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、硬件進行了研究。本設計采用FPGA+ DSP的構架模式，完成整個系統的資源調度、時序控制、質心提取，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，闡述三視場衛星姿態確定的數據處理單元及軟件設計方案。

【關鍵詞】多視場；DSP+FPGA；星敏感器；數據單元；軟件方案

1.引言

星敏感器是一種高精度、高可靠性的姿態測量部件，是衛星姿態軌道控制系統的重要組成部分。隨著航天技術的發展，對衛星姿態及導航精度的要求也在不斷提高，傳統的單視場、小視場、大功耗的星敏感器已經不能滿足衛星多任務、高精度、高可靠性的要求，而逐漸向多視場、低功耗、抗輻射及微型化發展。本設計對三視場、小型化、高精度星敏感器進行研究。

2.三視場星敏感器工作原理

本設計在單視場星敏感器工作的基礎上，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，最后輸出衛星的姿態和在空間中的位置信息。三視場星敏感器是在軟硬件結合的基礎上通過圖像采集單元、圖像處理單元及位置和姿態計算單元實現衛星的姿態調整和空間定位的。

2.1 單視場星敏感器的工作原理

恒星圖像通過光學系統成像在CCD（或CMOS）光敏面上，信號檢測線路將恒星光能轉換成模擬信號，模擬信號處理單元對其進行放大、濾波、整形等處理后，由模數轉換單元對其進行模數轉換和數據采集，數據處理單元對數字化后的星圖進行處理，星識別軟件對星圖中的星按匹配方法構造匹配模式，與導航星庫中的已有模式進行匹配、處理，形成觀測星與導航星的唯一匹配星對。利用匹配星對，姿態計算軟件通過姿態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星本體的安裝角就可以完成衛星三軸瞬時姿態的測量，通過姿態預測算法預測衛星的下一姿態并進行姿態控制。當然，為保證得到更可靠的姿態和位置信息，衛星的姿態控制單元也有來自陀螺、磁強計等其他姿態敏感器的姿態信號。

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行觀測以外，還需要對地球和月球進行觀測。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。

在經過與對恒星相同的圖像處理過程之后，得到數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，根據衛星相對兩球心的夾角就可以計算出衛星在空間的具體位置。

另外，為了保證衛星姿態和位置信息的準確性，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節算法是非常必要的，通過高效自動曝光調節算法敏感器能夠根據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星的姿態和其空間位置。

3.硬件電路設計及器件選型

本設計針對高精度姿態確定系統的任務需求，基于工業鏡頭和低功耗探測器，完成微小型三視場星敏感器的研制。本設計硬件系統由成像單元和數字信號處理單元構成，并采用LVDS接口電路對圖像數據進行傳輸。

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的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數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、高動態范圍、高信噪比、低功耗的優點。

3.2 數字處理單元

信號處理單元采用采用1片FPGA和1片DSP的構架模式。其中FPGA實現對整個系統的資源調度，邏輯和時序控制，完成三視場星點坐標的質心提取，DSP管理FPGA、SDRAM和FLASH。DSP從FPGA中加載數據并進行處理，再將處理后的結果通過FPGA發送到外部通信單元。DSP+FPGA系統最大的優點是結構靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時其開發周期較短，系統容易維護和擴展，適合實時信號處理。本設計中FPGA選擇Actel公司的Flash型防輻射、低功耗產品A3PE3000。DSP選擇TMS320C6748，其最低功耗為 420mW，可充分滿足高能效、連通性設計對高集成度外設、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，本設計采用芯片DS90C032設計一組LVDS接口電路進行圖像和數據傳輸。LVDS是一種低壓查分信號接口技術，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動方式，實現了數據傳輸的低噪聲和低功耗。

4.結論

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，通過對硬件電路設計的介紹，芯片選型分析，為設計出用于姿態確定的數據處理單元，為高精度的多視場測量算法提供嵌入式的運行環境，完成具有低功耗、高性能的數據處理單元硬件電路的研制奠定了硬件基礎。

作者簡介：丁亞雪（1989—），女，研究方向：控制理論與控制工程。