CN103591963A - 一种微型化星敏感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型化星敏感器，包括：图像传感器，光学系统和数字信号处理电路；所述的图像传感器为APS图像传感器；所述数字信号处理电路包括图像采集控制器、星图缓冲存储器和处理器；所述图像采集控制器是用于采集图像传感器输出的信号，然后暂存到星图缓冲存储器中；所述处理器是用于读取星图缓冲存储器中的数据，进行星图识别算法处理并最终解算出姿态信息。本发明还公开了微型化星敏感器实现方法，本发明通过对各器件的选型，实现了小体积，低功耗和大视场的要求，其是目前国内最小的星敏感器。

Description

一种微型化星敏感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量领域，涉及一种微型化星敏感器及其实现方法，为微小型卫星特别是皮纳卫星提供高精度的姿态敏感信息。

背景技术

姿态是描述运动物体运行轨迹和指向的重要参量，对于运行于太空中的航天飞行器，姿态参数的获取尤为重要。我们称获取姿态信息的设备为姿态测量系统或姿态敏感器，它是航天飞行器的重要组成部分，是建立航天飞行器姿态控制与稳定基准的仪器。工程上姿态敏感器的种类很多，依照所选择的参照系的不同可分为：太阳敏感器、恒星敏感器、惯性陀螺和地球敏感器等。

星敏感器是以恒星为参照物进行姿态测量的敏感器件，以光敏感元件为核心的光电转换测量系统。它通过观测天球上恒星的位置来确定飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态，为飞行器姿态控制系统提供准确的依据。由于恒星张角很小（最大恒星张角为0.05角秒，一般在毫角秒量级），并且恒星的影像是在真空中摄取的，恒星的赤经赤纬又是精确已知的，因而星敏感器是航天器绝对姿态测量精度最高的器件。对于姿态精度要求较高的飞行器，星敏感器已有着不可替代的作用。

随着小卫星特别是皮纳卫星的发展，其任务复杂度越来越高，对姿态控制的精度要求也越来越高。这就需要我们研制更小、更轻、更低功耗的微型星敏感器。

国外在微型星敏感器的研制方面已日渐成熟。如美国JPL研制的代号为MAST的微型星敏感器，其设计目标为研制一个精度7.5”（偏航与俯仰），超低功耗（70mW），超轻质量（42g）。该敏感器基于CMOS APS图像传感器技术，具有10位AD转换器，可同时对8个最小8°×8°窗口内的星目标进行跟踪，并且低噪声性极佳（≈5个电子）。2000年，比利时的IMEC成功研制内部集成了完整相机功能、支持各种通信协议的完整时序和控制逻辑电路，因此可以拍摄图像并与航天器直接通讯。ESA的小卫星姿态传感器概念验证项目（ASCoSS，Attitude Sensor Concepts for SmallSatellites）就采用了IRIS-2作为星敏感器的图像传感器，英国的Sira公司负责开发这种基于IRIS-2的星敏感器，ASCoSS的尺寸仅为62×53×53mm，星敏感器精度优于30”/5等星，视场为20°×20°，帧频10Hz，在相同光学条件下，该指标完全可与CCD相比拟。2011年，德国的柏林空间技术股份有限公司（Berlin Space Technologies GmbH,BST）为适应微小卫星的应用需求而专门研制了代号为ST-200的微型星敏感器，其重量为74g，峰值功耗为0.7W，精度为30”/100”，PCB制板为35mm×35mm。2012年，BST在ST-200的基础上又推出了性能更高，星图识别算法更优的ST-400，其精度小于10”。

国内在微型星敏感器的研制方面处于刚刚起步阶段。由清华大学研制的代号为AAST的微型星敏感器，探测器采用的是Fillfactory公司生产的CMOS APS STAR1000。其具体参数如下：镜头焦距为35mm，有效口径为23mm，精度为5”/30”，功耗小于等于5W，重量小于等于1000g。2008年由中科院光学精密机械研究所和佛山科学技术学院等研究机构共同设计的超小型星敏感器，其体积为φ80mm×φ60mm×110mm，功耗为2W左右，是目前调研到的国内最小的星敏感器。

从上述数据对比可以看出，目前国内已知的星敏感器大都存在着质量重、体积大、功耗高等缺点，而国外同类产品对我国出口限制，根本无法满足国内微小卫星特别是公斤量级皮纳卫星的发展和应用需求，这迫切需要我们提出新的可行的微型星敏感器设计方案，以满足星敏感器微型化、低功耗和大视场的要求，本发明就是针对这些需求而产生的。

20世纪70年代，CCD作为一种新型的光电探测器件迅速发展起来，CCD星敏感器研制技术已经相当成熟，已经成功的研制出CCD成像的星敏感器并且已运用在卫星上。但是随着卫星微小型化的发展趋势，基于CCD的星敏感器难以满足微小型化的要求，从而使它不能够很好满足微小卫星的定姿需求。而新一代APS图像传感器具有尺寸小、集成度高、噪声小和功耗低等特点，使得其更适用于微小卫星的发展，而逐渐取代了传统的CCD图像传感器。进入21世纪，技术的发展日新月异，更多新颖的设计理念和技术研究为空间光学系统的发展注入了新的活力，质量轻、体积小、视场大、相对口径小的镜头是许多研究机构在星敏感器的光学系统设计中所关注的方向之一。星敏感器在工作过程中需要对星图进行快速高效的处理，含有大量的星图识别算法，这就决定了我们要选择高性能的处理器。而随着信息技术的迅速发展，集成电路的集成度不断提高，工艺尺寸也越来越小，无疑对星敏感器的微型化带来了优势。

