施 蕾，周 凱，張建福，孫 強(qiáng)，吳一帆

(1.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.北京控制工程研究所，北京100190;3.中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048)

隨著衛(wèi)星向微小型、甚至納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星方向發(fā)展，衛(wèi)星要求實(shí)現(xiàn)整體的一體化、集成化和輕小型化設(shè)計(jì)，原有的傳統(tǒng)型太陽敏感器已經(jīng)滿足不了設(shè)計(jì)需求，這就需要太陽敏感器在提高精度的同時(shí)，減少其體積、質(zhì)量和功耗［1］.

太陽敏感器是航天姿態(tài)控制系統(tǒng)中的重要測量部件，是在航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的敏感器之一.太陽敏感器通過測量太陽光線與衛(wèi)星本體某一體軸之間的夾角，來確定太陽在敏感器本體坐標(biāo)系中的位置，然后通過坐標(biāo)矩陣變換得到太陽在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的位置，最終在衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)中求得衛(wèi)星的姿態(tài)，即衛(wèi)星在空間的方位.

衛(wèi)星對姿態(tài)控制精度要求的日益提高以及小衛(wèi)星、皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的逐步發(fā)展，太陽敏感器也隨之向著微型化、集成化、模塊化、大視場、高精度和高可靠性的方向發(fā)展［2］.

1 小型化太陽敏感器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 太陽敏感器

太陽敏感器按照工作方式主要分為“0－1”式、模擬式和數(shù)字式3種類型［3］.其中“0－1”式太陽敏感器又稱為太陽發(fā)現(xiàn)探測器，只要有太陽就能產(chǎn)生輸出信號，一般用來捕獲太陽實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的粗定姿.模擬式太陽敏感器常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號強(qiáng)度與太陽光的入射角度有關(guān).模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天工作，其視場一般在20°～30°左右，精度在 1°左右，在大視場情況下，分辨率和測量精度很難進(jìn)一步提高.

數(shù)字式太陽敏感器通過計(jì)算太陽光線在衛(wèi)星上相對中心位置的偏差來計(jì)算太陽光的角度;視場范圍一般在±60°左右，精度能夠優(yōu)于0.05°.數(shù)字式太陽敏感器主要有電荷耦合器件(CCD，charge coupled device)和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，complementary metal-oxide silicon)有源像素傳感(APS，active pixel image sensor)兩種.

通過國內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)近30年的發(fā)展研究，數(shù)字式CCD太陽敏感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟.不同技術(shù)指標(biāo)的CCD太陽敏感器，已廣泛應(yīng)用于各類航天器高精度的姿態(tài)控制系統(tǒng).但是隨著衛(wèi)星微小型化的趨勢，要求其組成部件也要微小型化.這便對系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和功耗等提出了更高的標(biāo)準(zhǔn).而基于CCD的太陽敏感器卻難以滿足其不斷發(fā)展的要求.

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù) (VLSI，very large scale integration)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的圖像傳感器——CMOS APS.這種圖像傳感器芯片耗電量小(通常為CCD的1/10)、成本低(是CCD的1/120)、像素缺陷低(是CCD的1/20)，可以將時(shí)鐘和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像壓縮等電路與圖像敏感器陣列完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高集成度的單芯片成像微系統(tǒng).CMOS APS型圖像傳感器在保持CCD原有的優(yōu)良特性的同時(shí)，在抗輻射能力、傳輸效率、功耗和集成度等方面克服了CCD的局限而取得了長足進(jìn)步.目前，高性能CMOS APS圖像傳感器和可編程邏輯器件的出現(xiàn)為航天器實(shí)現(xiàn)高精度、小型化的太陽敏感器提供了研制基礎(chǔ).

1.2 圖像采集與處理系統(tǒng)

圖像采集與處理系統(tǒng)是指用設(shè)備來捕獲客觀世界的圖像和特征，也就是用設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對客觀世界的識別.圖像采集與處理系統(tǒng)大部分均采用實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)，在圖像處理的實(shí)時(shí)性方面，通常采用的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的方法已不能滿足要求，因其本質(zhì)是順序執(zhí)行指令，不能并行處理需要實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)，而且，現(xiàn)今的圖像處理應(yīng)用也越來越趨向于小型化和嵌入式，因此，綜合考慮，應(yīng)采用硬件方法來實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理.

