CN105806336A - 一种用于微小型星敏感器的电子学系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于微小型星敏感器的电子学系统及其实现方法，本发明所提供的用于微小型星敏感器的电子学系统包括：成像单元、协议解析单元、数据处理单元与供电单元；所述协议解析单元通过Cameralink接口和RS422接口与成像单元相连，通过HPI和EMIF接口与数据处理单元相连，同时通过RS422接口与外部GNC计算机相连，通过RS422接口与外部电星模计算机相连；所述供电单元为成像单元、协议解析单元、数据处理单元供电；有效利用了空间结构，各模块物理独立，方便调试，同时各独立模块采用通用接口与协议可单独工作。

Description

一种用于微小型星敏感器的电子学系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量技术，具体涉及一种用于微小型星敏感器的电子学系统。

背景技术

在航天器在轨运行中，需要对航天器姿态进行控制与测量。姿态测量机构主要有太阳敏感器，地磁敏感器，星敏感器三种。其中星敏感器相对于其他两种具有精度高，能确定三轴姿态等优势。但传统星敏感器体积、重量、功耗大，不能适合微小型卫星平台。为满足微小型卫星平台需求，需要设计微小型星敏感器，及用于微小型星敏感器的电子学系统。本发明中，微小型卫星指的是总质量小于50公斤的卫星。

发明内容

本发明解决的问题是现有星敏感器体积大，功耗高，不适应于微小型卫星；为解决所述问题，本发明提供一种用于微小型星敏感器的电子学系统及其实现方法。

本发明提供的用于微小型星敏感器的电子学系统包括：成像单元、协议解析单元、数据处理单元与供电单元；

所述协议解析单元通过Cameralink接口和RS422接口与成像单元相连，通过HPI和EMIF接口与数据处理单元相连，同时通过RS422接口与外部GNC计算机相连，通过RS422接口与外部电星模计算机相连；所述供电单元为成像单元、协议解析单元、数据处理单元供电。

进一步，所述成像单元包括成像探测器和驱动控制FPGA，成像探测器将光学系统收集到的光学信息进行光电转换，生成数字图像；驱动控制FPGA驱动成像探测器采集图像、提取并预处理星点坐标，最后通过Cameralink接口将星点坐标发送到协议解析单元；同时通过RS422接口与协议解析单元交互控制指令和状态数据。

进一步，所述成像单元中驱动控制FPGA外部扩展了两片SRAM存储芯片，形成“乒乓结构”；所述两片SRAM存储芯片一片存储正在采集的图像信息，另一片存储正在处理的图像信息。

进一步，所述驱动控制FPGA包括：驱动成像探测器的成像探测器驱动模块；向SRAM存储芯片存储信息，并从SRAM存储芯片读取所存储信息的SRAM接口模块；处理存储的信息的星点坐标提取模块，所述星点坐标提取模块从存储的星点坐标提取恒星，并计算相应恒星质心，同时根据图像信息通知综合控制模块更改曝光时间，图像处理阈值；将星点坐标提取模块计算得到的恒星质心信息发送到协议解析单元的Cameralink接口模块；与协议解析单元交互控制指令与状态数据的RS422接口模块；对RS422接口模块传输的数据进行解析，更改相应设置参数的综合控制模块，综合控制模块将成像单元工作状态通过RS422反馈给协议解析单元，同时综合控制其它模块。

进一步，协议解析单元包括解析FPGA，所述解析FPGA包括：解析包含恒星质心信息数据包的Cameralink接口模块；负责协议解析单元与成像单元交互控制指令和状态数据的第一RS422接口模块；负责协议解析单元与电星模计算机交互控制指令、姿态信息和状态信息的第二RS422接口模块；负责协议解析单元与GNC计算机交互控制指令、姿态信息和状态信息的第三RS422接口模块；将解析出的恒星信息及质心信息数据发送给数据处理单元的HPI接口和EMIF接口模块，所述HPI接口和EMIF接口模块接收由数据处理单元发送给头部的控制指令及发送给GNC计算机的姿态数据与状态数据；计时控制模块，负责对曝光时间、GNC计算机请求时间及数据单元处理时间进行计时并生成相应的时间信息附加于相应数据包中；综合控制模块，负责对成像单元或电星模计算机发出的数据进行判读，表决何种数据应传送给数据处理单元，同时负责其他模块的综合控制。

