面向微小衛星的全視場數字太陽敏感器設計

白光耀，王　昊，王志遠，金仲和

（1.浙江大學信息與電子工程學院，杭州310027；2.浙江大學航空航天學院，杭州310027）

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面向微小衛星的全視場數字太陽敏感器設計

白光耀1，王昊2*，王志遠2，金仲和2

（1.浙江大學信息與電子工程學院，杭州310027；2.浙江大學航空航天學院，杭州310027）

摘要：本文提出一種新型的全視場數字太陽敏感器設計方法，其光學系統由全景魚眼鏡頭和濾光膜組成。采用低功耗設計，在滿足精度的要求下，使其能夠適應微小衛星對于數字太陽敏感器功耗的限制。從工作原理出發，建立起該敏感器模型并通過軟硬件實現，利用太陽模擬器對數字太陽敏感器進行標定及誤差分析。實驗表明，基于全景魚眼鏡頭的數字太陽敏感器的視場為180°×360°，在160°×360°視場的測量3 δ精度優于0.18°，整機功耗150 mW，能夠滿足微小衛星姿態確定系統對于數字太陽敏感器的需求。

關鍵詞：數字太陽敏感器；大視場；低功耗；魚眼鏡頭

太陽敏感器是航天任務中一種重要的光電姿態傳感器［1-2］，能夠提供衛星所需要的太陽矢量信息。幾乎所有的航天器都需要安裝相應敏感器。基于面陣CCD及CMOS圖像傳感器的數字太陽敏感器是當前研究的熱點［2-3］。

隨著微小衛星、皮納衛星的蓬勃發展，對于數字太陽敏感器提出了新的需求，太陽敏感器朝著小型化、高精度、低功耗、長壽命的方向發展［4］。由于受到感光芯片尺寸的限制，目前數字太陽敏感器的視場和功耗受到了較大的限制，普通數字太陽敏感器的視場為±64o左右［5］，但是功耗接近1 W［1，6-7］。而一些采用全景鏡頭的數字太陽敏感器的視場也有一定盲區［8-9］，視場為120°×180°，功耗接近300 mW。

針對以上的缺陷與不足，本文提出了一種基于全景魚眼鏡頭的數字太陽敏感器的設計，其視場為半球視場（180°×360°），不存在盲區。同時該敏感器的質量輕，體積緊湊，功耗低于150 mW，測量精度優于0.1°，能夠滿足一般微小衛星對于定姿計算的要求。

1　系統設計

1.1光學系統設計

在普通的數字太陽敏感器中的光學部分大都采用小孔成像的原理，把太陽光透射到感光芯片上進行計算，為了保證一定的視場需求，就不得不提高感光芯片的尺寸，增大了數字太陽敏感器的結構。

本文所述的數字太陽敏感器采用全景魚眼鏡頭設計。魚眼鏡頭的視場能夠達到180°，因此被廣泛的應用在安防監控等領域［10-11］。

本文所述的魚眼鏡頭采用等距成像系統。等距系統成像模型［12］可以如下表示：

上式中，βr為魚眼鏡頭徑向放大的倍率，f為魚眼鏡頭的焦距，r為魚眼鏡頭曲面的曲率半徑，y為成像距離中心點的距離，ω為入射太陽光與鏡頭法線的夾角。由上式可以看出：①相同的視場角入射所成像的徑向距離相等；②等距成像魚眼鏡頭的徑向放大倍率與魚眼鏡頭自身有關。根據等距成像的特點，基于等距成像的魚眼鏡頭也被廣泛應用到科研工程領域。

由于太陽能量太強烈，會對CMOS感光芯片的壽命造成影響。為了減小太陽光對于CMOS的影響，在鏡頭端采用反射式濾光膜設計，減小太陽入射光，同時也能夠有效的減小雜光對于數字太陽敏感器的影響，提高數字太陽敏感器的測量精度。

1.2數字太陽敏感器設計

基于魚眼鏡頭的數字太陽敏感器的設計圖如圖2、圖3所示。

圖2　魚眼鏡頭成像示意圖

圖3　魚眼鏡頭成像CMOS俯視圖

太陽經過光學成像系統后會在感光芯片上產生太陽光斑。太陽光斑的大小和形狀只與太陽有關，通過計算太陽光斑的質心來求解太陽矢量［13-14］。

影響數字太陽敏感器精度的一個重要因素為質心的計算。通常而言，數字太陽敏感器的太陽光斑成像多在100～200個像素之間，需要對太陽光斑提取質心。由于太陽光斑在CMOS上的成像有差異，最直接的方案加權平均求質心計算量大，二值化后求質心又會引入由于眼鏡頭畸變帶來的誤差。綜合以上分析，本次設計采用三值法：

