专利名称：一种高精度的星敏感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度的星敏感器。
背景技术：
星敏感器是感受恒星的辐射并测量卫星相对于该恒星方位的一种光学姿态敏感器。由于恒星的张角非常小，且星光在惯性坐标系中的方向是精确已知的，所以星敏感器的测量精度很高，为了减小外界杂散光的影响，常常在星敏感器的镜头前加一个遮光罩，星敏感器根据聚焦几何关系进一步求出星光矢量在星敏感器坐标系中的方向，再由安装矩阵求得星光矢量在载体本体坐标系中的观测矢量。为了进一步提高星敏感器精度，一般采用大面阵的图像传感器(比如采用CMV4000的2048X2048像元大面阵图像传感器)进行设计，如果视场不增加的前提下，增加面阵能提高星敏感器的姿态精度，但是，受到星敏感器受自身结构的限制，其滚动角精度低，一般比偏航角和俯仰角约低一个量级，而且随着星敏感器图像传感器面阵的增加，从图像中提取的恒星星像坐标的时间也随着增加，从而降低了星敏感器的数据更新率，降低了星敏感器的动态性能。有些文献同时读取和处理两路像素数据来从图像中提取恒星星像坐标，该方法从理论上讲提取恒星星像坐标的时间降低了一半，但是如果某些恒星星像分布在两路之间，采用双路质心跟随成像技术提取恒星星像坐标可能不正确，因此，纯粹采用增大图像传感器面阵的方法来提高星敏感器的精度不可取。为了提高星敏感器滚动角的精度，当前把星敏感器设计为多个探头，采用数据融合的方法利用多个探头的数据来提高星敏感器的精度，多探头星敏感器由于视场的有效扩充，带来更丰富的观测信息，可以进一步提高星敏感器的测量精度和工作可靠性，比如法国Sodern公司和丹麦技术大学提出多探头星敏感器的设计概念。多探头星敏感器的探头之间的工作模式可以采用同步模式或者异步模式，同步模式就是多个探头同时曝光同一时刻的星图，所有探头曝光同时结束，在该种模式下，星敏感器数据处理单元可以利用所有探头的数据，采用信息融合的方法来提高星敏感器精度，从而提高星敏感器高精度的导航数据。这种工作模式必须满足探头之间完全同步，但实际上受电路设计、工艺等影响，造成时间延时不一致，因此实际工程上所有探头不可能完全同一时刻采图。异步模式是有探头分别曝光，所有探头异步工作模式下的校时方法，所有探头分别有守时模块，数据处理单元也有守时功能，数据处理单元与探头之间采用时间秒脉冲和数据线之间进行时间同步。并且实时地保存曝光时刻，数据处理单元接收到所有探头的星图数据同时也能接收到所有探头的曝光时刻，这样虽然所有探头分别采用不同的控制器进行控制，不会由于电路设计、工艺等影响，造成时间延时不一致的影响而造成星敏感器精度下降。因此，采用该模式不但具有采用同步模式的高精度姿态信息，而且具有高数据更新率的特点，在该模式下，为了获得高精度的姿态信息，探头之间的时间同步是关键问题。但各探头驱动电路部分的晶振不同，长时间后存在相位差等，所有探头收到数据处理单元的时间同步时间内，探头之间存在时间不同步的缺点，由于时间不同步，利用这些探头计算的三轴姿态不够精确。本发明提出一种新的多传感器驱动设计方法，该方法是一种完全的同步模式，而且该方法具有异步模式姿态精度高，避免了传统异步模式下数据处理单元与探头之间采用时间秒脉冲和数据线之间进行时间同步的缺点。
发明内容
