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      星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2016-05-30 05:33:07周厚元
      科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2016年17期
      關(guān)鍵詞:電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      周厚元

      摘 要:星敏感器是最常用的姿態(tài)確定儀器之一,論文根據(jù)星敏感器工作原理,在星敏感器總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了星敏感器電控系統(tǒng)的有源像素傳感器及智能控制器單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信單元。該電控系統(tǒng)功能完備,能夠滿(mǎn)足星敏感器系統(tǒng)的控制要求。

      關(guān)鍵詞:星敏感器 電控系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)

      中圖分類(lèi)號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1674-098X(2016)06(b)-0066-02

      星敏感器是一種高精度的姿態(tài)敏感器。它以恒星為參照系,通過(guò)探測(cè)天球上的恒星并進(jìn)行解算,為航空航天飛行器提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)[1]。相對(duì)于慣性陀螺、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器等其他姿態(tài)敏感器,星敏感器具有指向精度高、無(wú)姿態(tài)累積誤差、完全自主導(dǎo)航能力、隱蔽性好等特點(diǎn)[2],已成為空間飛行器首選的姿態(tài)敏感器。星敏感器可用于多種平臺(tái),如海基平臺(tái)、陸基平臺(tái)、機(jī)載平臺(tái)、彈載平臺(tái)和天基平臺(tái)等[3]。

      1 星敏感器工作原理

      星敏感器工作原理如圖1所示。當(dāng)星敏感器對(duì)星空成像時(shí),視場(chǎng)內(nèi)的所有恒星便會(huì)經(jīng)由光學(xué)鏡頭成像在圖像傳感器的感光面上,同時(shí)完成星像由光到電荷的轉(zhuǎn)換,由支持電路讀出所轉(zhuǎn)換的電荷圖像,并將其放大為電壓模擬信號(hào),通過(guò)片上A/D轉(zhuǎn)換之后輸出數(shù)字信號(hào),并且與圖像傳感器的像元一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)到星圖存儲(chǔ)器中,隨后,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)掃描星圖的所有像元,從中識(shí)別出恒星,計(jì)算出觀(guān)測(cè)到的恒星能量和在像面像元坐標(biāo)系的位置。之后,提取星圖中恒星的幾何特征模式,同導(dǎo)航星庫(kù)中的導(dǎo)航模式進(jìn)行匹配,如果觀(guān)測(cè)星模式與導(dǎo)航星模式匹配成功,就可以利用姿態(tài)解算方法來(lái)確定星敏感器的光軸在慣性空間中的指向[4]。

      2 星敏感器系統(tǒng)總體方案

      星敏感器系統(tǒng)主要由3部分組成:電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)本體組成,如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)由遮光罩、光學(xué)鏡頭及臨時(shí)連接筒組成,遮光罩用于減小雜散光的干擾,光學(xué)鏡頭收集指定導(dǎo)航星發(fā)出的可見(jiàn)光,并將其成像在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上。電控系統(tǒng)將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并空間離散采樣,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字星圖,并提取各星點(diǎn)目標(biāo)的精確質(zhì)心位置。結(jié)構(gòu)本體將光學(xué)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。

      3 星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

      星敏感器電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。系統(tǒng)主要由有源像素傳感器及智能控制器單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信單元組成。有源像素傳感器及智能控制器單元主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的控制指令,產(chǎn)生有源像素傳感器圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào),將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并空間離散采樣,并完成數(shù)字星圖的讀出和存儲(chǔ)[5]。數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的1553B控制器接收來(lái)自載體控制器的指令,控制有源像素傳感器及智能控制器單元的工作,處理所拍攝的星圖,計(jì)算出星點(diǎn)的質(zhì)心位置并回傳至載體控制器,所拍攝的星圖可通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的遙測(cè)控制器發(fā)送到載體遙測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信單元主要負(fù)責(zé)與載體控制器和載體遙測(cè)系統(tǒng)通信,具體分別由1553B控制器和遙測(cè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

      3.1 有源像素傳感器及智能控制器單元

      有源像素傳感器及智能控制器單元是星敏感器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。它要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的控制指令,產(chǎn)生圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào),將星空經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像光電轉(zhuǎn)換后空間離散采樣,并完成數(shù)字星圖的讀出和存儲(chǔ)。

