一種小型化分體式星敏感器的設(shè)計(jì)

桑文華，游鵬程，王文璞，段宇鵬，趙啟坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

一種小型化分體式星敏感器的設(shè)計(jì)

桑文華，游鵬程，王文璞，段宇鵬，趙啟坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

星敏感器是以恒星為參照系，以星空為工作對(duì)象的高精度空間姿態(tài)測(cè)量裝置，提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)，具有高精度、無(wú)漂移、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可與慣性儀表組成復(fù)合導(dǎo)航。針對(duì)小體積、高精度的應(yīng)用需求，重點(diǎn)概述了星敏感器小型化分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、星像提取和星圖識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，為小型化星敏感器研制提供了設(shè)計(jì)思路。

星敏感器；小型化；星像；識(shí)別

0　引言

基于星跟蹤功能模式的星敏感器，可以通過(guò)觀測(cè)天空中的恒星，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量，輔助慣導(dǎo)系統(tǒng)提高導(dǎo)航精度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。德國(guó)Jena-Optronik公司的ASTRO15、法國(guó)SODERN公司的SED36和美國(guó)Lockheed Martin公司的AST-301等產(chǎn)品，具有全天球、全自主的姿態(tài)解算功能，這些星敏感器多采用了基于CCD的圖像采集模式，其序列圖像采集的特點(diǎn)，限制了提取速度，而且工作在光敏感器件建議的運(yùn)行溫度下。與其相比，市場(chǎng)對(duì)小型化、高溫環(huán)境下具有目標(biāo)天區(qū)的星敏感器應(yīng)用需求更為迫切，引導(dǎo)星敏感器技術(shù)向小體積、高速率、高精度、耐高溫的功能特性趨勢(shì)發(fā)展。國(guó)外研制該類星敏感器較為成熟，法國(guó)SODERN公司專門(mén)為高溫環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的基于CCD的SED20星跟蹤器，美國(guó)Microcosm公司的DayStar系統(tǒng)可以在白天的海平面上進(jìn)行觀測(cè)與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合提供高精度的導(dǎo)航參數(shù)；對(duì)比已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的高溫環(huán)境下的小型化星敏感器同類產(chǎn)品，我國(guó)的同類星敏感器產(chǎn)品總體研制水平相對(duì)落后，主要體現(xiàn)在：精度低、數(shù)據(jù)更新率低、高溫壽命短。因此，結(jié)合應(yīng)用需求，以小型化星敏感器為研制目標(biāo)，重點(diǎn)概述了小型化分體式結(jié)構(gòu)、寬視場(chǎng)高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)、星像提取和星圖識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，提供一種設(shè)計(jì)思路。

1　星敏感器基本原理

如圖1所示，恒星所發(fā)出的星光，通過(guò)星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)成像在光敏面上，由信號(hào)檢測(cè)線路將星光的光能轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬信號(hào)處理單元對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。當(dāng)天空星圖以數(shù)字量的形式存在于內(nèi)存時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元的工作是對(duì)數(shù)字化后的星圖進(jìn)行處理，星圖提取時(shí)剔除大目標(biāo)，并進(jìn)行星點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算和星等計(jì)算。星圖識(shí)別時(shí)基于匹配方法構(gòu)造匹配模式，與導(dǎo)航星庫(kù)中的已有模式進(jìn)行匹配、處理，形成觀測(cè)星與導(dǎo)航星的唯一匹配星對(duì)。利用匹配星對(duì)，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安裝角解算并輸出三軸瞬時(shí)姿態(tài)。因此，星敏感器正常工作，關(guān)鍵技術(shù)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、星象提取和星圖識(shí)別等，下面結(jié)合星敏感器小體積、分體式、高精度等設(shè)計(jì)目標(biāo)，重點(diǎn)闡述小型化分體式星敏感器的設(shè)計(jì)思路。

圖1　星敏器功能框圖Fig.1　Block diagram of function of the sensor star

2　小型化分體式結(jié)構(gòu)