三值法能夠簡化質心提取的計算，同時能夠體現太陽質心灰度的變換對數字太陽敏感器的影響，提高計算精度。

魚眼鏡頭數字太陽敏感器的另一個影響是鏡頭畸變對測量精度的影響。魚眼鏡頭所帶來的畸變主要由三個部分：徑向畸變，這是影響測量精度的主要原因；切向畸變，所帶來的影響比徑向畸變小，實際使用時可以忽略；薄棱鏡畸變，其對精度影響有限，故使用時也對其忽略。

在克服魚眼鏡頭徑向畸變對測量精度的影響的時候，所采用的方案是對魚眼鏡頭徑向做系統標定，在得到的結果的基礎之上進行最小二乘擬合得到最優的補償公式。

綜上，可以得到基于魚眼鏡頭數字太陽敏感器的一般的標定公式：

2　系統設計實現

本設計采用低功耗設計，主體框架采用CPLD+ MCU的模式。其設計框圖如圖4所示。

圖4　魚眼鏡頭數字太陽敏感器設計框圖

2.1數字太陽敏感器光學系統實現

光學系統采用工業魚眼鏡頭，其外形結構如圖5所示。

圖5　魚眼鏡頭

工業魚眼鏡頭具有重量輕，體積小，價格便宜，具有較好的耐高低溫特性。魚眼鏡頭最大的優勢在于其視場比較大，對于低軌衛星來說可以快速捕獲太陽。CMOS芯片采用感光區間尺寸為1/3-inch （5：4），其可以輸出YUYV，RGB等多種格式數字圖像由于數字太陽敏感器只對太陽敏感器的亮度信息感興趣，所以本設計中CMOS采用YUYV4：2：2格式輸出，只統計其亮度Y信息，CMOS的像素為640×512。

對于太陽光的濾光膜采用透過率為0.000 01的濾光膜，用上述系統對太陽成像得到如圖6所示的太陽光斑：

圖6　數字太陽敏感器對太陽直接成像

通過仿真分析其二值化后的圖像如圖7所示。

圖7　數字太陽敏感器二值化后的圖像

通過上圖可以看到只要選擇合適的閾值，就能夠排除由于反照光等干擾光對于數字太陽敏感器的影響。

2.2數字太陽敏感器電系統實現

數字太陽敏感器的電系統是由CPLD和MCU實現。

CPLD采用Xilinx系列，在滿足設計需求的前提下，CPLD具有較低的功耗，同時不需要外加程序加載電路，簡化了電路設計。CPLD主要的工作是實現CMOS驅動，時時進行CMOS圖像三值化，質心計算以及與MCU的通信。

MCU工作頻率設計為12.5 M，能夠滿足系統的需求，同時降低系統的功耗。MCU的主要工作時在整機上電是通過SCCB對CMOS進行配置，通過并口與CPLD通信，讀取質心數據，根據式（6）、式（7）計算太陽矢量信息。

系統設計實物圖如圖8所示。

系統設計的主要實測指標：

體積：50 mm×60 mm×50 mm

質量：100 g

功耗：150 mW

更新頻率：5 Hz

圖8　系統實物圖

3　系統標定實驗與驗證

3.1實驗平臺搭建

根據魚眼鏡頭的特性分析，帶來魚眼鏡頭數字太陽敏感器的主要誤差為魚眼鏡頭的徑向畸變［4］；而從公式（7）可以看出，對于魚眼鏡頭的中心的標定能夠很大程度上影響魚眼鏡頭的精度。這兩部分也是引入誤差的主要原因。圖9建立為對魚眼鏡頭數字太陽敏感器標定的標定平臺。其中標定板為浙江大學研制的太陽模擬器，可以產生水平直射的平行光，其能夠產生約0.5個太陽常數光功率的模擬太陽光。單軸轉臺采用高精度的單軸轉臺，可以通過PC端軟件直接進行控制。數字太陽敏感器固定在高精度的垂直的工裝上，減小由于俯仰角帶來的測量系統偏差，圖10為標定平臺實物圖。

