一種提高星敏感器動態(tài)性能的方法*

龔德鑄，武延鵬，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京100190）

一種提高星敏感器動態(tài)性能的方法*

龔德鑄，武延鵬，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京100190）

動態(tài)性能作為星敏感器的重要指標之一，對其進行闡述，由此引出提高動態(tài)性能的運動補償法.描述該方法的工作原理和實現(xiàn)方式，包括硬件電荷轉(zhuǎn)移和軟件提高信噪比（SNR）兩部分，其中硬件電荷轉(zhuǎn)移包括CCD的X和Y兩個方向的特殊處理，軟件提高信噪比用DSP實現(xiàn).針對STS星敏感器完成初步設(shè)計和計算，表明該方法可以提高星敏感器的動態(tài)性能.

運動補償法；星敏感器；動態(tài)性能

星敏感器是飛行器姿態(tài)測量的重要部件，一般為靜態(tài)工作，即假設(shè)恒星和星敏感器相對靜止，在積分周期內(nèi)星點只對CCD靶面的固定位置感光形成電荷信號.但由于安裝星敏感器的飛行器本體的旋轉(zhuǎn)、移動、抖動等運動，使得星點在CCD感光區(qū)移動，形成一段軌跡圖像，造成星敏感器星點提取失敗或星點中心精度降低.所以動態(tài)性能作為星敏感器的關(guān)鍵指標之一，越來越受重視.

目前國外星敏感器動態(tài)性能約在3（°）／s左右，最高達10（°）／s.提高動態(tài)性能的方法主要有兩種：一是在軟件上，改進后期圖像處理算法，該方法有很多種算法，主要缺點在于占用圖像處理時間，影響整機數(shù)據(jù)更新率；二是在硬件上，提高CCD探測靈敏度以縮短積分時間，該方法受CCD器件限制，對CCD性能要求較高.國產(chǎn)星敏感器動態(tài)性能提高的研究起步較晚，在具體實施上幾乎處于空白狀態(tài).以國產(chǎn)STS星敏感器為例，其動態(tài)性能估計為3（°）／s左右，但沒有具體的動態(tài)性能提高措施，沒有專門的動態(tài)性能標定.

1 動態(tài)性能定義

當(dāng)飛行器運動時，星敏感器處于動態(tài)跟蹤模式，此時星點在感光區(qū)形成一段軌跡.如果這段軌跡圖像的信噪比（SNR）較差，信號被噪聲淹沒，星點無法提取，星敏感器的跟蹤功能就失效.如果這段軌跡成像足夠清晰，能夠提取星點，星敏感器具有動態(tài)跟蹤功能，但星點中心精度下降，姿態(tài)精度受到影響.此時如果星敏感器積分時間較短，形成軌跡較短，星點中心精度下降有限則可以保證姿態(tài)精度.總的來說，動態(tài)精度的高低與積分時間和探測靈敏度有關(guān)：即積分時間越長，星點軌跡越長，中心精度越差；而探測靈敏度越弱，則星點軌跡形成電荷越少，SNR越差，越容易被噪聲淹沒.但軟件后期處理能給精度損失部分補償.

一般動態(tài)性能需要通過后期標定測量.通常將星敏感器固定，將靜態(tài)星模擬器安裝于轉(zhuǎn)臺勻速轉(zhuǎn)動模擬衛(wèi)星姿態(tài)角速度，形成軌跡圖像，記錄CCD測量的星點中心坐標和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角位置即可計算動態(tài)定位精度.也可以采用動態(tài)星模擬器測試動態(tài)性能（這對模擬器性能要求較高）.將動態(tài)星模擬器與星敏感器完好對接，設(shè)置動態(tài)星點在一定方向以一定角速度運動，形成軌跡圖像，然后通過圖像采集、質(zhì)心計算來確定星敏感器動態(tài)性能［1］.

