CN114295120A - 一种星敏感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种星敏感器，包括光学头部和函数库软件，所述光学头部至少包括图像探测器和CPLD电路，所述图像探测器用于采集星光图像，所述CPLD电路用于时序控制和图像数据打包分包；所述函数库软件部署于应用系统上，用于对星图数据处理，解算载体姿态信息；光学头部电路采用三维电子物化设计，所述CPLD电路为基于FLASH工艺的芯片。通过该方案可以降低星敏感器系统复杂度，实现轻量化设计，有效降低星敏感器体积质量和功耗。
Description
技术领域
本发明属于天文导航领域，尤其涉及一种星敏感器。
背景技术
星敏感器是航天飞行器姿态控制系统的重要组成部件，随着卫星技术的发展，轻小型化的卫星市场份额将越来越大，该类卫星对星敏感器的体积重量功耗等要求越来越严格，现有的星敏感器体积重量较大、功耗较高、系统设计较为复杂，难以满足实际应用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种星敏感器，用于解决现有的星敏感器体积重量较大、功耗较高且系统设计较为复杂，难以满足应用需求的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种星敏感器，包括：包括光学头部和函数库软件，所述光学头部至少包括图像探测器和CPLD电路，所述图像探测器用于采集星光图像，所述CPLD电路用于时序控制和图像数据打包分包；所述函数库软件部署于应用系统上，用于对星图数据处理，解算载体姿态信息；
其中，光学头部电路采用三维电子物化设计，所述CPLD电路为基于FLASH工艺的芯片。
在一个实施例中，所述光学头部包括遮光罩、光学镜头、探测器板和光学头部本体；所述遮光罩由圆柱形的镜筒和挡光环组成，用于抑制非目标光源辐射直达CMOS成像面的杂散光概率，所述光学镜头用于光学头部的星目标成像；其中，所述探测器板上包含有图像探测器和CPLD电路。
在一个实施例中，所述函数库软件提供库文件和头文件，数据逻辑部分以网表形式提供。
在一个实施例中，基于所述光学头部采样形成星图数据，通过高速通信接口将星图数据发送至应用系统，应用系统通过调用网表或者API函数进行星图数据处理。
在一个实施例中，所述光学头部配置有CMOS图像传感器寄存器，通过所述寄存器定时触发CMOS图像传感器启动曝光，以精确控制曝光时间。
在一个实施例中，所述星敏感器电源系统采用多芯片并联供电，并保持每个电源芯片均处于最高效率区间。
在一个实施例中，所述应用系统调度算法采用硬件语言编写，通过预定频率心跳包维持与相关器件的连接，并通过AHB总线与RISC-V软核通信。
在一个实施例中，所述函数库软件采用Cordic算子进行平方、开方和三角函数运算，降低系统运算复杂度。
在一个实施例中，所述函数库软件包括姿态测量和待机两种工作模式，两种工作模式之间可以相互切换；
在姿态测量模式下，对采集的图像进行图像滤波、星目标检测、星目标识别、姿态解算，并响应姿态数据请求；
在待机模式下，执行自检、参数配置、在轨升级、图像传图、模式切换相关操作。
在一个实施例中，对采集图像进行星目标提取，星目标提取完成后结合标定参数计算星光观测矢量；通过星图匹配算法进行星图识别，并确定星光惯性矢量；根据星光观测矢量和惯性矢量通过QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。
本发明实施例中，采用基于FLASH工艺的CPLD，可以有效降低电气系统功耗，配合三维电子物化设计能降低星敏感器重量和体积，采用光学头部和函数库软件的设计，能简化系统设计，降低星敏感器的设计复杂度，提高可配置性。同时，基于相应的系统调度算法、多芯片并联供电以及函数库软件目标检测解算，同样能够降低系统运行功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明一个实施例提供的一种星敏感器的逻辑结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种星敏感器的另一结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的调度算法的执行流程示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的函数库软件工作流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种星敏感器逻辑结构示意图，包括光学头部110和函数库软件120，所述光学头部110至少包括图像探测器和CPLD电路，所述图像探测器用于采集星光图像，所述CPLD电路用于时序控制和图像数据打包分包；
