CN1907809A - 高精度aps太阳敏感器 - Google Patents

Abstract

一种高精度APS太阳敏感器，包括：光学引入单元、图像传感单元、信号处理单元和接口单元，所述的光学引入单元与图像传感单元相连接，所述的信号处理单元分别与图像传感单元和接口单元进行连接，所述的接口单元外接有主计算机，其中，光学引入单元用于产生光斑阵列图像，图像传感单元用于输出光斑阵列图像的各像素灰度值，信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角，接口单元用于将姿态角传输至主计算机。本发明在结构方面具有一体化、集成化和小型化的优点，在性能方面能够达到速度快、体积小、视场大、精度高、功耗低的有益效果。

Description

高精度APS太阳敏感器

技术领域

本发明属于航天器上姿态测量控制系统中的姿态敏感器技术领域，尤其是涉及一种高精度APS太阳敏感器。

背景技术

太阳敏感器是以太阳为基准方位，测量太阳视线与卫星等航天器某一体轴或坐标平面之间夹角的一种姿态敏感器，主要有模拟式、一般数字式和新型数字式三种类型，其中，模拟式和一般数字式为国内外航天器所常用，其所用光敏探测元件多为半导体光电池(Si)及光电导器件(CdS)。以光电池为光敏探测元件的模拟式太阳敏感器由于基于光伏特性，模拟量输出，分辨率和测量精度低，不能满足航天器姿态控制的大视场、高精度要求，一般数字式太阳敏感器，如编码式太阳敏感器，比模拟式太阳敏感的精度高，但其光学探头较重、控制复杂，不适应微型化、轻量化的要求，同时也限制了测量精度的提高，美国NASA的喷气推动实验室(JPL)在低功耗、高精度太阳敏感器研究方面一直处于世界领先地位，2003年研制出了基于多孔光学掩膜的太阳敏感器，多孔设计提高了太阳敏感器的精度，但是其太阳敏感器光斑质心的计算是通过将图像传给RISC处理器后实现的，这个过程需要传输的数据比较多、速度慢，成为其太阳敏感器速度的瓶颈，并且增加了算法的复杂度，另外其姿态的计算也是通过RISC处理器实现的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高精度APS太阳敏感器，其在结构方面具有一体化、集成化和小型化的优点，在性能方面能够达到速度快、体积小、视场大、精度高、功耗低的有益效果。

本发明的高精度APS太阳敏感器包括：光学引入单元、图像传感单元、信号处理单元和接口单元，所述的光学引入单元与图像传感单元相连接，所述的信号处理单元分别与图像传感单元和接口单元进行连接，所述的接口单元外接有主计算机，其中，光学引入单元用于产生光斑阵列图像，图像传感单元用于输出光斑阵列图像的各像素灰度值，信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角，接口单元用于将姿态角传输至主计算机。

所述的光学引入单元采用硅基片上镀膜蚀刻的阵列小孔结构。

所述的图像传感单元包括CMOS APS图像传感器。

所述的信号处理单元采用FPGA实现逻辑控制，包括图像传感器驱动模块、质心计算模块、光斑缺失判断与识别模块、姿态计算模块和接口协议模块，上述各个模块顺次连接，其中，所述的图像传感器驱动模块还与图像传感单元连接，所述的接口协议模块还与接口单元连接。

所述的接口单元包括RS422接口转换芯片。

一种高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，光学引入单元产生光斑阵列图像，接着，图像传感单元输出光斑阵列图像的各像素灰度值，然后，信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角，最后，接口单元将姿态角传输至主计算机。

所述的光学引入单元是通过透光的小孔阵列结构引入太阳光线并产生光斑阵列图像的。

所述的图像传感单元是由信号处理单元的图像传感器驱动模块驱动从而逐行输出光斑阵列图像的各像素灰度值的。

所述的信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角的过程具体包括如下步骤：

第一步，质心计算模块读取光斑阵列图像的各像素坐标(x，y)和灰度值I(x，y)后，区分各个像光斑，并采用一阶矩质心算法算出各个像光斑的质心坐标(Xc，Yc)，同时将它们保存在质心X/Y存储器中；