进一步，所述数据处理单元包括DSP、DDR型SDRAM、FLASH；DSP实现系统控制与算法；FLASH存储星表信息与算法程序；DDR型SDRAM加载所需执行的程序，并存储相应算法生成的数据。

本发明还提供所提供的用于微小型星敏感器的电子学系统的实现方法，包括：

步骤一、成像单元对星体进行拍摄，提取星点坐标信息，并将所述星点坐标信息发送给协议解析单元；

步骤二、协议解析单元接收成像单元发送的星点坐标信息，并将所述星点坐标信息发送到数据处理单元，并对成像单元进行配置；

步骤三、所述数据处理单元接收星点坐标信息，依据星图匹配算法对星点坐标进行星图识别，在星图识别后通过姿态解算算法解算出姿态信息，并发送给协议解析单元。

进一步，所述步骤一包括：

上电后成像单元中驱动控制FPGA负责对成像探测器进行初始化操作，随后对成像探测器发出曝光请求，接收成像探测器发出的图像信息，将其存储在SRAM_A中；

曝光请求信号为固定时间间隔，当对成像探测器第二次发出曝光请求后，将接收到的图像信息存储到SRAM_B中，同时将SRAM_A中的数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取；当对成像探测器第三次发出曝光请求前，SRAM_A中数据已经处理完毕，将曝光请求后返回的数据存储到SRAM_A中，将原数据覆盖，同时将SRAM_B中数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取；

上电后，FPGA同时接收通过RS422模块接收由协议解析单元传输的控制指令，对指令进行解析，进行成像探测器相应寄存器的配置，曝光时间的更改，并返回相应成像单元状态；

当计算完一幅图像的星点坐标信息后，根据主频对曝光时间与计算完成时间计数，并将计数值作为曝光时刻与计算完成时刻的时间间隔附在星点坐标信息后，同时通过Cameralink接口将星点坐标信息与时间间隔信息发送给协议解析单元。

进一步，所述步骤二包括：上电后，同时等待和成像单元相连的Cameralink接口与和电星模计算机接口相连的RS422接口发送的星点坐标信息，若和电星模计算机接口相连的RS422接口接收到相应信息后则判定系统与电星模计算机相连，忽略和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据，否则认为和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据为有效星点坐标数据；

在获取完一帧星点坐标数据后，通过与数据处理模块相连的相应管脚判断数据处理模块是否正在利用上一帧星点坐标数据进行相应操作，若正在进行操作处理则等待，并允许下一帧星点坐标数据将其覆盖；若空闲则通过HPI接口和EMIF接口将星点坐标数据发送到数据处理单元；同时协议解析单元通过与数据处理模块相连的相应管脚告知数据处理单元其是否正在接收并更新星点坐标数据；

同时通过HPI接口和EMIF接口发送的解算完的姿态四元素信息与成像控制的配置参数；若判断需要对成像单元进行配置，则通过RS422接口将配置信息发送给成像单元；协议解析单元分别依据主频对接收到成像单元或电星模计算机传输的星点坐标完成时刻与接收到相应数据处理单元对该帧数据解算完毕后的通过HPI接口和EMIF接口发送完成时刻，以及GNC计算机发起姿态信息请求时刻进行计数，并配合之前输入的曝光时刻与星点坐标计算完毕时刻之间的时间间隔，来计算出GNC计算机发起姿态请求时刻与相应曝光时刻的时间间隔，附加到姿态信息中，通过RS422接口一起发送给GNC计算机。

进一步，所述步骤三包括：

上电后DSP进行初始化操作，并将星表信息及算法程序从FLASH中加载入DDR型SDRAM中；

通过与协议解析单元相连管脚判断协议解析单元是否正在更新星点坐标数据，若正在更新则等待；若更新完毕，通过HPI接口和EMIF接口接收相应星点坐标数据；在读取协议解析单元数据同时，通过与协议解析单元相连管脚通知协议解析单元，禁止其更新；