小型化星敏感器具有明確的應(yīng)用背景，小尺寸約束為強(qiáng)約束，決定了星敏感器研制的小型化要求，由此設(shè)計(jì)了星敏感器的小型化分體式結(jié)構(gòu)，具體包括殼體支架、星敏器安裝法蘭、鏡頭安裝接口、后蓋、基準(zhǔn)塊、墊片、通行接口模塊等。下面從殼體設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)塊和安裝基準(zhǔn)的選擇三個(gè)方面闡述設(shè)計(jì)中需要考慮的因素。

殼體設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括星敏器殼體支架、星敏器安裝法蘭、鏡頭安裝接口和后蓋。殼體支架是長(zhǎng)寬高的強(qiáng)約束條件決定的，在此輪廓內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分體設(shè)計(jì)和局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。星敏器安裝法蘭是應(yīng)用已經(jīng)明確的約束條件，需要完全繼承。鏡頭安裝接口的設(shè)計(jì)，需要考慮的是鏡頭自身結(jié)構(gòu)和安裝后是否干涉系統(tǒng)其他部件，由于鏡頭是圓筒狀六片式結(jié)構(gòu)，顯然安裝位置的外圍輪廓是一個(gè)圓筒狀輪廓，而該輪廓的圓心位置及大小是由不干涉其他部件的條件決定的；另外，鏡頭是由前至后穿插安裝到殼體的，因此，要在鏡頭能順利通過(guò)安裝孔的前提下保證較高的安裝精度；殼體上的安裝孔與鏡頭之間采用正負(fù)公差配合，以保證鏡頭的定位精度；同時(shí)，對(duì)鏡頭法蘭的安裝基準(zhǔn)面有較高的平面度與垂直度要求，從而確保鏡頭的安裝精度。最后，后蓋設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮星敏器內(nèi)部的光敏感器件，為了盡量避免外部光源進(jìn)入，后蓋修改原有的平板直插的方式，與殼體支架采用了臺(tái)階型配合。

基準(zhǔn)塊設(shè)計(jì)考慮的因素主要包括加工精度和安裝方式?；鶞?zhǔn)塊主要功能是標(biāo)定星敏器與系統(tǒng)之間的安裝角，對(duì)加工精度提出了很高的要求，并明確了平面度、垂直度和粗超度的具體要求?；鶞?zhǔn)塊與殼體連接時(shí)采用了過(guò)度安裝方式，即二者之間采用了墊片過(guò)渡，而墊片與殼體之間通過(guò)對(duì)角正反攻絲螺紋固定，盡量避免溫度的影響。

安裝基準(zhǔn)的合理選擇是為了確保星敏感器與系統(tǒng)的安裝精度，主要包括殼體與系統(tǒng)的安裝基準(zhǔn)、鏡頭與殼體之間的安裝基準(zhǔn)、基準(zhǔn)塊與殼體的安裝基準(zhǔn)等。星敏感器通過(guò)殼體中部的安裝基準(zhǔn)面與系統(tǒng)連接，鏡頭通過(guò)鏡頭法蘭與殼體的鏡頭安裝基準(zhǔn)面連接，基準(zhǔn)塊通過(guò)墊片與殼體連接。另外，通信接口模塊的作用是為星敏器和系統(tǒng)之間提供標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口。

3　光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)主要包括雜散光抑制、鏡頭和光敏感器件。光學(xué)系統(tǒng)主要在應(yīng)用需求的小型化強(qiáng)約束下進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果很大程度上直接影響到星敏感器的大部分重要指標(biāo)，如尺寸體積、質(zhì)量、高溫性能等，也間接影響到自主導(dǎo)航性能、更新速率等。

