CN102914306A - 一种双探头星敏感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种双探头星敏感器及其设计方法，双探头星敏感器包括两个成像探头模块、一个CPU数据处理模块和一个电源转换模块，两个成像探头模块分别与CPU数据处理模块相连，接口采用LVDS，通过两个LVDS接口周期地给两个成像探头模块校时，在两个校时周期内，两个成像探头模块分别自主守时。其设计方法是：步骤一：电源转换模块的设计；步骤二：探头模块的设计；步骤三：数据处理模块的设计。本发明弥补了星敏感器长时间运行后，两个成像探头模块之间时间差增大和单个成像探头模块星敏感器滚动轴姿态精度差的缺点；即使某个成像探头模块失效，在保证姿态精度的基础上，另一个成像探头模块仍然能输出姿态，提高了数据可靠性。

Description

一种双探头星敏感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及空间技术，具体说就是一种双探头星敏感器及其设计方法。

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，比太阳敏感器高一个数量级。但是由于星光非常微弱，所以信号检测比较困难，其成像需要使用高灵敏度的图像传感器，比如析像管或电荷耦合器件(CCD，Charge CoupledDevice)。天空中恒星数量很多，它一方面带来可供选择的目标星较多和应用方便的优点，但也带来了对检测到的恒星进行识别的困难，因而需要配备数据存储和处理能力较强的星载数字计算机。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。来自恒星的平行光经过光学系统后在像面阵上聚焦成像，按能量中心法可确定星像的中心位置(其精度可达角秒)。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，再由星敏感器安装矩阵求得星光矢量在卫星本体坐标系中的观测矢量。

星敏感器能同时感测多颗恒星(通常是6等以上的恒星)，经过星图识别后作为三轴姿态测量基准的恒星一般在3颗以上。利用多矢量定姿法可求出卫星相对于惯性空间(天球坐标系)的三轴姿态。当给定飞行器的轨道根数后，可通过坐标转换求得飞行器相对于轨道坐标系的姿态。

星敏感器的姿态确定精度是由恒星位置的测量精度确定的。但恒星位置的测量精度与视场角大小之间是矛盾的，为了进一步提高星敏感器的姿态精度，许多设计者减少星敏感器的视场。对于单视场星敏感器而言，滚动角的误差一般是偏航角和俯仰角误差的5-10倍。因此，降低星敏感器视场也不可能把滚动角的精度提高到偏航角和俯仰角的精度。

而且小视场的星敏感器视场中可捕获的导航星数量比较少，导致星敏感器星探测能力的降低，不利于星图识别和飞行器的动态性能；不能保证在每一时刻视场中都能同时拍到足够的导航星。这样会限制星敏感器的星探测能力和造成姿态确定精度的下降。

发明内容

本发明的目的是为了解决航天器高动态飞行条件下星敏感器测量精度和星探测能力的问题，提供一种双探头星敏感器及其设计方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种双探头星敏感器，它是由两个成像探头模块、一个CPU数据处理模块和一个电源转换模块组成的，两个成像探头模块分别与CPU数据处理模块相连，接口采用LVDS，两个成像探头模块之间相互独立，考虑到传输时间延迟的问题，两个成像探头模块传送给CPU数据处理模块不是整幅图像，而是图像中的星像坐标，为了便于CPU数据处理模块对两个成像探头模块的数据融合，两个成像探头模块除了给CPU数据处理模块传输图像中的星像坐标外，还把当前探头曝光时的时刻发送给CPU数据处理模块，两个成像探头模块与CPU数据处理模块除了存在数据信号连接以外，还分别与CPU数据处理模块之间连接一个I/O信号，CPU数据处理模块除了处理数据以外，还在I/O上产生秒脉冲，通过两个LVDS接口周期地给两个成像探头模块校时，在两个校时周期内，两个成像探头模块分别自主守时。

