高精度星敏感器動(dòng)態(tài)測(cè)量精度檢測(cè)方法

郭敬明 楊輕云 賈建祿

摘 要：星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測(cè)量裝置，它通過探測(cè)天球上不同位置的恒星來確定載體姿態(tài)。星敏感器樣機(jī)研制完成后，需要對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證。將星敏感器固定在經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服系統(tǒng)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，存儲(chǔ)星圖及時(shí)間碼，同時(shí)，經(jīng)緯儀主控軟件記錄時(shí)間碼及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的編碼器值。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)來驗(yàn)證星敏感器的動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：星敏感器在轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3°/s時(shí)，動(dòng)態(tài)精度優(yōu)于10″，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：星敏感器 動(dòng)態(tài)性能 經(jīng)緯儀

中圖分類號(hào)：TN379 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0075-02

星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測(cè)量裝置，以恒星為參照物，利用攝像頭探測(cè)單元某一時(shí)刻對(duì)天空直接捕獲星圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元對(duì)星圖進(jìn)行恒星質(zhì)心提取、星圖識(shí)別、星跟蹤、姿態(tài)計(jì)算等一系列處理，獲得星敏感器瞬時(shí)視軸指向信息，在航天器上已獲得廣泛應(yīng)用[1]。由于星敏感器具有精度高、低功耗、小尺寸、低成本的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大。星敏感器在航天器上應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在地面的應(yīng)用尤其在海上船用星敏感器技術(shù)尚有許多問題需要解決：大氣折射誤差修正、動(dòng)態(tài)拖尾情況下星圖的提取與識(shí)別等。近年來，隨著大視場(chǎng)高精度星敏感器技術(shù)的成熟，將星敏感器安裝于無(wú)線電雷達(dá)等測(cè)量設(shè)備上，以提高測(cè)控設(shè)備測(cè)角精度成為研究熱點(diǎn)[2]。動(dòng)態(tài)測(cè)量精度是衡量星敏感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)之一。該文介紹了星敏感器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，將星敏感器固定于經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服系統(tǒng)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，存儲(chǔ)星圖及時(shí)間碼，經(jīng)緯儀主控軟件記錄對(duì)應(yīng)的時(shí)間碼、編碼器值，星敏感器通過星點(diǎn)提取、星圖識(shí)別及姿態(tài)解算等一系列數(shù)據(jù)處理，最后，解算星敏感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。

1 星敏感器構(gòu)成及工作原理

星敏感器工作原理圖如圖1所示，其中光學(xué)系統(tǒng)用于獲取天空星圖，星圖處理模塊完成星圖預(yù)處理、亞像元細(xì)分定位、對(duì)星圖進(jìn)行恒星質(zhì)心的提取、星圖識(shí)別以及星圖跟蹤等一系列計(jì)算，導(dǎo)航解算模塊計(jì)算星敏感器光軸在地心慣性空間的瞬時(shí)指向，再經(jīng)坐標(biāo)變換后確定載體的位置和姿態(tài)信息。

星敏感器以恒星發(fā)出的微弱星光信號(hào)為探測(cè)目標(biāo)。由于星光信號(hào)較微弱，所以對(duì)星敏感器采用的圖像探測(cè)器靈敏度提出了很高要求。早期主要采用長(zhǎng)焦距、小視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，探測(cè)星等較高。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些高靈敏度的探測(cè)器件不斷出現(xiàn)，使星敏感器可以采用視場(chǎng)相對(duì)較大、焦距相對(duì)較短的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)也縮短了拍攝星圖的積分時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)更新速率，所以目前探測(cè)器一般選取靈敏度較高的EMCCD。該文選擇比較有代表性E2V公司的CCD201，CCD201是新型的EMCCD。CCD201是一款大面陣背照式EMCCD，具有極高的靈敏度和極高的量子效率。EMCCD技術(shù)始于“全固態(tài)電子倍增技術(shù)”。其與傳統(tǒng)CCD的不同在于在串行讀出寄存器后面增加了固態(tài)電子倍增結(jié)構(gòu)（CCM），信號(hào)電荷在進(jìn)入讀出放大器前先進(jìn)行電荷倍增放大，因此EMCCD不受讀出噪聲的限制，極大地提高了傳感器靈敏度。其主要技術(shù)指標(biāo)：有效像元數(shù)為1024（H）×1024（V），像元大小為13μm×13μm；填充因子為100%；讀出噪聲為43e-；暗電流信號(hào)密度為700e-/pixel/s（25℃），55 e-/pixel/s（0℃）；量子效率≥90%（500nm-650nm，-20℃）。