公开号为CN102128623A的专利文献公开了一种避免全天球搜索、减少识别时间、提高识别率的星敏感器快速星图识别方法。步骤包括：获得一幅完整星图的同时，利用陀螺组合系统获取当前星敏感器的粗姿态；星敏感器利用粗姿态从星表中搜索视场内所有恒星，计算视场内所有恒星在像平面内的可能位置；扫描以这些位置为中心的星图小区域，提取相应的观测星星像坐标；利用视场内所有恒星，对提取的观测星进行识别；把识别结果发送给姿态计算模块计算当前星敏感器的姿态。该专利文献利用传感器信息预测星敏感器视场内可能的恒星，从星图中提取观测星星像坐标时，只需要扫描星图中可能位置范围，避免扫描整个星图的过程；避免了全天球搜索，从而减少了识别时间，提高了识别率。

公开号为CN102252678A的专利文献公开了一种高动态高更新率星敏感器及其实现方法，包括：将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。采用该专利文献，能使星敏感器具有高动态、高姿态更新率的性能。

发明内容

本发明提供了一种能满足微型化、低功耗和大视场的要求的微型化星敏感器及其实现方法。

一种微型化星敏感器，包括：图像传感器，光学系统和数字信号处理电路；

所述的图像传感器为APS图像传感器；

所述数字信号处理电路包括图像采集控制器、星图缓冲存储器和处理器；

所述图像采集控制器是用于采集图像传感器输出的信号，然后暂存到星图缓冲存储器中；

所述处理器是用于读取星图缓冲存储器中的数据，进行星图识别算法处理并最终解算出姿态信息。

所述数字信号处理电路还包括用于扩展内存的SDRAM以及用来存储星表和加载程序代码的FLASH。SDRAM的设置是为了保证处理器读取的数据总是最新的，即SRAM用于实时数据的缓存，而SRAM原来存储的数据转移到SDRAM中。FLASH中主要是存储了处理器运行的程序代码和用于星图匹配的星表。

图像传感器的选择对于星敏感器非常重要，其是星敏感器的核心。由于传统的可见光CCD探测器体积和功耗都较大，无法满足微小型化的要求，而APS图像传感器体积小、质量轻、功耗低，非常适合小型化的需要。相对于CCD探测器，其还具有集成度高、抗干扰能力强和读出方式灵活的优势。并且，随着APS传感技术的发展，其探测能力已经可以和CCD探测器相媲美。国际上许多研究机构在研制微型星敏感器时，大都采用APS图像传感器，如上面提及的美国JPL研制的代号为MAST的微型星敏感器，英国的Sira公司研制的代号为ASCoSS的微型星敏感器，德国的柏林空间技术有限公司研制的代号为ST-200的微型星敏感器等。因此，本发明采用APS图像传感器。

由于图像传感器尺寸的大小影响着镜头的尺寸，一般来讲，镜头的尺寸要和图像传感器的尺寸相匹配，而镜头在很大方面影响着星敏感器整体的大小和质量，所以从微型化方面考虑，要关注图像传感器的尺寸这一参数，另外，还需考虑功耗等参数。由于星光信号是十分微弱的、在无穷远处的点光源，这就要求我们在进行图像传感器选择时，要关注其信噪比、填充因子、量子效率、像元尺寸、抗辐射能力等参数。考虑到星敏感器输出姿态实时性的问题，还需要考虑图像传感器的帧频这一参数。在经过多次反复比较，可行性分析之后，作为优选，所述APS图像传感器选用安森美公司生产的型号为NOII5SM1300A的APS图像传感器。APS图像传感器集成了模拟图像获取和AD转换等功能，无需复杂的驱动电路，具有重量轻、体积小、功耗低、填充因子大、量子效率高、抗辐照能力强等优点。尺寸大小为2/3”，正常工作模式下，功耗仅为175mW，帧频最高可达27.5fps，其最大分辨率为1024×1280，具有随机开窗的能力。且其提供了较为丰富的扩展功能，用户可通过16bits并行总线或SPI口对图像传感器的寄存器进行配置。

所述光学系统的镜头尺寸与所述图像传感器相匹配，该镜头的焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量为87g，体积为Φ33.5mm×38.2mm。

所述图像采集控制器为CPLD或FPGA。

所述星图缓冲存储器采用两片SRAM进行轮换存储图像数据，等待处理器读取并作进一步的处理。

所述星图缓冲存储器采用乒乓式缓存结构，即使用两块缓存进行轮换存储8bits的图像数据，切换控制机制在图像采集控制器内完成，将采集到的图像数据轮换存储到两片SRAM中供处理器读取数据进行图像处理。

所述处理器采用TMS320C6747，TMS320C6747是TI公司推出的TMS320C6000系列中的一款支持浮点运算的高速DSP芯片，它采用超长指令字(VLIW)体系结构，具有丰富的接口。并且TMS320C6747与其他TMS320C6000系列的DSP相比，具有较低的功耗，待机模式下功耗为62mW，工作模式下总功耗为470mW。总的来说，TMS320C6747具有功耗低、频率高、处理速度快的特点，非常适合用作本发明的核心处理器。

一种微型化星敏感器的实现方法，所述微型化星敏感器包括：图像传感器，光学系统和数字信号处理电路；所述的图像传感器为APS图像传感器；所述数字信号处理电路包括图像采集控制器、星图缓冲存储器和处理器；所述光学系统的镜头尺寸与所述图像传感器相匹配且参数如下：焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量仅为87g，体积仅为Φ33.5mm×38.2mm；所述实现方法为：

1）对所述微型化星敏感器进行可行性分析，具体步骤为：

a）将所述镜头的有效口径，透过率参数和图像传感器的噪声，波段宽度，填充因子，能量集中度，积分时间和量子效率参数，代入下式（1），求出星敏感器的可探测极限星等M_V，

$M_V\≤7.5-5\lg \frac{V_{\mathrm{th}}^2+\sqrt{V_{\mathrm{th}}^4+4V_{\mathrm{th}}^2(B+N_{\mathrm{sensor}}^2)}}{2\·A_l\·T_l\·\mathrm{\ΔB}\·K_{\mathrm{fill}}\·K\·T\·Q_E}---\left(1\right),$

