桑文華，王剛毅，趙啟坤，王文璞

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191）

一種高精度小型化星敏感器設(shè)計(jì)

桑文華1，王剛毅2，趙啟坤1，王文璞1

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191）

星敏感器是以恒星為參照系，以星空為工作對(duì)象的高精度空間姿態(tài)測(cè)量裝置，提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)，具有高精度、無(wú)漂移、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。針對(duì)星敏感器高精度和小體積的應(yīng)用需求，基于小型化鏡頭設(shè)計(jì)、分體式結(jié)構(gòu)、高集成度電路、“FPGA＋ARM”軟件等內(nèi)容，提出了一種高精度小型化星敏感器，解決了狹小空間高度集成的小型化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了測(cè)姿0.6″（3σ）的高精度預(yù)期目標(biāo)。星敏感器樣機(jī)通過(guò)了試驗(yàn)考核，性能符合設(shè)計(jì)要求，具備全天球搜索恒星定姿的能力。

星敏感器；高精度；小型化；姿態(tài)

0 引言

星敏感器可以通過(guò)觀測(cè)天空中的恒星實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量，輔助慣導(dǎo)系統(tǒng)提高導(dǎo)航精度，在航天、航空、航海等領(lǐng)域均得到了實(shí)際應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［1］。德國(guó)Jena-Optronik公司的ASTRO15、法國(guó)SODERN公司的SED36和美國(guó)Lockheed Martin公司的AST-301等產(chǎn)品具有全天球、全自主的姿態(tài)解算功能，精度高但存在質(zhì)量和體積偏大的問(wèn)題，與星敏感器高精度小型化的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)不匹配。結(jié)合星敏感器高精度小型化的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)高精度、小體積的特定應(yīng)用需求，本文開(kāi)展了高精度小型化星敏感器的研究和設(shè)計(jì)。首先為滿足精度要求開(kāi)展了鏡頭方案論證，結(jié)合星敏感器最大包絡(luò)尺寸、鏡頭最小包絡(luò)尺寸和電路預(yù)期空間開(kāi)展了星敏感器分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而開(kāi)展了高集成度電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，完成了高精度小型化星敏感器樣機(jī)研制，滿足了應(yīng)用需求。

1 總體設(shè)計(jì)

高精度小型化星敏感器是基于太空迷失假設(shè)條件，針對(duì)預(yù)期測(cè)姿精度和小體積包絡(luò)尺寸而開(kāi)展的研究和設(shè)計(jì)，總體功能架構(gòu)如圖1所示。恒星所發(fā)出的星光，通過(guò)星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)成像在光敏面上并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給高集成度電路，進(jìn)而進(jìn)行星圖預(yù)處理。然后基于匹配方法構(gòu)造匹配模式，與導(dǎo)航星庫(kù)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)，完成星圖識(shí)別以及后續(xù)的姿態(tài)解算［2-9］。由于尺寸包絡(luò)的嚴(yán)格限制，開(kāi)展了分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了狹小空間下星敏感器系統(tǒng)高度集成的難題。因此，高精度小型化星敏感器設(shè)計(jì)主要包括小型化鏡頭設(shè)計(jì)、分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高集成度電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。

圖1 星敏感器功能框圖Fig.1 Block diagram of function of sensor star

2 小型化鏡頭設(shè)計(jì)

星敏感器鏡頭的關(guān)鍵參數(shù)主要包括工作波長(zhǎng)、視場(chǎng)、焦距和口徑等，這些參數(shù)由實(shí)際使用要求決定。星敏感器應(yīng)用于輔助導(dǎo)航時(shí)，基于1990年版的 《史密森SAO星表》進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，從而確定最佳視場(chǎng)。由于視場(chǎng)是由光敏感器器件的焦平面尺寸和光學(xué)系統(tǒng)焦距決定，所以，初步篩選出光敏感器件后，光學(xué)系統(tǒng)焦距也就確定了?；谟?jì)算的焦距，配合觀測(cè)星中心波長(zhǎng)和光敏感器件技術(shù)參數(shù)，綜合確定決定星像觀測(cè)靈敏度的最佳光學(xué)系統(tǒng)孔徑；最后通過(guò)光學(xué)路徑仿真確定方案是否可行，并反復(fù)修正參數(shù)直至滿足要求。最終選用的星敏感器鏡頭方案采用的是透射式光學(xué)方案，包絡(luò)尺寸僅為φ50mm×66.8mm的小型化鏡頭，功能指標(biāo)要求是：光譜范圍為 0.5μm～0.8μm，中心波長(zhǎng)為 0.65μm，圓視場(chǎng)達(dá)到 14°，焦距為46mm，入瞳口徑不小于Φ36.5mm，質(zhì)量不大于260g。針對(duì)目標(biāo)測(cè)姿精度，在星敏感器整機(jī)包絡(luò)尺寸強(qiáng)約束的條件下，有效實(shí)現(xiàn)了測(cè)姿前星圖識(shí)別所需的最佳視場(chǎng)和最小包絡(luò)尺寸。