雜散光抑制的目的是消除雜散光對(duì)光敏感器件的影響。雜散光基本上有三種，第一種是由視場(chǎng)外光線沒(méi)有經(jīng)過(guò)成像光路直接到達(dá)像面形成的；第二種雜光是由視場(chǎng)內(nèi)光線經(jīng)過(guò)鏡筒等構(gòu)件表面反射和散射光到達(dá)像面而致；第三種雜光是由視場(chǎng)內(nèi)的光線由于成像光學(xué)元件不完善而產(chǎn)生的雜散光。遮光罩就是雜散光抑制的主要措施，抑制進(jìn)入星敏感器圖像傳感器的外部雜散光，降低所獲取星圖的背景噪聲，提高目標(biāo)星的成像質(zhì)量和背景恒星的質(zhì)心定位精度。由于小型化星敏感器選用了折射式光學(xué)系統(tǒng)，其本體采用封閉式結(jié)構(gòu)，光線只允許從鏡頭通光孔進(jìn)入后到達(dá)像面，所以，鏡頭前端設(shè)計(jì)的遮光罩，完全可以起到雜散光抑制的作用，徹底消除一次雜光。而多次雜光的抑制方法是在光路內(nèi)設(shè)置有消雜光的光欄，并在結(jié)構(gòu)件內(nèi)壁加工有遮光扣并涂覆低反射率的涂層，通過(guò)提高透鏡表面的粗糙度來(lái)降低多次雜光。

鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果定型了星敏感器在強(qiáng)尺寸約束條件下的視場(chǎng)、靈敏度、彌散斑能量集中度等關(guān)鍵指標(biāo)。星敏感器應(yīng)用于目標(biāo)天區(qū)下的輔助導(dǎo)航時(shí)，其光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)就已經(jīng)納入了星跟蹤的預(yù)定功能模式。這種目標(biāo)天區(qū)下的先驗(yàn)信息可以預(yù)先確定星敏感器的天球視場(chǎng)中可能出現(xiàn)的星等及數(shù)量，然后結(jié)合星敏感器指標(biāo)中的極限星等和跟蹤模式必需的星數(shù)，基于1990年版的史密森SAO星表進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，從而確定最佳視場(chǎng)。由于視場(chǎng)是由光敏感器件的焦平面尺寸和鏡頭焦距決定，所以，初步篩選出光敏感器件后，鏡頭焦距相應(yīng)也就確定了?；谟?jì)算的焦距，配合觀測(cè)星中心波長(zhǎng)、焦平面窗口尺寸、填充因子、透過(guò)率、噪聲水平、量子效率等參數(shù)，優(yōu)化選擇信噪比、曝光時(shí)間（影響更新速率），綜合確定決定星像觀測(cè)靈敏度的最佳鏡頭孔徑；最后通過(guò)加工難度系數(shù)校驗(yàn)設(shè)計(jì)是否可行，并反復(fù)修正參數(shù)直至滿足要求。綜合來(lái)看，靈敏度和視場(chǎng)是一對(duì)相互牽制的參數(shù)，例如，預(yù)定指標(biāo)要求的極限星等越高，鏡頭孔徑相應(yīng)會(huì)要求越大，考慮到加工難度評(píng)估系數(shù)變化最小，鏡頭焦距也會(huì)相應(yīng)增大，當(dāng)可選范圍有限的光敏感器件確定的前提下，視場(chǎng)也就越小。所以，小型化星敏感器鏡頭參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合跟蹤功能模式下設(shè)定的尺寸、視場(chǎng)等關(guān)鍵指標(biāo)要求，適當(dāng)取舍，確保滿足小型化和特殊精度的應(yīng)用需求。圖2為最終設(shè)計(jì)的星敏感器鏡頭鏡片結(jié)構(gòu)圖，共由六片球面鏡片組成。

圖2　鏡頭鏡片結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Camera lens’structure