其中V_th为满足一定探测率和虚警率的信噪比阈值，B为背景噪声，N_sensor为APS图像传感器噪声源引起的噪声，A_l为镜头有效通光口径面积，T_l为镜头透过率，ΔB为图像传感器波段宽度，K_fill为图像传感器填充因子，K为能量集中度，T为积分时间，Q_E为图像传感器的量子效率；

b）对于矩形视场，视场角为A₁×A₂时，圆形视场角

依据下式（2）计算视场内恒星的数目N_STAR，探测极限星等M_V与视场角之间存在如下关系：

$N_{\mathrm{STAR}}=6.57\×e^{1.08M_V}\×\frac{1-\cos \left(\frac{A_{\mathrm{cir}}}{2}\right)}{2}---\left(2\right);$

c）依据下式（3）计算探测到N颗恒星的概率为：

$P_N=1-{\mathrm{\Σ}}_{K=0}^{N-1}\frac{\exp (-N_{\mathrm{STAR}})\×N_{\mathrm{STAR}}^K}{K!}---\left(3\right);$

若P_N大于80%，则说明上述星敏感器可行。

探测概率由星敏感器的设计指标和星图识别算法的要求共同决定。本发明中探测到3颗星的概率要大于80%左右，即当N=3，若P_N大于80%，则说明上述星敏感器可行。

2）通过处理器对图像传感器进行寄存器的配置，然后处理器向图像采集控制器发出拍照指令，图像采集控制器控制图像传感器的数据采集，并存储到星图缓冲存储器中，并判断一帧图像是否采集完毕，若未采集完毕，图像采集控制器继续控制图像传感器的数据采集，并存储到星图缓冲存储器中；若采集完毕，向处理器发送图像数据采集完成信号；处理器通过其EMIFA口读取图像数据并进行星图匹配算法；

3）处理器进行星敏感器的姿态解算。

所述星图匹配算法包括：

第一步：星图阈值判断，采用的数学表达式为：

V_th＝E+α·δ    （4）；

式（4）中E是图像的平均灰度值，通过扫描整幅图像，求所有像元值f(x,y)的加和平均所得，设图像阵列大小为m×n，则其数学表达式如下：

$E=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^{n}f(x,y)}{\mathrm{mn}}---\left(5\right);$

式（4）中δ是图像灰度值的均方差，其数学表达式为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n{(f(x,y)-E)}^2}{\mathrm{mn}-1}}---\left(6\right);$

式（4）中α是一个与噪声有关的参数，一般取3-10；

第二步：星图二值化处理，即，将图像作一次遍历，进行二值化处理及单个有效像素点的滤除，其过程为：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y),& f(x,y)>V_{\mathrm{th}}\\ 0,& f(x,y)\≤V_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(7\right);$

第三步：目标星体识别，对星图进行从上至下，从左至右逐个扫描，并进行像素点灰度值的判断，若f(i，j)的像素点大于0，则先判断其上面的像素点f(i-1，j)是否有效，若无效，则再判断其左边的像素点f(i，j-1)。如果f(i-1，j)和f(i，j-1)均为无效像素点，则表示查找到了一颗新的恒星，恒星数目StarNum加1，用像素结构体记录下该像素点的位置信息和灰度值信息，用星结构体记录下该恒星所属的StarNum，有效像素点数目PxlNum加1；如果f(i-1，j)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中；如果f(i-1，j)无效，而f(i，j-1)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中;星结构体和像素结构体是关于恒星以及有效像素点相关信息的结构体数组，像素结构体是星结构体的变量之一；

第四步：星点质心提取，判断识别出的星体数，如果大于3，则进行以下操作，选取出识别出来的星体中最亮的3颗，分别提取质心（X_c,Y_c），算法过程如下式：

$\begin{array}{c}{X}_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{x*f^2(x,y)}{f^2(x,y)},\\ Y_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{y*f^2(x,y)}{f^2(x,y)}\end{array}---\left(8\right);$

第五步：星对角距的计算，设采集到的星图中任意两颗测量星m_i,m_j在像平面中的提取出来的质心坐标分别为（x_i,y_i）,（x_j,y_j），则这两颗星在星敏感器测量坐标系中对应的坐标可以表示为：

$\begin{array}{c}{m}_i=\frac{1}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_i\\ -y_i\\ f\end{array}\right],\\ m_j=\frac{1}{\sqrt{x_j^2+y_j^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_j\\ -y_j\\ f\end{array}\right]\end{array}---\left(9\right);$

其中f为镜头的焦距，按如下过程计算出星对m_i,m_i角距值：

$\cos \left(m_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{m_i\·m_j}{\left|m_i\right|\left|m_j\right|}---\left(10\right).$

星对角距是最精确的恒星识别特征。计算出来后要把角距值按从小到大的顺序进行排列。一般来讲，星表中存储的信息总是和你所使用的算法密切相关的。本发明星表中的信息按照以下形式进行存储：以一定天区范围内的任意3颗恒星组成的三角形为单位，将其角距按从小到大的顺序排序，再将所有的三角形以第一个角距值为基准进行从小到大的排序。这样在进行星图匹配时，查找采集到的星图中的最小角距时就可以按照二分法快速查找。

如果星图匹配成功，通过将查找得到的恒星按照定姿原理解算出姿态角，最后将姿态角信息输出到外部。

本发明星敏感器系统的工作原理为：通过光学镜头对全天球中小于4.5等星的恒星进行捕获，使其成像在图像传感器上。图像传感器在图像采集控制器的控制下输出10bits数字信号，以帧为单位，取高8bits数据分别不断输入至两片SRAM中进行缓存，切换机制在图像采集控制器中完成。当一帧图像采集完毕后，图像采集控制器会提供给处理器一个反馈信号，处理器通过轮询的方式接收到该信号后，经图像采集控制器从相应的SRAM中读取图像数据，并存储至SDRAM中。处理器再从SDRAM中读取图像数据进行星图匹配，如果匹配成功，则通过定姿原理进行星敏感器姿态解算，最后输出姿态角。