本发明一种双探头星敏感器的设计方法，步骤如下：

步骤一：电源转换模块的设计

电源板包括电源转换模块和输出接口，电源转换模块把输入的28V电压转换到两个成像探头模块和CPU数据处理板所需要的5V电压；

步骤二：探头模块的设计

两个探头模块的功能是一样的，因此可以设计完全一样的模块，每个探头模块分别包含了三个部分，分别是光学镜头部分、图像传感器部分和FPGA板部分，光学镜头部分：光学镜头按照任务的需求，选择现成的镜头，根据任务的需要，

光学镜头的视场是：14°×14°，

图像传感器部分：相对于CCD传感器，APS传感器的驱动电路大大简化，由于APS可直接输出数字信号，另外，由于APS传感器采用的是CMOS技术，因此APS传感器及其驱动电路可以和微处理器一起集成在单片芯片上，与采用CCD传感器相比，APS具有电路简单低功耗和低成本的优点，因此选择CMOS作为探头模块的图像传感器，根据任务的需要，双探头星敏感器的精度要优于1角秒，探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz；

①双探头星敏感器的精度的计算

从SKY2000星表中可以查出，全天球量于6等星的星数为4524颗，利用

$N_{\mathrm{CFOV}}=\frac{N\left(M_v\right)}{2}(1-\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Fov}}}{2})---\left(1\right)$

其中N(M_v)为恒星总数，θ_FOV为视场大小就可以计算出视场内平均恒星数为16.86颗，利用精度计算公式

$E_c=\frac{A\·E_{\mathrm{centroid}}}{N_{\mathrm{pixel}}\·\sqrt{N_{\mathrm{star}}}}---\left(2\right)$

其中A为星敏感器视场，E_centroid为质心算法提取精度，一般选取0.1，N_pixel是图像传感器像平面大小，N_star是视场内恒星数量；

图像传感器的面阵是标准配置，有1024×1024，2048×2048，因此，如果选择的图像传感器面阵越大，处理图像的时间越长，考虑到数据处理时间选择图像传感器的面阵大小为1024×1024，利用公式(2)可以计算星敏感器每个探头的精度为1.20角秒，而双探头星敏感器的精度能在单探头星敏感器的精度上提高

倍，因此双探头星敏感器的精度是0.85角秒，满足精度要优于1角秒的要求；

②探测星等和数据更新率的计算

假设星敏感器接收的恒星功率密度为H_cm，有下式：

H_cm＝(H·η·S)/S₁)                                (3)

式中：H-恒星功率密度；η-光学系统透过率；S-光学系统通光面积；S₁-星像点面积；

探测元件能正常工作的最小功率密度H_cm可由下式算得：

H_m＝E_s/(DR·T_m)                                    (4)

式中：E_s-探测元件的饱和曝光量；DR-探测元件的可用动态范围；T_m-最大积分时间

故探测元件敏感到恒星的必要条件为H_cm≥H_m，故有：

D≥[E_s·d²/(DR·H·T_m·η)]^1/2                     (5)

即

$H\≥\frac{E_s\·d^2}{D^2\·\mathrm{DR}\·T_m\·\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

现在所选用的CMOS芯片的参数为：E_s＝2.29e-7W/m²，动态范围DR＝1000，像元大小为5.5μm×5.5μm，6等星的功率密度为2.36×10^-11W/m²，根据这些参数计算，计算在曝光时间200毫秒的功率密度为2.29×10^-11W/m²，因此，在曝光时间200毫秒时能够探测到6等星，满足探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz的要求；

FPGA板部分：FPGA板部分包括FPGA芯片和图像存储器芯片，由于图像传感器部分选择了适合的图像传感器芯片，而图像传感器的驱动时序可以参考图像传感器的说明书，是现成的，图像传感器部分选择的图像传感器面阵是1024×1024，因此在FPGA板部分选择的图像存储器大小为1Mbyte；

