本发明涉及星敏感器领域，特别涉及一种高精度星敏感器信息处理系统。
背景技术
星敏感器是空间飞行器姿轨控系统的关键测量机构之一，用于测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，它通过星图识别，并利用已知恒星的精确位置来确定卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器通常由精密的光学及结构系统、光电探测及信号处理电路和软件等组成。
星敏感器姿态测量误差主要由视场、探测器像元数、星点位置提取误差及视场中平均星点数决定。高精度星敏感器一般要求提高星点提取精度，减小视场，提高参与姿态计算的星点数据，以及焦平面保持在一个稳定的温度。
星点提取误差主要来源于镜头像差和温度变化引起的星点像位置整体平移和能量分布变化，亚像元提取算法的系统性误差，探测器及电路噪声误差。一方面通过优化镜头设计、优化星敏结构设计和材料选择、星敏感器标定校准以及优化电路设计等具体工程方法进行减小和消除；另一方面通过致冷技术，将星敏感器焦平面控制在稳定的温度点以及优化信息处理算法减小误差，提高星敏感器精度。
现有技术中还未公开将光电探测器时序发生器、图像处理、协议层数据交互控制、cpu协同工作接口、数据管理和精密温度控制全部集成到fpga实现高精度星敏感器信息处理系统的相关内容。fpga完成上述功能，提升了电路系统的集成度，有利于降低成本与产品小型化；可充分发挥其并行处理的优势，减轻cpu处理的负担及时间开销。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高精度星敏感器信息处理系统，集成了星敏感器图像预处理、半导体致冷器的控制和各类接口的控制，采用fpga并行实现将光电探测器时序发生器、图像处理、协议层数据交互控制、cpu协同工作接口、数据管理和精密温度控制全部集成到fpga，即采用fpga完成了星敏感器光电探测器时序控制、图像预处理及目标提取、协议层数据交互、cpu协同工作接口、数据管理和精密温度控制等功能，实现了高精度星敏感器信息处理、交互和外部设备的访问控制等功能。
本发明公开了一种高精度星敏感器信息处理系统，该系统包含fpga模块，所述fpga模块设置有：
光电探测器时序发生器模块，与探测器连接，传输探测器驱动信号；
图像处理模块，与所述探测器连接，接收所述探测器输出的星图数据，并处理该星图数据，得到星图数据处理结果；
协议层数据交互控制模块，与外部设备进行协议交互；
cpu协同工作接口模块，与外部cpu处理器连接，进行数据交互；
管理各类数据包的数据管理模块，分别与所述图像处理模块、所述协议层数据交互控制模块和所述cpu协同工作接口模块连接，对应地进行数据交互；
精密温度控制模块，分别与所述协议层数据交互控制模块、温度采集模块和电流采集模块连接，分别接收开关及控制参数、温度数字数据和电流数字数据。
优选地，所述数据管理模块与外部的数据sram连接，接收所述图像处理模块发送的星图数据处理结果后，并将其保存至该数据sram中。
优选地，所述cpu协同工作接口模块与程序sram连接，输出片选、读写控制信号集至程序sram；和/或，所述cpu协同工作接口模块与程序flash连接，输出片选、读写控制信号集至程序flash。
优选地，所述cpu协同工作接口模块通过数据管理模块完成cpu对外部存储器的读、写操作，以及完成对cpu的中断信号的生成以及看门狗信号的控制。
优选地，所述存储器采用乒乓存储器，以实现对于存储器的各类数据读控制和写控制的握手时序设计，满足各类数据的读写要求以及避免存储器数据访问的读写冲突。
优选地，所述光电探测器时序发生器模块接收来自所述数据管理模块的曝光模式标志，自适应产生不同的驱动信号驱动探测器，探测器接收到驱动信号后，产生像素灰度信息，输出至所述图像处理模块；其中，所述光电探测器时序发生器模块自适应调整产生的时序信号，实现变曝光时间控制，且控制曝光时间的信号与外部硬件脉冲信号同步；
所述图像处理模块接收由所述光电探测器时序发生器模块输出的行有效、列有效、像素有效及曝光模式标志，对图像数据进行预处理，并将处理数据输出至所述数据管理模块；其中，所述图像处理模块分为两种处理方式：第一、对星图数据的背景估计以及基于估计背景的目标提取，以实现抗噪声和抗光晕；第二、采集小窗口的像素信息，供cpu完成小窗口的图像处理，以提高星敏感器的数据更新率和抗杂光能力。
优选地，所述协议层数据交互控制模块与上位机连接，进行数据交互。