3 分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高精度小型化星敏感器具有明確的應(yīng)用背景，決定了星敏感器研制的高精度和小型化要求。在星敏感器和鏡頭包絡(luò)尺寸條件下，如果采用主體結(jié)構(gòu)和后蓋的封閉組合方式，內(nèi)部空間密閉性較好，但是電路需要事先安裝于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而允許的空間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種安裝方式。因此，采取了分體式結(jié)構(gòu)方式，方便星敏感器各部件敞開(kāi)式安裝。具體包括多功能主體結(jié)構(gòu)、多用支架、互鎖側(cè)壁和嵌入式鎖緊后蓋，設(shè)計(jì)要素包括星敏感器安裝法蘭、鏡頭安裝接口、基準(zhǔn)塊、通信接口、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及各部件安裝時(shí)內(nèi)部空間的密閉性等。在保證星敏感器基本功能模塊的前提下，內(nèi)部空間的密閉性是首要因素，任何外部雜光進(jìn)入均會(huì)對(duì)星敏感器內(nèi)部光敏感器件造成光源干擾；同時(shí)，分體式結(jié)構(gòu)也限定了電路裝配時(shí)側(cè)壁式布局方式。因此，分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要滿足星敏感器系統(tǒng)高度集成的功能，還需要考慮避免分體式本身易引入外部光源干擾的問(wèn)題。

4 高集成度電路設(shè)計(jì)

電路主要由半導(dǎo)體制冷及控制單元和星光敏感處理單元組成。其中，半導(dǎo)體制冷及控制單元包括制冷半導(dǎo)體器件和功率控制電路，星光敏感處理單元包括CMOS電路和星圖處理電路。電路流程圖如圖2所示。

CMOS電路根據(jù)星圖處理電路產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)CMOS進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并按圖像處理板的控制時(shí)序?qū)?shù)字圖像信號(hào)輸出給星圖處理電路。慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)將12V電源輸入給功率控制電路，并與星敏感器的星圖處理電路的同步接口和串口進(jìn)行信號(hào)交互。功率控制電路接收FPGA開(kāi)關(guān)信號(hào)（根據(jù)CMOS內(nèi)置傳感器探測(cè)的閾值溫度控制功率控制電路的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而控制制冷半導(dǎo)體的工作與關(guān)閉狀態(tài)）并控制2.175V電壓輸出（制冷半導(dǎo)體的輸入電壓，用于環(huán)境溫度下CMOS器件的制冷降溫），另一路5V電壓輸出給DC-DC。DC-DC電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為FPGA運(yùn)行必需的3.3V、2.5V和1.5V，以及CMOS電路必需的3.3V、3V和2V。FPGA運(yùn)行之后，產(chǎn)生CMOS運(yùn)行的控制信號(hào)并采集CMOS輸出的星圖數(shù)字信號(hào)并提取星圖質(zhì)心，然后根據(jù)同步信號(hào)經(jīng)串口輸出給慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)。其中，RAM的功能用于星圖存儲(chǔ)，F(xiàn)LASH用于參數(shù)裝訂和功能自檢。