本发明提出一种高精度的星敏感器，该方法是一种完全的同步模式，而且该方法具有异步模式姿态精度高，避免了传统异步模式下数据处理单元与探头之间采用时间秒脉冲和数据线之间进行时间同步的缺点。本发明所采用的技术如下:包括恒星星像坐标采集单元和恒星星像坐标数据处理单元，其特征在于:恒星星像坐标采集单元包括三个图像传感器、三个A/D转换芯片、第一FPGA驱动单元、第一 SRAM存储单元和LVDS芯片，恒星星像坐标数据处理单元包括RS422通信单元、第二 FPGA驱动单元、DSP控制单元、FLSAH存储单元和第二 SRAM存储单元；每个图像传感器都有独立的镜头，三个镜头的光轴指向两两互相垂直，每个图像传感器分别通过A/D转换芯片与第一 FPGA驱动单元连接，第一 SRAM存储单元与第一 FPGA驱动单元连接，第一 FPGA驱动单元通过LVDS芯片与第二 FPGA驱动单元连接，第二 FPGA驱动单元分别与DSP控制单元、FLSAH存储单元、第二 SRAM存储单元连接，DSP控制单元与RS422通信单元连接；第一 FPGA驱动单元并行地完成三个图像传感器的驱动时序，并且根据设计的时序，通过第一 FPGA驱动单元的I/O发送给相应的图像传感器，图形传感器接收到相应的时序后，完成光电转换，产生相应的同步信号，第一 FPGA驱动单元同时接收到三个图像传感器的同步信号:包括帧同步信号、行同步信号以及每个像元的同步信号，接收相应的图像传感器图像信号，分别并行地采集三个图像传感器的图像信号，采集到图像信号后，并行地从三个图像传感器的图像数据中提取视场内所有恒星星像坐标，同时并行地把三个图像传感器的图像数据保存到第一 SRAM存储单元，从三个图像传感器的图像中能同时完成恒星星像坐标地提取和图像数据的保存，然后把这三个图像传感器图像的恒星星像坐标进行组帧，组帧后通过LVDS芯片把串行数据转化为差分信号，发送给数据处理单元；数据处理部分LVDS芯片接收到差分信号后，转换为串行数据；第二 FPGA驱动单元接收到串行数据后,转换为并行数据，并发送给DSP控制单元；DSP控制单元接收到三个图像传感器的图像恒星星像坐标数据后，分别对三个图像传感器的图像恒星星像坐标进行识别，并计算各自的姿态；DSP控制单元利用各自的姿态，采用三探头星敏感器姿态确定方法计算当前星敏感器的姿态，然后采用数据处理部分的RS422发送给导航计算机。本发明还有如下结束特征:1、所述的FPGA驱动单元采用ALTERA公司的EP2C8Q208I8芯片。2、所述的图像传感器采用(XD48-20芯片。3、所述的第一 SRAM 采用 IS61LV10248。4、所述的DSP器件采用TI公司的TMS320VC33芯片。5、所述的LVDS器件采用DS91D176芯片。6、所述的第二 SRAM 采用 Is611v512616。7、所述的 FLASH 采用 AM29LV800BB-70EI。
本发明的特点和优点:第一:所有图像传感器驱动共用一个晶振，弥补了多视场星敏感器长时间运行后，各视场之间的时间存在相位差的缺点；第二:弥补了单个成像探头模块星敏感器滚动轴姿态精度差的缺点；第三:由于所有图像传感器驱动共用一个驱动电路部分，因此与多视场星敏感器相比，这样减少了体积和功耗；第四:即使某些图像传 感器失效，在保证姿态精度的基础上，其它图像传感器仍然能输出姿态，提高了数据可靠性。
图1为高精度星敏感器原理框图；图2为驱动电路部分和数据处理部分之间的数据交换格式图；图3为FPGA的内部功能逻辑关系原理图；图4为采用高精度的星敏感器工作流程图；图5为高精度星敏感器数据同步测试结果图；图6为三视场星敏感器姿态测试结果图；图7为三视场星敏感器同步测试结果图；图8为单视场星敏感器精度测试结果图；图9为三视场星敏感器精度测试结果图；图10为高精度星敏感器精度测试结果图；图11为一种高精度星敏感器的实施方式框图。
具体实施方式