步骤三：数据处理模块的设计

数据处理模块是以CPU为中心的模块，主要包括SRAM、FLASH、和计算机通信接口，其中SRAM主要运行算法，运行的算法包括全天球识别算法、星跟踪算法、姿态计算算法以及双探头姿态确定算法，这些算法的大小为134Kbyte，考虑到SRAM必须留一定余量空间，而SRAM器件的存储器大小是标准配置，大小有1M，2M，因此选择的SRAM大小为1Mbyte，FLASH主要完成系统断电后保存算法，而算法大小为134byte，FLASH器件的存储器大小也是标准配置，大小有128K，256K，考虑到选择的FLASH需要一定的余量，因此选择的FLASH为256K，数据处理模块通过与计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共18个字节，其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，3个字节数据状态字，1个字节校验，该数据量不大，计算机通信接口为RS422。

本发明一种双探头星敏感器及其设计方法，CPU定周期地给两个成像探头模块进行校时，弥补了星敏感器长时间运行后，两个成像探头模块之间时间差增大的缺点；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；即使某个成像探头模块实效，在保证姿态精度的基础上，另一个成像探头模块仍然能输出姿态，提高了数据可靠性。单个探头模块的主要性能指标：视场：14°×14°，面阵：1024×1024，探测星等：6Mv，数据更新率：5Hz。

附图说明

图1为双探头星敏感器工作原理框图；

图2为电源转换模块原理图；

图3为探头模块原理图；

图4为数据处理模块原理图；

图1为双探头星敏感器工作流程图；

图2为成像探头模块1上电原理图；

图3为成像探头模块1测试结果图；

图4为成像探头模块2上电原理图；

图5为成像探头模块2测试结果图；

图6为双探头星敏感器工作过程图；

图7为双探头星敏感器测试结果图；

图8为双探头星敏感器的电源转换模块具体实施例框图；

图13为双探头星敏感器的成像探头模块原理图；

图14为双探头星敏感器的CPU数据处理模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1-图14，本发明一种双探头星敏感器，它是由两个成像探头模块、一个CPU数据处理模块和一个电源转换模块组成的，两个成像探头模块分别与CPU处理板相连，接口采用LVDS，两个成像探头模块之间相互独立，考虑到传输时间延迟的问题，两个成像探头模块传送给CPU数据处理板不是整幅图像，而是图像中的星像坐标，为了便于CPU数据处理板对两个成像探头模块的数据融合，两个成像探头模块除了给CPU数据处理板传输图像中的星像坐标外，还把当前探头曝光时的时刻发送给CPU数据处理板，两个成像探头模块与CPU板除了存在数据信号连接以外，还分别与CPU之间连接一个I/O信号，CPU处理板除了处理数据以外，还在I/O上产生秒脉冲，通过两个LVDS接口周期地给两个成像探头模块校时，在两个校时周期内，两个成像探头模块分别自主守时。

本发明一种双探头星敏感器的设计方法，步骤如下：

步骤一：电源转换模块的设计

电源板包括电源转换模块和输出接口，电源转换模块把输入的28V电压转换到两个成像探头模块、CPU数据处理板所需要的5V电压；

步骤二：探头模块的设计

两个探头模块的功能是一样的，因此可以设计完全一样的模块，每个探头模块分别包含了三个部分，分别是光学镜头部分、图像传感器部分和FPGA板部分，光学镜头部分：光学镜头按照任务的需求，选择现成的镜头，根据任务的需要，

光学镜头的视场是：14°×14°，

图像传感器部分：相对于CCD传感器，APS传感器的驱动电路大大简化，由于APS可直接输出数字信号，另外，由于APS传感器采用的是CMOS技术，因此APS传感器及其驱动电路可以和微处理器一起集成在单片芯片上，与采用CCD传感器相比，APS具有电路简单低功耗和低成本的优点，因此选择CMOS作为探头模块的图像传感器，根据任务的需要，双探头星敏感器的精度要优于1角秒，探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz；

①双探头星敏感器的精度的计算

从SKY2000星表中可以查出，全天球量于6等星的星数为4524颗，利用

$N_{\mathrm{CFOV}}=\frac{N\left(M_v\right)}{2}(1-\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Fov}}}{2})---\left(7\right)$