圖2 電路流程圖Fig.2 Flow chart of circuit

經(jīng)過(guò)元器件選用分析后采用的元器件為47種210只，而側(cè)壁式布局裝配方式造成鏡頭和側(cè)壁干擾元器件在電路板的位置布局，同時(shí)采用了電路板間軟板連接的方式，大大縮減軟導(dǎo)線飛線的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了高精度小型化星敏感器電路高集成度設(shè)計(jì)。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件劃分為FPGA軟件和ARM軟件兩部分，軟件功能模塊框圖如圖3所示。FPGA軟件分為5個(gè)功能模塊：1）CMV4000驅(qū)動(dòng)模塊提供特定的時(shí)序使CMV4000按照要求的曝光時(shí)間和增益對(duì)恒星進(jìn)行成像；2）圖像預(yù)處理模塊按照要求的閾值對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波和分割得到星點(diǎn)像素的位置和亮度信息；3）參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)指令調(diào)節(jié)曝光和圖像預(yù)處理的參數(shù)；4）485通信接口負(fù)責(zé)和慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換；5）ARM通信接口負(fù)責(zé)與ARM的數(shù)據(jù)交換，包括提取的星點(diǎn)信息和慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)的指令包。ARM軟件分為4個(gè)功能模塊：1）指令與數(shù)據(jù)解析與應(yīng)答模塊將提取的星點(diǎn)信息傳遞到星圖識(shí)別模塊進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算與星圖識(shí)別并根據(jù)當(dāng)前的工作模式對(duì)指令作出響應(yīng)；2）星圖識(shí)別模塊包含星圖識(shí)別算法、星跟蹤算法及導(dǎo)航星庫(kù)，其主要功能是為星圖中觀測(cè)星找到正確匹配的導(dǎo)航星；3）姿態(tài)計(jì)算模塊根據(jù)識(shí)別結(jié)果計(jì)算出星敏感器當(dāng)前的姿態(tài)，輸出姿態(tài)信息；4）任務(wù)管理與工作模式切換模塊根據(jù)指令設(shè)定星敏感器的工作模式。

圖3 軟件功能模塊示意圖Fig.3 Block diagram of software function

軟件工作流程如圖4所示。星敏感器上電初始化完成后，F(xiàn)PGA開(kāi)始一幀圖像的采集和預(yù)處理，圖像預(yù)處理結(jié)束后就得到了星圖中星點(diǎn)像素位置和亮度信息。然后判斷曝光和預(yù)處理的參數(shù)是否更新，如果是則重新配置相應(yīng)參數(shù)。最后將星點(diǎn)信息和新接收的指令（如果有）傳送給ARM，并讀取新的姿態(tài)數(shù)據(jù)指令響應(yīng)數(shù)據(jù)，等待曝光結(jié)束后采集下一幀圖像。ARM上電初始化完成后，首先對(duì)未處理指令進(jìn)行響應(yīng)，然后等待星點(diǎn)信息更新。利用更新的星點(diǎn)信息進(jìn)行星圖識(shí)別，并根據(jù)星圖識(shí)別結(jié)果計(jì)算姿態(tài)。姿態(tài)更新后響應(yīng)未處理的指令，并等待下一幀星圖星點(diǎn)數(shù)據(jù)。FPGA軟件具有并行工作的特點(diǎn)，所以FPGA軟件中除了上述的工作內(nèi)容和流程外，同時(shí)還并行執(zhí)行與慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)的通信接口功能。該功能上電初始化完成后就啟動(dòng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)有無(wú)慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的通信命令，如果有則進(jìn)行解析判斷，根據(jù)命令做出相應(yīng)的響應(yīng)，否則繼續(xù)處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

星敏感器工作模式包括啟動(dòng)模式、待機(jī)模式、目標(biāo)天區(qū)識(shí)別模式和星跟蹤模式，如圖5所示。圖5中箭頭表示模式轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中實(shí)線箭頭表示根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，空心箭頭表示自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換。1）啟動(dòng)模式：上電后，星敏感器進(jìn)入啟動(dòng)模式，將軟件代碼從FLASH中導(dǎo)入SRAM中運(yùn)行，初始化軟硬件運(yùn)行環(huán)境，并完成開(kāi)機(jī)自檢，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)入待機(jī)模式。2）待機(jī)模式：在該模式中，F(xiàn)PGA等待指令的輸入，ARM處于待機(jī)狀態(tài)，不進(jìn)行星圖識(shí)別和姿態(tài)解算。在待機(jī)狀態(tài)，可接收配置指令對(duì)星敏感器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，也可通過(guò)指令轉(zhuǎn)移目標(biāo)天區(qū)識(shí)別模式。3）目標(biāo)天區(qū)識(shí)別模式：在該模式中，F(xiàn)PGA進(jìn)行成像驅(qū)動(dòng)、圖像預(yù)處理、通信接口等功能，ARM運(yùn)行于目標(biāo)天區(qū)識(shí)別功能模塊，并向慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)包以及狀態(tài)信息包等有效數(shù)據(jù)。4）星跟蹤模式：目標(biāo)天區(qū)識(shí)別成功后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入星跟蹤模式，F(xiàn)PGA進(jìn)行成像驅(qū)動(dòng)、圖像預(yù)處理、通信接口等功能，ARM運(yùn)行星跟蹤模塊，通過(guò)已有識(shí)別結(jié)果和前后幀星圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行快速的跟蹤識(shí)別，并進(jìn)行高精度姿態(tài)解算輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)包以及狀態(tài)信息包等。