第二步，光斑缺失判断与识别模块从X/Y存储器中读取光斑的质心坐标(Xc，Yc)，并识别出该光斑所在的行序号n和列序号m，同时根据行列序号n和m选取其对应的标定参数x_{0_nm}，y_{0_nm}，sin_nm，cos_nm，F′_nm，α_{0_nm}，β_{0_nm}后传给姿态计算模块；

第三步，姿态计算模块基于CORDIC的算法算出各光斑对应的太阳入射角，然后对各光斑对应的太阳入射角取平均得到最终姿态角α，β。

所述的太阳姿态角α，β考虑了误差的安装模型，其表达式为：

其中X_c，Y_c是光斑质心坐标，F′、x₀、y₀、α₀、β₀、是第m个小孔对应的标定参数。

本发明具有以下优点：(1)通过FPGA技术实现了所有的逻辑控制和计算功能，包括图像传感器驱动、光斑质心提取、姿态计算和接口协议，并采用了流水线工作方式；(2)光学引入步骤和信号处理步骤都集成到一起，直接输出姿态角，实现了系统的集成化和小型化设计；(3)典型的各项指标如下：体积——85×85×47mm³、重量——250g、视场——120°×120°、精度——0.05°(RMS)、数据更新率——10Hz，具有体积小、重量轻和数据更新快的优点，能够满足航天器姿态控制的大视场、高精度要求。

附图说明

下面参照附图和具体实施方式对本发明的高精度APS太阳敏感器作进一步详细地说明。

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的结构原理框图；

图3是本发明的工作流程示意图；

图4是本发明的电气原理图；

图5是本发明的成像光斑示意图；

图6是本发明的质心坐标存放顺序示意图；

图7是本发明的安装误差示意图；

图8是本发明的光斑姿态角的计算流程示意图。

具体实施方式

如图1(a)所示，本发明的高精度APS太阳敏感器基于小孔成像原理对太阳进行成像，使其成像光斑投射在CMOS APS图像传感器上，根据各光斑中心位置可测算出太阳的入射角，这里对其中一个小孔建立如图1(b)所示坐标系，假设太阳光在小孔坐标系中矢量方向为V，在两轴方向上的入射角度分别是α，β，小孔平面与成像平面的距离是F，由此可得到该坐标系下像点质心坐标(X_c，Y_c)以及入射角度α，β的表达式如下：

$\left(\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}F*\tan \mathrm{\α}\\ -F*(\tan \mathrm{\β}/\cos \mathrm{\α})\end{array}\right)$

$\mathrm{\α}=\arctan (X_C/F),\mathrm{\β}=\arctan (Y_c/\sqrt{{X_C}^2+F^2})---\left(1\right)$

本发明的光学引入单元采用硅基片上镀膜蚀刻3×3的阵列小孔来实现，这里采用硅基片的厚度为300μm，小孔直径为50μm，孔间距250μm，考虑CMOS光强饱和特性以及掩膜加工工艺，选择的光谱范围为1μm～1.1μm，根据所要达到的视场范围，掩膜平面到成像平面距离F取3.5mm。

图2所示的是本发明高精度APS太阳敏感器的结构框图，如图所示，其包括光学引入单元、图像传感单元、信号处理单元和接口单元，其中，所述的光学引入单元与图像传感单元相连接，所述的信号处理单元与图像传感单元和接口单元分别相连接，所述的接口单元外接有主计算机。所述的光学引入单元采用硅基片上镀膜蚀刻的阵列小孔结构；所述的图像传感单元包括CMOS APS图像传感器；所述的信号处理单元采用FPGA实现逻辑控制，包括图像传感器驱动模块、质心计算模块、光斑缺失判断与识别模块、姿态计算模块和接口协议模块，上述各个模块顺次连接，其中，所述的图像传感器驱动模块还与图像传感单元连接，所述的接口协议模块还与接口单元连接；所述的接口单元包括RS422接口转换芯片。