分析具有動態(tài)跟蹤能力的星敏感器所對應(yīng)的最大角速度即能提取動態(tài)星點有效軌跡的最大角速度.該最大角速度一般被用來衡量星敏感器的動態(tài)性能，它與運動星點在單個像元上停留的時間有關(guān)，同時還與CCD探測靈敏度有關(guān).具體來說，如果探測靈敏度一定，角速度越小，星點在單個像元上停留的時間越長，產(chǎn)生的電荷越多，星點的SNR越大，星敏能提取動態(tài)星點軌跡的可能越大；反之，如果探測靈敏度越高，所需星點在單個像元上停留的時間越短，對應(yīng)角速度越大［2］.

現(xiàn)以STS星敏感器為例分析動態(tài)性能.其CCD為512×512像元［3］，正方形像元邊長Lp為17μm，正方形有效感光區(qū)邊長Li為8.7mm，視場角為10°×10°，可算出1°視場對應(yīng)0.87mm的感光區(qū)，如圖1所示.

在200ms積分時間下，已知探測靈敏度為7mv（星等），可以推出動態(tài)追蹤3.5mv的最小積分時間T的關(guān)系式為：

假設(shè)衛(wèi)星運動最大角速率為A（°）／s，從圖1可

圖1 動態(tài)星點示意圖

知對應(yīng)CCD感光區(qū)的線速度V為0.87A（mm／s）.星點通過一個像元的時間和路徑有：

根據(jù)公式（1）和（2）推出

2 運動補償法

如圖2所示，當(dāng)飛行器運動，造成星點在CCD上移動，形成軌跡圖像.

圖2 星點在CCD上的移動

運動補償法適用于圖2所示的幀轉(zhuǎn)移大面陣CCD，它分為兩個部分：第一部分是硬件電荷轉(zhuǎn)移，通過設(shè)計特殊的CCD驅(qū)動時序，在CCD成像區(qū)中，使星點成像產(chǎn)生的電荷按照需要在y方向移動，達到星點電荷完全重合或在x方向一致；第二部分是軟件提高星點SNR，在前述電荷轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，在CCD模擬信號輸出經(jīng)過視頻處理后，在DPU單元中通過軟件上的圖像處理和特殊算法提高SNR.

為了更好理解運動補償法，將星點運動分為沿y方向的一維運動和沿x、y方向的二維運動這兩部分加以說明.

2.1 星點沿y方向一維運動

如圖3（a）所示，星點沿y方向一維運動，只需硬件實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移就可以滿足成像要求.實際上如果已知飛行器的旋轉(zhuǎn)運動方向，通過專門設(shè)計和特殊安裝硬件可以保證星點在星敏感器上沿y方向移動.

電荷轉(zhuǎn)移就是根據(jù)星點移動的速度，設(shè)計驅(qū)動時序，使星點產(chǎn)生的電荷在CCD成像區(qū)跟隨星點位置同步移動，達到星點始終在固定像元或固定行上感光成像.因此電荷不再分散從而實現(xiàn)積累或行排列，避免星點軌跡的產(chǎn)生.圖3（b）表示電荷轉(zhuǎn)移處理后的成像結(jié)果［4］.

圖3 星點沿y方向一維運動成像圖

以STS星敏感器為例，像元邊長Lp為17μm，積分時間T為200ms，假設(shè)衛(wèi)星最大運動角速率A為3（°）／s，可算出對應(yīng)的最大線速度V為2.61mm／s.設(shè)x為軌跡所占像元數(shù)，由xLP＝TV可以算出星點在CCD上的軌跡圖像延長31個像元.經(jīng)過計算和時序設(shè)計，需在y方向進行30次電荷轉(zhuǎn)移消除軌跡圖像.需要注意的是電荷轉(zhuǎn)移法存在31個像元寬度的過渡區(qū)，如圖3中所示的1號星點運動軌跡，其中有部分積分軌跡處于非感光區(qū)，這對電荷積累有損失.如果探測星點能量達到1.2mv，那么過渡區(qū)中有40%的星點可以利用，總的來說感光區(qū)有用星減少約4%.即使角速率增加到12（°）／s，導(dǎo)航星也只損失16%，平均視場仍有30顆星左右，可滿足姿態(tài)確定要求.