在接收完星点坐标数据后，DSP依据星图匹配算法对星点坐标进行星图识别，在星图识别后通过姿态解算算法解算出姿态信息，并通过HPI接口和EMIF接口发送给协议解析单元。

本发明所提供的方案能够实现对光学系统收集得星空图像进行光电转换，并对数字图像进行处理，获取星点坐标信息，进行星图匹配识别，解算出相应姿态信息并输出，在系统总体功耗小于2W的情况下，输出数据更新率大于10Hz，且实时输出高精度测量姿态信息。

与现有技术相比，其优点和有益效果是：有效利用了空间结构，各模块物理独立，方便调试，同时各独立模块采用通用接口与协议可单独工作。

附图说明

图1是本发明用于微小型星敏感器的电子学系统框图；

图2是本发明实施实例的成像单元框图；

图3是本发明成像单元中的FPGA内部功能框图；

图4是本发明协议解析单元中的FPGA内部功能框图；

图5是本发明实施实例的数据处理单元框图；

图6是本发明数据处理单元算法程序流程图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供的用于微小型星敏感器的电子学系统，包括：成像单元5、协议解析单元2、数据处理单元1与供电单元6。其中协议解析单元2为系统连接中枢，协议解析单元2一方面通过Cameralink接口和RS422接口与成像单元相连，一方面通过HPI接口和EMIF接口与数据处理单元1相连，同时通过RS422接口与外部GNC计算机4、电星模计算机3相连；成像单元5通过Cameralink接口和RS422接口与协议解析单元2相连；数据处理单元1通过HPI接口和EMIF接口与协议解析单元2相连；供电单元5为成像单元、协议解析单元、数据处理单元供电。

如图2所示，所述成像单元包括成像探测器51和驱动控制FPGA52，成像探测器51负责对光学系统收集到的光学信息进行光电转换，生成数字图像；驱动控制FPGA52负责驱动成像探测器工作，并负责图像的采集、预处理及星点坐标提取，最后通过Cameralink接口发送到协议解析单元2；同时通过RS422接口实现与协议解析单元的控制指令与状态数据的交互。同时驱动控制FPGA外部扩展了两片SRAM存储芯片形成“乒乓结构”，即：SRAM_A53，SRAM_B54。在同一时刻下，分别功能为SRAM_A53存储正在采集的图像信息，SRAM_B54存储正在处理的图像信息，或相反SRAM_B54存储正在采集的图像信息，SRAM_A53存储正在处理的图像信息。成像单元中驱动控制FPGA负责图像的采集、预处理及星点坐标提取，最后通过Cameralink接口发送到协议解析单元；同时通过RS422接口实现与协议解析单元的控制指令与状态数据的交互。

如图3所示成像单元驱动控制FPGA内部主要包括：成像探测器驱动模块524，负责驱动成像探测器与采集图像；SRAM接口模块523，负责存储与读取两块SRAM存储芯片中的信息，即将采集到的图像信息存储到SRAM_A53中，并从SRAM_B54中读取已存储好的图像信息进行处理，或相反；星点坐标提取模块522负责处理已存储完毕的图像信息，提取其中可能恒星，并计算相应恒星质心，同时负责根据图像信息通知综合控制模块更改曝光时间，图像处理阈值等参数；Cameralink接口模块521负责将处理好的恒星信息及质心信息发送给协议解析单元2；RS422接口模块525负责与协议解析单元2的控制指令与状态数据的交互；综合控制模块526负责对RS422接口模块525传输的数据进行解析，更改相应设置参数如曝光时间、成像探测器存储器配置、图像处理阈值等，并且负责对成像单元工作状态通过RS422反馈给协议解析单元2，同时负责对上述模块的综合控制。在上电后其FPGA负责对成像探测器进行初始化操作，随后对成像探测器发出曝光请求，接收成像探测器发出的图像信息，将其存储在SRAM_A中。曝光请求信号为固定时间间隔，当对成像探测器第二次发出曝光请求后，将接收到的图像信息存储到SRAM_B中，同时对SRAM_A中的数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取；当对成像探测器第三次发出曝光请求前，SRAM_A中数据已经处理完毕，将曝光请求后返回的数据存储到SRAM_A中，将原数据覆盖，同时将SRAM_B中数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取。随后每次曝光、接收数据及数据处理的操作方法与前述相同。驱动控制FPGA同时接收通过RS422模块525接收由协议解析单元传输的控制指令，对指令进行解析，进行成像探测器相应寄存器的配置，曝光时间的更改，并返回相应成像单元状态。当计算完一幅图像的星点坐标信息后，根据主频对曝光时间与计算完成时间计数，并将计数值作为曝光时刻与计算完成时刻的时间间隔附在星点坐标信息后，同时通过Cameralink接口将星点坐标信息与时间间隔信息发送给协议解析单元。

