CN107182255B - 一种星敏感器信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器信息处理方法，其包括如下步骤：设计系统管理模块与应用算法模块，实现系统管理模块与应用算法模块分离，并行过程与串行过程分离；实现FPGA/ASIC与GNC系统的通信协议；FPGA/ASIC在产生探测器驱动时序的同时，对图像进行处理；根据GNC系统指令和帧周期信号对星敏感器的工作模式进行控制；CPU完成星图识别、星跟踪和姿态解算。本方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：有利于星敏感器算法的改进、升级和研制，提高了星敏感器的数据更新率。

Description

一种星敏感器信息处理方法

技术领域

本发明涉及卫星敏感器技术，尤其是卫星敏感器的信息处理方法。

背景技术

星敏感器是空间飞行器GNC系统的关键部件，是基于计算机视觉测量理论研制的空间精密仪器，主要用于空间飞行器三轴姿态测量和空间飞行器导航。星敏感器通常由光学及精密结构系统、光电探测器及信号处理电路和软件等三部分组成。基于计算机视觉测量理论，以恒星稳定的光信号作为输入，星敏感器可以得到恒星在其本体坐标系内的精确位置，再由其内部星表存储的恒星基于地心惯性坐标系的位置信息，可以得到星敏感器本体相对于地心惯性坐标系的三轴姿态信息，从而得到空间飞行器本体相对于地心惯性系的三轴姿态信息。

星敏感器的由两部分组成，即系统管理软件和应用软件。系统管理软件主要完成星敏感器软件协议、工作模式控制、任务调度、数据管理、在轨维护等功能，应用软件主要完成星敏感器测量模型、星表数据库及相关算法的实现。星敏感器软件体系结构设计的目的是：分析系统管理软件和应用软件的工作特点，确定软件的实现方式，合理、清晰的划分工作界面，明确控制流和数据流，实现系统管理软件与应用软件的分离，实现并行与串行的分离，在不改变元器件的条件下，提高软件运行效率，从而提高星敏感器的动态性能、更新率等性能指标。

周国辉等在《航天控制》(2006，24<1>：87-91)上发表论文《星敏感器图像处理系统的并行流水线操作研究》，将图像处理工作分别由CPLD与DSP实现，功耗较大，系统设计复杂，且受限于器件水平，CPLD不能实现任务调度、软件接口协议等复杂功能。钟红军等在《光学精密工程》(2009，17<9>：2231-2234)上发表论文《流水线并行处理提高星敏感器数据更新率》，对星敏感器的流水线并行处理机制进行了研究，其核心思想是：采用“乒乓”图像存储器结构，在一个工作流程中(一个积分周期中)将图像存入A存储器中，在下一个工作流程中，将图像存入B存储器中，同时处理A存储器中的图像。此方法的缺点是，增加一片SRAM存储器，功耗较大，且没有从串行、并行任务的综合调度的角度设计星敏感器的软件体系结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种星敏感器信息处理，实现星敏感器系统管理软件和应用软件的分离，实现并行过程与串行过程的分离，在不改变元器件的条件下，显著提高星敏感器的数据更新率及动态性能。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的，一种星敏感器信息处理方法，其包括如下步骤：

1)设计系统管理模块与应用算法模块，实现系统管理模块与应用算法模块分离，并行过程与串行过程分离；并行过程如指令响应、解析，图像处理，数据管理，采用FPGA或ASIC实现，模块的工作模式和任务调度由FPGA或ASIC实现，串行过程如全天识别算法、星跟踪算法、姿态计算方法采用CPU实现。

(2)实现FPGA/ASIC与GNC系统的通信协议，进行指令解析与应答，实现星敏感器系统校时；星敏感器接收GNC系统或测试计算机指令，完成姿态测量信息读取、标定、星图成像及下传、星敏感器状态监测。

