0 引言

    星敏感器是所有敏感器中最為精密而且漂移最小的，是航天飛行器中重要的定姿系統(tǒng),。使用CMOS作為星敏感器的傳感器器件已經(jīng)是現(xiàn)在的主流方向,，國產(chǎn)星敏感器與國外先進技術(shù)存在著較大的差距，使用國產(chǎn)化器件,，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的微小型化星敏感器已經(jīng)變得迫在眉睫,。本文以某國產(chǎn)化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片設(shè)計星敏感器，對其光學及電學系統(tǒng)進行研究設(shè)計,。

1 星敏感器設(shè)計

    星敏感器系統(tǒng)由遮光罩,、光學鏡頭、敏感器芯片及外圍電路,、數(shù)據(jù)處理器和電腦控制系統(tǒng)組成,，其組成框圖如圖1所示。

1.1 光學系統(tǒng)設(shè)計

    本文中使用的CMOS APS傳感器為某國產(chǎn)型號B1XXX,，電路中各項功能,、指標、參數(shù),、封裝形式,、引腳定義均兼容最常用的美國CYPRESS公司STAR1000產(chǎn)品，其參數(shù)見表1,。

    星敏感器光學系統(tǒng)參數(shù)會根據(jù)不同的應用環(huán)境而有所不同,，它主要由以下幾點確定：傳感器的像元尺寸、光譜響應特性,、所需探測的最高星等,。光學系統(tǒng)的參數(shù)需要設(shè)定的有鏡頭的焦距、光譜范圍、彌散斑尺寸,、通光孔徑,、中心波長透過率等^[1]。

1.1.1 視場角的確定

    視場角是確定光學鏡頭能夠探測到星空最大范圍的指標,。在同等條件下,，視場角越大，能夠觀測到的星數(shù)越多,。但是過多的星數(shù)會干擾后續(xù)的計算,，所以選擇合適的視場角是構(gòu)建光學系統(tǒng)的第一步。

    本文使用的APS CMOS傳感器是某國產(chǎn)芯片,。像元尺寸15 μm,，分辨率1 024×1 024，工作波長范圍選定為400 nm~780 nm,。要求在任意姿態(tài)下捕獲4顆以上導航星的概率達到99%，以便后續(xù)計算^[2],。根據(jù)這一數(shù)據(jù)要求,，通過編程處理星表，可得在給定視場內(nèi)觀測到各個星等的數(shù)量,。進一步統(tǒng)計當星等為5.5等時,，選取視場角為20°×20°能夠滿足在任意視場內(nèi)觀測到4顆及以上星星這一條件。故選取20°×20°作為視場角,。

1.1.2 焦距的確定

    焦距是確定成像平面到鏡面的距離,。由于選取的物體遠近不同，焦距會產(chǎn)生相應的變化,。在太空中,，星星的位置與距離相對固定，所以與普通的相機變焦不同,，星敏感器的焦距是固定的?，F(xiàn)有光學系統(tǒng)視場和焦距關(guān)系式為：

1.1.3 彌散斑尺寸的確定

    本文以 20°×20°的視場角為例，采用1 024×1 024 像元,，則單個像元僅能達到20/1 024≈0.019 5°≈70″,。為了提高像元測算的精準度，需要將傳感器接收到的圖像進行離焦,，使像點彌散開來,，從而使能量擴散到周圍的數(shù)個像元。將多個像元的能量信號進行匯總,，根據(jù)一定的算法,，共同計算并獲取星點的位置。這樣做的目的是使得星點位置不僅僅從單個像元上獲得,，而是能夠達到亞像元級別,。即亞像元內(nèi)插星點提取方法^[3],。目前常用的彌散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元，使用大的彌散斑尺寸能提高定位精度,，但會影響到后續(xù)的計算速度,。本文采取2×2像元大小作為彌散斑尺寸。

1.1.4 相對孔徑的確定

    孔徑與焦距用相對孔徑F表示,，即F/#=f/D,。國標GB/T 30111-2013中，對相對孔徑的定義是入瞳直徑與焦距的比值,，即D/f,，其數(shù)值在1/0.8~1/6之間選取。

    F/#的計算由以下公式給出^[4]：

其中V_th為信噪比,，取值5,；I_d為暗電流噪聲；為其余噪聲總和,；τ為光學系統(tǒng)透過率,，取0.75；η為能量集中度,，取90%,；t為曝光積分時間，取100 ms,；a為像元尺寸,，取15 μm；k為探測器的光功當量,；H為恒星發(fā)射到光學系統(tǒng)入瞳上的光照度,；QE為量子效率；FF為面積占空比,；d為彌散斑大小,，h為普朗克常數(shù)，v表示入射光中心波長對應的頻率,。最終計算結(jié)果為D≥25.2 mm,。則F/#=25.2/43.56=1:1.73。符合國家標準范圍,。

1.2 電學系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 CMOS APS傳感器分析

    本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗輻射CMOS圖像傳感器,，像素尺寸為15 μm×15 μm。電路各項功能,、指標,、封裝形式、引腳定義均兼容美國CYPRESS公司的STAR1000產(chǎn)品。片內(nèi)集成了雙采樣技術(shù),、可變增益放大器（PGA）以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,。且片上ADC電學可隔離，既可以采用片上ADC數(shù)字量化輸出,，也可以依據(jù)用戶需求,，直接輸出光模擬信號。

