一种小型长寿命高精度星敏感器的制作方法

本发明涉及空间飞行器用恒星敏感器领域，特别是一种小型长寿命高精度星敏感器。

背景技术：

随着空间技术的发展，航天器的指向精度有了越来越高的要求，姿态测量敏感器是卫星高精度和高稳定度的重要保证，而星敏感器是卫星控制系统中比较重要的姿态测量敏感器。星敏感器应用范围广泛，以天空中的恒星作为观测基准，是现阶段精度最高的姿态测量敏感器，其姿态的测量精度可达角秒级甚至更高，具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多等优点。

传统的星敏感器典型技术指标为：重量3～5kg、高精度5～10＂、动态性能1°/s、数据更新率5～8Hz、初始捕获时间10～20s、工作寿命5～8年。而现阶段任务型号对星敏感器技术指标需求为：重量2kg左右、高精度3＂、动态性能3°/s、数据更新率10Hz、初始捕获时间1s、工作寿命15年，现有的星敏感器由于其在探测器灵敏度较低和电路噪声较大、大视场大孔径光学系统的像质不高、遮光罩杂光抑制较弱、结构稳定性较差等原因导致产品在小型化方面，由于其在算法软件及其处理能力等原因导致产品在动态性能和初始捕获时间等方面，由于其在像元读出速度和数据处理速度等原因导致产品在数据更新率方面，由于其在光学系统耐辐照能力弱、可靠性设计不足等原因导致产品在工作寿命等核心指标上无法满足上述使用要求，因此需要突破低噪声小型化和高处理能力电路、高像质小型化和高耐辐照非球面光学系统、小型化高消光比遮光罩、小型化高稳定度结构、星图快速处理方法、姿态稳定跟踪方法等关键技术，研究一种高性能的小型长寿命星敏感器。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小型长寿命高精度星敏感器，通过采用高透过率高耐辐照光学系统、小型化高消光比遮光罩、高稳定度结构、快速姿态稳定跟踪方法，解决了现有的星敏感器探测灵敏度低、电路噪声大、光学系统像质不高、遮光罩杂光抑制弱的问题。

本发明的技术解决方案是：一种小型长寿命高精度星敏感器，包括遮光罩、光学系统、机械结构、图像传感器电路、控制与数据处理模块、姿态计算模块，其中

遮光罩，遮挡太阳的直射光线，地球、月亮、卫星本体表面及卫星负载设备反射的太阳光线，防止太阳的直射光线，地球、月亮、卫星本体表面及卫星负载设备反射的太阳光线进入光学系统；

光学系统，采集导航恒星能量，并送至图像传感器电路；

图像传感器电路，将导航恒星能量在图像传感器电路光敏面上进行导航恒星星点成像得到导航恒星星图，对导航恒星星图进行光电转换得到数字导航恒星星图，将数字导航恒星星图送至控制与数据处理电路；

控制与数据处理电路，接收数字导航恒星星图后，计算导航恒星星图背景及导航恒星星图阈值，根据计算得到的导航恒星星图阈值提取导航恒星星图中星点的有效像元，然后对得到的星点的有效像元进行聚类并在聚类过程中进行伪星判别和剔除，得到星点图像，根据星点图像中有效像元计算导航恒星星点的能量重心，然后剔除能量重心过近的两颗导航恒星，然后对剩余的导航恒星星点根据能量进行排序，将导航恒星能量排序后的星点送至姿态计算模块；

姿态计算模块，将导航恒星能量排序后的导航恒星星点与预设的地心惯性坐标系下的导航星表进行匹配识别，进而得到当前星敏感器观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向，最终得到导航恒星姿态数据，并将导航恒星姿态数据输出；所述的导航恒星姿态数据包括星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向，其中，星敏感器三个观测轴互相垂直；

机械结构，支撑和固定遮光罩、光学系统、图像传感器电路、控制与数据处理模块、姿态计算模块。

所述的遮光罩为两段式结构，包括前段、后段，前段、后段内部分别包括三个环形结构的挡光环，前段、后段的直径均匀减小，前段的小直径端与后段的大直径端固定连接，前段小直径端的直径大于后段大直径端的直径，后段的小直径端与机械结构固定连接，挡光环内部表面喷涂吸收率大于0.97的黑漆。