      3.2 有源像素傳感器

      有源像素傳感器是星敏感器電控系統(tǒng)的核心部件。其功能是在微處理器的控制下,將導(dǎo)航星在其感光面上所成的圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào),供隨后的數(shù)據(jù)處理單元使用。由于導(dǎo)航星的亮度差別較大,光譜特性不盡相同,因此,星敏感器要求圖像傳感器具有較寬的光譜響應(yīng)范圍、較高的靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。論文選用美國(guó)賽普拉斯半導(dǎo)體公司為空間應(yīng)用研發(fā)的圖像傳感器STAR1000,利用可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)控制,具有抗干擾能力和抗輻射能力強(qiáng)、可靠性高、特別適合應(yīng)用于復(fù)雜的太空環(huán)境等特點(diǎn)。

      3.3 智能控制器的設(shè)計(jì)

      為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)STAR1000,設(shè)計(jì)的智能控制器功能有:(1)上位機(jī)可查詢(xún)和設(shè)置窗口大小、曝光時(shí)間;(2)可接收上位機(jī)的有效指令,產(chǎn)生STAR1000所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào),實(shí)現(xiàn)圖像的A/D轉(zhuǎn)換;(3)圖像A/D轉(zhuǎn)換后,自動(dòng)將數(shù)據(jù)存放到靜態(tài)存儲(chǔ)器中;(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后,自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出中斷信號(hào),并將該靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制權(quán)交回上位機(jī),并將另一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制權(quán)交給該智能控制器,實(shí)現(xiàn)乒乓存儲(chǔ);(5)可查詢(xún)?cè)撝悄芸刂破鞯臓顟B(tài)。智能控制器設(shè)計(jì)完成后,即可驅(qū)動(dòng)控制圖像傳感器,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到2片靜態(tài)存儲(chǔ)器中,實(shí)現(xiàn)乒乓緩存,且能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)據(jù)處理單元的接口。

      3.4 數(shù)據(jù)處理單元

      數(shù)據(jù)處理單元是星敏感器電控系統(tǒng)的核心處理單元。它主要負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的1553B控制器接收來(lái)自載體控制器的指令,控制有源像素傳感器及智能控制器單元的工作,處理所拍攝的星圖,計(jì)算各星點(diǎn)目標(biāo)的質(zhì)心位置并回傳至載體控制器,所拍攝的星圖通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元的遙測(cè)控制器發(fā)送到載體遙測(cè)系統(tǒng)。

      3.5 數(shù)據(jù)通信單元

      數(shù)據(jù)通信單元是星敏感器電控系統(tǒng)的外部接口。它主要負(fù)責(zé)與載體控制器和載體遙測(cè)系統(tǒng)通信,具體分別由1553B控制器和遙測(cè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。與載體控制器的通信采用1553B總線(xiàn),遙測(cè)數(shù)據(jù)采用RS232協(xié)議形式進(jìn)行通信。

      4 結(jié)語(yǔ)

      相對(duì)于太陽(yáng)敏感器、磁強(qiáng)計(jì)、地平儀和陀螺儀等其他常見(jiàn)的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備,星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度比較高,能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航能力,抗干擾能力強(qiáng)。文章設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的智能有源圖像控制器和基于ARM的數(shù)據(jù)處理單元。該電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的捕獲,以及數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的輸出和存儲(chǔ),與載體控制器和遙測(cè)部分通信可靠,并且具有小型化和輕量化特點(diǎn)。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 劉壘,張路,鄭辛,等.星敏感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].紅外與激光工程,2007(36):529-533.

      [2] 譚漢清,劉壘.慣性/星光組合導(dǎo)航技術(shù)綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2008(5):44-51.

      [3] 何炬.國(guó)外天文導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù),2005,27(5):91-96.

      [4] 劉朝山,劉光斌,王新國(guó),等.彈載星敏感器原理及系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

      [5] 王洪濤,羅長(zhǎng)洲,王渝,等.智能APS控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電光與控制,2009,16(3):58-82.

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