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        三視場星敏感器的研究

        2014-10-21 11:09:39丁亞雪王磊
        電子世界 2014年12期

        丁亞雪 王磊

        【摘要】對(duì)三視場星敏感器的軟、硬件進(jìn)行了研究。本設(shè)計(jì)采用FPGA+ DSP的構(gòu)架模式,完成整個(gè)系統(tǒng)的資源調(diào)度、時(shí)序控制、質(zhì)心提取,及星點(diǎn)信息融合。本文針對(duì)多天體星空觀測(cè)的需求及其特殊性,闡述三視場衛(wèi)星姿態(tài)確定的數(shù)據(jù)處理單元及軟件設(shè)計(jì)方案。

        【關(guān)鍵詞】多視場;DSP+FPGA;星敏感器;數(shù)據(jù)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(tài)測(cè)量部件,是衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)及導(dǎo)航精度的要求也在不斷提高,傳統(tǒng)的單視場、小視場、大功耗的星敏感器已經(jīng)不能滿足衛(wèi)星多任務(wù)、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(fā)展。本設(shè)計(jì)對(duì)三視場、小型化、高精度星敏感器進(jìn)行研究。

        2.三視場星敏感器工作原理

        本設(shè)計(jì)在單視場星敏感器工作的基礎(chǔ)上,將單視場擴(kuò)展為三視場。三視場星敏感器通對(duì)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(wèi)星的姿態(tài)和在空間中的位置信息。三視場星敏感器是在軟硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上通過圖像采集單元、圖像處理單元及位置和姿態(tài)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)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(xué)系統(tǒng)成像在CCD(或CMOS)光敏面上,信號(hào)檢測(cè)線路將恒星光能轉(zhuǎn)換成模擬信號(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,由模數(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,數(shù)據(jù)處理單元對(duì)數(shù)字化后的星圖進(jìn)行處理,星識(shí)別軟件對(duì)星圖中的星按匹配方法構(gòu)造匹配模式,與導(dǎo)航星庫中的已有模式進(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),姿態(tài)計(jì)算軟件通過姿態(tài)計(jì)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(wèi)星本體的安裝角就可以完成衛(wèi)星三軸瞬時(shí)姿態(tài)的測(cè)量,通過姿態(tài)預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)衛(wèi)星的下一姿態(tài)并進(jìn)行姿態(tài)控制。當(dāng)然,為保證得到更可靠的姿態(tài)和位置信息,衛(wèi)星的姿態(tài)控制單元也有來自陀螺、磁強(qiáng)計(jì)等其他姿態(tài)敏感器的姿態(tài)信號(hào)。

        2.2 地球和月球敏感器工作原理

        多天體星空觀測(cè)敏感器除了對(duì)恒星進(jìn)行觀測(cè)以外,還需要對(duì)地球和月球進(jìn)行觀測(cè)。具體來說,對(duì)月球或者地球的圖像處理過程為:邊緣圖像檢測(cè),輪廓提取,不完全輪廓擬合,圓心計(jì)算。

        在經(jīng)過與對(duì)恒星相同的圖像處理過程之后,得到數(shù)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(jù)這一部分圖像信息對(duì)地球或者月球的圖像輪廓擬合之后才能計(jì)算出衛(wèi)星相對(duì)球心和相對(duì)地心的夾角,由于地球跟月球距離是固定的,根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)兩球心的夾角就可以計(jì)算出衛(wèi)星在空間的具體位置。

        另外,為了保證衛(wèi)星姿態(tài)和位置信息的準(zhǔn)確性,必須保證敏感器對(duì)圖像采集的同時(shí)性,所以采用高效的自動(dòng)曝光調(diào)節(jié)算法是非常必要的,通過高效自動(dòng)曝光調(diào)節(jié)算法敏感器能夠根據(jù)圖像的拍照效果自動(dòng)控制曝光時(shí)間。在信息采集同時(shí)的前提下,通過對(duì)三路信號(hào)的融合可以計(jì)算出衛(wèi)星的姿態(tài)和其空間位置。

        3.硬件電路設(shè)計(jì)及器件選型

        本設(shè)計(jì)針對(duì)高精度姿態(tài)確定系統(tǒng)的任務(wù)需求,基于工業(yè)鏡頭和低功耗探測(cè)器,完成微小型三視場星敏感器的研制。本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)由成像單元和數(shù)字信號(hào)處理單元構(gòu)成,并采用LVDS接口電路對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件。本設(shè)計(jì)采用APTINA公司的MT9M034L12STM黑白探測(cè)器,該探測(cè)器具有高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

        3.2 數(shù)字處理單元

        信號(hào)處理單元采用采用1片F(xiàn)PGA和1片DSP的構(gòu)架模式。其中FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的資源調(diào)度,邏輯和時(shí)序控制,完成三視場星點(diǎn)坐標(biāo)的質(zhì)心提取,DSP管理FPGA、SDRAM和FLASH。DSP從FPGA中加載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,再將處理后的結(jié)果通過FPGA發(fā)送到外部通信單元。DSP+FPGA系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活,有較強(qiáng)的通用性,適合于模塊化設(shè)計(jì),從而能夠提高算法效率;同時(shí)其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)容易維護(hù)和擴(kuò)展,適合實(shí)時(shí)信號(hào)處理。本設(shè)計(jì)中FPGA選擇Actel公司的Flash型防輻射、低功耗產(chǎn)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(shè)計(jì)對(duì)高集成度外設(shè)、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(shè)計(jì)采用芯片DS90C032設(shè)計(jì)一組LVDS接口電路進(jìn)行圖像和數(shù)據(jù)傳輸。LVDS是一種低壓查分信號(hào)接口技術(shù),采用LVDS輸出接口可以使得信號(hào)在差分PCB線上以幾百M(fèi)bit/s的速率傳輸。由于LVDS信號(hào)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(shí)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(hào)。這種低壓和低電流驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡驮肼暫偷凸摹?/p>

        4.結(jié)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(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的介紹,芯片選型分析,為設(shè)計(jì)出用于姿態(tài)確定的數(shù)據(jù)處理單元,為高精度的多視場測(cè)量算法提供嵌入式的運(yùn)行環(huán)境,完成具有低功耗、高性能的數(shù)據(jù)處理單元硬件電路的研制奠定了硬件基礎(chǔ)。

        作者簡介:丁亞雪(1989—),女,研究方向:控制理論與控制工程。

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