所述的光学系统包括5片镜片，第一镜片、第三镜片前表面为凸椭球面，第一镜片后表面、第三镜片后表面、第四镜片的前表面为凸球面，其余镜面为凹球面，第一镜片、第三镜片的材料为JGS1玻璃材料，第二镜片的材料为ZF4、第四镜片材料为ZK9、第五镜片的材料为ZF4；第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片依次排列且光轴通过每个镜片的中心，第一镜片前表面设有光阑，入瞳位于第一镜片前表面；导航恒星能量依次通过第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片后汇聚至图像传感器电路的光敏面上。

所述的机械结构包括基座、第一结构支撑柱、第二结构支撑柱、第三结构支撑柱、第四结构支撑柱、上盖板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板；第一结构支撑柱、第二结构支撑柱、第三结构支撑柱、第四结构支撑柱固定安装在基座上，第一结构支撑柱、第二结构支撑柱、第三结构支撑柱、第四结构支撑柱固定支撑上盖板，第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板与基座、上盖板固定连接形成箱体结构；光学系统置于基座中部，图像传感器电路置于光学系统下方，控制与数据处理电路在基座上对称放置，图像传感器电路通过电连接器和控制与数据处理电路连接，遮光罩通固定安装在上盖板上。

所述的图像传感器电路包括配置电路、时序电路、图像传感器；

配置电路，产生稳定电压送至图像传感器进行供电；时序电路，产生工作时钟并送至图像传感器，驱动像元感光阵列进行光电转换；

图像传感器包括像元感光阵列、可编程增益放大器电路、AD转换电路；像元感光阵列接收工作时钟后，将导航恒星能量在图像传感器电路光敏面上进行导航恒星星点成像得到代表导航恒星星图的电压信号，可编程增益放大器电路，对导航恒星星图的电压信号进行电压偏置、电压增益后送至AD转换电路，AD转换电路转换得到数字导航恒星星图，并输出至控制与数据处理电路。

所述的控制与数据处理电路包括逻辑控制电路、数字信号处理电路、二次电源电路；

二次电源电路，对逻辑控制电路、数字信号处理电路进行供电；

逻辑控制电路，接收数字导航恒星星图后进行图像预处理，得到各个恒星星点的像素灰度值和位置信息，进而得到导航恒星星图背景及导航恒星星图阈值，然后将各个恒星星点的像素灰度值、位置信息及导航恒星星图背景、导航恒星星图阈送至数字信号处理电路；

数字信号处理电路，根据导航恒星星图阈值提取导航恒星星图中星点的有效像元，然后对得到的星点的有效像元进行聚类并在聚类过程中进行伪星判别和剔除，得到星点图像，根据星点图像中有效像元计算导航恒星星点的能量重心，然后剔除能量重心过近的两颗导航恒星，对剩余的导航恒星星点根据能量进行排序，将导航恒星能量排序后的星点送至姿态计算模块。

所述的姿态计算模块中将导航恒星能量排序后的导航恒星星点与预设的地心惯性坐标系下的导航星表进行匹配识别的方法包括如下步骤：

(1)对预设的地心惯性坐标系下的导航星表中导航恒星对角距进行星等、数量筛选，得到N个星等不大于7等星的导航恒星及对应的导航恒星对角距，其中，N为[5-20]；

(2)对能量排序后的导航恒星星点利用三角形选择方法构建观测星三角形，然后根据步骤(1)得到的导航恒星对角距对观测星三角形进行三角形匹配识别，若匹配识别的结果唯一，则计算星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向并进行投影验证，将匹配识别结果唯一的观测星投影在星敏感器观测像面，当星敏感器观测像面上导航恒星与观测星投影之间的夹角在[0-120″]之间时，投影验证通过，将星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向作为导航恒星姿态数据并输出，若匹配识别的结果不唯一，则对能量排序后的导航恒星星点进行四面体识别，当四面体识别结果唯一时，将匹配识别结果唯一的观测星投影在星敏感器观测像面，如果星敏感器观测像面上导航恒星与观测星投影之间的夹角在[0-120″]之间，则将星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向作为导航恒星姿态数据并输出。