如图3所示，本发明进行姿态测量的工作过程如下：首先，光学引入单元通过其透光的小孔阵列结构引入太阳光线并产生光斑阵列图像，接着，信号处理单元的图像传感器驱动模块驱动CMOS图像传感器，使其逐行输出光斑阵列图像的各像素灰度值。然后信号处理单元的质心计算模块读取图像各像素坐标(x，y)和灰度值I(x，y)后，区分各个像光斑，并采用一阶矩质心算法算出各个像光斑的质心坐标(Xc，Yc)，同时将它们保存在质心X/Y存储器中，然后，光斑缺失判断和识别模块从这两个存储器中读取光斑的质心坐标(Xc，Yc)，并识别出该光斑所在的行序号n和列序号m，同时根据行列序号nm选取其对应的标定参数x_{0_nm}，y_{0_nm}，sin_nm，cos_nm，F′_nm，α_{0_nm}，β_{0_nm}后传给姿态计算模块，然后，姿态计算模块根据这些值算出各光斑对应的太阳入射角，然后对各光斑对应的太阳入射角取平均得到最终的姿态角α，β，最后接口协议模块根据传输协议将最终姿态角α，β传给主计算机，姿态计算模块对姿态角的计算基于CORDIC的算法实现，其不但能够兼顾计算结果的速度和精度的要求，而且能够大大节省FPGA的资源。

图4是本发明的电气原理图，由图可知，图像传感单元包括芯片U1，其采用Fillfactory公司型号为STAR1000的CMOS图像传感器；信号处理单元包括芯片U2，其采用Xilinx公司型号为XCV600-HQ240I的FPGA；U3是FPGA的EPROM程序配置芯片，采用的型号为XC18V04_VQ44；本发明的接口单元包括芯片U4，其采用型号为MAX3491的RS422接口转换芯片；U5是24MHz晶振；U6、U7分别是3.3V和2.5V稳压源；R1、C1...R9、C9和R10、R11是CMOS相应引脚的偏置电阻电容；C10...C17是CMOS的电源滤波电容；RW1、RW2用来调节CMOS的两种复位电平；S1、S2、S3用来选择CMOS的两种复位方式；Cf1、Cf2是3.3V稳压源的滤波电容；Rf1、Rf2是2.5V稳压源的调压电阻，Rf3是其滤波电容；Rp1...Rq4是EPROM配置引脚的上拉电阻；Cp1...Cp4是EPROM的电源滤波电容；S4、S5、S6组合起来用来选择FPGA的配置方式；Cd9...Cd36是FPGA的电源滤波电容；CJ和CM分别是晶振和MAX3491的电源滤波电容；LED1用来指示配置完成与否；J2连接FPGA和CMOS的接口；J3是MAX3491的输出接口；J1是下载配置信息的接口，本发明的高精度APS太阳敏感器采用一阶矩质心算法提取各像光斑中心位置，并基于CORDIC算法测算出最终的姿态角，当上电后，CMOS APS图像传感器经信号处理单元驱动输出图像各像素灰度信号，FPGA读取一帧图像经质心提取和姿态计算后，得到最终姿态角，并将该姿态角按照传输协议传给RS422接口转换芯片，RS422接口转换芯片将FPGA的输出信号电平转换为与RS422兼容的信号电平，从而完成与主计算机的通信。

如图5到图8所示，下面介绍本发明的FPGA逻辑控制过程：

一、CMOS图像传感器驱动

按照CMOS图像传感器驱动时序的要求，基于FPGA实现了对CMOS图像传感器的驱动，使其逐行输出图像各像素的10bit灰度值。

二、质心计算

本发明的高精度APS太阳敏感器对各个像光斑中心位置的提取是基于一阶矩质心算法，假设一个像光斑的成像区域为M行N列，则该光斑的质心坐标可由下面公式得到

$\mathrm{Xc}=\frac{1}{I_{\mathrm{total}}}\underset{r=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xr}*I(r,h),\mathrm{Ycentr}=\frac{1}{I_{\mathrm{total}}}\underset{r=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_h*I(r,h)---\left(2\right)$