其中N(M_v)为恒星总数，θ_FOV为视场大小

就可以计算出视场内平均恒星数为16.86颗，利用精度计算公式

$E_c=\frac{A\·E_{\mathrm{centroid}}}{N_{\mathrm{pixel}}\·\sqrt{N_{\mathrm{star}}}}---\left(8\right)$

其中A为星敏感器视场，E_centroid为质心算法提取精度，一般选取0.1，N_pixel是图像传感器像平面大小，N_star是视场内恒星数量；

图像传感器的面阵是标准配置，有1024×1024，2048×2048，因此，如果选择的图像传感器面阵越大，处理图像的时间越长，考虑到数据处理时间选择图像传感器的面阵大小为1024×1024，利用公式(2)可以计算星敏感器每个探头的精度为1.20角秒，而双探头星敏感器的精度能在单探头星敏感器的精度上提高

倍，因此双探头星敏感器的精度是0.85角秒，满足精度要优于1角秒的要求；

②探测星等和数据更新率的计算

假设星敏感器接收的恒星功率密度为H_cm，有下式：

H_cm＝(H·η·S)/S₁)                       (9)

式中：H-恒星功率密度；η-光学系统透过率；S-光学系统通光面积；S₁-星像点面积；

探测元件能正常工作的最小功率密度H_cm可由下式算得：

H_m＝E_s/(DR·T_m)                           (10)

式中：E_s-探测元件的饱和曝光量；DR-探测元件的可用动态范围；Tm_-最大积分时间

故探测元件敏感到恒星的必要条件为H_cm≥H_m，故有：

D≥[E_s·d²/(DR·H·T_m·η)]^1/2            (11)

即

$H\≥\frac{E_s\·d^2}{D^2\·\mathrm{DR}\·T_m\·\mathrm{\η}}---\left(12\right)$

现在所选用的CMOS芯片的参数为：E_s＝2.29e-7W/m²，动态范围DR＝1000，像元大小为5.5μm×5.5μm，6等星的功率密度为2.36×10^-11W/m²，根据这些参数计算，计算在曝光时间200毫秒的功率密度为2.29×10^-11W/m²，因此，在曝光时间200毫秒时能够探测到6等星，满足探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz的要求；

FPGA板部分：FPGA板部分包括FPGA芯片和图像存储器芯片，由于图像传感器部分选择了适合的图像传感器芯片，而图像传感器的驱动时序可以参考图像传感器的说明书，是现成的，图像传感器部分选择的图像传感器面阵是1024×1024，因此在FPGA板部分选择的图像存储器大小为1Mbyte；

步骤三：数据处理模块的设计

数据处理模块是以CPU为中心的模块，主要包括SRAM、FLASH、与计算机通信接口，其中SRAM主要运行算法，运行的算法包括全天球识别算法、星跟踪算法、姿态计算算法以及双探头姿态确定算法，这些算法的大小为134Kbyte，考虑到SRAM必须留一定余量空间，而SRAM器件的存储器大小是标准配置，大小有1M，2M，因此选择的SRAM大小为1Mbyte，FLASH主要完成系统断电后保存算法，而算法大小为134byte，FLASH器件的存储器大小也是标准配置，大小有128K，256K，考虑到选择的FLASH需要一定的余量，因此选择的FLASH为256K，数据处理模块通过与计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共18个字节(其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，3个字节数据状态字，1个字节校验)，该数据量不大，与计算机通信接口选择通过RS422。

实施例2：结合图12，如错误！未找到引用源。是一种双探头星敏感器的电源模块实施方式，其中把输入的+28V转换为+5V的电源转换模块主要采用FMSA-461和MSA2805S器件，CMOS成像器件采用CMV4000，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IS61LPS204818A，该芯片是2M×18位的存储器，因此需要用到两片，分别为高18位地址和低18位地址，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，RS422器件采用82C52芯片，FLASH器件采用AT49BV162A，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，LVDS器件采用DS91D176芯片，DC/DC转换采用LT1086芯片，FPGA器件采用Xilinx公司的XC2V8000芯片。

