數(shù)據(jù)可用性判別方法

紫外月球敏感器的測(cè)量精度受成像質(zhì)量、干擾光強(qiáng)度、月面地形、觀測(cè)月相等因素的制約，這些因素對(duì)姿態(tài)的可信度及精度均有影響。為保證GNC系統(tǒng)能使用有效且精確的姿態(tài)信息，采用以品質(zhì)因數(shù)的形式表征當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)的精確程度與可信度的方法。這個(gè)措施為GNC系統(tǒng)正確使用紫外月球敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)提供了有效判據(jù)。

5）積分時(shí)間自主調(diào)節(jié)方法

受月面地形起伏、月面物質(zhì)特性、太陽(yáng)仰角變化等因素的影響，紫外月球敏感器所探測(cè)到的月面亮度通常變化很大。為提高敏感器對(duì)探測(cè)目標(biāo)的適應(yīng)性，在軟件中設(shè)置了自主調(diào)節(jié)光積分時(shí)間的功能。采用了隨不同地表與光照條件的積分自主調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像。

6）干擾光判別方法

在衛(wèi)星環(huán)月飛行期間，太陽(yáng)、地球均有可能進(jìn)入紫外月球敏感器視場(chǎng)并形成干擾。因此有效地鑒別外部干擾光是紫外月球敏感器進(jìn)行有效姿態(tài)測(cè)量的重要前提。由于紫外月球敏感器屬于成像式敏感器，視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)具有豐富的信息，因此軟件中采用了圖像分析的方法來(lái)監(jiān)視干擾光源是否出現(xiàn)。在地面及飛行試驗(yàn)中都驗(yàn)證了該判別算法的有效性。

3.2.4 CCD電路設(shè)計(jì)

受月面反射率、月面地形和太陽(yáng)仰角的影響，紫外月球敏感器所觀測(cè)到的月面亮度變化范圍很大。這就要求敏感器能夠通過(guò)調(diào)整CCD的光積分時(shí)間將輸出的圖像灰度控制在一定范圍內(nèi)，以保證圖像處理軟件能夠正常工作。根據(jù)分析，CCD光積分時(shí)間的可調(diào)范圍應(yīng)為5～600ms。

紫外月球敏感器的成像器件采用的是E2V公司的CCD器件。這種器件沒(méi)有電子快門功能，光積分時(shí)間控制范圍也很有限。按照器件手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)工作方式，CCD最小等效光積分時(shí)間約為80ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最小光積分時(shí)間5ms的要求。

為解決光積分時(shí)間調(diào)整的難題，對(duì)E2V公司提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序進(jìn)行了改進(jìn)，加入了“勢(shì)阱深度動(dòng)態(tài)控制”、“多余電荷導(dǎo)出”和“電荷傾倒”等手段，將最小等效光積分時(shí)間控制到5ms以內(nèi)，從而滿足了紫外月球敏感器工作需要。

3.2.5 敏感器的標(biāo)定與測(cè)試

同其他光學(xué)姿態(tài)敏感器一樣，紫外月球敏感器在制造過(guò)程中不可避免地存在一定的系統(tǒng)誤差。在敏感器交付前，需要對(duì)這些系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，以提高敏感器姿態(tài)測(cè)量精度。系統(tǒng)誤差的修正是通過(guò)敏感器標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的。

通常，光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)越大其標(biāo)定的誤差也越大。紫外月球敏感器視場(chǎng)角達(dá)到l50°，要在如此大的測(cè)量范圍內(nèi)保證標(biāo)定精度，并且滿足標(biāo)定函數(shù)形式簡(jiǎn)單和運(yùn)算速度快的要求，其難度極大。在紫外月球敏感器的標(biāo)定試驗(yàn)中，利用轉(zhuǎn)臺(tái)和平行光管進(jìn)行測(cè)試，采用待定系數(shù)法構(gòu)造誤差校正模型，并根據(jù)最優(yōu)理論進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，最終獲得像點(diǎn)平面坐標(biāo)與入射光矢量坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)。經(jīng)實(shí)測(cè)，紫外月球敏感器的像元標(biāo)定精度優(yōu)于30″。

為配合紫外月球敏感器的地面測(cè)試，研制了大型月球模擬器、精密三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、小型月球模擬器和數(shù)據(jù)采集裝置等設(shè)備，構(gòu)成了紫外月球敏感器的地面測(cè)試系統(tǒng)。依托這套測(cè)試系統(tǒng)，完成了紫外敏感器單機(jī)在各種月相下的精度測(cè)試、處理時(shí)間測(cè)試、通信功能測(cè)試和圖像傳輸?shù)纫幌盗袦y(cè)試，以及紫外敏感器在GNC分系統(tǒng)和整星中的綜合測(cè)試。