硬件方法實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理的方法有:采用專用集成芯片(ASIC，application specific integrated circuit)、數(shù)字信號處理器(DSP，digital signal process)和可編程邏輯器件FPGA.由于基于專用芯片ASIC實(shí)現(xiàn)的方式在靈活性、系統(tǒng)可更改性上較差，不適合前期開發(fā)以及新產(chǎn)品的研制;采用DSP方式實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)吞吐量、運(yùn)行速度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可重配性以及功能的升級方面存在較多約束;而可編程邏輯器件FPGA具有較高的并行處理速度和較強(qiáng)的靈活性，在圖像采集與處理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，適用于需要大規(guī)模數(shù)據(jù)量處理、并行流水線方式操作的新型太陽敏感器圖像采集與處理系統(tǒng)［4］.

2 新型太陽敏感器工作原理

本文中介紹的太陽敏感器是一種利用新原理新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低功耗、小體積、輕重量的新型數(shù)字式太陽敏感器.在太陽敏感器中，利用CMOS圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件，利用光孔玻璃作為光線引入器，將太陽經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)(掩膜)成像到CMOS圖像傳感器上，通過計(jì)算太陽像的能量中心，并與太陽零度角入射時(shí)能量中心作比較，即可得到太陽此時(shí)相對敏感器本體坐標(biāo)的方位角.

圖1 太陽敏感器工作原理坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Sketch of the working principle of sun sensor

建立如圖1的坐標(biāo)系，假設(shè)太陽光在小孔坐標(biāo)系矢量方向?yàn)棣?，在兩軸方向上的入射角度分別為α、β.小孔平面與成像平面的距離是F，則可以得到該坐標(biāo)系下光斑像點(diǎn)坐標(biāo)(Xc，Yc)以及入射角度α、β的計(jì)算表達(dá)式:

3 利用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型太陽敏感器采用光、機(jī)、電一體化設(shè)計(jì)，由帶防塵罩的光線引入器、電路系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等3大部分組成.利用新原理、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太陽敏感器低功耗、小體積、輕重量的新型數(shù)字式設(shè)計(jì).

電路設(shè)計(jì)主要包括CMOS圖像傳感器、CMOS圖像傳感器控制電路、圖像采集及處理電路、微控制器(MCU，microprogrammed control unit)以及接口電路.其中圖像傳感器選擇了專門針對空間應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的抗輻射加固APS圖像傳感器芯片，F(xiàn)PGA采用對單粒子翻轉(zhuǎn)不敏感的反熔絲型FPGA.基于FPGA的硬件電路實(shí)現(xiàn)了對圖像傳感器芯片的驅(qū)動(dòng)與控制;完成了圖像數(shù)據(jù)采集和“質(zhì)心法”計(jì)算太陽像光斑中心位置的圖像數(shù)據(jù)算法處理;協(xié)助微控制器進(jìn)行角度計(jì)算、角度補(bǔ)償、系統(tǒng)姿態(tài)信息換算以及與中心處理單元主控設(shè)備的信息交互等.

3.2 基于FPGA的圖像采集方法

FPGA按照圖像傳感器控制時(shí)序邏輯，利用滾動(dòng)輸出原理，控制圖像傳感器芯片產(chǎn)生和輸出圖像數(shù)據(jù).FPGA可以根據(jù)控制信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像傳感器芯片供電電壓和狀態(tài)采集.

圖2 滾動(dòng)輸出時(shí)序示意圖Fig.2 Scrolling output timing diagram

圖3 圖像預(yù)處理操作流程示意圖Fig.3 Image preprocessing operation flow chart

滾動(dòng)輸出控制方法見圖3所示.對圖像某一行的操作時(shí)序分為行復(fù)位和行讀取兩步;積分時(shí)間即為行復(fù)位時(shí)刻到行讀出時(shí)刻之間的時(shí)間差.積分過程逐行進(jìn)行，行與行之間互不影響.但是由于圖像傳感器芯片的行地址與列地址共用一組輸入端口，因此不能像訪問普通矩陣中的某一元素，通過同時(shí)提供行、列地址進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖定;而是需要通過行讀取鎖定行地址，再進(jìn)行列讀取鎖定列地址，最后讀取目標(biāo)像素值.