实施例3：结合图6-图12，为了验证该双探头星敏感器的精度，并与单探头星敏感器的精度进行了外场观星比较。实验分为三组。

第一组实验方法如下：关闭双探头星敏感器的成像探头模块(2)的电源，此时，只有成像探头模块(1)、CPU数据处理模块和电源模块工作(如错误！未找到引用源。)，成像探头模块(1)随机对准天空某天区，并且与地球保持相对静止，CPU数据处理模块定期地向成像探头模块(1)发送星像坐标请求，数据处理模块接收到成像探头模块(1)发送的星像坐标数据后，对这些星像坐标进行识别，利用识别结果计算姿态，然后把计算的姿态通过RS422发送给上位机，上位机接收到姿态后实时保存，并且实时计算接收到的姿态与真实姿态的差，即姿态误差，接收到一定数量的姿态后，比如接收到大约1820秒的数据帧，采用MATLAB显示姿态误差曲线(如错误！未找到引用源。)，并计算三轴姿态精度。经计算，三轴姿态误差分别为：偏航角1.4067″(3σ)，俯仰角1.2949″(3σ)，滚动角5.2629″(3σ)。

第二组实验方法如下：关闭双探头星敏感器的成像探头模块(1)的电源，此时，只有成像探头模块(2)、CPU数据处理模块和电源模块工作(如错误！未找到引用源。)，成像探头模块(2)随机对准天空某天区，并且与地球保持相对静止，CPU数据处理模块定期地向成像探头模块(2)发送星像坐标请求，CPU数据处理模块接收到成像探头模块(2)发送的星像坐标数据后，对这些星像坐标进行识别，利用识别结果计算姿态，然后把计算的姿态通过RS422发送给上位机，上位机接收到姿态后实时保存，并且实时计算接收到的姿态与真实姿态的差(即姿态误差)，接收到一定数量的姿态后(比如接收到大约1850秒的数据帧)，采用MATLAB显示姿态误差曲线(如错误！未找到引用源。)，并计算三轴姿态精度。经计算，三轴姿态误差分别为：偏航角1.6125″(3σ)，俯仰角1.0704″(3σ)，滚动角5.8518″(3σ)。

第三组实验方法如下：成像探头模块(1)、成像探头模块(2)、CPU数据处理模块和电源模块工作(如错误！未找到引用源。)，并且成像探头模块(1)和成像探头模块(2)之间的光轴指向垂直，成像探头模块(1)和成像探头模块(2)随机对准天空某天区，并且与地球保持相对静止，CPU数据处理模块定期地成像探头模块(1)和向成像探头模块(2)发送星像坐标请求，CPU数据处理模块接收到成像探头模块(1)和成像探头模块(2)发送的星像坐标数据后，对这些星像坐标进行识别，利用识别结果分别计算姿态成像探头模块(1)和成像探头模块(2)的光轴指向，然后采用双矢量定姿的方法计算双探头星敏感器的输出姿态，把双探头星敏感器的通过RS422发送给上位机，上位机接收到姿态后实时保存，并且实时计算接收到的双探头星敏感器的与真实姿态的差(即姿态误差)，接收到一定数量的姿态后(比如接收到大约2000秒的数据帧)，采用MATLAB显示姿态误差曲线(如错误！未找到引用源。)，并计算三轴姿态精度。经计算，三轴姿态误差分别为：偏航角0.7529″(3σ)，俯仰角0.8895″(3σ)，滚动角0.7834″(3σ)。