所述的导航恒星姿态数据使用跟踪列表结构进行存储记录，以得到星敏感器对导航恒星的跟踪识别情况。

所述的遮光罩内倾斜角度为30°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明星敏感器与现有技术相比，通过采用高透过率高耐辐照光学系统、小型化高消光比遮光罩、高稳定度结构、快速姿态稳定跟踪方法，提高了本发明星敏感器的测量精度、动态性能，具有小型化和长寿命的优点；

(2)本发明星敏感器与现有技术相比，采用大视场小型化耐辐照非球面光学系统，通过将相同参数的光学系统光学玻璃片减少为5片，提高了星敏感器的高像质、小型化和高耐辐照。

附图说明

图1为本发明一种小型长寿命高精度星敏感器工作流程图；

图2为本发明星敏感器中遮光罩结构示意图；

图3为本发明星敏感器中光学系统光路结构图；

图4为本发明星敏感器中机械结构示意图；

图5为本发明星敏感器中能量排序后的导航恒星星点与预设的地心惯性坐标系下的导航星表进行匹配识别的方法流程图。

具体实施方式

目前相关任务型号对星敏感器提出了小型化、长寿命和高可靠性的要求。现有工程化星敏感器产品都无法满足上述型号对星敏感器的指标要求，同时小型化、长寿命、高数据更新速率也是星敏感器发展的必然方向，因此亟需针对上述需求开发相应的星敏感器工程化产品，其中，相关任务型号需要的小型长寿命星敏感器的技术特点包括：高测量精度3＂(3σ)、高动态性能3°/s、高数据更新率10Hz、短初始捕获时间1s、高太阳光抑制角26°、小型化(整机重量含遮光罩2.1kg)、长寿命15年等。

传统的星敏感器一般基于CCD图像传感器，但是随着微电子技术的发展，出现了一种基于CMOS工艺的APS图像传感器，其具有小型化、低功耗、高耐辐照、高集成度、接口简单等优点，是星敏感器的重要发展方向。目前星敏感器主要研究机构都在积极研究APS图像传感器的应用，现阶段小型化、微型化、纳型化星敏感器均基于APS图像传感器。

本发明提出一种小型长寿命高精度星敏感器，设计研制了高灵敏度、低噪声APS图像传感器和SoC处理器，设计了低噪声、小型化、高处理能力电路，实现了高测量精度、高数据更新率，设计大视场非球面光学系统设计方法和研制高耐辐照光学玻璃材料，实现了光学系统的高像质、小型化和高耐辐照，设计了一种小型化高消光比遮光罩和一种小型化高稳定度结构，实现了遮光罩的小太阳光抑制角、小型化和轻量化，实现了整机结构的小型化和良好的热稳定性，设计了一种星图快速处理方法和一种姿态稳定跟踪方法，实现了星敏感器短初始捕获时间。

本发明星敏感器工作原理包括：星敏感器中的光学系统将恒星成像于图像传感器(如CCD、APS等)的光敏面上，由图像传感器完成光电转换，输出模拟信号经AD转换后送数据处理电路，对恒星位置进行提取，可确定视场中的恒星在星敏感器本体坐标系下的坐标和指向，与导航星表进行比对，完成星图识别，最终确定星敏感器光轴在惯性坐标系下的指向。卫星或航天器通过星敏感器的安装矩阵确定卫星或航天器本身在惯性坐标系下的三轴姿态，并通过星敏感器通讯接口将三轴姿态传送至姿轨控计算机，下面结合附图对本发明星敏感器的具体实施方式进行进一步的详细描述。

星敏感器包括硬件和软件两部分组成，其中，硬件主要由遮光罩、光学系统、机械结构、图像传感器电路、控制与数据处理电路等构成，软件由系统软件、应用软件和星表软件三个部分组成，如图1所示为本发明一种小型长寿命高精度星敏感器工作流程图。