所述函数库软件120部署于应用系统130上，用于对星图数据处理，解算载体姿态信息。
其中，光学头部电路采用三维电子物化设计，所述CPLD电路为基于FLASH工艺的芯片。
所述光学头部110采用轻量化抗辐射镜头集成低功耗图像探测器和CPLD电路，可以直接输出星图数据，所述CPLD电路具有时序控制和图像数据打包分包功能。本实施例中，采用Microsemi公司IGLOO2平台的CPLD完成时序控制和图像数据打包分包，IGLOO2平台基于FLASH工艺设计，具有单粒子免疫的特点。
其中，函数库软件120提供库文件和头文件，数据逻辑部分以网表形式提供，应用系统130通过API调用函数库软件120中相应的网表或API函数进行星图处理。函数库软件作为附件供应用系统使用，该函数库软件只提供.lib库和.h文件。
具体的，基于光学头部采样形成星图数据，通过高速通信接口将星图数据发送至应用系统，应用系统通过调用网表或者API函数进行星图数据处理。
星光在光学头部内完成光电转换，在一定的时序驱动下采样形成数字化星图，然后通过高速通信接口将其送入应用系统，应用系统可以是MCU或者是FPGA，通过调用相应的网表或者API函数进行星图处理，最后得出载体姿态信息。
在另一实施例中，如图2所示，所述光学头部包括遮光罩21、光学镜头(即光学系统22)和探测器板23，所述探测器板23包含CMOS探测器、CPLD时序电路和接插件。
所述遮光罩由圆柱形的镜筒和挡光环组成，挡光环中心通路保证不遮挡视场角内星光直达光学头部镜头，用于抑制地气光、大气背景杂散光、太阳、月亮等非目标光源辐射直射到达CMOS成像面的杂散光概率，以提高星体探测信噪比(精度)及测星能力。
所述光学系统22用于将恒星平行光聚焦在CMOS靶面上。光学镜头需采用无热化设计并选用抗辐照材料设计制造镜片。
探测器通过光学系统将视场内的辐射光信号转换成电信号，CPLD时序电路对CMOS传感器的输出数据进行时序转换和打包分包。探测器板23实现星体在CMOS靶面上成像以及数字图像输出。
优选的，光学头部配置CMOS图像传感器寄存器，定时触发CMOS图像传感器启动曝光，实现曝光时间的精确控制。
优选的，所述星敏感器电源系统采用多芯片并联供电，并保持每个电源芯片均处于最高效率区间。较单片供电加大了散热面积，降低了器件温度，从而进一步提高了电源转换效率和设备使用寿命，在单电源芯片出故障时系统依然能够正常工作。
需要说明的是，本实施例中采用三维电子物化设计，在电路设计时，对电阻、电容和芯片等器件进行一比一建模，PCB完成设计时，可以获知结构、重量。设计完成后，导出PCB三维模型，将PCB三维模型导入结构设计软件进行设计，避免不必要的空间浪费，同时也可以检查电气系统与结构之间是否干涉，指导部分结构件的设计与装配。
CMOS方面与常规降低时钟频率不同，适度加快CMOS频率，提高数据读出速率，降低系统全功能工作时间可以最大化降低系统功耗，CMOS电源滤波配合采用较大容值电容与多个小容值电容并联，平滑CMOS瞬时功耗提升时在电源上产生的毛刺，降低电源母线过冲造成的能量损失，以达到指标与功耗需求兼顾的效果。
CPLD方面，一般基于SRAM型工艺的逻辑器件在工作时需要不断刷新SRAM，在工作原理上较基于FLASH工艺的逻辑器件在功耗上有天然的不足，同时基于FLASH工艺的逻辑器件不需要配置芯片。选用基于FLASH工艺的CPLD规避了SRAM型工艺逻辑器件的不足，同时辅以基于电磁原理的非易失MRAM，可以使CPLD在非工作状态极限接近于停机，相较于SDRAM和SRAM方案可有效降低功耗。
其中，所述应用系统调度算法采用硬件语言编写，通过预定频率(如100Hz)心跳包维持与相关器件的连接，并通过AHB总线与RISC-V软核通信。基于该调度算法对相关器件进行控制，总体功耗可以下降20％。
示例性的，如图3所示，通过100Hz心跳包维持与CMOS探测器、MRAM存储器、软核处理器及通信链路的连接。对CMOS进行时序控制和启停控制，时序控制中判断是否需要传输图像及图像是否传输完成；对MRAM进行片选控制和启停控制，判断MRAM是否接CMOS标志位置位及图像是否处理完成；对软核进行运行模式控制，判断是否停机；对通行链路进行外部唤醒控制，判断是否请求图像。
函数库软件方面，为保证函数库的通用性和可移植性，该发明不使用特定平台专用或者不通用的IP核，以搭积木的方式进行开发，以位移的形式代替简单的乘除法，通过Cordic算子进行平方、开方和三角函数运算，极大的降低系统运算难度。
