星敏感器電控系統(tǒng)設計

周厚元

摘 要：星敏感器是最常用的姿態(tài)確定儀器之一，論文根據星敏感器工作原理，在星敏感器總體設計方案的基礎上，設計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、數據處理單元和數據通信單元。該電控系統(tǒng)功能完備，能夠滿足星敏感器系統(tǒng)的控制要求。

關鍵詞：星敏感器 電控系統(tǒng) 硬件設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：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，通過探測天球上的恒星并進行解算，為航空航天飛行器提供準確的空間方位和基準[1]。相對于慣性陀螺、地球敏感器、太陽敏感器等其他姿態(tài)敏感器，星敏感器具有指向精度高、無姿態(tài)累積誤差、完全自主導航能力、隱蔽性好等特點[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，如海基平臺、陸基平臺、機載平臺、彈載平臺和天基平臺等[3]。

1 星敏感器工作原理

星敏感器工作原理如圖1所示。當星敏感器對星空成像時，視場內的所有恒星便會經由光學鏡頭成像在圖像傳感器的感光面上，同時完成星像由光到電荷的轉換，由支持電路讀出所轉換的電荷圖像，并將其放大為電壓模擬信號，通過片上A/D轉換之后輸出數字信號，并且與圖像傳感器的像元一一對應地存儲到星圖存儲器中，隨后，數據處理系統(tǒng)會掃描星圖的所有像元，從中識別出恒星，計算出觀測到的恒星能量和在像面像元坐標系的位置。之后，提取星圖中恒星的幾何特征模式，同導航星庫中的導航模式進行匹配，如果觀測星模式與導航星模式匹配成功，就可以利用姿態(tài)解算方法來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)、光學系統(tǒng)和結構本體組成，如圖2所示。光學系統(tǒng)由遮光罩、光學鏡頭及臨時連接筒組成，遮光罩用于減小雜散光的干擾，光學鏡頭收集指定導航星發(fā)出的可見光，并將其成像在光學系統(tǒng)的焦平面上。電控系統(tǒng)將星空經光學系統(tǒng)所成的像進行光電轉換并空間離散采樣，轉換成相應的數字星圖，并提取各星點目標的精確質心位置。結構本體將光學系統(tǒng)和電控系統(tǒng)有機地結合在一起。

3 星敏感器電控系統(tǒng)設計方案

星敏感器電控系統(tǒng)的設計方案如圖3所示。系統(tǒng)主要由有源像素傳感器及智能控制器單元、數據處理單元和數據通信單元組成。有源像素傳感器及智能控制器單元主要負責接收數據處理單元的控制指令，產生有源像素傳感器圖像傳感器和A/D轉換所需的驅動信號，將星空經光學系統(tǒng)所成的像進行光電轉換并空間離散采樣，并完成數字星圖的讀出和存儲[5]。數據處理單元主要負責通過數據通信單元的1553B控制器接收來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，計算出星點的質心位置并回傳至載體控制器，所拍攝的星圖可通過數據通信單元的遙測控制器發(fā)送到載體遙測系統(tǒng)。數據通信單元主要負責與載體控制器和載體遙測系統(tǒng)通信，具體分別由1553B控制器和遙測控制器來實現。

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)設計的基礎和關鍵。它要負責接收數據處理單元的控制指令，產生圖像傳感器和A/D轉換所需的驅動信號，將星空經光學系統(tǒng)所成的像光電轉換后空間離散采樣，并完成數字星圖的讀出和存儲。

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，將導航星在其感光面上所成的圖像轉化為電信號，供隨后的數據處理單元使用。由于導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范圍、較高的靈敏度和較大的動態(tài)范圍。論文選用美國賽普拉斯半導體公司為空間應用研發(fā)的圖像傳感器STAR1000，利用可編程邏輯陣列實現對其驅動控制，具有抗干擾能力和抗輻射能力強、可靠性高、特別適合應用于復雜的太空環(huán)境等特點。

3.3 智能控制器的設計

為實現驅動STAR1000，設計的智能控制器功能有：（1）上位機可查詢和設置窗口大小、曝光時間；（2）可接收上位機的有效指令，產生STAR1000所需的驅動時序信號，實現圖像的A/D轉換；（3）圖像A/D轉換后，自動將數據存放到靜態(tài)存儲器中；（4）數據存儲后，自動向上位機發(fā)出中斷信號，并將該靜態(tài)存儲器的控制權交回上位機，并將另一個靜態(tài)存儲器的控制權交給該智能控制器，實現乒乓存儲；（5）可查詢該智能控制器的狀態(tài)。智能控制器設計完成后，即可驅動控制圖像傳感器，將數據存儲到2片靜態(tài)存儲器中，實現乒乓緩存，且能夠實現與數據處理單元的接口。

3.4 數據處理單元

數據處理單元是星敏感器電控系統(tǒng)的核心處理單元。它主要負責通過數據通信單元的1553B控制器接收來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，計算各星點目標的質心位置并回傳至載體控制器，所拍攝的星圖通過數據通信單元的遙測控制器發(fā)送到載體遙測系統(tǒng)。

3.5 數據通信單元

數據通信單元是星敏感器電控系統(tǒng)的外部接口。它主要負責與載體控制器和載體遙測系統(tǒng)通信，具體分別由1553B控制器和遙測控制器來實現。與載體控制器的通信采用1553B總線，遙測數據采用RS232協(xié)議形式進行通信。

4 結語

相對于太陽敏感器、磁強計、地平儀和陀螺儀等其他常見的姿態(tài)測量設備，星敏感器姿態(tài)測量精度比較高，能夠實現自主導航能力，抗干擾能力強。文章設計了一種基于FPGA的智能有源圖像控制器和基于ARM的數據處理單元。該電控系統(tǒng)能夠實現對目標圖像的捕獲，以及數字圖像數據的輸出和存儲，與載體控制器和遙測部分通信可靠，并且具有小型化和輕量化特點。

參考文獻

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

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

[3] 何炬.國外天文導航技術發(fā)展綜述[J].艦船科學技術，2005，27（5）：91-96.

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

[5] 王洪濤，羅長洲，王渝，等.智能APS控制器的設計與實現[J].電光與控制，2009，16（3）：58-82.