遮光罩遮挡直接来自太阳的光线进入光学系统，遮挡地球、月亮以及卫星本体表面和部件反射的太阳光线。遮光罩结构形式的确定与杂散光的衰减需求、星敏感器视场角、遮光罩口径和长度、内表面涂层吸收特性、杂散光光源的种类和分布、杂散光强度等因素相关。根据对遮光罩杂光抑制能力的分析以及外形尺寸的限制，小型长寿命星敏感器采用吸收型一级挡光环式遮光罩。遮光罩的消杂光能力与表面吸收系数有直接关系，同时合理的设计遮光罩内部结构也有利于提高其消杂光能力。小型长寿命星敏感器遮光罩内部表面喷涂进口高吸收率黑漆，黑漆吸收率大于0.97，在真空紫外辐照、抗原子氧及湿热老化具有较好的稳定性，有多次上天飞行经历，小型长寿命星敏感器遮光罩如图2所示，包括前段11、后段12，前段11、后段12内部分别包括三个环形结构的挡光环，前段11、后段12的直径均匀减小，前段11的小直径端与后段12的大直径端固定连接，前段11小直径端的直径大于后段12大直径端的直径，后段12的小直径端与机械结构固定连接。

光学系统将恒星能量汇聚透射成像于图像传感器光敏面上，保证星敏感器视场角、焦距、光谱范围、相对孔径等性能指标，保证倍率色差、色畸变、畸变、弥散斑等成像质量要求。小型长寿命星敏感器光学系统的特点为长寿命、中等视场、大相对孔径、弥散斑尺寸严格、镜头质量较轻等，因此设计为非球面光阑前置型，包括5片镜片，第一镜片、第三镜片前表面为凸椭球面，第一镜片后表面、第三镜片后表面、第四镜片的前表面为凸球面，其余镜面为凹球面，第一镜片、第三镜片的材料为JGS1玻璃材料，第二镜片的材料为ZF4、第四镜片材料为ZK9、第五镜片的材料为ZF4；第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片依次排列且光轴通过每个镜片的中心，第一镜片前表面设有光阑，入瞳位于第一镜片前表面；导航恒星能量依次通过第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片后汇聚至图像传感器电路的光敏面上。GS1材料性质稳定，具有抗辐照、抗腐蚀、热膨胀系数较小、密度较低的优点，有利于非球面的加工和提高系统空间环境的适应性。其中，小型长寿命星敏感器光学系统光路结构图如图3所示。

机械结构支撑和固定遮光罩、光学系统和电路板，同时承担电子元器件部分抗辐照屏蔽作用。小型长寿命星敏感器整机结构的主要技术特点为：重量2.1kg，整机结构设计了一体化的“框架组合环绕式”结构型式，该结构以基座作为核心，基座的中心装配有光学成像组件，基座通过4个结构支撑柱与上盖相连构成一个主承力结构组件，4个侧板同时装配在基座和上盖上构成了一个封闭的整体结构，电路板组件则直接装在侧板上或直接装在结构支撑柱上，遮光罩装配上在上盖板上。小型长寿命星敏感器机械结构图如图4所示，基座1、第一结构支撑柱2、第二结构支撑柱3、第三结构支撑柱4、第四结构支撑柱5、上盖板6、第一侧板7、第二侧板8、第三侧板9、第四侧板10；第一结构支撑柱2、第二结构支撑柱3、第三结构支撑柱4、第四结构支撑柱5固定安装在基座1上，第一结构支撑柱2、第二结构支撑柱3、第三结构支撑柱4、第四结构支撑柱5固定支撑上盖板6，第一侧板7、第二侧板8、第三侧板9、第四侧板10与基座1、上盖板6固定连接形成箱体结构；光学系统置于基座1中部，图像传感器电路置于光学系统下方，控制与数据处理电路在基座1上对称放置，图像传感器电路通过电连接器和控制与数据处理电路连接，遮光罩通固定安装在上盖板6上，该结构型式紧凑，易于实现产品小型化；光学系统与APS器件之间的连接的结构材料均采用钛合金，使光学成像组件具有良好的热稳定性。