光敏感器件選擇需要綜合考慮星敏感器的高溫環(huán)境、快速數(shù)據(jù)讀取等因素。目前主流的光敏感器件是CCD傳感器，不過(guò)針對(duì)小型化星敏感器需求特點(diǎn)，CCD存在如下缺點(diǎn)：1）電壓類型繁多：電源管理設(shè)計(jì)難度大，功耗高。2）難于單芯片集成：工藝限制了外圍電路無(wú)法集成在一塊芯片上，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積增大。3）抗輻射能力弱：像素單元由MOS電容構(gòu)成，電荷激發(fā)的量子效應(yīng)容易受到輻射線的影響。4）溫度敏感：隨著溫度上升，性能急劇下降，需要降溫措施，增大了系統(tǒng)復(fù)雜性和體積。5）圖像數(shù)據(jù)序列輸出：驅(qū)動(dòng)方式?jīng)Q定了CCD圖像數(shù)據(jù)輸出是空間序列輸出，限制了數(shù)據(jù)讀取的靈活性。與其相比，CMOS-APS光敏感器件具有電源單一、集成度高（單芯片集成圖像傳感器陣列、時(shí)序控制電路、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、接口電路以及溫度傳感器等）、抗干擾能力強(qiáng)（像素單元是光電二極管）、隨機(jī)窗口快速讀取數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，針對(duì)星敏感器的近60℃高溫應(yīng)用和快速數(shù)據(jù)讀取能力的應(yīng)用需求，綜合系統(tǒng)體積、復(fù)雜程度、功耗、性能、工作溫度等要求，選擇了-30℃～70℃的溫度范圍、同步式快門(mén)、曝光靈活控制的微小型CMOS光敏感器件。

4　星像提取

星圖提取的目標(biāo)是完成星像坐標(biāo)和星像亮度數(shù)據(jù)的提取，是星圖識(shí)別的必要前提。光敏感器件像素陣列的大小，直接決定星像坐標(biāo)和亮度數(shù)據(jù)提取時(shí)的處理容量。由于星敏感器像素陣列龐大，為了取得較好的時(shí)效，應(yīng)當(dāng)研究星像提取算法，快速完成星圖數(shù)據(jù)提取。

星像提取主要是分離星像和背景，星像與星像，并進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算。星像和背景數(shù)據(jù)分離：星像數(shù)據(jù)剔除背景數(shù)據(jù)，首先需要確定背景數(shù)據(jù)的規(guī)律，可以采用不夠精確但效率較高的背景數(shù)據(jù)固定閾值算法，也可以采用雙正交小波變換或自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法動(dòng)態(tài)確定背景數(shù)據(jù)閾值，提高星像與背景分離的精確性，但是也增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性并犧牲了時(shí)效。星像與星像數(shù)據(jù)分離：星像間的數(shù)據(jù)分離，核心是如何界定不同恒星星像數(shù)據(jù)的邊界，連通域的方法是每一次姿態(tài)輸出都要遍歷整個(gè)焦平面，反復(fù)標(biāo)記與掃描，效率較低，同樣，擬合星像局部灰度曲面，求取極值進(jìn)行聚類并分離不同星像數(shù)據(jù)，精度較高，但效率依然是個(gè)問(wèn)題。由于星像圖像具有連貫性，基于鏈表構(gòu)建圖像稀疏矩陣，不失為一種高效而又兼顧精度的方法。星像質(zhì)心求?。嘿|(zhì)心計(jì)算過(guò)程中，曲面擬合的方法通過(guò)求取觀測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)期數(shù)據(jù)的相關(guān)度函數(shù)，高精度的獲取星像質(zhì)心與亮度，計(jì)算量較大，提取速度低，而質(zhì)心算法和加權(quán)質(zhì)心算法數(shù)據(jù)耦合性小，效率高。所以，星像提取算法的選擇與優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)結(jié)合星敏感器預(yù)期指標(biāo)定位，兼顧提取速率和精度。

5　星圖識(shí)別

星圖識(shí)別過(guò)程是完成觀測(cè)星和導(dǎo)航星庫(kù)唯一性匹配的過(guò)程。在唯一性匹配中，星圖識(shí)別算法需要解決星組幾何特征和導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選的問(wèn)題。而這兩個(gè)問(wèn)題與星敏感器應(yīng)用領(lǐng)域及預(yù)期功能緊密相關(guān)。作為目標(biāo)天區(qū)應(yīng)用背景下的小型化星敏感器，先驗(yàn)信息決定了星圖識(shí)別過(guò)程不是在全天球?qū)Ш叫菐?kù)范圍內(nèi)反復(fù)搜索直至匹配，而是在先驗(yàn)信息下的目標(biāo)天區(qū)內(nèi)搜索，這樣就縮減了匹配范圍。范圍縮小有助于弱化星組特征選擇的復(fù)雜性，但是并不意味著導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選可以降低標(biāo)準(zhǔn)。