(3)FPGA/ASIC在产生探测器驱动时序的同时，对图像进行处理，包括星图灰度分布计算、星点质心提取；

(4)根据GNC系统指令和帧周期信号对星敏感器的工作模式进行控制，并以流水线方式组织图像采集、图像处理、星图识别、星跟踪、姿态解算，并对星敏感器的数据资源进行统一管理；星敏感器的工作模式分为启动模式、待机模式、全天识别模式、星跟踪模式、标定模式、在轨维护模式和星图成像及数据下传模式，星敏感器根据GNC系统或测试计算机指令确定工作模式。帧同步信号是星敏感器工作周期的主控信号，FPGA或ASIC构建星敏感器信息处理流水线，星图成像、图像预处理、星点提取、识别、星跟踪、姿态解算工作采用流水方式完成。

(5)CPU完成星图识别、星跟踪和姿态解算，FPGA/ASIC以CPU中断的形式改变软件参数和工作模式，FPGA/ASIC与CPU以星点质心存储器、过程数据存储器、工作参数寄存器、遥测数据存储器进行信息交互，读写同步的控制逻辑由FPGA/ASIC完成。图像预处理工作在星图像素采集的同时同步进行，计算的结果以星点质心数据帧的形式传递至CPU。

所述的步骤(5)中，通过CPU中断方式、星点质心存储器、灰度分布存储器、遥测数据存储器、过程数据存储器构建星敏感器的控制流和数据流。数据管理功能涉及星图数据存储器、遥测数据存储器、星点质心存储器、灰度分布存储器、过程数据存储器，数据管理功能的访问控制权由工作模式确定，存储器的读写同步控制由FPGA或ASIC控制。

本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

(1)系统管理模块与应用模块分离，并行处理与串行处理分离的原则，有利于星敏感器的研制，有利于星敏感器算法的改进与升级。

(2)充分利用FPGA(或ASIC)在并行运算体系结构设计中的优势。工作模式控制、与GNC系统接口、数据管理、与CPU接口、CCD/APS驱动与图像预处理等并行处理过程采用FPGA(或ASIC)实现，星图识别、星跟踪、姿态解算等串行处理过程采用CPU实现，以此显著提高更新率。

附图说明

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为星敏感器模块结构框图；

图2为星敏感器模块工作模式示意图；

图3为星敏感器软件数据流示意图。

具体实施方式

如图1所示，给出了星敏感器模块结构框图。模块结构包括CCD/APS探测器1、SRAM图像2、EEPROM程序3、SRAM程序4、PROM程序5、驱动时序模块6、图像处理模块7、通信接口8、CPU控制接口9、CPU 10和FPGA/ASIC 12。CCD/APS光电探测器1在驱动时序模块6产生的驱动控制信号作用下，将光信号转化为帧同步控制信号和数字图像信号输出至图像处理模块7，用以实现图像滤波、灰度均值计算和星点质心提取，根据GNC系统指令，可以将图像数据存储至SRAM图像2，可以将图像数据从存储器读出，星敏感器的应用模块存储于EEPROM程序3中，应用模块主要用于实现全天识别、星跟踪、姿态解算、星表等功能，系统管理软件中的在轨维护模块存储器PROM程序5中，在轨维护模式下，可以运行PROM中的在轨维护模块实现在轨编程和在轨自检。通信接口模块8用以接收、解析和执行GNC系统指令，并将软件参数、工作模式等指令通过中断方式送至CPU10，CPU控制接口9用以实现FPGA/ASIC与CPU的接口控制，实现数据管理、数据存储器的读写同步控制功能。CCD/APS探测器的工作周期确定软件的工作周期，在三级流水的并行体系结构下，探测器的工作周期决定星敏感器的数据更新率。GNC系统指令决定星敏感器的工作模式，工作模式决定星敏感器存储器的访问权。FPGA/ASIC控制星敏感器软件三级流水线，并行处理姿轨控计算机指令、CCD/ASIC驱动时序、图像处理等任务。CPU控制星敏感器软件信息处理主流程，完成星图识别、星跟踪、姿态解算、在轨维护、故障检测任务。