星敏感器的姿態(tài)測(cè)量精度可由休斯公司的仿真評(píng)價(jià)公式[3]估算：

（1）

（2）

式中，σP、σY分別是俯仰、偏航方向的姿態(tài)測(cè)量誤差角度，σR是橫滾方向（指對(duì)星敏感器）的姿態(tài)測(cè)量誤差角弧度，n是參與計(jì)算的星數(shù)，σxy是星敏感器像面座標(biāo)中x、y方向上的角度測(cè)量誤差（單星測(cè)量誤差），θsep為探測(cè)星的平均分離角度。姿態(tài)測(cè)量精度隨著單星測(cè)量精度、參與計(jì)算星數(shù)目的增加而提高，橫滾的精度隨參與計(jì)算星數(shù)目和這些星的分離角度的增大而提高。視場(chǎng)和可探測(cè)星數(shù)n是相互關(guān)聯(lián)的，探測(cè)星等固定時(shí)只有提高視場(chǎng)角才能提高可探測(cè)星數(shù)n。而在視場(chǎng)角固定時(shí)，為了提高測(cè)量精度，只有提高探測(cè)暗星的能力才能提高可探測(cè)星數(shù)n。當(dāng)視場(chǎng)相對(duì)較小時(shí)，鏡頭的焦距可以長(zhǎng)，在相對(duì)口徑一定時(shí)，有效口徑可以大，對(duì)暗星的探測(cè)能力提高顯著，其單星測(cè)量精度可以達(dá)到相當(dāng)高的水平。因此，在視場(chǎng)一定條件下，選擇合適的星等探測(cè)靈敏度來滿足可探測(cè)星數(shù)目n的要求就比較重要了。

為實(shí)現(xiàn)小型化、輕型化設(shè)計(jì)，采用大相對(duì)孔徑光學(xué)系統(tǒng)是核心技術(shù)。在設(shè)計(jì)高精度、大相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，光學(xué)系統(tǒng)與選用的探測(cè)器CCD匹配工作，從而實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的恒星探測(cè)范圍。為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確探測(cè)或跟蹤，提高后續(xù)電子學(xué)處理的精度，不僅要實(shí)現(xiàn)能量的高靈敏度收集，同時(shí)探測(cè)光斑應(yīng)該具有對(duì)稱性好，色差小以及系統(tǒng)畸變小的特點(diǎn)。同時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)情況下成像光斑的一致性，以保證實(shí)時(shí)探測(cè)跟蹤的精度。此外，光學(xué)系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)在不同溫度范圍內(nèi)均滿足能量收集的要求。該文通過計(jì)算，選取星相機(jī)為采用CCD201芯片的高靈敏度相機(jī)Andor iXon Ultra 888，焦距200 mm，口徑72 mm，相對(duì)口徑優(yōu)于1∶2，視場(chǎng)為4°×4°，整個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)彌散斑分布在1.8～2.5個(gè)像元上，盡可能均勻，并嚴(yán)格控制不對(duì)稱像差，以保證光學(xué)瞄準(zhǔn)精度，質(zhì)心漂移量≤1 μm，單星測(cè)量精度≤3.1″，星敏感器數(shù)據(jù)更新率為10 Hz，能滿足測(cè)量精度要求。

2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

星敏感器靜態(tài)測(cè)量精度可通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探測(cè)器選擇等滿足指標(biāo)要求，但其動(dòng)態(tài)測(cè)量精度還需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖2所示，星敏感器固定于經(jīng)緯儀跟蹤架上，控制機(jī)柜主控軟件發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)控制跟蹤架等速轉(zhuǎn)動(dòng)。

星相機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)、EMCCD圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、視頻處理器、時(shí)序控制器及制冷溫控系統(tǒng)等組成，通過光纖傳輸系統(tǒng)向數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)星圖，用于星圖識(shí)別與姿態(tài)確定；光纖傳輸系統(tǒng)由光纖、光纖滑環(huán)、輸入輸出接口電路、主控制器、光纖信道編碼器及光纖收發(fā)模塊等組成，主要作用是建立星相機(jī)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)間的通信鏈路，傳輸圖像數(shù)據(jù)、串行通信數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號(hào)。光纖傳輸主要解決了船上長(zhǎng)距離圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶鸥蓴_問題。通過采用光纖傳輸方式可以極大降低布線難度、并且避免圖像信號(hào)備無(wú)線電信號(hào)干擾，可顯著提高系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)提供主控軟件及數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)行平臺(tái)，由1臺(tái)工控機(jī)組成（工控機(jī)內(nèi)含時(shí)統(tǒng)板、RS-422串口卡、圖像采集卡及實(shí)時(shí)圖像處理器等板卡），完成星圖處理、星圖識(shí)別、星圖存儲(chǔ)與回放、姿態(tài)確定及綜合數(shù)據(jù)處理等功能。串口通訊卡選用MOXA公司的 CP-118U八口串口通信卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)與時(shí)統(tǒng)、相機(jī)、圖像處理器的串行通信。RS422、RS232、RS485三種接口可選擇進(jìn)行配置。GPS時(shí)統(tǒng)終端為PCI總線結(jié)構(gòu)，由溫補(bǔ)晶振、GPS接收機(jī)及天線、兩片控制芯片及一片F(xiàn)PGA組成，具有GPS授時(shí)功能，可接收GPS和標(biāo)準(zhǔn)B（AC、DC）碼時(shí)統(tǒng)信號(hào)，給出絕對(duì)時(shí)間，同時(shí)具備標(biāo)準(zhǔn)B（AC、DC）碼輸出功能，負(fù)責(zé)提供整個(gè)系統(tǒng)的外同步信號(hào)及時(shí)間信息，包括數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)所需的同步信號(hào)，采用RS-232接口；包括相機(jī)所需的10f/s同步脈沖，并具有同步信號(hào)修正功能。圖像采集卡為PCI總線結(jié)構(gòu)，由CameraLink解碼單元、串口接口電路、SRAM存儲(chǔ)單元、FPGA邏輯控制單元及PCI接口電路組成，完成CameraLink圖像采集，通過PCI9054專用芯片，由驅(qū)動(dòng)程序傳至上位機(jī)應(yīng)用程序，存入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)硬盤。星敏感器電控系統(tǒng)由空開、開關(guān)電源組成，負(fù)責(zé)星敏感器系統(tǒng)的供電。