与现有技术相比，本发明具有的优点是：成功利用目前集成电路的先进工艺带来的绝对优势，采用高集成度、小尺寸、低功耗、高量子效率、高填充因子的APS图像传感器，小体积、小重量、大视场、小相对口径的光学系统，结合处理能力强、低功耗的处理器，成功研制了小体积、大视场、低功耗的微型星敏感器，经调研知，是目前国内最小的星敏感器。

附图说明

图1是本发明的机械尺寸图;

图2是本发明的星敏感器的系统组成框图;

图3是本发明中的星敏感器硬件设计框图；

图4是本发明的星敏感器数字信号处理电路框图;

图5是本发明的星敏感器软件设计流程图;

图6是本发明的星敏感器星图识别算法流程图;

图7是本发明中微型化星敏感器系统设计流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的机械尺寸如图1所示，其具体实现的指标为：

镜头视场：27.8°×20.8°；

镜头焦距D：35mm；

镜头有效口径：25mm；

探测极限星等：4.5；

星敏感器总体高度H：约50mm；

星敏感器长宽度L×B：约97mm×73mm；

测量精度：优于0.01°；

重量：150g；

功耗：工作时1.6W左右，工作电流4.6V，工作电流0.35A。

本发明的系统框图如图2所示，微型化星敏感器由光学系统，APS图像传感器和数字信号处理电路组成,其中APS图像传感器为CMOS图像传感器。其中，APS图像传感器选用安森美公司生产的型号为NOII5SM1300A的APS图像传感器。光学系统的镜头尺寸与所述图像传感器相匹配，该镜头的焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量为87g，体积为Φ33.5mm×38.2mm。各组成部分的特点是：1）光学系统的光学镜头具有小体积、小重量、小相对口径和大有效口径；2）APS图像传感器具有高集成度、低功耗和较强的探测能力；3）数字信号处理电路选用的也是小尺寸和低功耗系列。从而，从整体上实现了星敏感器的微型化设计。星敏感器的工作原理为：天球中的恒星经过光学镜头把图像投射到APS图像传感器的成像平面上，图像传感器对星图进行成像并转换为数字图像信号输出给后端数字信号处理电路，数字信号处理电路通过一定的算法处理星图，从而最终解算出星敏感器的姿态信息。

通过对图像传感器和光学镜头的相关参数进行理论分析，判断其是否能够满足我们对星敏感器系统的指标要求，若不能满足，则需要作出一定的更改。首先是系统探测灵敏度的评估，其数学模型为：

$M_V\≤7.5-5\lg \frac{V_{\mathrm{th}}^2+\sqrt{V_{\mathrm{th}}^4+4V_{\mathrm{th}}^2(B+N_{\mathrm{sensor}}^2)}}{2\·A_l\·T_l\·\mathrm{\ΔB}\·K_{\mathrm{fill}}\·K\·T\·Q_E}---\left(1\right);$

其中，M_V为可探测极限星等；V_th为满足一定探测率和虚警率的信噪比阈值，查手册知，当要求探测率大于99%，虚警率小于1%时,信噪比阈值V_th为5，当探测率大于99.9%，虚警率小于0.1%时，信噪比阈值V_th为8.1；B为背景噪声，相当于10等星所辐射的能量在APS图像传感器上产生的电子数；N_sensor为APS图像传感器噪声源引起的噪声；A_l为镜头有效通光口径面积，决定于有效通光口径大小；T_l为镜头透过率，一般为0.6-0.8，本文取0.7；ΔB为图像传感器波段宽度；K_fill为图像传感器填充因子；K为能量集中度，一般取值在20%-40%之间；T为积分时间，本发明取0.1s；Q_E为图像传感器的量子效率。在作可行性分析时，本发明均采用合理取值范围中的中间值或保守估计值。将图像传感器NOII5SM1300A和镜头的参数分别代入公式（1）之后，计算得出其探测极限星等为4.5等星。

对于矩形视场，视场角为A₁×A₂时，圆形视场角

视场内恒星的数目N_STAR，探测极限星等与视场角之间存在如下关系：

$N_{\mathrm{STAR}}=6.57\×e^{1.08M_V}\×\frac{1-\cos \left(\frac{A_{\mathrm{cir}}}{2}\right)}{2}---\left(2\right);$

按已选定的镜头，将视场角和探测极限星等代入公式（2），计算得N_STAR为19.36颗。

星敏感器探测能力体现在可探测极限星等和探测概率两方面，可探测极限星等和视场确定后，探测到N颗恒星的概率为：

$P_N=1-{\mathrm{\Σ}}_{K=0}^{N-1}\frac{\exp (-N_{\mathrm{STAR}})\×N_{\mathrm{STAR}}^K}{K!}---\left(3\right);$

如果后续星图识别算法采用三角形星图识别算法，则必须要保证视场内大于极限星等的恒星数目要大于等于3颗，因此，我们将要计算极限星等为4.5时，P₃的概率大小。将上述得出来的值代入公式（3），计算得出P₃约为100%，这表明几乎所有的探测视场内均可满足恒星数目大于等于3，从而，从理论上证明了本发明是合理可行的。

本发明的硬件设计框图如图3所示，处理器（DSP）完成系统的初始化后，通过16位并行总线完成对图像传感器寄存器的配置，接着对图像采集控制器（CPLD）发出一条开始拍照指令，CPLD接收该指令后，将负责图像传感器曝光时序的控制、图像的采集等。APS图像传感器输出的直接是数字信号，无需进行AD转换。本发明中采用乒乓式缓存结构，即使用两块缓存进行轮换存储8bits的图像数据，切换控制机制在CPLD内完成，将采集到的图像数据轮换存储到两片SRAM中供DSP读取数据进行图像处理。接下来，DSP通过EMIFA口经CPLD从SRAM中读取图像数据保存至SDRAM中，最后执行星图识别匹配算法。FLASH主要用于存储星表、DSP加载时保存代码。