如图2所示，给出了星敏感器的模块工作模式。包括启动模式21、待机模式22、全天识别模式23、星跟踪模式24、在轨维护模式25、星图成像及数据下传模式26、测试模式27。启动模式21：上电后，星敏感器进入启动模式，将软件代码从EEPROM中导入SRAM中运行，启动模式结束后自动转入测量模式。待机模式22：在该模式中，FPGA/ASIC执行驱动、图像预处理、通信接口等功能，CPU处于待机状态，不进行姿态解算，在待机状态，可通过指令转移至测试模式、星图成像及数据下传模式、在轨维护模式。全天识别模式23：在该模式中，FPGA/ASIC执行驱动、图像预处理、通信接口等功能，CPU运行于全天识别功能模块，进行全天区捕获，输出姿态四元数及其他过程信息。星跟踪模式24：全天识别成功后，自动转入星跟踪模式24，FPGA/ASIC执行驱动、图像预处理、通信接口等功能，CPU运行星跟踪模块，建立星跟踪列表，进行星的优选，校正误差，进行高精度姿态解算。星图成像及数据下传模式26：在该模式中，FPGA/ASIC执行驱动、图像预处理、通信接口、图像采集功能，星图数据保存于内置SRAM中，星敏感器根据指令，下传数据。在轨维护模式25：在该模式中，运行星敏感器系统管理软件，实现在轨编程与在轨自检两项功能，CPU实现软件二进制码流的在轨烧录，实现软件二进制码的比对与纠错。测试模式27：在该模式中，FPGA/ASIC执行驱动、图像预处理、通信接口等功能，CPU处于待机状态，该模式用于星敏感器标定、杂散光测试。

如图3所示，给出了星敏感器软件数据流图。FPGA/ASIC完成CCD/APS驱动时序信号生成，图像处理、通信接口功能、数据管理、工作模式控制等功能，图像处理模块计算结果写入星点质心存储器中，灰度分布信息写入灰度分布数据存储器中，CPU计算得到的测量信息(姿态四元数、状态标志、时间戳、杂散光标志等)写入测量数据存储器中，软件工作参数写入工作参数寄存器中，并通过中断方式向CPU传递参数，CPU根据星点质心信息和导航星库的信息，计算测量信息，并将测量过程中的数据写入过程数据存储器，FPGA/ASIC解析GNC系统指令并依据指令要求反馈软件接口协议中规定的数据包。

其特征在于包括如下几点：

(1)基于FPGA+CPU或ASIC+CPU的硬件平台，设计的总原则是：系统管理软件和应用软件的分离，实现并行过程与串行过程的分离。

(2)基于FPGA(或ASIC)实现软件接口协议，完成指令接收、解析和执行。

(3)基于FPGA(或ASIC)完成工作模式控制，星敏感器接收GNC系统指令，并以确定工作模式，并以工作模式确定星敏感器软硬件资源的使用。

(4)基于FPGA(或ASIC)完成CCD/APS探测器的驱动时序，给出帧周期控制信号。

(5)基于FPGA(或ASIC)完成图像预处理，图像预处理工作分为星图滤波、阈值估计、星点质心提取三部分。

(6)基于FPGA(或ASIC)完成星敏感器校时，GNC系统周期性发送校时指令，给出当前的星上统一时间，星敏感器在校时指令的间隙完成守时，并根据CCD/APS图像帧周期，以星上统一时间标识各帧的时间戳。

(7)基于FPGA(或ASIC)完成数据管理功能，包含星图数据存储器、星点质心存储器、灰度分布存储器、过程数据存储器、遥测数据存储器等资源，上述资源的读、写同步，访问控制统一由FPGA(ASIC)控制。

(8)采用CPU实现全天识别、星跟踪、星点选用和姿态解算等算法，CPU进行信息处理的输入是FPGA计算得到的星点质心数据，同时根据FPGA计算得到的灰度均值分布矩阵估计星敏感器受到杂散光干扰的情况。

(9)采用CPU实现星敏感器在轨编程、在轨自检功能。

(10)采用CPU软件实现星表数据库。

(11)FPGA(ASIC)与CPU的数据交互通过星点质心存储器、灰度分布存储器、遥测数据存储器、过程数据存储器进行，FPGA(ASIC)通过中断方式向CPU发送软件参数更改的指令。

所述的特征(1)中，根据星敏感器软件体系设计的总原则，并行过程(如指令响应、解析，图像处理，数据管理等)采用FPGA(或ASIC)实现，软件的工作模式和任务调度由FPGA(ASIC)实现，串行过程(如全天识别算法、星跟踪算法、姿态计算方法等)采用CPU实现。