:下面结合附图举例进一步对本发明进行解释:实施例1本发明的设计如图1，包括三个图像传感器，每个图像传感器都有独立的镜头，三个图像传感器共用一个驱动电路，由于FPGA具有完全并行运行的特点，这个驱动电路只需要一个FPGA芯片，而且三个图像传感器的驱动信号都由这个FPGA芯片来完成，这样不但大大减少了星敏感器的体积，而且降低了星敏感器的功耗，当驱动电路接收到三个图像传感器的图像，除了需要保存三幅图像到SRAM中，还需要从三幅图像中提取恒星星像坐标，当完成从三幅图像中提取恒星星像坐标后，组成一包数据发送给数据处理部分，数据处理部分接收到数据后进行拆包，分别识别三个图像传感器的恒星星像坐标，利用识别后的结果，采用探头星敏感器姿态确定方法计算星敏感器输出姿态。根据双矢量姿态确定原理，三个单位矢量Xn、Yn、Zn,并构成一个相互正交坐标系，其中=XnA1^PZn的模IxnI = 1，Yn = I和IznI = 1，即可确定飞行器三轴的姿态。因此，设计上需要保证三个镜头的光轴指向两两互相垂直。其中驱动电路部分和数据处理部分之间的数据交换采用LVDS电气特性，驱动电路部分发送给数据处理部分的数据长度每周期大约为3Κ字节，格式包括2个字节的帧头，用0χΕΒ90表示，三个传感器图像的恒星星像坐标，最后一个字节是校验，如图2所示。从理论上讲，采用LVDS传输数据的速度能达几百兆，但是从数据传输可靠性上讲，传输速度越慢，可靠性越高，由于传输给数据处理单元的坐标数据不超过3K字节，因此设计的传输速度是10M，传输坐标的数据是2.4毫秒，因此传输时间不会明显降低数据更新率。驱动电路所需要完成的功能几乎都在FPGA芯片内，FPGA需要并行地完成三个图像传感器的驱动时序，并且根据设计的时序，通过FPGA的I/O发送给相应的图像传感器，图形传感器接收到相应的时序后，完成光电转换，产生相应的同步信号，FPGA同时接收到三个图像传感器的同步信号(包括帧同步信号、行同步信号以及每个像元的同步信号)，接收相应的图像传感器图像信号，分别并行地采集三个图像传感器的图像信号，采集到图像信号后，并行地从三个图像传感器的图像数据中提取视场内所有恒星星像坐标，同时并行地把三个图像传感器的图像数据保存到SRAM中，从三个图像传感器的图像中能同时完成恒星星像坐标地提取和图像数据的保存，然后把这三个图像传感器图像的恒星星像坐标按照如2的格式进行组帧，组帧后通过LVDS把该帧数据发送给数据处理部分，这样，FPGA就同时完成了一次三个图像传感器的工作(FPGA的内部功能逻辑关系见图3)。因此，采用该双探头星敏感器的具体过程如下(如图4所示):1:驱动电路部分的FPGA同时给传感器1、传感器2和传感器3产生驱动时序；2:驱动电路部分的FPGA内部的传感器1、传感器2和传感器3的时序输出部分根据产生的时序，分别设置相应的PFGA的I/O 口高电平或者低电平；3:传感器1、传感器2和传感器3同时接收到驱动电路部分的FPGA驱动时序逻辑；4:传感器1、传感器2和传感器3根据接收到的逻辑完成相应的光/电转换操作，并产生帧同步、行同步、数据同步等信号，同时三个传感器送出图像数据；5:驱动电路部分的FPGA同时采样到三个图像传感器的帧同步信号后，判断是否是一幅图像开始，如果是，立刻采样三个图像传感器的行同步信号；如果否，立刻跳转到步骤11 ;6:驱动电路部分的FPGA同时采样到三个图像传感器的行同步信号后，判断是否是图像的某一行开始，如果是，立刻采样三个图像传感器的数据同步信号；否则立刻跳转到步骤10 ；7:驱动电路部分的FPGA同时采样到三个图像传感器的数据同步信号后，立刻采样三个图像传感器的图像串行数据；8:驱动电路部分的FPGA同时采样到三个图像传感器的图像串行数据后，把串行数据变为并行数据；9:驱动电路部分的FPGA同时采样到三个图像传感器的并行图像数据后，分别地采用质心法从三个图像传感器图像中提取恒星星像坐标，同时分别地把三个图像传感器图像数据保存到各自的存储器中，并且判断三个图像传感器当前帧的图像是否结束，如果是，跳转到步骤11 ;否则跳转到步骤5 ；10:该行结束，等待，直到另一行的行同步开始；11:驱动电路部分的FPGA收集三个图像传感器图像恒星星像坐标；12:驱动电路部分的FPGA对三个图像传感器图像恒星星像坐标数据进行组帧，组帧后的数据格式如图2 ；