如图4所示，协议解析单元包括解析FPGA，所述解析FPGA包括：Cameralink接口模块21，负责将成像单元6发送给协议解析单元的恒星信息及质心信息数据进行解析；RS422接口模块22，所述RS422接口模块22包括：与成像单元交互控制指令和状态数据的第一RS422接口模块；与电星模计算机3交互控制指令、姿态信息和状态信息的第二RS422接口模块；与GNC计算机交互控制指令、姿态信息和状态信息的第三RS422接口模块；HPI接口和EMIF接口模块24，负责将解析出的恒星信息及质心信息数据发送给数据处理单元1，同时接收由数据处理单元1发送给头部的控制指令及发送给GNC计算机的姿态数据与状态数据；计时控制模块25，负责对曝光时间、GNC计算机请求时间及数据单元处理时间进行计时并生成相应的时间信息附加于相应数据包中；综合控制模块23，负责对成像单元或电星模计算机发出的数据进行判读，表决何种数据应传送给数据处理单元，同时负责其他模块的综合控制。

协议解析单元在上电后，同时等待和成像单元相连的Cameralink接口模块21与和电星模计算机接口相连的RS422接口发送的星点坐标信息，若和电星模计算机接口相连的第二RS422接口模块接收到相应信息后则判定系统与电星模计算机相连，忽略和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据，否则认为和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据为有效星点坐标数据。在获取完一帧星点坐标数据后，通过与数据处理模块相连的相应管脚判断数据处理模块是否正在利用上一帧星点坐标数据进行相应操作，若正在进行操作处理则等待，并允许下一帧星点坐标数据将其覆盖；若空闲则通过HPI接口和EMIF接口将星点坐标数据发送到数据处理单元。同时协议解析单元通过与数据处理模块相连的相应管脚告知数据处理单元其是否正在接收并更新星点坐标数据。同时通过HPI接口和EMIF接口发送的解算完的姿态四元素信息与成像控制的配置参数。若判断需要对成像单元进行配置，则通过RS422接口将配置信息发送给成像单元。分别依据主频对接收到成像单元或电星模计算机传输的星点坐标完成时刻与接收到相应数据处理单元对该帧数据解算完毕后的通过HPI接口和EMIF接口发送完成时刻，以及GNC计算机发起姿态信息请求时刻进行计数，并配合之前输入的曝光时刻与星点坐标计算完毕时刻之间的时间间隔，来计算出GNC计算机发起姿态请求时刻与相应曝光时刻的时间间隔，附加到姿态信息中，通过RS422接口一起发送给GNC计算机。

如图5所示，数据处理单元主要由DSP12、DDR型SDRAM13、FLASH11构成，其中：DSP12内部没有数据存储空间与程序存储空间，仅负责系统控制与算法的实现；FLASH12作为程序的存储空间，存储星表信息与算法程序；DDR型SDRAM13作为数据的存储空间与程序的执行空间，加载所需执行的程序，并存储相应算法生成的数据。