    電路具有智能窗口功能,，即像素陣列的X,、Y地址可隨機編程，實現(xiàn)對窗口大小,、起止地址的隨機控制,；具有高靈敏度（≥2.7 V/lux·s（@550 nm）），可適應空間微光環(huán)境需求,；具有1,、2、4,、8倍可編程增益,，可以根據(jù)光照強弱控制輸出增益，適應更寬工作環(huán)境,；具有雙斜積分功能，可大大提高動態(tài)范圍,，從而提高同一環(huán)境下強光弱光同時存在時的適應性,；抗輻射總劑量能力≥100 Krad（Si），抗單粒子閂鎖LET≥75 Mev·cm²/mg,。

    器件結(jié)構(gòu)及特點：B1XXX的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。該圖像傳感器主要包含6個部分：像素陣列、尋址邏輯,、前置列放大器,、可編程增益放大器（PGA）、模擬多路選擇器和ADC,。

1.2.2 FPGA時序驅(qū)動模塊

    焦平面圖像傳感器的選擇直接關(guān)系到星敏感器的核心設(shè)計,。 

    本系統(tǒng)利用FPGA實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的驅(qū)動、CMOS圖像傳感器與處理器系統(tǒng)的接口,，以及星圖存儲或星圖預處理等功能,。單時鐘全同步的設(shè)計被設(shè)計中所使用，外部20 MHz晶振提供了時鐘輸入來源,，內(nèi)部則進行分頻處理,。這一較為復雜的時序邏輯能夠通過編程得以實現(xiàn)^[5]，如圖3所示。

1.2.3 信號處理方案

    信號處理板采用了國產(chǎn)SoPC核心信號處理板,，該核心板基于國產(chǎn)SoPC進行二次集成開發(fā),，將SoPC最小應用系統(tǒng)、基礎(chǔ)配置電路和通信接口模塊集成在了尺寸為51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上,。其中SoPC芯片總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。

    此外，核心信號處理板還包括了基礎(chǔ)的配置及與應用系統(tǒng)的通信接口,，主要包括：PLL配置,、調(diào)試接口配置、復位模塊,、時鐘模塊,、FPGA配置等。通信接口主要包括：1553通信接口,、ADC接口,、串行通信接口、可擴展GPIO接口,、中斷接口,、I²C總線、定時器/計數(shù)器輸入/輸出接口,、測試與指示接口等,。這些基本可以滿足星敏感器的軟件需求。

    最終設(shè)計方案為：將星敏感器電學系統(tǒng)(不含外殼)尺寸小型化到60 mm×60 mm,，2塊電路板重量(含緊固件)共計約60 g,，靜態(tài)功耗約1.2 W。

2 APS星敏感器軟件方案

    星敏感器的軟件算法主要包括星庫建立,、星圖預處理,、星圖識別與星圖匹配、姿態(tài)解算等部分,。

    (1)星庫建立

    星庫是根據(jù)星表篩選后建立的導航星的集合,，其作用是在進行星圖匹配時提供匹配的依據(jù)。確定好星表后,，就可以根據(jù)星表建立起相應的導航星庫,。

    (2)星圖預處理

    在傳感器獲得圖像之后，由于各種噪聲的存在,，需要在處理數(shù)據(jù)之前進行降噪,，隨后將星點質(zhì)心提取，提供給星圖識別算法,。

    在實際應用中采用了簡單的平均值去噪方法,。由于固定噪聲的數(shù)值在一定范圍內(nèi)不規(guī)律地呈現(xiàn),，故可以取其平均值作為系統(tǒng)的固定噪聲，再用采集的圖像與平均值求差,，可以得到初步的降噪效果,。具體方法為：使用星敏感器系統(tǒng)連續(xù)拍攝在黑暗條件下的圖片，獲取其中噪點的信息,，包括位置及數(shù)值,。在同一位置獲得的噪點信息，使用平均值法算出均值作為其最終數(shù)值,。

    由于積分時間不同,，固定噪聲呈現(xiàn)出的噪點會有略微不同。統(tǒng)計在積分時間為10 ms,、50 ms,、100 ms的情況下，采用10次平均值方法得出的平均噪聲與實際的差值,。

    在采集全黑的圖片時,，固定噪聲干擾會帶來大約3.6%左右的影響。噪聲灰度值集中在08～10左右,。當使用平均值去噪方法后,，噪聲灰度值集中在00～02左右。表2為不同積分時間下使用平均值去噪的效果,。

    (3)星圖識別與星圖匹配

    在提取質(zhì)心信息后,，在導航星庫中搜索識別相同信息的導航星，如果獲得唯一匹配的導航星,，則匹配成功,。

    (4)姿態(tài)解算

    當匹配成功后進行姿態(tài)解算，算出當前的姿態(tài)角或四元數(shù)數(shù)據(jù),，輸出結(jié)果。

    圖5為星敏感器軟件流程圖,。

3 結(jié)論

    本文根據(jù)某國產(chǎn)抗輻射COMS APS芯片和SoPC控制芯片,，設(shè)計了微小型星敏感器的光學及電學系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的傳感器特性,，有針對性地選擇合適的光學系統(tǒng)參數(shù),，并得出其確定參數(shù)。光學系統(tǒng)在確定了視場角和APS傳感器之后,，就可以依次得出焦距,、相對孔徑等參數(shù)。星敏感器根據(jù)硬件及系統(tǒng)的要求,，設(shè)計了FPGA驅(qū)動模塊和信號處理模塊,。星敏感器硬件完全國產(chǎn)自主化,，并符合GB/T 30111-2013中對于星敏感器的要求，軟件部分根據(jù)現(xiàn)有的器件參數(shù)進行編程,。最后,，設(shè)計并完成了一套國產(chǎn)化星敏感器實驗原理樣機。

參考文獻

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[2] 吳峰.自主導航星敏感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].蘇州：蘇州大學,，2012.

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