導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選旨在基于極限星等和基數(shù)星，實(shí)現(xiàn)全天球或局部天球內(nèi)恒星篩選后均勻分布。目標(biāo)天區(qū)預(yù)期觀測(cè)的極限星等，決定了導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選時(shí)的觀測(cè)星總量，經(jīng)過(guò)篩選在等面積天區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻分布。密度不太均勻的正交網(wǎng)格算法，對(duì)經(jīng)緯度不敏感的球面分塊法或固定斜度螺旋線法等，側(cè)重于全天球均勻分布，弱化了星敏感器觀測(cè)視場(chǎng)與天區(qū)視場(chǎng)必需保障的導(dǎo)航星數(shù)量，在星敏感器特定目標(biāo)天區(qū)指向應(yīng)用場(chǎng)景下，不能可靠實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)內(nèi)有足夠的導(dǎo)航星數(shù)。因此，小型化星敏感器導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選的原則是先驗(yàn)信息指向的視場(chǎng)內(nèi)能夠保證一定星數(shù)的前提下，實(shí)現(xiàn)恒星在全天球和局部天球的均勻分布。自組織導(dǎo)航星選擇、回歸選取等算法較好地兼顧了這一特性。

星組幾何特征決定了星圖識(shí)別算法的結(jié)構(gòu)。在全天球范圍內(nèi)的星圖識(shí)別，星數(shù)眾多，基于模式識(shí)別特征的特征提取算法，以及自組織特征映射聚類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高了算法的穩(wěn)健性和識(shí)別成功率，不過(guò)計(jì)算復(fù)雜的特性，不太切合星敏感器目標(biāo)天區(qū)下的小范圍搜索特征，反倒是多邊形（三角形、四邊形、凸多邊形等）算法比較適用，不過(guò)星數(shù)稍多時(shí)三角形算法會(huì)存在誤識(shí)別的情況，必要時(shí)可以添加星亮度特征，進(jìn)行組合識(shí)別，或者根據(jù)星數(shù)進(jìn)行三角形、四邊形甚至金字塔式結(jié)構(gòu)的特征切換識(shí)別，提高星圖識(shí)別匹配的唯一性和成功率。

6　結(jié)論

與空天工作環(huán)境下的全天球自主識(shí)別相比，小型化星敏感器工作場(chǎng)景是高溫環(huán)境，而且是在粗姿態(tài)指向下的非自主星圖識(shí)別，并要求具有小體積、高精度等功能特性，據(jù)此重點(diǎn)概述了小型化星敏器的小型化分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于雜散光抑制、鏡頭和耐高溫光敏感器件的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)

計(jì)，基于星像背景數(shù)據(jù)分離、星間數(shù)據(jù)分離和質(zhì)心計(jì)算的星像提取，和基于導(dǎo)航星庫(kù)優(yōu)選和星組幾何特征選取的星圖識(shí)別算法等內(nèi)容，為小型化星敏感器設(shè)計(jì)奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

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Design of Star Sensor with Small Volume and Divided Structure

SANG Wen-hua，YOU Peng-cheng，WANG Wen-pu，DUAN Yu-peng，ZHAO Qi-kun
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

With high precision，non-shift and long-life，a star sensor is a device for measuring an object’s attitude referring to the stellar coordinates，which provides exact orientation and benchmark in space，and makes up a hybrid navigation with inertial instrument.In view of the application requirement for a star sensor with small volume and high precision，it is focused on the overview of the analysis for the fission structure with small volume，an optical system，the processing of star image，and the star identification，which is the keynote and provides a kind of idea for designing a star sensor with small volume.

star sensor；miniaturization；star map；star identification

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01045

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.012

2014-12-09

桑文華，男，博士，工程師，研究方向?yàn)閼T性儀表。