如图6所示，数据处理单元内部算法流程为在上电后DSP进行初始化操作，并将星表信息及算法程序加从FLASH中加载入DDR型SDRAM中。通过与协议解析单元相连管脚判断协议解析单元是否正在更新星点坐标数据，若正在更新则等待；若更新完毕，通过HPI接口和EMIF接口接收相应星点坐标数据。在读取协议解析单元数据同时，通过与协议解析单元相连管脚通知协议解析单元，禁止其更新。在接收完星点坐标数据后，DSP依据星图匹配算法对星点坐标进行星图识别，在星图识别后通过姿态解算算法解算出姿态信息，并通过HPI接口和EMIF接口发送给协议解析单元。

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。

Claims (10)

1.一种用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，包括：成像单元、协议解析单元、数据处理单元与供电单元；

所述协议解析单元通过Cameralink接口和RS422接口与成像单元相连，通过HPI和EMIF接口与数据处理单元相连，同时通过RS422接口与外部GNC计算机相连，通过RS422接口与外部电星模计算机相连；所述供电单元为成像单元、协议解析单元、数据处理单元供电。

2.如权利要求1所述的用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，所述成像单元包括成像探测器和驱动控制FPGA，成像探测器将光学系统收集到的光学信息进行光电转换，生成数字图像；驱动控制FPGA驱动成像探测器采集图像、提取并预处理星点坐标，最后通过Cameralink接口将星点坐标发送到协议解析单元；同时通过RS422接口与协议解析单元交互控制指令和状态数据。

3.如权利要求2所述的用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，所述成像单元中驱动控制FPGA外部扩展了两片SRAM存储芯片，形成“乒乓结构”；所述两片SRAM存储芯片一片存储正在采集的图像信息，另一片存储正在处理的图像信息。

4.如权利要求3所述的用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，所述驱动控制FPGA包括：驱动成像探测器的成像探测器驱动模块；向SRAM存储芯片存储信息，并从SRAM存储芯片读取所存储信息的SRAM接口模块；处理存储的信息的星点坐标提取模块，所述星点坐标提取模块从存储的星点坐标提取恒星，并计算相应恒星质心，同时根据图像信息通知综合控制模块更改曝光时间，图像处理阈值；将星点坐标提取模块计算得到的恒星质心信息发送到协议解析单元的Cameralink接口模块；与协议解析单元交互控制指令与状态数据的RS422接口模块；对RS422接口模块传输的数据进行解析，更改相应设置参数的综合控制模块，综合控制模块将成像单元工作状态通过RS422反馈给协议解析单元，同时综合控制其它模块。

5.如权利要求1所述的用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，协议解析单元包括解析FPGA，所述解析FPGA包括：解析包含恒星质心信息数据包的Cameralink接口模块；负责协议解析单元与成像单元交互控制指令和状态数据的第一RS422接口模块；负责协议解析单元与电星模计算机交互控制指令、姿态信息和状态信息的第二RS422接口模块；负责协议解析单元与GNC计算机交互控制指令、姿态信息和状态信息的第三RS422接口模块；将解析出的恒星信息及质心信息数据发送给数据处理单元的HPI接口和EMIF接口模块，所述HPI接口和EMIF接口模块接收由数据处理单元发送给头部的控制指令及发送给GNC计算机的姿态数据与状态数据；计时控制模块，负责对曝光时间、GNC计算机请求时间及数据单元处理时间进行计时并生成相应的时间信息附加于相应数据包中；综合控制模块，负责对成像单元或电星模计算机发出的数据进行判读，表决何种数据应传送给数据处理单元，同时负责其他模块的综合控制。

6.如权利要求1所述的用于微小型星敏感器的电子学系统，其特征在于，所述数据处理单元包括DSP、DDR型SDRAM、FLASH；DSP实现系统控制与算法；FLASH存储星表信息与算法程序；DDR型SDRAM加载所需执行的程序，并存储相应算法生成的数据。