数字信号处理电路主要是对图像传感器输出的数字信号进行处理，并通过星图识别算法计算出星敏感器的姿态信息。数字信号处理电路的组成如图4所示，主要由图像采集控制器、星图缓冲存储器、处理器、用于星表存储和代码加载时的存储器、内存扩展存储器组成。星敏感器软件设计流程如图5所示。本发明中采用DSP作为核心处理器，采用CPLD作为图像采集控制器，采用两片SRAM作为星图缓冲存储器，分别为星图缓冲存储器1和星图缓冲存储器2，采用SDRAM来扩展内存，采用FLASH来存储星表和上电时程序代码的加载。CPLD的时钟频率为60MHz，将其二分频后30MHz提供给图像传感器，作为图像传感器的工作时钟和ADC时钟。系统初始化之后，DSP通过16位并行总线完成对图像传感器寄存器的配置。图像传感器NOII5SM1300A共有16个寄存器，用户可使用的为12个，每个寄存器有16-bit，其中高4-bit为地址位，低12位为对应寄存器的值。通过这12个寄存器，用户可以控制获取图片的快门方式、积分时间、开窗的大小等。在DSP完成图像传感器寄存器配置后，给CPLD一个应答信号，表示CPLD此时可以开始控制图像传感器进行曝光了。此时，图像传感器开始计时，当达到寄存器中预设定的曝光值时，将会产生反馈信号，CPLD接收到该信号后，将发出曝光终止信号，此时，曝光控制结束。曝光结束并经过一定的延时后，图像传感器处于readable状态，接下来将是CPLD对图像数据采集的时序控制。CPLD每提供给图像传感器一个行同步Y_CLK脉冲，图像传感器将会产生一个PXL_VALID有效信号，经过7个系统时钟后，在每个ADC时钟的上升沿，输出一个10bits像素数据，此时，取高8bits像素数据并将其写入到SRAM相应的地址内。由于图像传感器无行结束信号，故在CPLD内部开一个寄存器变量count_pxls，用以记录采集到的像素数。当count_pxls累加至我们预定的数值时，将停止采集，继而发出Y_CLK信号，并等待下一个PXL_VALID信号，进行同样的操作。当最后一行图像数据输出完毕后，图像传感器将会反馈给CPLD一个LAST_LINE信号，表明一帧图像采集完毕。CPLD在采集数字图像信号时，主要是根据NOII5SM1300A提供的同步信号，并采用轮换存储的方式，以帧为单位，分别缓存至两片SRAM中。两片SRAM充当CPLD和DSP之间的桥梁，主要是缓存NOII5SM1300A输出的图像数据。等待一帧图像采集完毕之后，向DSP发送一个响应信号，DSP通过轮询的方式接收到该信号之后，便会通过EMIFA口经CPLD从SRAM中读取图像数据，在CPLD中开一个8bits的缓冲寄存器，将SRAM中的一个像素数据存储至CPLD的缓冲器中，等待DSP通过EMIFA口读取缓冲器中的值，读取后，CPLD再从SRAM中读取下一个像素数据暂存到缓冲器中，直至读完。EMIFA共有8根数据线，15根地址线（在DSP初始化时，将EMIFA口的BA0及BA1配置为地址线的低两位A0，A1，其12根地址线则为A2-A14）。而由于SRAM共有21根地址线，就在CPLD中开一个6bits寄存器ema_extd_addr[5:0]作为EMIFA的地址扩展线。每当EMIFA口地址线A[14:0]为11111111111111时，ema_extd_addr[5:0]就进行逐1累加，将读取的图像数据放至在SDRAM中以进行处理。为了保证DSP读取的图像数据总是最新的，在设计时，DSP在进行图像处理和星图识别算法之前，先将SRAM中的数据存储到SDRAM中，SRAM仅用于实时数据的缓存。FLASH中主要是存储了DSP运行的程序代码和用于星图匹配的星表。

当DSP读取完SRAM中的图像数据后，DSP就开始进行星图识别算法处理，该过程的具体流程如图6所示。启动DSP，开始确定星图阈值，进行图像二值化处理，然后进行目标星体识别，若视场内恒星数目不大于3，则说明识别失败，继续对视场内恒星数据进行识别，判断；若视场内恒星数目大于3，则找出视场内最亮的3颗星S1，S2，S3，并对其进行质心提取，分别求得三颗星的质心（Xc，Yc），接着进行三角形匹配，若唯一匹配，则说明星图识别成功，接着并可以进行姿态解算；若不是唯一匹配，说明星图识别失败，则继续对图像采集控制器发出拍照指令获取星图，重复如图5所示的操作。DSP中对图像数据的处理主要包括以下算法：星图阈值的确定，星图二值化处理，目标星体识别，星点质心提取，星对角距的计算以及三角形星图匹配算法等。DSP完成星图识别算法之后，再根据星敏感器的定姿原理进行姿态解算，最后将姿态角信息输出到外部。

本发明通过多方调研，对部分算法进行优化处理，给出了一套独特的星敏感器星图识别算法。本发明中关键算法的具体实施步骤如下：

第一步：星图阈值判断。为了将星点目标和背景分离，需要对星图进行二值化处理，这就要求我们首先确定整幅星图的阈值。本发明采用自适应阈值法，其数学表达式为：

V_th＝E+α·δ    （4）；

式（4）中E是图像的平均灰度值，通过扫描整幅图像，求所有像元值f(x,y)的加和平均所得，设图像阵列大小为m×n，则其数学表达式如下：

$E=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^{n}f(x,y)}{\mathrm{mn}}---\left(5\right);$