所述的特征(2)中，星敏感器接收GNC系统或测试计算机指令，完成姿态测量信息读取、标定、星图成像及下传、星敏感器状态监测等功能。

所述的特征(3)中，星敏感器的工作模式分为启动模式、待机模式、全天识别模式、星跟踪模式、标定模式、在轨维护模式和星图成像及数据下传模式，星敏感器根据GNC系统或测试计算机指令确定工作模式。

所述特征(4)中，帧同步信号是星敏感器工作周期的主控信号，FPGA(或ASIC)构建星敏感器信息处理流水线，星图成像、图像预处理、星点提取、识别、星跟踪、姿态解算等工作采用流水方式完成。

所述特征(5)中，图像预处理工作在星图像素采集的同时同步进行，计算的结果以星点质心数据帧的形式传递至CPU。

所述特征(6)中，每帧的曝光中点时刻作为该帧时间戳的对应时刻，FPGA(或ASIC)根据守时计数器的值估计曝光中点时刻的星上统一时间，采用该机制可以达到优于微秒量级的时间估计精度。

所述特征(7)中，数据管理功能涉及星图数据存储器、遥测数据存储器、星点质心存储器、灰度分布存储器、过程数据存储器，数据管理功能的访问控制权由工作模式确定，存储器的读写同步控制由FPGA(或ASIC)控制。

所述特征(8)中，CPU软件主流程为无限循环过程，根据软件的工作模式，分为全天识别、星跟踪等功能分支，软件可分为星图识别、标定模型、星跟踪模型、数学运算等功能模块。

所述特征(9)中，在轨编程模式下，姿轨控计算机向星敏感器发送控制指令，决定星敏感器的工作模式。运行于在轨编程模式时，FPGA(或ASIC)根据姿轨控计算指令接收软件数据，并将数据保存至星图SRAM存储器中，接收完成后，姿轨控计算机向星敏感器发送在轨编程指令，CPU软件运行在轨编程功能模块，将SRAM中的软件数据写入EEPROM存储器中。重新上电后，上注的软件即可从EEPROM中加载至SRAM中供CPU运行。在轨自检模式下，GNC系统或测试计算机向星敏感器发送控制指令，决定星敏感器的工作模式，运行于在轨自检模式时，CPU读取EEPROM和程序SRAM中的数据，进行比对和纠错。

所述特征(10)中，星表数据库以有序线性表的形式存储于程序文件中。

所述特征(11)中，FPGA(或ASIC)图像预处理的结果存放于星点质心存储器中，CPU读取星点质心存储器并进行识别和姿态解算，FPGA(或ASIC)根据GNC系统或测试计算机的指令，读取相应的存储器，通过通信口发送；工作参数的更改(软件参数、工作模式标志等)通过中断的方式传递至CPU。

Claims (2)

1.一种星敏感器信息处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设计系统管理模块与应用算法模块，实现系统管理模块与应用算法模块分离，并行过程与串行过程分离；

(2)实现FPGA/ASIC与GNC系统的通信协议，进行指令解析与应答，实现星敏感器系统校时；

(3)FPGA/ASIC在产生探测器驱动时序的同时，对图像进行处理，包括星图灰度分布计算、星点质心提取；

(4)根据GNC系统指令和帧周期信号对星敏感器的工作模式进行控制，并以流水线方式组织图像采集、图像处理、星图识别、星跟踪、姿态解算，并对星敏感器的数据资源进行统一管理；

(5)CPU完成星图识别、星跟踪和姿态解算，FPGA/ASIC以CPU中断的形式改变软件参数和工作模式，FPGA/ASIC与CPU以星点质心存储器、过程数据存储器、工作参数寄存器、遥测数据存储器进行信息交互，读写同步的控制逻辑由FPGA/ASIC完成。

2.根据权利要求1所述的星敏感器信息处理方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，通过CPU中断方式、星点质心存储器、灰度分布存储器、遥测数据存储器、过程数据存储器构建星敏感器的控制流和数据流。