图像传感器电路(包括配置电路、时序电路、图像传感器)，完成恒星光能量的光电转换，并生成数字星图，图像传感器电路需保证较高的信噪比和较小的暗电流。配置电路，产生稳定电压送至图像传感器进行供电；时序电路，产生工作时钟并送至图像传感器，驱动像元感光阵列进行光电转换；图像传感器包括像元感光阵列、可编程增益放大器电路、AD转换电路；像元感光阵列接收工作时钟后，将导航恒星能量在图像传感器电路光敏面上进行导航恒星星点成像得到代表导航恒星星图的电压信号，可编程增益放大器电路，对导航恒星星图的电压信号进行电压偏置、电压增益后送至AD转换电路，AD转换电路转换得到数字导航恒星星图，并输出至控制与数据处理电路。其中，图像传感器采用基于CMOS工艺的定制APS图像传感器COMPASS，该图像传感器为抗辐照工艺4T像素结构，相比目前常用的3T像素结构，可降低复位噪声、读出噪声和固定模式噪声。COMPASS片上集成12位高速ADC，可进一步提高星敏感器单星定位精度。COMPASS图像传感器QE×FF为50％，读出噪声优于25e-，动态范围72dB，抗辐照能力100kRad。图像传感器的时序逻辑芯片采用自研星图处理专用集成电路(ASIC)，基于图像传感器和ASIC，设计了低噪声视频电路，小型长寿命高精度星敏感器视频电路总噪声60e-。

控制与数据处理电路包括逻辑控制电路、数字信号处理电路、二次电源电路，完成星图预处理、星图提取、星图匹配、姿态计算，内含二次电源电路可根据一次电源母线产生星敏感器内部所需的各种二次电源电压；逻辑控制电路，接收数字导航恒星星图后进行图像预处理，得到各个恒星星点的像素灰度值和位置信息，进而得到导航恒星星图背景及导航恒星星图阈值，然后将各个恒星星点的像素灰度值、位置信息及导航恒星星图背景、导航恒星星图阈值送至数字信号处理电路；数字信号处理电路，根据导航恒星星图阈值提取导航恒星星图中星点的有效像元，然后对得到的星点的有效像元进行聚类并在聚类过程中进行伪星判别和剔除，得到星点图像，根据星点图像中有效像元计算导航恒星星点的能量重心，然后剔除能量重心过近的两颗导航恒星，对剩余的导航恒星星点根据能量进行排序，将导航恒星能量排序后的星点送至姿态计算模块。

其中，星图预处理由逻辑控制电路ASIC完成，其输入为图像传感器电路输出的数字星图，输出为预处理后的各个恒星星点的像素灰度值、位置信息及导航恒星星图背景、导航恒星星图阈值，该逻辑控制ASIC电路基于0.18um工艺进行设计，电路规模为百万门，采用抗辐射加固设计，工作电压I/O为3.3V、内核1.8V，单粒子SEL为75Mev.cm²/mg，抗辐射总剂量100kRad，逻辑控制ASIC电路主要设计有CPU读写、复位、时钟分频、APS参数设置、APS曝光控制、图像预处理、图像输出并串处理、图像输入串并处理、外同步信号曝光控制等功能。

数字信号处理电路包括处理器、存储器及接口电路，其中，处理器SoC2008的最高工作频率100MHz，数据处理能力86MIPS和25MFLOPS，数据总线为32位数据+8位校验，可完全三模冗余(TMR)、数据总线检错纠错(EDAC)、多种总线奇偶校验(PAR)能力，寻址空间4G字节(28位地址线)，抗辐射总剂量300kRad，数字信号处理电路的输入为逻辑控制电路输出各个恒星星点的像素灰度值、位置信息及导航恒星星图背景、导航恒星星图阈值，输出为星敏感器姿态信息。