圖4 軟件工作流程Fig.4 Flow chart of software

圖5 星敏感器工作模式示意圖Fig.5 Block diagram of star sensor working mode

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

性能驗(yàn)證分為室內(nèi)測(cè)試和室外觀星測(cè)試兩個(gè)部分。

6.1 室內(nèi)測(cè)試

星敏感器安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框上，在數(shù)據(jù)采集前，在暗室條件下利用星敏感器拍攝星點(diǎn)圖像，調(diào)節(jié)單星模擬器的星等和星敏感器的曝光時(shí)間，使得星點(diǎn)光斑中心灰度接近飽和。在轉(zhuǎn)臺(tái)處于零位狀態(tài)下，能正常讀取星敏感器星點(diǎn)質(zhì)心數(shù)據(jù)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)按照一定間隔采集221個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使得采樣點(diǎn)均勻遍布整個(gè)視場(chǎng)，如圖6所示。基于標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)最優(yōu)化的方法求解出星敏感器焦距（45.9317mm）、主點(diǎn)（1027.39像素，1058.74像素）和畸變等參數(shù)，然后基于測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算星敏感器的視軸指向測(cè)角精度，并進(jìn)一步估算出視軸測(cè)姿精度為 0.6015″（3σ），滾轉(zhuǎn)測(cè)姿精度為 6.4247″（3σ）。

圖6 視場(chǎng)中測(cè)試點(diǎn)位置分布圖Fig.6 Positions of test in field

6.2 室外觀星測(cè)試

室外觀星測(cè)試基于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證軟件設(shè)計(jì)。將觀星轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在三腳架上，再將星敏感器安裝在觀星轉(zhuǎn)臺(tái)上。保持轉(zhuǎn)臺(tái)不動(dòng)（星敏感器以地速轉(zhuǎn)動(dòng)），用計(jì)算機(jī)每500ms向星敏感器發(fā)送一次同步命令，測(cè)試星敏感器在地速下的連續(xù)姿態(tài)輸出能力。分別設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為1（°）/s，用計(jì)算機(jī)每 500ms向星敏感器發(fā)送一次同步命令，測(cè)試星敏感器連續(xù)姿態(tài)輸出能力。圖7、圖8分別為地速下和1（°）/s角速度下，星敏感器輸出的四元數(shù)曲線?？梢钥闯?，在地速和1（°）/s角速度下，星敏感器均能連續(xù)輸出姿態(tài)，且無(wú)粗大誤差。通過(guò)室外觀星再次驗(yàn)證了星敏感器質(zhì)心提取、星圖識(shí)別和功能模式等功能。

7 結(jié)論

基于小型化鏡頭設(shè)計(jì)、分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高集成度電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，開(kāi)展了高精度小型化星敏感器的研究，解決了狹小空間高集成度的難題，滿足了星敏感器在特定包絡(luò)尺寸下預(yù)期測(cè)姿精度的應(yīng)用需求，適應(yīng)了星敏感器向高精度和小型化的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 地速下姿態(tài)曲線Fig.7 Attitude curve in ground speed

圖 8 1（°）/s 角速度下姿態(tài)曲線Fig.8 Attitude curve in 1（°）/s

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Design of a Star Sensor with High Precision and Small Volume

SANG Wen-hua1，WANG Gang-yi2，ZHAO Qi-kun1，WANG Wen-pu1
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191）

With high precision，non-shift and long-life，a star sensor is a device for measuring an object's attitude referring to the stellar coordinates，which provides exact orientation and benchmark in space，and makes up a kind of hybrid navigation with inertial instrument.In view of the application requirement for a star sensor with high precision and small volume，the paper proposes a kind of star sensor based on the optical system with small，the separated structure，the highintegrated circuit，the software of“FPGA＋ARM”，which resolves the problem of the highly integration in the narrow and small space of the star sensor，and achieves the due goal of high precision that is 0.6＂（3σ）.The prototype of the star sensor passes the test evaluation，whose performance meets the requirements of design，and is provided with the ability of determining attitude through searching the stars in all the celestial sphere.

star sensor；high precision；miniaturization；sttitude

U666.1

A

1674-5558（2017）03-01436

10.3969/j.issn.1674-5558.2017.06.010

2017-07-12

國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)（編號(hào)：17-0163-15-XJ-002-002-10）

桑文華，男，博士，工程師，研究方向?yàn)閼T性儀表。