其中 $I_{\mathrm{total}}=\underset{r=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(r,h).$ 式中，Xc，Yc是求得的光斑质心坐标；Xr，Y_h是r行h列像素的坐标；I(r，h)是r行h列像素的灰度值。质心计算模块通过CMOS图像传感器驱动模块，逐行读取CMOS输出图像的各像素灰度值I(x，y)和坐标值(x，y)，对灰度大于阈值的像素做标记，并根据这些标记来区分各个像光斑和累加各个像光斑的 $\underset{r=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xr}*I(r,h),\underset{r=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_h*I(r,h)$ 和I_total，然后根据式(2)得到各光斑的质心坐标。实现该算法的具体过程见张广军等所著的“用于星敏感器的星点图像定位方法及装置”，该算法具有精度高、速度快的特点。

三、光斑缺失判断与序号识别

采用上述质心算法将各光斑质心X坐标和Y坐标分别保存在存储器中。由图像特征和质心算法的过程所知，其存放顺序并不是按光斑序号依次存放的，而是按行依次存放，同一行光斑质心坐标的存放顺序则是随机的，例如对图5所示的3×3阵列小孔结构的光学引入单元的成像光斑图像，质心X坐标存放顺序为图6(a)所示，括号内表示光斑所在行和列的序号，质心Y坐标存放顺序与质心X坐标存放顺序相同。

实际使用中可能会因为掩膜被污染，使个别小孔不能透光而导致某些光斑缺失的情况。对于图5所示图像，如果光斑6缺失，则各光斑质心坐标在存储器中的存放就成为图6(b)，为了降低运算复杂度，如果某一行光斑有缺失，则该行光斑不参与后续姿态计算，因此在计算姿态之前先进行光斑缺失的判断，从图像特征知，同一行光斑其质心y坐标相差不超过10个像素，而不同行光斑其质心y坐标相差超过10个像素，基于这一特征，从质心Y坐标存储器(存放顺序与6(b)所示同)中依次读取各光斑质心y坐标值，两两做减法运算，并累计读取的光斑个数L，当差值大于10个像素，表明第n行光斑结束，此时累计的光斑个数L若等于3表示该行光斑无缺失；若L小于3，则表示该行有光斑缺失，对无缺失的第n行光斑，比较其质心x坐标的大小可识别其相应的列序号m。

四、姿态计算

式(1)是图1(a)所示理想情况下的太阳入射角表达式，实际使用中会出现如图7所示的安装误差，这里对各个参数描述如下：

(a)小孔平面坐标原点相对成像平面坐标原点平移，设小孔平面坐标原点在成像平面投影的坐标为(x₀，y₀)；

(b)小孔平面到成像平面距离不为精确的理论值F，设实际值为F’；

(c)小孔平面相对成像平面在两轴方向倾斜，设倾斜角分别为α₀，β₀；

(d)小孔平面相对成像平面旋转，设旋转角为。

考虑上述误差模型的太阳入射角表达式变为：

其中X_c，Y_c是光斑质心坐标，F′、x₀、y₀、α₀、β₀、是第m个小孔对应的标定参数。

由式(3)、(4)知，太阳入射角度α、β的测算涉及到反正切、平方和开根号、乘法、除法和加减法运算，反正切函数传统的实现方法有查表、多项式展开或近似的方法，这些方法在速度、精度方面不能兼顾，而且不利于FPGA实现。用CORDIC算法实现反正切函数能很好地解决这些问题。

对式：

这样的平方和开根号运算，如果采用先乘方，相加后求平方根的方法来实现，即费资源又费时序，如果把它看成复数A+Bi的模，利用CORDIC算法来实现，可大大节省FPGA的资源。其中A＝F′，B＝[(X_c-x₀)cos+(Y_c-y₀)sin]，本发明采用CORDIC算法快速有效地实现了其中反正切、平方和开根号运算。