13:驱动电路部分的FPGA把组帧后的数据进行编码；14:驱动电路部分的FPGA把编码后的数据串行地发送给驱动电路部分的LVDS芯片;15:驱动电路部分的LVDS芯片把串行数据转化为差分信号，发送给数据处理部分；16:数据处理部分LVDS芯片接收到差分信号后，转换为串行数据；17:数据处理部分的FPGA接收到串行数据后，转换为并行数据，并发送给数据处理部分的DSP ；18:数据处理部分的DSP接收到三个图像传感器的图像恒星星像坐标数据后，分别对三个图像传感器的图像恒星星像坐标进行识别，并计算各自的姿态；19:数据处理部分的DSP利用各自的姿态，采用三探头星敏感器姿态确定方法计算当前星敏感器的姿态，然后采用数据处理部分的RS422发送给导航计算机；实施例2传统进一步提高星敏感器精度采用大面阵的图像传感器进行设计，该方法虽然能提高星敏感器的姿态精度，但是其滚动角精度低，而且由于星敏感器图像传感器面阵大，降低了星敏感器的数据更新率。为了提高星敏感器滚动角的精度，当前把星敏感器设计为多个探头，多探头星敏感器的探头之间的工作模式可以采用同步模式或者异步模式，同步模式就是多个探头同时曝光同一时刻的星图，利用所有探头的数据，采用信息融合的方法来提高星敏感器精度，但实际上受电路设计、工艺等影响，造成时间延时不一致，因此实际工程上所有探头不可能完全同一时刻采图。异步模式是有探头分别曝光，所有探头异步工作模式下的校时方法，所有探头分别有守时模块，数据处理单元也有守时功能，数据处理单元与探头之间采用时间秒脉冲和数据线之间进行时间同步。但各探头驱动电路部分的晶振不同，长时间后存在相位差等，所有探头收到数据处理单元的时间同步时间内，探头之间存在时间不同步的缺点，因此这些探头计算的三轴姿态不够精确。如图11是一种高精度星敏感器的实施方式，其中三个图像传感器采用(XD48-20芯片，由于(XD48-20输出的是模拟信号，因此，FPGA接收图像数据前还必须加一个A/D芯片，选择A/D芯片为AD849，FPGA器件采用ALTERA公司的EP2C8Q208I8芯片，EP2C8Q208I8芯片的配置文件放置到EPCS4器件中，SRAM采用IS61LV10248，该芯片是IKX8位的存储器，DSP器件采用TI公司的TMS320VC33芯片，该芯片是32位的浮点器件，程序SRAM采用Is611v512616，该芯片是16位的存储器，因此需要用到两片，分别为高16位和低16位，FLASH器件采用AM29LV800BB-70EI，该芯片是16位的存储器，因此需要用到两片，分别为高16位和低16位，RS422器件采用MAX490芯片，LVDS器件采用DS91D176芯片。实施例3下面以三个图像传感器、一个驱动电路部分以及一个数据处理部分为例。每个图像传感器特征:视场:14。X14°面阵:1024X1024探测星等:6Mv数据更新率:8Hz
驱动电路部分的核心FPGA芯片采用EP2V8Q208I8，输入晶振频率为40MHz，传输数据的LVDS的速度为10Mbps。数据处理工作频率为50MHz。为了验证该高精度星敏感器的精度和各图像传感器拍摄星图的时间是否同步，与三视场星敏感器进行了比较。实验分为两组。