星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周厚元

摘 要：星敏感器是最常用的姿態(tài)確定儀器之一，論文根據(jù)星敏感器工作原理，在星敏感器總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了星敏感器電控系統(tǒng)的有源像素傳感器及智能控制器單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信單元。該電控系統(tǒng)功能完備，能夠滿(mǎn)足星敏感器系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：星敏感器 電控系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0066-02

星敏感器是一種高精度的姿態(tài)敏感器。它以恒星為參照系，通過(guò)探測(cè)天球上的恒星并進(jìn)行解算，為航空航天飛行器提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)[1]。相對(duì)于慣性陀螺、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器等其他姿態(tài)敏感器，星敏感器具有指向精度高、無(wú)姿態(tài)累積誤差、完全自主導(dǎo)航能力、隱蔽性好等特點(diǎn)[2]，已成為空間飛行器首選的姿態(tài)敏感器。星敏感器可用于多種平臺(tái)，如海基平臺(tái)、陸基平臺(tái)、機(jī)載平臺(tái)、彈載平臺(tái)和天基平臺(tái)等[3]。

1 星敏感器工作原理

星敏感器工作原理如圖1所示。當(dāng)星敏感器對(duì)星空成像時(shí)，視場(chǎng)內(nèi)的所有恒星便會(huì)經(jīng)由光學(xué)鏡頭成像在圖像傳感器的感光面上，同時(shí)完成星像由光到電荷的轉(zhuǎn)換，由支持電路讀出所轉(zhuǎn)換的電荷圖像，并將其放大為電壓模擬信號(hào)，通過(guò)片上A/D轉(zhuǎn)換之后輸出數(shù)字信號(hào)，并且與圖像傳感器的像元一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)到星圖存儲(chǔ)器中，隨后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)掃描星圖的所有像元，從中識(shí)別出恒星，計(jì)算出觀(guān)測(cè)到的恒星能量和在像面像元坐標(biāo)系的位置。之后，提取星圖中恒星的幾何特征模式，同導(dǎo)航星庫(kù)中的導(dǎo)航模式進(jìn)行匹配，如果觀(guān)測(cè)星模式與導(dǎo)航星模式匹配成功，就可以利用姿態(tài)解算方法來(lái)確定星敏感器的光軸在慣性空間中的指向[4]。

2 星敏感器系統(tǒng)總體方案

星敏感器系統(tǒng)主要由3部分組成：電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)本體組成，如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)由遮光罩、光學(xué)鏡頭及臨時(shí)連接筒組成，遮光罩用于減小雜散光的干擾，光學(xué)鏡頭收集指定導(dǎo)航星發(fā)出的可見(jiàn)光，并將其成像在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上。電控系統(tǒng)將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并空間離散采樣，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字星圖，并提取各星點(diǎn)目標(biāo)的精確質(zhì)心位置。結(jié)構(gòu)本體將光學(xué)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。

3 星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

星敏感器電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。系統(tǒng)主要由有源像素傳感器及智能控制器單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信單元組成。有源像素傳感器及智能控制器單元主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的控制指令，產(chǎn)生有源像素傳感器圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并空間離散采樣，并完成數(shù)字星圖的讀出和存儲(chǔ)[5]。數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的1553B控制器接收來(lái)自載體控制器的指令，控制有源像素傳感器及智能控制器單元的工作，處理所拍攝的星圖，計(jì)算出星點(diǎn)的質(zhì)心位置并回傳至載體控制器，所拍攝的星圖可通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的遙測(cè)控制器發(fā)送到載體遙測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信單元主要負(fù)責(zé)與載體控制器和載體遙測(cè)系統(tǒng)通信，具體分別由1553B控制器和遙測(cè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 有源像素傳感器及智能控制器單元

有源像素傳感器及智能控制器單元是星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。它要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的控制指令，產(chǎn)生圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像光電轉(zhuǎn)換后空間離散采樣，并完成數(shù)字星圖的讀出和存儲(chǔ)。

3.2 有源像素傳感器

有源像素傳感器是星敏感器電控系統(tǒng)的核心部件。其功能是在微處理器的控制下，將導(dǎo)航星在其感光面上所成的圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供隨后的數(shù)據(jù)處理單元使用。由于導(dǎo)航星的亮度差別較大，光譜特性不盡相同，因此，星敏感器要求圖像傳感器具有較寬的光譜響應(yīng)范圍、較高的靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。論文選用美國(guó)賽普拉斯半導(dǎo)體公司為空間應(yīng)用研發(fā)的圖像傳感器STAR1000，利用可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)控制，具有抗干擾能力和抗輻射能力強(qiáng)、可靠性高、特別適合應(yīng)用于復(fù)雜的太空環(huán)境等特點(diǎn)。

3.3 智能控制器的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)STAR1000，設(shè)計(jì)的智能控制器功能有：（1）上位機(jī)可查詢(xún)和設(shè)置窗口大小、曝光時(shí)間；（2）可接收上位機(jī)的有效指令，產(chǎn)生STAR1000所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的A/D轉(zhuǎn)換；（3）圖像A/D轉(zhuǎn)換后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)存放到靜態(tài)存儲(chǔ)器中；（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，并將該靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制權(quán)交回上位機(jī)，并將另一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制權(quán)交給該智能控制器，實(shí)現(xiàn)乒乓存儲(chǔ)；（5）可查詢(xún)?cè)撝悄芸刂破鞯臓顟B(tài)。智能控制器設(shè)計(jì)完成后，即可驅(qū)動(dòng)控制圖像傳感器，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到2片靜態(tài)存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)乒乓緩存，且能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)據(jù)處理單元的接口。

3.4 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元是星敏感器電控系統(tǒng)的核心處理單元。它主要負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的1553B控制器接收來(lái)自載體控制器的指令，控制有源像素傳感器及智能控制器單元的工作，處理所拍攝的星圖，計(jì)算各星點(diǎn)目標(biāo)的質(zhì)心位置并回傳至載體控制器，所拍攝的星圖通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的遙測(cè)控制器發(fā)送到載體遙測(cè)系統(tǒng)。

3.5 數(shù)據(jù)通信單元

數(shù)據(jù)通信單元是星敏感器電控系統(tǒng)的外部接口。它主要負(fù)責(zé)與載體控制器和載體遙測(cè)系統(tǒng)通信，具體分別由1553B控制器和遙測(cè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。與載體控制器的通信采用1553B總線(xiàn)，遙測(cè)數(shù)據(jù)采用RS232協(xié)議形式進(jìn)行通信。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于太陽(yáng)敏感器、磁強(qiáng)計(jì)、地平儀和陀螺儀等其他常見(jiàn)的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航能力，抗干擾能力強(qiáng)。文章設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的智能有源圖像控制器和基于ARM的數(shù)據(jù)處理單元。該電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的捕獲，以及數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的輸出和存儲(chǔ)，與載體控制器和遙測(cè)部分通信可靠，并且具有小型化和輕量化特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉壘，張路，鄭辛，等.星敏感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].紅外與激光工程，2007（36）：529-533.

[2] 譚漢清，劉壘.慣性/星光組合導(dǎo)航技術(shù)綜述[J].飛航導(dǎo)彈，2008（5）：44-51.

[3] 何炬.國(guó)外天文導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27（5）：91-96.

[4] 劉朝山，劉光斌，王新國(guó)，等.彈載星敏感器原理及系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[5] 王洪濤，羅長(zhǎng)洲，王渝，等.智能APS控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電光與控制，2009，16（3）：58-82.