下面舉例具體說明電荷轉(zhuǎn)移的原理.假設(shè)角速率A為0.7（°）／s，線速度V＝0.87A（mm／s），積分時間T積分為200ms，像元邊長Lp為0.017mm，t為積分間隔時間，則

根據(jù)式（3）可推出STS每隔t＝28ms需進行一次電荷轉(zhuǎn)移，共進行n＝6次移動.

具體時序如圖4所示，每隔28ms，成像區(qū)有一次行轉(zhuǎn)移，共需6次行轉(zhuǎn)移.圈內(nèi)為積分周期內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移操作.

圖4 CCD驅(qū)動時序圖

如圖5所示，假設(shè)星點在積分開始時位于某一列第19行處，積分結(jié)束時位于某一列第25行處.每隔28ms，成像區(qū)時鐘并行轉(zhuǎn)移一次，共6次.在第一個t周期，星點位于19處并產(chǎn)生電荷；第二個t周期，星點位于20處并產(chǎn)生新電荷，同時前一個周期產(chǎn)生的舊電荷也被轉(zhuǎn)移到20處與新電荷合并；同理，經(jīng)過6次轉(zhuǎn)移，星點到達25處，加上前6個周期產(chǎn)生的電荷共7次電荷在該處合并.

圖5 電荷轉(zhuǎn)移法原理說明

此時星點位置為最終位置，ypm表示測量的中心位置，ypc表示積分中間時刻星點位置，這是姿態(tài)計算的基礎(chǔ)參數(shù)，n為轉(zhuǎn)移次數(shù)，則

得ypc＝25－6／2＝22.

即使n次數(shù)有誤，軌跡圖像清除不完全，也不會引入系統(tǒng)錯誤.

2.2 星點沿x、y方向二維運動

針對星點沿y方向移動情況，采用電荷轉(zhuǎn)移消除軌跡影響，提高星敏感器的動態(tài)性能.雖然可以通過設(shè)計和精確安裝硬件實現(xiàn)星點沿y方向一維運動，但實際情況復(fù)雜，星點往往沿x，y方向二維運動，如圖6（a）所示.

針對二維方向的軌跡，首先要在y方向通過電荷轉(zhuǎn)移消除y方向的軌跡影響，形成如圖6（b）所示的圖像，此時只存在x方向的軌跡影響.但在x方向不易進行電荷轉(zhuǎn)移消除軌跡現(xiàn)象（在某些特殊情況下也可以使用電荷轉(zhuǎn)移），而是通過后期軟件處理和算法實現(xiàn)提高SNR［5］.

具體實現(xiàn)原理如圖7所示（假設(shè)進行4次轉(zhuǎn)移消除y方向軌跡）.假設(shè)星點在第一個積分周期（開始積分時刻）位于n行m列，并產(chǎn)生電荷圈1；第二個積分周期，通過電荷并行轉(zhuǎn)移法，將圈1電荷轉(zhuǎn)移到n＋1行m列處，同時星點也移動到n＋1行m＋1列處并產(chǎn)生電荷圈2，此時在n＋1行m列和m＋1列各有圈1和圈2電荷.同理，經(jīng)過4次轉(zhuǎn)移，星點在第五個積分周期（積分結(jié)束時刻）位于n＋4行m＋4列，并產(chǎn)生電荷圈5，同時前幾個周期產(chǎn)生的電荷圈1到圈4也被轉(zhuǎn)移到n＋4行.總之，經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)移，星點y方向的軌跡被消除，只剩下x方向圈1、2、3、4、5處電荷.