其中，所述函数库软件130包括姿态测量和待机两种工作模式，两种工作模式之间可以相互切换；
在姿态测量模式下，对采集的图像进行图像滤波、星目标检测、星目标识别、姿态解算，并响应姿态数据请求；
设备上电或重启后均进入姿态测量模式，在该模式下进行目标识别解算等，星敏感器主要工作在姿态测量模式下。
在待机模式下，执行自检、参数配置、在轨升级、图像传图、模式切换相关操作。
具体的，如图4所示，所述对星图数据处理，解算载体姿态信息包括：
对采集图像进行星目标提取，星目标提取完成后进行星图检测，结合标定参数计算星光观测矢量；通过星图匹配算法进行星图识别，并确定星光惯性矢量；根据星光观测矢量和惯性矢量通过QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。
本实施例中，采用光学头部配合函数库软件的方案，极大地降低了系统的复杂度，为配套项目提供了多种可配置性；基于系统调度算法、FLASH工艺的CPLD及并联供电可以有效降低功耗，基于三维电子物化设计能降低星敏感器质量和体积，
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种星敏感器，其特征在于，包括光学头部和函数库软件，所述光学头部至少包括图像探测器和CPLD电路，所述图像探测器用于采集星光图像，所述CPLD电路用于时序控制和图像数据打包分包；
所述函数库软件部署于应用系统上，用于对星图数据处理，解算载体姿态信息；
其中，光学头部电路采用三维电子物化设计，所述CPLD电路为基于FLASH工艺的芯片。
2.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述光学头部包括遮光罩、光学镜头、探测器板和光学头部本体；
所述遮光罩由圆柱形的镜筒和挡光环组成，用于抑制非目标光源辐射直达CMOS成像面的杂散光概率，所述光学镜头用于光学头部的星目标成像；
其中，所述探测器板上包含有图像探测器和CPLD电路。
3.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述函数库软件提供库文件和头文件，数据逻辑部分以网表形式提供。
4.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，基于所述光学头部采样形成星图数据，通过高速通信接口将星图数据发送至应用系统，应用系统通过调用网表或者API函数进行星图数据处理。
5.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述光学头部配置有CMOS图像传感器寄存器，通过所述寄存器定时触发CMOS图像传感器启动曝光，以精确控制曝光时间。
6.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述星敏感器电源系统采用多芯片并联供电，并保持每个电源芯片均处于最高效率区间。
7.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述应用系统调度算法采用硬件语言编写，通过预定频率心跳包维持与相关器件的连接，并通过AHB总线与RISC-V软核通信。
8.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述函数库软件采用Cordic算子进行平方、开方和三角函数运算，以降低系统运算复杂度。
9.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述函数库软件包括姿态测量和待机两种工作模式，两种工作模式之间可以相互切换；
在姿态测量模式下，对采集的图像进行图像滤波、星目标检测、星目标识别、姿态解算，并响应姿态数据请求；
在待机模式下，执行自检、参数配置、在轨升级、图像传图、模式切换相关操作。
10.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述对星图数据处理，解算载体姿态信息具体为：
对采集图像进行星目标提取，星目标提取完成后结合标定参数计算星光观测矢量；
通过星图匹配算法进行星图识别，并确定星光惯性矢量；
根据星光观测矢量和惯性矢量通过QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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