4 飛行試驗(yàn)

2007年l0月24日l(shuí)8時(shí)05分，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。在經(jīng)歷了調(diào)相軌道飛行、地月轉(zhuǎn)移軌道飛行后，于11月7日成功地完成了第三次近月制動(dòng)，順利進(jìn)入了軌道高度為200km的環(huán)月軌道。

在衛(wèi)星由太陽(yáng)定向模式轉(zhuǎn)入“星光環(huán)月”模式后，11月8日下午星上的兩臺(tái)紫外月球敏感器先后加電工作。之后對(duì)紫外月球敏感器進(jìn)行了為期三天的在軌測(cè)試。遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，敏感器各項(xiàng)功能正常，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

11月27日起，連續(xù)進(jìn)行了多次“紫外環(huán)月”飛行試驗(yàn)。在此模式下，紫外月球敏感器輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù)被GNC分系統(tǒng)引入?yún)⑴c整星閉環(huán)姿態(tài)控制。圖4～7顯示在紫外環(huán)月期間紫外月球敏感器輸出的姿態(tài)角。

圖4 2007年11月27日2l：27至23：59紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

從圖5中可以看到，在某些時(shí)間段內(nèi)兩臺(tái)紫外月球敏感器的輸出角都出現(xiàn)了幅度超過(guò)±l°的異常波動(dòng)。經(jīng)分析，此時(shí)太陽(yáng)已進(jìn)入敏感器外部擋光環(huán)的抑光錐以內(nèi)，陽(yáng)光及局部艙壁反照光對(duì)敏感器的姿態(tài)測(cè)量造成了嚴(yán)重干擾。

圖5 2007年11月28日0：00至7：59紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)

根據(jù)遙測(cè)的數(shù)據(jù)引入標(biāo)志，剔除了其中部分未被GNC采用的無(wú)效數(shù)據(jù)，這時(shí)敏感器輸出的姿態(tài)角如圖6所示。顯然，姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定度有了明顯改善。由此說(shuō)明，敏感器準(zhǔn)確地檢測(cè)到了外部干擾，并有效防止了不可信的姿態(tài)信息被控制系統(tǒng)使用。

在紫外環(huán)月飛行期間，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星姿態(tài)平穩(wěn)。統(tǒng)計(jì)處的紫外環(huán)月模式下衛(wèi)星姿態(tài)角速度誤差和姿態(tài)角誤差分別如表l～2所示。

表1 紫外環(huán)月模式下衛(wèi)星姿態(tài)角速度誤差

表2 紫外環(huán)月模式姿態(tài)角誤差

除執(zhí)行姿態(tài)測(cè)量任務(wù)外，紫外月球敏感器還具有圖像拍攝和傳輸功能。圖8為11月26日、28日和29日由紫外月球敏感器拍攝到的6幅月球影像。

圖6 數(shù)據(jù)引入標(biāo)志有效時(shí)紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

圖7 2007年l2月l日l(shuí)：49至6：58紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

圖8 紫外月球敏感器所拍攝月球影像

5 結(jié)束語(yǔ)

紫外月球敏感器是嫦娥一號(hào)衛(wèi)星重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一，同時(shí)也是我國(guó)第一個(gè)以月球?yàn)橛^測(cè)目標(biāo)的光學(xué)姿態(tài)敏感器，第一個(gè)大視場(chǎng)成像式敏感器，第一個(gè)工作在紫外譜段的光學(xué)敏感器。紫外月球敏感器在國(guó)際上也屬于首創(chuàng)。

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星環(huán)月飛行期間的遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示紫外月球敏感器在軌工作正常，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能和性能。

紫外月球敏感器的成功研制和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天控制技術(shù)領(lǐng)域的又一重大突破。

[l]屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京：宇航出版社，l998

An U1travio1et Lunar Sensor for CE-1 Spacecraft

HUANG Xin，WANG Li，LU Xin
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

CE-l，a lunar orbiting spacecraft，is part of the first phase of the chinese lunar exploration program.A novel optical sensor，ultraviolet（UV）lunar sensor，is employed in the CE-l satellite.The UV lunar sensor is a wide-field of view（FOV）optical sensor which operates in the orbit around moon and provides the GNC subsystem with the pitch and roll information.This paper introduces the information of the UV sensor，including the principle，functions and the results of flight tests.

ultraviolet lunar sensor；CE-l spacecraft；attitude determination

TN379

A

l674-l579（2008）0l-005l-05

2007-l2-09

黃欣（l97l-），男，北京人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾敲舾衅骷白贤饷舾衅鳎╡-mail：huangx@bice.org.cn）。