姿态计算模块在读取某个光斑的质心坐标(X_{c_nm}，Y_{c_nm})以及其对应的标定参数x_{0_nm}，y_{0_nm}，sin_nm，cos_nm，F′_nm，α_{0_nm}，β_{0_nm}后，按照图8进行计算得到该光斑对应的太阳入射角α_nm，β_nm。累加无光斑缺失行的所有光斑对应的太阳入射角α_nm，β_nm，最后分别对它们取平均得到最终输出的姿态角α，β。

五、接口协议

接口协议模块按照与主计算机的串口协议，将最终得到的姿态角α，β通过R422接口转换芯片MAX3491传给主计算机。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些变化也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度APS太阳敏感器，其特征在于包括：光学引入单元、图像传感单元、信号处理单元和接口单元，所述的光学引入单元与图像传感单元相连接，所述的信号处理单元分别与图像传感单元和接口单元进行连接，所述的接口单元外接有主计算机，其中，光学引入单元用于产生光斑阵列图像，图像传感单元用于输出光斑阵列图像的各像素灰度值，信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角，接口单元用于将姿态角传输至主计算机。

2.如权利要求1所述的高精度APS太阳敏感器，其特征在于所述的光学引入单元采用硅基片上镀膜蚀刻的阵列小孔结构。

3.如权利要求2所述的高精度APS太阳敏感器，其特征在于所述的图像传感单元包括CMOS APS图像传感器。

4.如权利要求3所述的高精度APS太阳敏感器，其特征在于所述的信号处理单元采用FPGA实现逻辑控制，包括图像传感器驱动模块、质心计算模块、光斑缺失判断与识别模块、姿态计算模块和接口协议模块，上述各个模块顺次连接，其中，所述的图像传感器驱动模块还与图像传感单元连接，所述的接口协议模块还与接口单元连接。

5.如权利要求4所述的高精度APS太阳敏感器，其特征在于所述的接口单元包括RS422接口转换芯片。

6.一种高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，光学引入单元产生光斑阵列图像，接着，图像传感单元输出光斑阵列图像的各像素灰度值，然后，信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角，最后，接口单元将姿态角传输至主计算机。

7.如权利要求6所述的高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于所述的光学引入单元是通过透光的小孔阵列结构引入太阳光线并产生光斑阵列图像的。

8.如权利要求6或7所述的高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于图像传感单元是由信号处理单元的图像传感器驱动模块驱动从而逐行输出光斑阵列图像的各像素灰度值的。

9.如权利要求8所述的高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于信号处理单元根据光斑阵列图像的各像素灰度值测量得到姿态角的过程具体包括如下步骤：

第一步，质心计算模块读取光斑阵列图像的各像素坐标(x，y)和灰度值I(x，y)后，区分各个像光斑，并采用一阶矩质心算法算出各个像光斑的质心坐标(Xc，Yc)，同时将它们保存在质心X/Y存储器中；

第二步，光斑缺失判断与识别模块从X/Y存储器中读取光斑的质心坐标(Xc，Yc)，并识别出该光斑所在的行序号n和列序号m，同时根据行列序号n和m选取其对应的标定参数x_{0_nm}，y_{0_nm}，sin_nm，cos_nm，F′_nm，α_{0_nm}，β_{0_nm}后传给姿态计算模块；

第三步，姿态计算模块基于CORDIC的算法算出各光斑对应的太阳入射角，然后对各光斑对应的太阳入射角取平均得到最终姿态角α，β。

10.如权利要求9所述的高精度APS太阳敏感器进行姿态测量的方法，其特征在于所述的太阳姿态角α，β考虑了误差的安装模型，其表达式为：

其中X_c，Y_c是光斑质心坐标，F′、x₀、y₀、α₀、β₀、是第m个小孔对应的标定参数。

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