根据星敏感器工作原理，单探头星敏感器的滚动角的精度比偏航角和俯仰角的精度差，由于错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。只有一个成像探头模块上电的测试结果，因此，滚动角的误差比航角和俯仰角的误差大，大约是5倍关系，而采用双探头星敏感器，不直接两个探头输出的滚动角，而是采用两个探头的偏航角和俯仰角进行信息融合，从而弥补单探头星敏感器滚动角精度差的缺点，从错误！未找到引用源。可以看出，双探头星敏感器的输出三轴姿态都满足1″的姿态误差。

采用该双探头星敏感器的具体过程如下(如错误！未找到引用源。)：

1：数据处理模块分别向两个成像探头模块发送坐标请求；

2：两个成像探头模块返回带有时间信息的星像坐标数据；

3：数据处理模块接收两个成像探头模块返回的星像坐标数据；

4：数据处理模块对成像探头模块1的星像坐标数据进行识别；

5：数据处理模块对成像探头模块1的识别结果计算姿态，并计成像探头模块1的光轴指向S1；

6：数据处理模块对成像探头模块2的星像坐标数据进行识别；

7：数据处理模块对成像探头模块2的识别结果计算姿态，并计成像探头2的光轴指向；

8：数据处理模块获取成像探头模块1的光轴指向S₁和成像探头模块2的光轴指向S₂；

9：成像探头模块1的时间t₁和成像探头模块2的时间t₂；

10：如果t₁＜t₂，计算Δt₂＝t₂-t₁；

11：利用Δt₂和S₁，计算成像探头模块1在t₂时刻的光轴指向S′₁；

12：利用S′₁、S₂和双矢量定姿的算法，计算双探头星敏感器在t₂时刻的姿态四元数Q；

13：输出时间t₂和姿态四元数Q；

14：如果t₁＝t₂，利用S₁、S₂和双矢量定姿的算法，计算双探头星敏感器在t₁时刻的姿态四元数Q；

15：如果t₁＞t₂，计算

16：利用和S₂，计算成像探头模块2在t₁时刻的光轴指向S′₂；

17：利用S₁、S′₂和双矢量定姿的算法，计算双探头星敏感器在t₁时刻的姿态四元数Q；

18：输出时间t₁和姿态四元数Q。

实施例4：结合图1，传统双视场星敏感器的方式为采用多个光学系统将不同视场的目标成像到同一个图像传感器上，这种双视场星敏感器的特点是采用两个视场角尺寸相同的视场，两个视场的视轴指向不同的天区，从而提高恒星的探测能力和滚转角姿态的测量精度。这种两视场星敏感器可以提高图像传感器的利用率，节省图像传感器的成本和功耗。但采用光线折射的光学系统复杂，两视场星图成像到同一片图像传感器上不但会造成星点测量精度下降，还带来复杂的视场识别和星图识别等软件算法处理过程，这些处理会降低系统的处理速度，导致测量精度的下降。本发明提出双视场星敏感器的另一种实现方式，采用两个独立的探头，即两片图像传感器和两个光学镜头，这样两个探头成像天球中不同区域，不同目标。这样用于星像坐标提取和星图识别的软件处理算法简单，具有更高的处理速度，然后采用信息融合技术来提高星敏感器滚动角的精度和可靠性。

Claims (2)

1.一种双探头星敏感器，它是由两个成像探头模块、一个CPU数据处理模块和一个电源转换模块组成的，其特征在于：两个成像探头模块分别与CPU数据处理模块相连，接口采用LVDS，两个成像探头模块之间相互独立，两个成像探头模块传送给CPU数据处理板不是整幅图像，而是图像中的星像坐标，并把当前探头曝光时的时刻发送给CPU数据处理模块，两个成像探头模块与CPU数据处理模块除了存在数据信号连接以外，还分别与CPU数据处理模块之间连接一个I/O信号，CPU数据处理模块除了处理数据以外，还在I/O上产生秒脉冲，通过两个LVDS接口周期地给两个成像探头模块校时，在两个校时周期内，两个成像探头模块分别自主守时，电源转换模块把输入的28V电压转换到两个成像探头模块和CPU数据处理模块所需要的5V电压。