优选地，所述协议层数据交互控制模块集成有串口和高速数据传输接口；当接收到串口指令后，协议层数据交互控制模块内部的命令解析单元对命令进行解析，根据命令内容产生相应的控制信号，命令应答单元接收该控制信号，并产生命令的应答数据经串口发送；当1553b总线接口模块使能后，通过1553b总线进行数据交互；当高速数据传输模块经串口命令使能后，读取数据管理模块中需发送的数据，经高速数据传输接口发送；
所述协议层数据交互控制模块的各个接口可并行处理，可同时面向gnc计算机、数传分系统计算机、有效载荷进行数据交互。
优选地，所述精密温度控制模块与半导体制冷器连接，将pwm信号输出至所述半导体制冷器。
优选地，所述精密温度控制模块包含：
温度采集模块，其对探测器温度进行采集；
pid控制模块，其实现pid算法，输出控制量；
pwm模块，其根据所述pid控制模块输出的控制量，产生pwm脉冲，控制半导体致冷器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明的所有模块均基于fpga实现，充分利用fpga并行处理的优势。(2)本发明的光电探测器时序发生器模块依据高精度星敏感器工作模式，自适应调整产生的时序信号，实现变曝光时间控制，且控制曝光时间的信号与外部硬件脉冲信号同步。图像处理模块依据模式的不同分为两种处理方式：第一，包括对星图数据的背景估计以及基于估计背景的目标提取，实现了抗噪声、抗光晕的亚像元级高精度星敏感器图像处理技术，且图像处理与探测器曝光同步进行，曝光结束时完成图像处理；第二，根据控制要求，采集小窗口的像素信息，供cpu完成小窗口的图像处理，旨在提高星敏感器的数据更新率、抗杂光能力。(3)本发明集成了与姿轨控分系统的串口通信协议、与电星模的通信协议、1553b总线接口协议和高速数据传输通信协议；各个接口可并行处理，即可同时面向gnc计算机、数传分系统计算机、有效载荷等进行数据交互。(4)本发明通过工作模式、乒乓存储器的使用实现对于存储器的各类数据读控制和写控制的握手时序设计，满足各类数据的读写要求以及避免存储器数据访问的读写冲突。(5)本发明的精密温度控制模块实现了实时采集温度信息，同时集成了星敏感器半导体致冷器精密温控技术，使焦平面温度温控精度稳定优于±0.25℃，提升星敏感器测量精度。(6)本发明将图像处理、协议层数据交互和精密温度控制等功能集成至fpga中，分担了cpu的计算负荷，显著提高了并行信息处理能力，提升了电路系统的集成度，有利于降低成本与产品小型化。
附图说明
图1本发明的高精度星敏感器信息处理系统总体框图；
图2本发明的图像处理数据流图；
图3本发明的cpu协同工作接口模块功能框图；
图4本发明的协议层数据交互控制模块功能框图；
图5本发明的精密温度控制模块功能框图。
具体实施方式
本发明公开了一种高精度星敏感器信息处理系统，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的高精度星敏感器信息处理系统包含fpga模块，该fpga模块可完成星敏感器光电探测器时序控制、图像预处理及目标提取、协议层数据交互、cpu协同工作接口、数据管理和精密温度控制等功能，从而实现了高精度星敏感器信息处理、交互和外部设备的访问控制等功能。
如图1所示，fpga模块包含光电探测器时序发生器模块、图像处理模块、协议层数据交互控制模块、cpu协同工作接口模块、数据管理模块和精密温度控制模块。
其中，光电探测器时序发生器模块与探测器及视频信号处理电路连接，发送探测器驱动信号及视频处理控制信号至探测器及视频信号处理电路，探测器及视频信号处理电路对应地输出图像信号或控制信号。
数据管理模块完成各类数据包的管理。其中，数据管理模块与探测器及视频信号处理电路连接，接收数字图像信号或控制信号。数据管理模块与数据sram(staticrandom-accessmemory，静态随机存取存储器)连接，进行数据、地址、控制信号的交互。
数据管理模块与图像处理模块连接，且该图像处理模块与探测器及视频信号处理电路连接，则接图像处理模块收探测器及视频信号处理电路输出的图像信号或控制信号后，并对图像信号进行处理，输出星图数据处理结果保存至与数据管理模块连接的数据sram中。
数据管理模块还与协议层数据交互控制模块、cpu协同工作接口模块通信连接，进行数据交互。
本发明的数据管理模块集成了各类fpga模块内部存储器以及对该类存储器的读写控制、对外部存储器的读写控制和对星敏感器校时的管理。通过工作模式、乒乓存储器的使用实现对存储器的各类数据读控制和写控制的握手时序设计，满足各类数据的读写要求以及避免存储器数据访问的读写冲突。