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)上電后，星相機(jī)完成星圖采集，圖像采集卡接收時(shí)統(tǒng)的外同步與時(shí)間碼，將時(shí)間信息疊加到圖像最后一行，再存入計(jì)算機(jī)，便于事后數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，經(jīng)緯儀主控軟件按時(shí)統(tǒng)觸發(fā)同步記錄時(shí)間碼、編碼器值，存入文件。最后，通過星點(diǎn)提取、星圖識(shí)別及姿態(tài)解算等數(shù)據(jù)處理，與記錄的時(shí)間碼、編碼器文件對(duì)比，解算星敏感器的動(dòng)態(tài)精度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

星敏感器樣機(jī)研制完成后，需對(duì)其主點(diǎn)、焦距等進(jìn)行精確標(biāo)定，采用轉(zhuǎn)動(dòng)帶發(fā)光目標(biāo)的高精度0.5″萊卡經(jīng)緯儀（TM5100A）來進(jìn)行標(biāo)定。該萊卡經(jīng)緯儀能提供方位、俯仰編碼器值（0°～360°），并能產(chǎn)生帶目標(biāo)光源，轉(zhuǎn)動(dòng)萊卡經(jīng)緯儀，獲取主點(diǎn)附近多幀帶目標(biāo)的圖像，經(jīng)過圖像處理提取目標(biāo)中心，迭代計(jì)算出主點(diǎn)、焦距。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

利用跟蹤架的隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)、動(dòng)態(tài)拍星、編碼器數(shù)據(jù)記錄等功能，將星敏感器固定在經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服等速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定伺服等速轉(zhuǎn)動(dòng)，分別按1°/s、2°/s、3°/s速度轉(zhuǎn)動(dòng)通過經(jīng)緯儀引導(dǎo)到特定天區(qū)進(jìn)行拍攝，對(duì)天區(qū)內(nèi)不同星等的恒星進(jìn)行提取和識(shí)別。2013年8月26日在所內(nèi)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度試驗(yàn)參數(shù)：北緯43°50′46.6442″，東經(jīng)125°24′3.0193″，海拔220.771 m，溫度為11.10℃，氣壓為1021.70 hPa。星敏感器在積分時(shí)間、增益等參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，當(dāng)角速度達(dá)到3°/s時(shí)，成像約12個(gè)像素，成像質(zhì)量仍能較好滿足提取要求，有效保證星圖識(shí)別與姿態(tài)精度解算。

由經(jīng)緯儀輸出的編碼器角度作為星敏感器視軸初始指向，由初始指向獲取某一天區(qū)范圍內(nèi)的導(dǎo)航星，在星角距庫(kù)中檢索導(dǎo)航星，并通過星點(diǎn)映射的方法投影到星敏感器靶面坐標(biāo)系，設(shè)定像素坐標(biāo)判定閾值，與觀測(cè)星圖中提取的觀測(cè)星進(jìn)行匹配（選取最亮的6～8顆星進(jìn)行匹配），匹配完成后計(jì)算姿態(tài)。在匹配前，按像素灰度值坐標(biāo)排序，從而減少匹配次數(shù)。

對(duì)19：41：58：590，積分時(shí)間為10 ms、增益100時(shí)拍攝的動(dòng)態(tài)星圖，進(jìn)行星點(diǎn)提取、識(shí)別結(jié)果及輸出姿態(tài)結(jié)果如表2所示。

對(duì)19：28：22：750至19：50：45：39動(dòng)態(tài)拍攝星圖進(jìn)行處理，由試驗(yàn)參數(shù)經(jīng)坐標(biāo)變換可以得到地平坐標(biāo)系下姿態(tài)，解算地平系方位、俯仰指向精度分別為8.7394″和7.6620″。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了高精度星敏感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度檢驗(yàn)方法，進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)表明，星敏感器樣機(jī)動(dòng)態(tài)星識(shí)別、姿態(tài)計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)問題已經(jīng)解決，星敏感器在轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3°/s時(shí)，動(dòng)態(tài)精度優(yōu)于10″。下一步將通過提高星點(diǎn)提取算法精度和縮短積分時(shí)間來提高星敏感器動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。

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