式（4）中δ是图像灰度值的均方差，其数学表达式为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n{(f(x,y)-E)}^2}{\mathrm{mn}-1}}---\left(6\right).$

式（4）中α是一个与噪声有关的参数，是一个固定值，一般取3-10。此值越大，对背景的抑制也就越大，对于星图处理来讲，也就能选择更亮的恒星；

第二步：星图二值化处理。实际星图中含有大量的噪声，这些噪声主要来自天空中的杂散光以及图像传感器自身的电噪声。为了尽可能去除这部分噪声，需要对采集到的星图进行阈值分割。我们称大于阈值V_th的像素点为有效像素点。并且，用于星点提取的有效像素数必须要大于两个，在此过程中我们同时也需要滤除单个有效像素点噪点。即，将图像作一次遍历，进行二值化处理及单个有效像素点的滤除。其过程为：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y),& f(x,y)>V_{\mathrm{th}}\\ 0,& f(x,y)\≤V_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(7\right).$

第三步：目标星体识别。星体目标的识别过程为从二值化处理之后的星图中通过有效像素点的位置信息判别出该像素点属于哪个星体。本发明采用改进的“四连通域法”，仅需一次扫描，就可提取出所需要的所有信息。为了满足恒星质心的提取和目标星体识别过程的要求，在此过程中，定义了两个关于恒星以及有效像素点相关信息的结构体数组：星结构体和像素结构体，并且，像素结构体是星结构体的变量之一。记录下恒星的以下信息：恒星数目，每颗恒星的有效像素点数，各有效像素点的行列坐标，灰度值，所属星体。具体的实施过程如下：

对星图进行从上至下，从左至右逐个扫描，并进行像素点灰度值的判断，若f(i，j)的像素点大于0，则先判断其上面的像素点f(i-1，j)是否有效，若无效，则再判断其左边的像素点f(i，j-1)。如果f(i-1，j)和f(i，j-1)均为无效像素点，则表示查找到了一颗新的恒星，恒星数目StarNum加1，用像素结构体记录下该像素点的位置信息和灰度值信息，用星结构体记录下该恒星所属的StarNum，有效像素点数目PxlNum加1；如果f(i-1，j)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中；如果f(i-1，j)无效，而f(i，j-1)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中。

第四步：星点质心提取。判断识别出的星体数，如果大于3，则进行以下操作。选取出识别出来的星体中最亮的3颗，分别提取质心（X_c,Y_c）。就算法自身来讲这一过程一般均较为简单，仅是计算，但对于星敏感器而言这一步却是至关重要的，质心提取精度的高低直接影响星敏感器精度的高低。常用的质心提取算法包括一般质心提取法，带阈值的质心法，平方加权质心法和高斯曲面拟合法。在设计时，本发明选用的是算法相对简单，提取精度又较高的平方加权质心法。

算法过程如下式：

$\begin{array}{c}{X}_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{x*f^2(x,y)}{f^2(x,y)},\\ Y_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{y*f^2(x,y)}{f^2(x,y)}\end{array}---\left(8\right).$

第五步：星对角距的计算。设采集到的星图中任意两颗测量星m_i,m_j在像平面中的提取出来的质心坐标分别为（x_i,y_i）,（x_j,y_j）。则这两颗星在星敏感器测量坐标系中对应的坐标可以表示为：

$\begin{array}{c}{m}_i=\frac{1}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_i\\ -y_i\\ f\end{array}\right],\\ m_j=\frac{1}{\sqrt{x_j^2+y_j^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_j\\ -y_j\\ f\end{array}\right]\end{array}---\left(9\right);$

其中f为镜头的焦距。按如下过程计算出星对m_i,m_j角距值：

$\cos \left(m_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{m_i\·m_j}{\left|m_i\right|\left|m_j\right|}---\left(10\right).$

星对角距是最精确的恒星识别特征。计算出来后要把角距值按从小到大的顺序进行排列。一般来讲，星表中存储的信息总是和你所使用的算法密切相关的。本发明星表中的信息按照以下形式进行存储：以一定天区范围内的任意3颗恒星组成的三角形为单位，将其角距按从小到大的顺序排序，再将所有的三角形以第一个角距值为基准进行从小到大的排序。这样在进行星图匹配时，查找采集到的星图中的最小角距时就可以按照二分法快速查找。

第六步：解算姿态角。如果星图匹配成功，通过将查找得到的恒星按照定姿原理解算出姿态角，最后将姿态角信息输出到外部。

本发明星敏感器系统的工作原理为：通过光学镜头对全天球中小于4.5等星的恒星进行捕获，使其成像在CMOS图像传感器NOII5SM1300A上。图像传感器在CPLD的控制下输出10bits数字信号，以帧为单位，取高8bits数据分别不断输入至两片SRAM中进行缓存，切换机制在CPLD中完成。当一帧图像采集完毕后，CPLD会提供给DSP一个反馈信号，DSP通过轮询的方式接收到该信号后，会通过EMIFA口经CPLD从相应的SRAM中读取图像数据，并存储至SDRAM中。DSP再从SDRAM中读取图像数据进行星图匹配，如果匹配成功，则通过定姿原理进行星敏感器姿态解算，最后输出姿态角。

整个微型星敏感器设计的详细流程如图7所示，具体实施步骤如下：

第一步：关键器件图像传感器的参数分析和图像传感器的选择。相比于CCD探测器，APS图像传感器体积小、质量轻、功耗低，非常适合小型化的需要，所以我们选择APS图像传感器。由于星光信号十分微弱，这就对APS图像传感器的探测灵敏度、信噪比、填充因子、量子效率、像元尺寸等参数提出了较高的要求；同时，又因为我们设计的是微型化的星敏感器，这就需要我们考虑APS图像传感器的尺寸大小和功耗高低；再者，为了满足星敏感器实时性的要求，我们还需要考虑APS图像传感器的帧频这一参数。通过对比，本发明最终选定了由安森美公司生产的高探测能力、小尺寸、低功耗、大帧频的图像传感器NOII5SM1300A。