第一组实验用于测试各图像传感器拍摄星图的时间是否有相位差，方法如下:把高精度星敏感器和三视场星敏感器放置到外场，使高精度星敏感器和三视场星敏感器与地球保持相对静止，调整高精度星敏感器和三视场星敏感器的方位，使高精度星敏感器和三视场星敏感器的三个镜头方位都能观测到足够多的恒星，接通高精度星敏感器和三视场星敏感器的电源，使这两个星敏感器都能正常工作，设置高精度星敏感器的三个图像传感器的曝光时间为100毫秒，高精度星敏感器保存三个图像传感器的曝光时刻，并且把这三个曝光时刻与姿态一起传输到上位机，同时设置三视场星敏感器的三个视场的曝光时间也是100毫秒，三个视场分别保存各自图像传感器的曝光时刻，并且把相应的曝光时刻和各自的姿态信息发送给上位机，上位机接收到所有信息后实时显示，并实时保存，图5是根据上位机保存的结果，高精度星敏感器各自三个图像传感器的曝光时刻和根据三个图像传感器拍摄星图计算的姿态四元数，从可以看出，高精度星敏感器的电源刚接通，三个图像传感器曝光时刻始终是一样的。图6是三视场星敏感器各自三个视场的曝光时刻和根据三个视场拍摄星图计算的姿态四元数，三视场星敏感器一上电，三个视场的曝光时刻也几乎是一样，而随着通电时间增加，三视场星敏感器的三个视场曝光时刻之间的差也逐渐增加(如图7可以看出，三个视场之间的时间差初始都是0，随着时间的增加，时间差逐渐增加，到60秒时，视场I和视场2之间的时间差达到76401微秒，即76.401毫秒，视场I和视场3之间的时间差达到88微秒，即0.088毫秒，视场2和视场3之间的时间差达到76489微秒，即76.489毫秒)，这是由于三个视场采用不同晶振，长时间后存在相位差造成的，而高精度星敏感器的三个图像传感器曝光时刻的差不会随着时间的增加而增加，因此高精度星敏感器避免了三视场星敏感器长时间运行后，各视场之间的时间存在相位差的缺点。第二组实验用于测试星敏感器精度，方法如下:把高精度星敏感器、三视场星敏感器以及一个相同面阵的单视场星敏感器放置到外场，使高精度星敏感器、三视场星敏感器和单视场星敏感器与地球保持相对静止，调整高精度星敏感器、三视场星敏感器和单视场星敏感器的方位，使高精度星敏感器和三视场星敏感器的三个镜头方位都能观测到足够多的恒星，单视场星敏感器视场内有足够多的恒星，接通高精度星敏感器、三视场星敏感器和单视场星敏感器的电源，使这三个星敏感器都能正常工作，这三个星敏感器计算姿态后发送到上位机，上位机接收到三个星敏感器的姿态后与实际姿态作差，上位机实时显示这三个星敏感器的姿态误差，并实时保存这三个星敏感器的三轴姿态误差，接收到一定数量的姿态后，采用MATLAB 软件离线分别显示三个星敏感器的姿态误差(如图8)。从图8可以看出，单视场星敏感器虽然偏航角和俯仰角都有很高的精度，但是滚动角的精度比其它两个角度差，这是由于星敏感器受自身结构的限制，其滚动角精度低造成的，然而，三视场星敏感器三个欧拉角的精度不会随着时间的增加而降低；三视场星敏感器计算的三轴姿态利用了三个视场的姿态信息，采用信息融合的方法来提高精度，因此滚动角的精度与偏航角和俯仰角的精度相当，但是，三视场星敏感器三轴欧拉角的精度随着时间的增加而降低，这主要是长时间后，各视场之间的时间存在相位差，三个视场拍摄拍摄星图时不同时刻造成的(如图9);而高精度星敏感器不但滚动角的精度与偏航角和俯仰角的精度相当，而且随着时间的增加，三轴欧拉角的精度始终保持较高的精度(如图10)。
权利要求
1.一种高精度的星敏感器，包括恒星星像坐标采集单元和恒星星像坐标数据处理单元，其特征在于:恒星星像坐标采集单元包括三个图像传感器、三个A/D转换芯片、第一FPGA驱动单元、第一 SRAM存储单元和LVDS芯片，恒星星像坐标数据处理单元包括RS422通信单元、第二 FPGA驱动单元、DSP控制单元、FLSAH存储单元和第二 SRAM存储单元；每个图像传感器都有独立的镜头，三个镜头的光轴指向两两互相垂直，每个图像传感器分别通过A/D转换芯片与第一 FPGA驱动单元连接，第一 SRAM存储单元与第一 FPGA驱动单元连接，第一 FPGA驱动单元通过LVDS芯片与第二 FPGA驱动单元连接，第二 FPGA驱动单元分别与DSP控制单元、FLSAH存储单元、第二 