三視場星敏感器的研究

丁亞雪 王磊

【摘要】對三視場星敏感器的軟、硬件進(jìn)行了研究。本設(shè)計采用FPGA+ DSP的構(gòu)架模式，完成整個系統(tǒng)的資源調(diào)度、時序控制、質(zhì)心提取，及星點信息融合。本文針對多天體星空觀測的需求及其特殊性，闡述三視場衛(wèi)星姿態(tài)確定的數(shù)據(jù)處理單元及軟件設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】多視場；DSP+FPGA；星敏感器；數(shù)據(jù)單元；軟件方案

1.引言

星敏感器是一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測量部件，是衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對衛(wèi)星姿態(tài)及導(dǎo)航精度的要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的單視場、小視場、大功耗的星敏感器已經(jīng)不能滿足衛(wèi)星多任務(wù)、高精度、高可靠性的要求，而逐漸向多視場、低功耗、抗輻射及微型化發(fā)展。本設(shè)計對三視場、小型化、高精度星敏感器進(jìn)行研究。

2.三視場星敏感器工作原理

本設(shè)計在單視場星敏感器工作的基礎(chǔ)上，將單視場擴展為三視場。三視場星敏感器通對恒星、地球、月球圖像的采集、處理及各路圖像信息融合，最后輸出衛(wèi)星的姿態(tài)和在空間中的位置信息。三視場星敏感器是在軟硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上通過圖像采集單元、圖像處理單元及位置和姿態(tài)計算單元實現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整和空間定位的。

2.1 單視場星敏感器的工作原理

恒星圖像通過光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD（或CMOS）光敏面上，信號檢測線路將恒星光能轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬信號處理單元對其進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)字化后的星圖進(jìn)行處理，星識別軟件對星圖中的星按匹配方法構(gòu)造匹配模式，與導(dǎo)航星庫中的已有模式進(jìn)行匹配、處理，形成觀測星與導(dǎo)航星的唯一匹配星對。利用匹配星對，姿態(tài)計算軟件通過姿態(tài)計算方法確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向，最后由此指向及星敏感器與衛(wèi)星本體的安裝角就可以完成衛(wèi)星三軸瞬時姿態(tài)的測量，通過姿態(tài)預(yù)測算法預(yù)測衛(wèi)星的下一姿態(tài)并進(jìn)行姿態(tài)控制。當(dāng)然，為保證得到更可靠的姿態(tài)和位置信息，衛(wèi)星的姿態(tài)控制單元也有來自陀螺、磁強計等其他姿態(tài)敏感器的姿態(tài)信號。

2.2 地球和月球敏感器工作原理

多天體星空觀測敏感器除了對恒星進(jìn)行觀測以外，還需要對地球和月球進(jìn)行觀測。具體來說，對月球或者地球的圖像處理過程為：邊緣圖像檢測，輪廓提取，不完全輪廓擬合，圓心計算。

在經(jīng)過與對恒星相同的圖像處理過程之后，得到數(shù)字化的地球和月球的圖像信息。由于該圖像信息可能只是地球或者月球的一部分，所以必須通過程序根據(jù)這一部分圖像信息對地球或者月球的圖像輪廓擬合之后才能計算出衛(wèi)星相對球心和相對地心的夾角，由于地球跟月球距離是固定的，根據(jù)衛(wèi)星相對兩球心的夾角就可以計算出衛(wèi)星在空間的具體位置。

另外，為了保證衛(wèi)星姿態(tài)和位置信息的準(zhǔn)確性，必須保證敏感器對圖像采集的同時性，所以采用高效的自動曝光調(diào)節(jié)算法是非常必要的，通過高效自動曝光調(diào)節(jié)算法敏感器能夠根據(jù)圖像的拍照效果自動控制曝光時間。在信息采集同時的前提下，通過對三路信號的融合可以計算出衛(wèi)星的姿態(tài)和其空間位置。

3.硬件電路設(shè)計及器件選型

本設(shè)計針對高精度姿態(tài)確定系統(tǒng)的任務(wù)需求，基于工業(yè)鏡頭和低功耗探測器，完成微小型三視場星敏感器的研制。本設(shè)計硬件系統(tǒng)由成像單元和數(shù)字信號處理單元構(gòu)成，并采用LVDS接口電路對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3.1 成像單元

成像單元采用CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件。本設(shè)計采用APTINA公司的MT9M034L12STM黑白探測器，該探測器具有高靈敏度、高動態(tài)范圍、高信噪比、低功耗的優(yōu)點。

3.2 數(shù)字處理單元

信號處理單元采用采用1片F(xiàn)PGA和1片DSP的構(gòu)架模式。其中FPGA實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的資源調(diào)度，邏輯和時序控制，完成三視場星點坐標(biāo)的質(zhì)心提取，DSP管理FPGA、SDRAM和FLASH。DSP從FPGA中加載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，再將處理后的結(jié)果通過FPGA發(fā)送到外部通信單元。DSP+FPGA系統(tǒng)最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)容易維護(hù)和擴展，適合實時信號處理。本設(shè)計中FPGA選擇Actel公司的Flash型防輻射、低功耗產(chǎn)品A3PE3000。DSP選擇TMS320C6748，其最低功耗為 420mW，可充分滿足高能效、連通性設(shè)計對高集成度外設(shè)、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求。

3.3 接口電路

在接口電路上，本設(shè)計采用芯片DS90C032設(shè)計一組LVDS接口電路進(jìn)行圖像和數(shù)據(jù)傳輸。LVDS是一種低壓查分信號接口技術(shù)，采用LVDS輸出接口可以使得信號在差分PCB線上以幾百Mbit/s的速率傳輸。由于LVDS信號物理電平變化在0.85V～1.55V之間，其由邏輯“0”電平到邏輯“1”電平變化的時間比TTL電平變化要快很多，所以LVDS更適合用來傳輸高速度變化信號。這種低壓和低電流驅(qū)動方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡驮肼暫偷凸摹?/p>

4.結(jié)論

本文討論了三視場星敏感器中星敏感器、地球和月球敏感器的工作原理，通過對硬件電路設(shè)計的介紹，芯片選型分析，為設(shè)計出用于姿態(tài)確定的數(shù)據(jù)處理單元，為高精度的多視場測量算法提供嵌入式的運行環(huán)境，完成具有低功耗、高性能的數(shù)據(jù)處理單元硬件電路的研制奠定了硬件基礎(chǔ)。

作者簡介：丁亞雪（1989—），女，研究方向：控制理論與控制工程。