7.权利要求1至6中任意一项所提供的用于微小型星敏感器的电子学系统的实现方法，其特征在于，包括：

步骤一、成像单元对星体进行拍摄，提取星点坐标信息，并将所述星点坐标信息发送给协议解析单元；

步骤二、协议解析单元接收成像单元发送的星点坐标信息，并将所述星点坐标信息发送到数据处理单元，并对成像单元进行配置；

步骤三、所述数据处理单元接收星点坐标信息，依据星图匹配算法对星点坐标进行星图识别，在星图识别后通过姿态解算算法解算出姿态信息，并发送给协议解析单元。

8.权利要求7所述的用于微小型星敏感器的电子学系统的实现方法，其特征在于，所述步骤一包括：

上电后成像单元中驱动控制FPGA负责对成像探测器进行初始化操作，随后对成像探测器发出曝光请求，接收成像探测器发出的图像信息，将其存储在SRAM_A中；

曝光请求信号为固定时间间隔，当对成像探测器第二次发出曝光请求后，将接收到的图像信息存储到SRAM_B中，同时将SRAM_A中的数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取；当对成像探测器第三次发出曝光请求前，SRAM_A中数据已经处理完毕，将曝光请求后返回的数据存储到SRAM_A中，将原数据覆盖，同时将SRAM_B中数据发送到星点坐标提取模块，进行星点坐标提取；

上电后，FPGA同时接收通过RS422模块接收由协议解析单元传输的控制指令，对指令进行解析，进行成像探测器相应寄存器的配置，曝光时间的更改，并返回相应成像单元状态；

当计算完一幅图像的星点坐标信息后，根据主频对曝光时间与计算完成时间计数，并将计数值作为曝光时刻与计算完成时刻的时间间隔附在星点坐标信息后，同时通过Cameralink接口将星点坐标信息与时间间隔信息发送给协议解析单元。

9.如权利要求8所述的用于微小型星敏感器的电子学系统的实现方法，其特征在于，所述步骤二包括：上电后，同时等待和成像单元相连的Cameralink接口与和电星模计算机接口相连的RS422接口发送的星点坐标信息，若和电星模计算机接口相连的RS422接口接收到相应信息后则判定系统与电星模计算机相连，忽略和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据，否则认为和成像单元相连的Cameralink接口传输入的星点坐标数据为有效星点坐标数据；

在获取完一帧星点坐标数据后，通过与数据处理模块相连的相应管脚判断数据处理模块是否正在利用上一帧星点坐标数据进行相应操作，若正在进行操作处理则等待，并允许下一帧星点坐标数据将其覆盖；若空闲则通过HPI接口和EMIF接口将星点坐标数据发送到数据处理单元；同时协议解析单元通过与数据处理模块相连的相应管脚告知数据处理单元其是否正在接收并更新星点坐标数据；

同时通过HPI接口和EMIF接口发送的解算完的姿态四元素信息与成像控制的配置参数；若判断需要对成像单元进行配置，则通过RS422接口将配置信息发送给成像单元；协议解析单元分别依据主频对接收到成像单元或电星模计算机传输的星点坐标完成时刻与接收到相应数据处理单元对该帧数据解算完毕后的通过HPI接口和EMIF接口发送完成时刻，以及GNC计算机发起姿态信息请求时刻进行计数，并配合之前输入的曝光时刻与星点坐标计算完毕时刻之间的时间间隔，来计算出GNC计算机发起姿态请求时刻与相应曝光时刻的时间间隔，附加到姿态信息中，通过RS422接口一起发送给GNC计算机。

10.如权利要求9所述的用于微小型星敏感器的电子学系统的实现方法，其特征在于，所述步骤三包括：

上电后DSP进行初始化操作，并将星表信息及算法程序从FLASH中加载入DDR型SDRAM中；

通过与协议解析单元相连管脚判断协议解析单元是否正在更新星点坐标数据，若正在更新则等待；若更新完毕，通过HPI接口和EMIF接口接收相应星点坐标数据；在读取协议解析单元数据同时，通过与协议解析单元相连管脚通知协议解析单元，禁止其更新；

在接收完星点坐标数据后，DSP依据星图匹配算法对星点坐标进行星图识别，在星图识别后通过姿态解算算法解算出姿态信息，并通过HPI接口和EMIF接口发送给协议解析单元。