三视场星敏感器的研究

丁亚雪 王磊

【摘要】对三视场星敏感器的软、硬件进行了研究。本设计采用FPGA+ DSP的构架模式，完成整个系统的资源调度、时序控制、质心提取，及星点信息融合。本文针对多天体星空观测的需求及其特殊性，阐述三视场卫星姿态确定的数据处理单元及软件设计方案。

【关键词】多视场；DSP+FPGA；星敏感器；数据单元；软件方案

1.引言

星敏感器是一种高精度、高可靠性的姿态测量部件，是卫星姿态轨道控制系统的重要组成部分。随着航天技术的发展，对卫星姿态及导航精度的要求也在不断提高，传统的单视场、小视场、大功耗的星敏感器已经不能满足卫星多任務、高精度、高可靠性的要求，而逐渐向多视场、低功耗、抗辐射及微型化发展。本设计对三视场、小型化、高精度星敏感器进行研究。

2.三视场星敏感器工作原理

本设计在单视场星敏感器工作的基础上，将单视场扩展为三视场。三视场星敏感器通对恒星、地球、月球图像的采集、处理及各路图像信息融合，最后输出卫星的姿态和在空间中的位置信息。三视场星敏感器是在软硬件结合的基础上通过图像采集单元、图像处理单元及位置和姿态计算单元实现卫星的姿态调整和空间定位的。

2.1 单视场星敏感器的工作原理

恒星图像通过光学系统成像在CCD（或CMOS）光敏面上，信号检测线路将恒星光能转换成模拟信号，模拟信号处理单元对其进行放大、滤波、整形等处理后，由模数转换单元对其进行模数转换和数据采集，数据处理单元对数字化后的星图进行处理，星识别软件对星图中的星按匹配方法构造匹配模式，与导航星库中的已有模式进行匹配、处理，形成观测星与导航星的唯一匹配星对。利用匹配星对，姿态计算软件通过姿态计算方法确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向，最后由此指向及星敏感器与卫星本体的安装角就可以完成卫星三轴瞬时姿态的测量，通过姿态预测算法预测卫星的下一姿态并进行姿态控制。当然，为保证得到更可靠的姿态和位置信息，卫星的姿态控制单元也有来自陀螺、磁强计等其他姿态敏感器的姿态信号。

2.2 地球和月球敏感器工作原理

多天体星空观测敏感器除了对恒星进行观测以外，还需要对地球和月球进行观测。具体来说，对月球或者地球的图像处理过程为：边缘图像检测，轮廓提取，不完全轮廓拟合，圆心计算。

在经过与对恒星相同的图像处理过程之后，得到数字化的地球和月球的图像信息。由于该图像信息可能只是地球或者月球的一部分，所以必须通过程序根据这一部分图像信息对地球或者月球的图像轮廓拟合之后才能计算出卫星相对球心和相对地心的夹角，由于地球跟月球距离是固定的，根据卫星相对两球心的夹角就可以计算出卫星在空间的具体位置。

另外，为了保证卫星姿态和位置信息的准确性，必须保证敏感器对图像采集的同时性，所以采用高效的自动曝光调节算法是非常必要的，通过高效自动曝光调节算法敏感器能够根据图像的拍照效果自动控制曝光时间。在信息采集同时的前提下，通过对三路信号的融合可以计算出卫星的姿态和其空间位置。

3.硬件电路设计及器件选型

本设计针对高精度姿态确定系统的任务需求，基于工业镜头和低功耗探测器，完成微小型三视场星敏感器的研制。本设计硬件系统由成像单元和数字信号处理单元构成，并采用LVDS接口电路对图像数据进行传输。

3.1 成像单元

成像单元采用CMOS图像传感器。CMOS图像传感器是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。本设计采用APTINA公司的MT9M034L12STM黑白探测器，该探测器具有高灵敏度、高动态范围、高信噪比、低功耗的优点。

3.2 数字处理单元

信号处理单元采用采用1片FPGA和1片DSP的构架模式。其中FPGA实现对整个系统的资源调度，逻辑和时序控制，完成三视场星点坐标的质心提取，DSP管理FPGA、SDRAM和FLASH。DSP从FPGA中加载数据并进行处理，再将处理后的结果通过FPGA发送到外部通信单元。DSP+FPGA系统最大的优点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统容易维护和扩展，适合实时信号处理。本设计中FPGA选择Actel公司的Flash型防辐射、低功耗产品A3PE3000。DSP选择TMS320C6748，其最低功耗为 420mW，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。

3.3 接口电路

在接口电路上，本设计采用芯片DS90C032设计一组LVDS接口电路进行图像和数据传输。LVDS是一种低压查分信号接口技术，采用LVDS输出接口可以使得信号在差分PCB线上以几百Mbit/s的速率传输。由于LVDS信号物理电平变化在0.85V～1.55V之间，其由逻辑“0”电平到逻辑“1”电平变化的时间比TTL电平变化要快很多，所以LVDS更适合用来传输高速度变化信号。这种低压和低电流驱动方式，实现了数据传输的低噪声和低功耗。

4.结论

本文讨论了三视场星敏感器中星敏感器、地球和月球敏感器的工作原理，通过对硬件电路设计的介绍，芯片选型分析，为设计出用于姿态确定的数据处理单元，为高精度的多视场测量算法提供嵌入式的运行环境，完成具有低功耗、高性能的数据处理单元硬件电路的研制奠定了硬件基础。

作者简介：丁亚雪（1989—），女，研究方向：控制理论与控制工程。