SRAM存储单元连接，DSP控制单元与RS422通信单元连接；第一 FPGA驱动单元并行地完成三个图像传感器的驱动时序，并且根据设计的时序，通过第一 FPGA驱动单元的I/O发送给相应的图像传感器，图形传感器接收到相应的时序后，完成光电转换，产生相应的同步信号，第一 FPGA驱动单元同时接收到三个图像传感器的同步信号:包括帧同步信号、行同步信号以及每个像元的同步信号，接收相应的图像传感器图像信号，分别并行地采集三个图像传感器的图像信号，采集到图像信号后，并行地从三个图像传感器的图像数据中提取视场内所有恒星星像坐标，同时并行地把三个图像传感器的图像数据保存到第一 SRAM存储单元，从三个图像传感器的图像中能同时完成恒星星像坐标地提取和图像数据的保存，然后把这三个图像传感器图像的恒星星像坐标进行组帧，组帧后通过LVDS芯片把串行数据转化为差分信号，发送给数据处理单元；数据处理部分LVDS芯片接收到差分信号后，转换为串行数据；第二 FPGA驱动单元接收到串行数据后,转换为并行数据，并发送给DSP控制单元；DSP控制单元接收到三个图像传感器的图像恒星星像坐标数据后，分别对三个图像传感器的图像恒星星像坐标进行识别，并计算各自的姿态；DSP控制单元利用各自的姿态，采用三探头星敏感器姿态确定方法计算当前星敏感器的姿态，然后采用数据处理部分的RS422发送给导航计算机。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的FPGA驱动单元采用ALTERA公司的EP2C8Q208I8芯片。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的图像传感器采用CCD48-20芯片。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的第一SRAM采用IS61LV10248。
5.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的DSP器件采用TI公司的TMS320VC33芯片。
6.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的LVDS器件采用DS91D176 芯片。
7.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的第二SRAM采用Is611v5126160
8.根据权利要求1所述的一种高精度的星敏感器，其特征在于:所述的FLASH采用AM29LV800BB-70EI。
全文摘要
一种高精度的星敏感器，包括恒星星像坐标采集单元和恒星星像坐标数据处理单元，恒星星像坐标采集单元包括三个图像传感器、三个A/D转换芯片、第一FPGA驱动单元、第一SRAM存储单元和LVDS芯片，第一FPGA驱动单元并行地完成三个图像传感器的驱动和恒星星像坐标提取，恒星星像坐标数据处理单元包括RS422通信单元、第二FPGA驱动单元、DSP控制单元、FLSAH存储单元和第二SRAM存储单元；每个图像传感器都有独立的镜头，三个镜头的光轴指向两两互相垂直，第一FPGA驱动单元通过LVDS芯片与第二FPGA驱动单元连接，第二FPGA驱动单元与DSP控制单元、FLSAH存储单元、第二SRAM存储单元连接。本发明弥补了各视场之间的时间存在相位差和滚动轴姿态精度差的缺点；减少了体积和功耗；提高了数据可靠性。
文档编号G01C21/02GK103148850SQ20131002509
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者李葆华, 黄瀚, 王常虹, 陈希军 申请人:哈尔滨工业大学