圖6 星點沿x、y方向二維運動成像圖

以STS星敏感器為例，一個星點靜止時在積分周期內(nèi)產(chǎn)生的總電荷用S表示，占據(jù)2×2＝4個像元，用s表示像元電荷的平均值，r表示像元噪聲，那

圖7 電荷轉(zhuǎn)移消除y方向軌跡

么靜止像元的SNR為

當(dāng)2×2個像元的星點移動時，將形成2n＋4個像元的軌跡圖像（n是電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)），則s和SNR分別為

假設(shè)當(dāng)y軸角速度為1.4（°）／s時，通過計算需要電荷轉(zhuǎn)移n＝13次，由式（5）和（7）推出靜止圖像SNR與軌跡圖像SNR比值為

星敏感器探測靈敏度降低所對應(yīng)的星等為

log2.57.5＝2.2mv

如果采用運動補償法，在y方向進行了n次電荷轉(zhuǎn)移，x方向?qū)纬蒼＋1個有效電荷像元，x方向的軌跡圖像整體的SNR為

根據(jù)式（6）和（8）得

所以由式（5）和（9）推出，靜止圖像SNR與運動補償法后SNR比值為

將n＝13代入公式（10），得到

即探測星等降低0.75mv.

同理，當(dāng)y軸角速度為3（°）／s時，靜止圖像SNR與運動補償SNR比值為2.9，對應(yīng)探測星等降低1.16mv.如果沒有運動補償，靜止圖像SNR與軌跡圖像SNR比值為16.5，對應(yīng)的探測星等降低3.1mv.

3 結(jié) 論

提高星敏感器動態(tài)性能的最基本方法是縮短積分時間和提高探測靈敏度，但這兩者主要由CCD的性能決定，不容易改進.運動補償法是一種不需要外圍設(shè)備支持，且在原有基礎(chǔ)上通過改變CCD內(nèi)部時序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理軟件算法而提高敏感器動態(tài)性能的方法.通過將運動補償法引入STS星敏感器的設(shè)計和分析，可以知道運動補償法基本上能消除y方向的軌跡顯現(xiàn)，并能較大幅度提高星像的SNR.在實際設(shè)計中，可以進行多檔電荷轉(zhuǎn)移設(shè)計（以最大概率轉(zhuǎn)移次數(shù)為基礎(chǔ)），實現(xiàn)星敏感器對不同角速度的自動判斷和電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)調(diào)整，以適應(yīng)要求大范圍運動角速度的衛(wèi)星姿態(tài)測量.但對于積分時間過長，星點運動軌跡不規(guī)則的情況，運動補償法設(shè)計較為困難.

目前運動補償法正在開展實質(zhì)模擬試驗，將星敏安裝于轉(zhuǎn)臺根據(jù)預(yù)設(shè)的角速度和運動方向轉(zhuǎn)動，確認CCD時序和軟件算法的正確性，驗證運動補償法的實際性能和精度.

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［5］ Van Bezooijen R W H.SIRTF autonomous star tracker［J］.Proceedings of SPIE，2003，（4850）：108-121，SPIE.0277-786X／03

An Attemptat Improving Dynamic Perform ance of Star Tracker by Motion Compensation

GONG Dezhu，WU Yanpeng，LU Xin
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

Amotion compensation（MC）method is introduced to improve dynamic capability of star tracker.Then the MC principleis explained in detail，including charge-transfer in hardware and SNR-improving in software，with the emphasis on implementation means and conditions.The charge-transfer in hardware include special disposal in X and Y directions of charge couple device（CCD），and SNR-improving in software is realized in digital signal processing（DSP）.Finally，in order to improve the dynamic capability，primary design and calculation based on STS star tracker made in China are presented.The results show the MC takes effect on dynamic capability improvement of star sensors.

motion compensation；star sensor；dynamic capability

*國家863高技術(shù)資助項目（8000100040004333）.

2008-11-02

龔德鑄（1977—），男，貴州人，高工，研究方向為成像式敏感器（e-mail：gongdezhu＠sina.com）.

TN379

A

1674-1579（2009）06-0019-05