第二步：光学系统的选择。光学系统的光学镜头的尺寸最好要与图像传感器相匹配。另外，为满足微型化的要求，所选的镜头最好要有体积小、重量轻、视场大和相对口径小的特点，本发明最终选定的是日本computar公司生产的型号为M3514-MP的镜头。该镜头的焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量为87g，体积为Φ33.5mm×38.2mm。

第三步：微型星敏感器关键技术指标的可行性分析。为了保证可靠性，在进行微型星敏感器器件选型时，要同时进行关键技术指标的可行性分析，通过理论研究来支持实际设计，并判断是否可以满足我们的要求。将图像传感器和光学系统的参数代入式（1），求出系统的可探测极限星等M_V。将星敏感器视场和可探测极限星等M_V代入式（2），即可得到视场内的恒星数N_STAR。再根据式（3）计算出探测到N颗恒星的概率。通过这些计算结果，我们可以判断出设计是否可行，是否能够满足我们的要求。

第四步：数据处理电路的设计。浮点型DSP芯片TMS320C6747是TI公司推出的TMS320C6000系列中的一款支持浮点运算的高速DSP芯片，这对于星图识别算法是非常有利的。它采用超长指令字(VLIW)体系结构，具有丰富的接口。并且TMS320C6747与其他TMS320C6000系列的DSP相比，具有较低的功耗。总的来说，TMS320C6747具有功耗低、频率高、处理速度快的特点，故本发明将其作为微型星敏感器的核心处理器。本发明使用功耗较低、体积较小的CPLD采集图像，并为图像传感器提供的工作时钟信号。DSP完成系统的初始化后，通过16位并行总线完成对图像传感器寄存器的配置，接着对CPLD发出一条开始拍照指令，CPLD接收该指令后，将负责图像传感器曝光时序的控制、图像的采集等，并将采集到的图像数据存储到SRAM中；存储器SRAM1和SRAM2用来存储8bits数字图像并供DSP读取数据进行图像处理。两组存储器轮换存储，切换控制机制在CPLD内完成；DSP通过EMIFA口经CPLD从SRAM中读取图像数据保存至SDRAM中，最后执行星图识别匹配算法。FLASH主要用于存储星表、DSP加载时保存代码。

第五步：DSP对图像传感器NOII5SM1300A的寄存器进行配置。系统初始化之后，DSP通过16位并行总线完成对图像传感器寄存器的配置。图像传感器NOII5SM1300A共有16个寄存器，用户可使用的为12个，每个寄存器有16-bit，其中高4-bit为地址位，低12位为对应寄存器的值。通过这12个寄存器，用户可以控制获取图片的快门方式、积分时间、开窗的大小等。

第六步：CPLD控制星图的采集。图像传感器寄存器配置完成后，DSP会给CPLD一个应答信号，通知CPLD进行星图的采集。CPLD先对图像传感器进行曝光时序的控制，当曝光时间达到寄存器中设定的值时，曝光结束。经过一定的延时之后，图像传感器处于readable状态。此时，CPLD每发送给图像传感器一个行同步脉冲Y_CLK，图像传感器就反馈给CPLD一个像素有效信号PXL_VALID，CPLD就逐个进行像素数据的采集,并将采集到的8bits图像数据存储至SRAM中；一行像素采集完毕后，CPLD将再次发送给图像传感器一个行同步脉冲Y_CLK，继续下一行图像数据的采集和存储；周而复始，直至CPLD接收到图像传感器的帧采集完毕反馈信号LAST_LINE。

第七步：DSP读取图像数据。一帧图像采集完毕后，CPLD将会给DSP一个反馈信号，DSP通过轮询的方式查询到该信号之后，将通过EMIFA口经CPLD从SRAM中读取图像数据并存储到SDRAM中，以方便后续星图识别算法的处理。EMIFA共有8根数据线，15根地址线。由于SRAM共有21根地址线，就在CPLD中开一个6bits寄存器ema_extd_addr[5:0]作为EMIFA的地址扩展线。每当EMIFA口地址线A[14:0]为11111111111111时，ema_extd_addr[5:0]就进行逐1累加。

第八步：DSP进行星图识别算法，与FLASH中存储的星表信息进行匹配，查找出星图中的恒星。本发明中涉及的算法主要有：星图阈值的确定，星图二值化处理，目标星体识别，星点质心提取，星对角距的计算以及三角形星图匹配等。具体算法如上所述。

第九步：DSP进行微型星敏感器的姿态解算。根据查找出的恒星，按照定姿原理，求出微型星敏感器的俯仰角、横滚角和偏航角。

Claims (9)

1.一种微型化星敏感器，包括：图像传感器，光学系统和数字信号处理电路；其特征在于，

所述的图像传感器为APS图像传感器；

所述数字信号处理电路包括图像采集控制器、星图缓冲存储器和处理器；

所述图像采集控制器是用于采集图像传感器输出的信号，然后暂存到星图缓冲存储器中；

所述处理器是用于读取星图缓冲存储器中的数据，进行星图识别算法处理并最终解算出姿态信息。

2.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述APS图像传感器选用安森美公司生产的型号为NOII5SM1300A的APS图像传感器。

3.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述光学系统的镜头尺寸与所述图像传感器相匹配，该镜头的焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量为87g，体积为Φ33.5mm×38.2mm。

4.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述图像采集控制器为CPLD或FPGA。

5.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述星图缓冲存储器采用两片SRAM进行轮换存储图像数据。