圖像傳感器芯片的控制時(shí)序基于滾動(dòng)輸出的卷簾式快門設(shè)計(jì)，在圖像捕獲、圖像跟蹤等特殊應(yīng)用下，可實(shí)現(xiàn)對某一或某些目標(biāo)窗口的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，即可以實(shí)現(xiàn)對圖像傳感器芯片部分行進(jìn)行曝光和數(shù)據(jù)讀取，可以有效地縮短圖像采集時(shí)間，拓展在高速度、高精度光學(xué)敏感器領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

3.3 基于FPGA的圖像處理方法

3.3.1 圖像預(yù)處理算法

FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)并不能直接用于太陽光斑像點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，需要經(jīng)過閾值比較等操作，才能實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算坐標(biāo).由FPGA實(shí)現(xiàn)對圖像像素單元的預(yù)處理操作，可以完成圖像的去背景處理、孤立像點(diǎn)的剔除以及像素灰度的分布分析等.圖像預(yù)處理操作流程參見圖4.

圖4 輸出的太陽光斑坐標(biāo)曲線圖Fig.4 Coordinate of the solar facula

3.3.2 太陽光斑定位算法

本文介紹的太陽敏感器采用“質(zhì)心法”對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)定位.“質(zhì)心法”實(shí)際是基于平面幾何中實(shí)體積分求重心的原理.它將太陽像區(qū)域看作一個(gè)實(shí)體，像素為最小的計(jì)量單位，輸出的電壓值為權(quán)重.

這樣，當(dāng)圖像區(qū)域有X行、Y列時(shí)，通過下面的公式(2)可以計(jì)算出太陽光斑的中心坐標(biāo).

其中，XC、YC為太陽光斑的中心坐標(biāo)，x、y為當(dāng)前像素對應(yīng)的行、列值，G為當(dāng)前像素對應(yīng)的灰度值，為所有像素的灰度和.

3.3.3 利用FPGA實(shí)現(xiàn)太陽光斑定位

FPGA按照控制時(shí)序，每采集一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，首先對該像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，然后再依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，按照公式(2)對像素灰度和進(jìn)行累加，其中為了加快計(jì)算速度，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了不大于三級流水的乘法器，用于快速完成行、列地址和像素灰度值的相乘.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及標(biāo)定結(jié)果

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過仿真驗(yàn)證，對于同一幀圖像，使用測試計(jì)算機(jī)MATLAB仿真軟件計(jì)算的太陽光斑坐標(biāo)與通過星上產(chǎn)品計(jì)算的太陽光斑坐標(biāo)，兩者結(jié)果一致.

通過系統(tǒng)測試，隨機(jī)讀取太陽敏感器的實(shí)際太陽光斑坐標(biāo)，均未超出坐標(biāo)理論計(jì)算值(使用MATLAB計(jì)算得到)的偏差范圍.圖4和表1給出了系統(tǒng)測試時(shí)FPGA輸出的太陽光斑坐標(biāo).圖5為小型化太陽敏感器的太陽光斑實(shí)際成像圖.

圖5 太陽光斑實(shí)際成像圖Fig.5 Solar facula

表1 系統(tǒng)測試時(shí)FPGA輸出的太陽光斑坐標(biāo)Tab.1 Coordinate of the solar facula yielded by FPGA

表2 太陽敏感器主要性能指標(biāo)比較［5］Tab.2 Main performance indices of sun sensors

4.2 標(biāo)定結(jié)果

小型化太陽敏感器已經(jīng)通過標(biāo)定(如表2所示)，視場范圍可達(dá)到64°×64°，測角精度不低于0.03°，質(zhì)量小于 0.51kg，總功耗為1W.

5 結(jié)論

微型化、高精度的數(shù)字式太陽敏感器逐漸成為國內(nèi)外航天科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn).本文研究的小型化太陽敏感器，采用了CMOS APS圖像傳感器芯片，通過FPGA實(shí)現(xiàn)了對圖像傳感器的合理控制、對圖像數(shù)據(jù)的快速采集和預(yù)處理以及對太陽光斑坐標(biāo)的高精度計(jì)算等功能的集成處理，有效地實(shí)現(xiàn)了太陽敏感器低功耗、小體積、輕重量的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在重量、體積、功耗等方面與傳統(tǒng)的模擬式和CCD式太陽敏感器相比有較大進(jìn)步，而且已經(jīng)基本達(dá)到國外航天機(jī)構(gòu)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平.

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