圖9　標定平臺

圖10　數字太陽敏感器標定實物圖

3.1中心標定

根據魚眼鏡頭的特性可以知道，當一束光線垂直于鏡頭發現方向入射時，其在CMOS上所留下的質心連線仍然是一條直線［15］。當測量多條過質心的直線時，多條直線的交點必然是過魚眼鏡頭中心垂直入射時的成像。

數字太陽敏感器標定策略在-90°到+90°的范圍內以1°為間隔，轉動轉臺轉動，數字太陽敏感器直接輸出質心的值并記錄。繞魚眼鏡頭法線方向轉動工裝，使魚眼鏡頭方位角變換一個角度，重復剛才的步驟。測量多組數據尋找所有輸出直線的交點即為中心。測試結果如圖11所示。

圖11　中心標定測試結果

經過最小二乘擬合計算，三條擬合直線的R2＞0.999。同時三條直線交于一點，經過計算坐標為（340.727 4，250.112 7）誤差小于0.01個像素點。

3.2徑向畸變補償

如1.2節所述，徑向畸變的補償需要建立不同的輸入角及輸出的像高r之間的關系。讓數字太陽敏感器在-90°到+90°的范圍內以0.5°為間隔，轉動轉臺轉動，數字太陽敏感器直接輸出質心的值并記錄。然后根據公式（7）做最小二乘擬合，由于魚眼鏡頭的畸變與模型假設有一定的差異，故擬合時采用高階多項式擬合。對于所測試的數字太陽敏感器，其擬合系數為：

p0=4.563e-9；p1=-8.421e-07；

p2=7.158e-5；p3=0.3177

通過上式可以發現，高階系數與第一階系數在量級上差別較大，約為10-4。

在測試時發現，在角度＞80°的時候，輸出的質心并沒有發生較大的位移。對大角度太陽光輸入可以發現太陽光斑已經沒有完全在CMOS上成像，質心已經接近邊緣，已經不能分辨角度變化。所以魚眼鏡頭數字太陽敏感器的視場雖然為半球視場，但敏感器的俯仰角有效視場應該為160°。

3.3數字太陽敏感器精度驗證

轉換一個數字太陽敏感器的方位角，以1°為間隔重新做上述實驗，按照標定公式計算出相應的輸出角度，與輸入的角度做差，得到如圖12所示的結果。

根據計算結果，測量得到的數字太陽敏感器的1 δ標準差為0.057 3°，均值為0.991 2°，滿足設計需求。

圖12　數字太陽敏感器驗證輸出

4　結論

本文所設計的魚眼鏡頭數字太陽敏感器具有較大的測量視場，且在全部視場內誤差分布均勻，一致性較好，具備可重復性。采用本文所涉及的標定方法，數字太陽敏感器最終的測量1 δ標準差為0.057 3°，3 δ精度為0.171 9°，滿足設計需求。同時，整機功耗小于150 mW，體積較小，對于地球反照光等有一定的抑制作用，能夠滿足一般微小衛星的定姿需求。

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白光耀（1991-），男，浙江大學在讀碩士研究生，主要研究方向為皮衛星姿態確定與控制系統，gybai@zju.edu.cn；

王　昊（1974-），男，浙江大學微小衛星研究中心副教授，主要研究方向為皮衛星姿態確定與控制系統，信號處理等，roger@zju.edu.cn。

Design of Digital Sun Sensor with Panoramic Field for Micro-Satellite

BAI Guangyao1，WANG Hao2*，WANG Zhiyuan2，JIN Zhonghe2
（1.College of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract：A novel design of digital sun sensor with the real panoramic view field is proposed.The optical system is composed of a filter and fisheye lens.The sun sensor has features like low power consumption，large field，and high precision which can meet the requirement of micro-satellites.According to the mechanism of the sun sensor，both the model and the entity of the sun sensor are made.After testing on the experiment platform，the results indicate that the sun sensor has a large field of 180°×360°，and in the field of 160°×360°，the precision is less than 0.18°in 3 δ.The power consumption of the sensor is 150 mW.The results can meet the requirement of attitude determination system on the sun sensor.

Key words：digital sun sensor；large field of view；low power；fisheye lens

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.014

收稿日期：2015-09-08修改日期：2015-10-08

中圖分類號：TM393

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0232-05