如图1所示，本发明星敏感器的具体工作流程包括

(1)光学系统对导航恒星能量进行采集汇聚，将星点成像于APS图像传感器光敏面上；

(2)APS图像传感器对恒星能量进行光电转换，生成数字星图；

(3)数字处理电路对星图预处理，完成恒星星点位置提取；其中，星图预处理内容包括星图背景计算、星图阈值计算、星点有效像元提取、观测星聚类提取，伪星判别和剔除、星点能量重心计算、过近观测星剔除、观测星能量排序等步骤。

(4)采用全天球捕获识别、局部天区识别、或窗口跟踪模式识别等算法中的一种，将星图中恒星与导航星表进行匹配识别处理，识别出所摄星图对应的天球位置，从而确定星敏感器观测轴在惯性空间的矢量方向；(由星图中恒星位置计算星敏感器光轴指向方法，参见参考书籍：卫星轨道姿态动力学与控制，章仁为编著，北京航空航天大学出版社，1998年8月第1版，2005年1月第2次印刷。参考书籍中“卫星姿态的确定”章节)。

(5)星敏感器通过特定通迅接口与姿轨控计算机进行数据交换，接收控制计算机发送的控制命令和姿态数据(星敏感器工作在局部天区模式下，需要控制计算机发送初始姿态信息)，并将姿态数据输出。

通过上述过程能够得到具有高精度、高动态、小型化和长寿命等总体特征的本发明一种小型长寿命高精度星敏感器，主要性能参数包括：星敏感器测量精度为3＂(3σ)、动态性能为3°/s、数据更新率为10Hz、整机重量(含遮光罩)为2.1kg、初始捕获时间1s、太阳光抑制角26°、设计寿命为15年。

本发明星敏感器首次设计并采用了非球面光学系统，将光学系统由8片光学玻璃减小为5片，并实现了光学系统的高像质和小型化；本发明星敏感器设计并选用有抗辐照指标的光学玻璃材料，保证该光学系统在整个工作谱段内具有较高的透过率，寿命末期光学系统透过率满足15年GEO轨道辐照剂量要求；本发明星敏感器中遮光罩采用一级遮光罩结构型式，优化了遮光罩内部挡光板个数(6片挡光环)，调整挡光板在遮光罩内倾斜角度(30°)，使星敏感器在遮光罩外形尺寸缩小的情况下实现杂光抑制能力的大幅提升；本发明机械结构采用一体化的“框架组合环绕式”结构型式，该结构型式紧凑，易于实现产品小型化，光学系统与APS器件之间的连接的结构材料均采用钛合金TC4，使光学成像组件具有良好的热稳定性。

如图5所示为姿态计算模块中将导航恒星能量排序后的导航恒星星点与预设的地心惯性坐标系下的导航星表进行匹配识别的方法流程图，包括如下步骤：

(1)对预设的地心惯性坐标系下的导航星表中导航恒星对角距进行星等、数量筛选，得到N个星等不大于7等星的导航恒星及对应的导航恒星对角距，其中，N为[5-20]；

(2)对能量排序后的导航恒星星点利用三角形选择方法构建观测星三角形，然后根据步骤(1)得到的导航恒星对角距对观测星三角形进行三角形匹配识别，若匹配识别的结果唯一，则计算星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向并进行投影验证，将匹配识别结果唯一的观测星投影在星敏感器观测像面，当星敏感器观测像面上导航恒星与观测星投影之间的夹角在[0-120″]之间时，投影验证通过，将星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向作为导航恒星姿态数据并输出，若匹配识别的结果不唯一，则对能量排序后的导航恒星星点进行四面体识别，当四面体识别结果唯一时，将匹配识别结果唯一的观测星投影在星敏感器观测像面，如果星敏感器观测像面上导航恒星与观测星投影之间的夹角在[0-120″]之间，则将星敏感器三个观测轴在地心惯性坐标系下的矢量指向作为导航恒星姿态数据并输出

另外，本发明星敏感器通过建立跟踪列表结构，记录恒星的跟踪识别情况，筛选出稳定跟踪的星点并只采用可被星敏感器稳定跟踪的星对进行姿态解算，消除不能稳定识别星对对应输出姿态的影响，提高星敏感器输出姿态的稳定度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。