2.一种双探头星敏感器的设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：电源转换模块的设计

电源板包括电源转换模块和输出接口，电源转换模块把输入的28V电压转换到两个成像探头模块、CPU数据处理板所需要的5V电压；

步骤二：探头模块的设计

两个探头模块的功能是一样的，因此可以设计完全一样的模块，每个探头模块分别包含了三个部分，分别是光学镜头部分、图像传感器部分和FPGA板部分，光学镜头部分：光学镜头按照任务的需求，选择现成的镜头，

根据任务的需要，光学镜头的视场是：14°×14°，

图像传感器部分：选择CMOS作为探头模块的图像传感器，根据任务的需要，双探头星敏感器的精度要优于1角秒，探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz；

①双探头星敏感器的精度的计算

从SKY2000星表中可以查出，全天球量于6等星的星数为4524颗，利用

$N_{\mathrm{CFOV}}=\frac{N\left(M_v\right)}{2}(1-\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Fov}}}{2})---\left(1\right)$

其中N(M_v)为恒星总数，θ_FOV为视场大小

计算出视场内平均恒星数为16.86颗，利用精度计算公式

$E_c=\frac{A\·E_{\mathrm{centroid}}}{N_{\mathrm{pixel}}\·\sqrt{N_{\mathrm{star}}}}---\left(2\right)$

其中A为星敏感器视场，E_centroid为质心算法提取精度，选取0.1，N_pixel是图像传感器像平面大小，N_star是视场内恒星数量；

图像传感器的面阵是标准配置，有1024×1024，2048×2048，因此，如果选择的图像传感器面阵越大，处理图像的时间越长，考虑到数据处理时间选择图像传感器的面阵大小为1024×1024，利用公式(2)能够计算星敏感器每个探头的精度为1.20角秒，而双探头星敏感器的精度能在单探头星敏感器的精度上提高

倍，因此双探头星敏感器的精度是0.85角秒，满足精度要优于1角秒的要求；

②探测星等和数据更新率的计算

星敏感器接收的恒星功率密度为H_cm，有下式：

H_cm＝(H·η·S)/S₁)                                (3)

式中：H-恒星功率密度；η-光学系统透过率；S-光学系统通光面积；S₁-星像点面积；

探测元件能正常工作的最小功率密度H_cm由下式算得：

H_m＝E_s/(DR·T_m)                                    (4)

式中：E_s-探测元件的饱和曝光量；DR-探测元件的可用动态范围；T_m-最大积分时间

故探测元件敏感到恒星的必要条件为H_cm≥H_m，故有：

D≥[E_s·d²/(DR·H·T_m·η)]^1/2                     (5)

即

$H\≥\frac{E_s\·d^2}{D^2\·\mathrm{DR}\·T_m\·\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

现在所选用的CMOS芯片的参数为：E_s＝2.29e-7W/m²，动态范围DR＝1000，像元大小为5.5μm×5.5μm，6等星的功率密度为2.36×10^-11W/m²，根据这些参数计算，计算在曝光时间200毫秒的功率密度为2.29×10^-11W/m²，因此，在曝光时间200毫秒时能够探测到6等星，满足探测最暗的恒星为6等星，数据更新率为5Hz的要求；

FPGA板部分：FPGA板部分包括FPGA芯片和图像存储器芯片，图像传感器部分选择的图像传感器面阵是1024×1024，因此在FPGA板部分选择的图像存储器大小为1Mbyte；

步骤三：CPU数据处理模块的设计

CPU数据处理模块是以CPU为中心的模块，包括SRAM、FLASH和计算机通信接口，其中SRAM用于运行算法，运行的算法包括全天球识别算法、星跟踪算法、姿态计算算法以及双探头姿态确定算法，SRAM器件的存储器大小是1Mbyte，FLASH用于完成系统断电后保存算法，而算法大小为134byte，FLASH器件的存储器大小是256K，数据处理模块通过计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共18个字节，其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，3个字节数据状态字，1个字节校验，计算机通信接口为RS422。

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