6.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述处理器采用TMS320C6747。

7.如权利要求1所述的微型化星敏感器，其特征在于，所述数字信号处理电路还包括用于扩展内存的SDRAM以及用来存储星表和加载程序代码的FLASH。

8.一种微型化星敏感器的实现方法，其特征在于，所述微型化星敏感器包括：图像传感器，光学系统和数字信号处理电路；所述的图像传感器为APS图像传感器；所述数字信号处理电路包括图像采集控制器、星图缓冲存储器和处理器；所述光学系统的镜头尺寸与所述图像传感器相匹配且参数如下：焦距为35mm，有效口径为25mm，相对口径为1.4，视场大小为20.8°×27.8°，重量仅为87g，体积仅为Φ33.5mm×38.2mm；所述实现方法为：

1）对所述微型化星敏感器进行可行性分析，具体步骤为：

a）将所述镜头的有效口径，透过率参数和图像传感器的噪声，波段宽度，填充因子，能量集中度，积分时间和量子效率参数，代入下式（1），求出星敏感器的可探测极限星等M_V，

$M_V\≤7.5-5\lg \frac{V_{\mathrm{th}}^2+\sqrt{V_{\mathrm{th}}^4+4V_{\mathrm{th}}^2(B+N_{\mathrm{sensor}}^2)}}{2\·A_l\·T_l\·\mathrm{\ΔB}\·K_{\mathrm{fill}}\·K\·T\·Q_E}---\left(1\right),$

其中V_th为满足一定探测率和虚警率的信噪比阈值，B为背景噪声，N_sensor为APS图像传感器噪声源引起的噪声，A_l为镜头有效通光口径面积，T_l为镜头透过率，ΔB为图像传感器波段宽度，K_fill为图像传感器填充因子，K为能量集中度，T为积分时间，Q_E为图像传感器的量子效率；

b）对于矩形视场，视场角为A₁×A₂时，圆形视场角

依据下式（2）计算视场内恒星的数目N_STAR，探测极限星等M_V与视场角之间存在如下关系：

$N_{\mathrm{STAR}}=6.57\×e^{1.08M_V}\×\frac{1-\cos \left(\frac{A_{\mathrm{cir}}}{2}\right)}{2}---\left(2\right);$

c）依据下式（3）计算探测到N颗恒星的概率为：

$P_N=1-{\mathrm{\Σ}}_{K=0}^{N-1}\frac{\exp (-N_{\mathrm{STAR}})\×N_{\mathrm{STAR}}^K}{K!}---\left(3\right);$

若P_N大于80%，则说明上述星敏感器可行；

2）通过处理器对图像传感器进行寄存器的配置，然后处理器向图像采集控制器发出拍照指令，图像采集控制器控制图像传感器的数据采集，并存储到星图缓冲存储器中，并判断一帧图像是否采集完毕，若未采集完毕，图像采集控制器继续控制图像传感器的数据采集，并存储到星图缓冲存储器中；若采集完毕，向处理器发送图像数据采集完成信号；处理器通过其EMIFA口读取图像数据并进行星图匹配算法；

3）处理器进行星敏感器的姿态解算。

9.如权利要求8所述的微型化星敏感器的实现方法，其特征在于，所述星图匹配算法包括：

第一步：星图阈值判断，采用的数学表达式为：

V_th＝E+α·δ     （4）；

式（4）中E是图像的平均灰度值，通过扫描整幅图像，求所有像元值f(x,y)的加和平均所得，设图像阵列大小为m×n，则其数学表达式如下：

$E=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^{n}f(x,y)}{\mathrm{mn}}---\left(5\right);$

式（4）中δ是图像灰度值的均方差，其数学表达式为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n{(f(x,y)-E)}^2}{\mathrm{mn}-1}}---\left(6\right);$

式（4）中α是一个与噪声有关的参数，一般取3-10；

第二步：星图二值化处理，即，将图像作一次遍历，进行二值化处理及单个有效像素点的滤除，其过程为：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}f(x,y),& f(x,y)>V_{\mathrm{th}}\\ 0,& f(x,y)\≤V_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(7\right);$

第三步：目标星体识别，对星图进行从上至下，从左至右逐个扫描，并进行像素点灰度值的判断，若f(i，j)的像素点大于0，则先判断其上面的像素点f(i-1，j)是否有效，若无效，则再判断其左边的像素点f(i，j-1)。如果f(i-1，j)和f(i，j-1)均为无效像素点，则表示查找到了一颗新的恒星，恒星数目StarNum加1，用像素结构体记录下该像素点的位置信息和灰度值信息，用星结构体记录下该恒星所属的StarNum，有效像素点数目PxlNum加1；如果f(i-1，j)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中；如果f(i-1，j)无效，而f(i，j-1)为有效像素点，则将该像素点的上述信息加到f(i-1，j)对应的星结构体中;星结构体和像素结构体是关于恒星以及有效像素点相关信息的结构体数组，像素结构体是星结构体的变量之一；

第四步：星点质心提取，判断识别出的星体数，如果大于3，则进行以下操作，选取出识别出来的星体中最亮的3颗，分别提取质心（X_c,Y_c），算法过程如下式：

$\begin{array}{c}{X}_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{x*f^2(x,y)}{f^2(x,y)},\\ Y_C={\mathrm{\Σ}}_{x=1}^m{\mathrm{\Σ}}_{y=1}^n\frac{y*f^2(x,y)}{f^2(x,y)}\end{array}---\left(8\right);$

第五步：星对角距的计算，设采集到的星图中任意两颗测量星m_i,m_j在像平面中的提取出来的质心坐标分别为（x_i,y_i）,（x_j,y_j），则这两颗星在星敏感器测量坐标系中对应的坐标可以表示为：

$\begin{array}{c}{m}_i=\frac{1}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_i\\ -y_i\\ f\end{array}\right],\\ m_j=\frac{1}{\sqrt{x_j^2+y_j^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-x_j\\ -y_j\\ f\end{array}\right]\end{array}---\left(9\right);$

其中f为镜头的焦距，按如下过程计算出星对m_i,m_j角距值：

$\cos \left(m_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{m_i\·m_j}{\left|m_i\right|\left|m_j\right|}---\left(10\right).$

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