cpu协同工作接口模块与cpu处理器连接，进行数据、地址、控制信号的交互，所以外部cpu处理器通过cpu协同工作接口模块完成与高精度星敏感器信息处理系统的数据交互。且cpu协同工作接口模块与程序sram连接，输出片选、读写控制信号集至程序sram，以及cpu协同工作接口模块与程序flash(一种内存器件)连接，输出片选、读写控制信号集至程序flash。
协议层数据交互控制模块完成星敏感器与外部设备的协议交互。例如，协议层数据交互控制模块与上位机连接，进行数据交互。
精密温度控制模块分别与协议层数据交互控制模块、温度采集模块和电流采集模块连接，则对应地接收开关及控制参数、温度数字数据和电流数字数据；精密温度控制模块还将pwm信号发送至与之连接的半导体制冷器。
本实施例中的所有的模块均基于fpga实现，提升了电路系统的集成度，有利于降低成本与产品小型化。
如图2所示，光电探测器时序发生器模块接收来自数据管理模块的曝光模式标志，自适应产生不同的驱动信号驱动探测器，探测器接收到驱动信号后，产生像素灰度信息，输出至图像处理模块。同时，图像处理模块接收由光电探测器时序发生器模块输出的行有效、列有效、像素有效及曝光模式标志，实现对图像数据的预处理，并将处理数据输出至数据管理模块。数据处理模块将数据(例如使能信号数据、地址等)存储至外部的数据sram中。
由上所述，本发明的光电探测器时序发生器模块依据高精度星敏感器工作模式，自适应调整产生的时序信号，实现变曝光时间控制，且控制曝光时间的信号与外部硬件脉冲信号同步。
图像处理模块依据模式的不同分为两种处理方式：第一，包括对星图数据的背景估计以及基于估计背景的目标提取，实现了抗噪声、抗光晕的亚像元级高精度星敏感器图像处理技术，且图像处理与探测器曝光同步进行，曝光结束时完成图像处理；第二，根据控制要求，采集小窗口的像素信息，供cpu完成小窗口的图像处理，旨在提高星敏感器的数据更新率、抗杂光能力。
如图3所示，cpu协同工作接口模块完成cpu的地址译码以及数据访问控制，通过数据管理模块完成cpu对外部存储器的读、写操作。同时，cpu协同工作接口模块完成对cpu的中断信号的生成以及看门狗信号的控制。cpu协同工作接口模块可适应多种不同型号处理器的访问接口需求。
本发明集成了与姿轨控分系统的串口通信协议、与电星模的通信协议、1553b总线接口协议和高速数据传输通信协议。如图4所示，协议层数据交互控制模块主要集成了串口及高速数据传输接口。接收到串口指令后，协议层数据交互控制模块内部的命令解析单元完成对命令的解析，根据命令内容产生相应的控制信号，命令应答单元接收该控制信号，并产生命令的应答数据经串口发送。1553b总线接口模块使能后，通过1553b总线实现数据交互。高速数据传输模块经串口命令使能后，读取数据管理模块中需发送的数据，经高速数据传输接口发送。各个接口可并行处理，即可同时面向gnc计算机、数传分系统计算机、有效载荷等进行数据交互。
如图5所示，星敏感器精密温度控制模块主要包含温度采集模块、pid(proportionintegraldifferential)控制模块和pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)模块。温度采集模块主要完成对探测器温度的采集；pid控制模块主要实现pid算法，输出控制量。pwm模块根据pid控制模块输出的控制量，产生pwm脉冲，控制致冷器。另外，星敏感器精密温度控制模块可通过指令注入的方式，完成在轨修改pid参数、设定目标温度值和开关致冷器功能。
本发明的精密温度控制模块实现了实时采集温度信息，同时集成了星敏感器半导体致冷器精密温控技术，使焦平面温度温控精度稳定优于±0.25℃，提升星敏感器测量精度。
综上所述，本发明提供的高精度星敏感器信息处理系统，通过fpga模块完成了星敏感器光电探测器时序控制、图像预处理及目标提取、协议层数据交互、cpu协同工作接口、数据管理和精密温度控制等功能，实现了高精度星敏感器信息处理、交互和外部设备的访问控制等功能。充分利用fpga并行处理的优势，将图像处理、协议层数据交互和精密温度控制等功能集成至fpga中，分担了cpu的计算负荷，显著提高了并行信息处理能力；实时完成光电探测器的时序控制、图像背景估计和星点质心提取，兼顾了图像处理实时与抗杂散光高可靠图像处理策略的需求；实时采集探测器温度，将pid和pwm算法集成至fpga中，实现半导体致冷器精密温控技术，提升了电路系统的集成度，有利于降低成本与产品小型化；通过亚像元级高精度星敏感器图像处理技术及对焦平面的稳定控温，提高星敏感器测量精度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。