《电子技术应用》

国产化微小型星敏感器研究及应用

2018年电子技术应用第1期
郑 拓,王冠雅
(北京微电子技术研究所,北京100076)
摘要: 星敏感器是航天飞行器姿态控制的重要组成部件。基于国产抗辐射CMOS APS芯片和SoPC控制芯片,设计一款微小型星敏感器的光学及电学系统,最终实现星敏感器的小型化、国产化。以研制一台国产化微小型化星敏感器作为切入点,研究其参数的设计、系统的构建、使用性能等关键技术问题。最终研制的星敏感器符合预期设计,能够完成基本功能。
中图分类号: V448.22
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172768
中文引用格式: 郑拓,王冠雅. 国产化微小型星敏感器研究及应用[J].电子技术应用,2018,44(1):76-78,83.
英文引用格式: Zheng Tuo,Wang Guanya. Research and application of domestic micro star sensor[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):76-78,83.

Research and application of domestic micro star sensor

Zheng Tuo,Wang Guanya
(Beijing Microelectronics Technology Institute,Beijing 100076,China)
Abstract: Star sensor is an important part of the attitude control of spacecraft. Based on the homemade anti-radiation CMOS APS chip and SoPC control chip, the optical and electrical system of a miniature star sensor is designed, and finally the miniaturization and localization of star sensor are realized. In order to develop a homemade miniaturized star sensor as the breakthrough point, the key technical issues of its parameter design, system construction and performance are studied. The developed star sensor eventually meets the expected design, and can complete the basic functions.

0 引言

    星敏感器是所有敏感器中最为精密而且漂移最小的,是航天飞行器中重要的定姿系统。使用CMOS作为星敏感器的传感器器件已经是现在的主流方向,国产星敏感器与国外先进技术存在着较大的差距,使用国产化器件,拥有自主知识产权的微小型化星敏感器已经变得迫在眉睫。本文以某国产化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片设计星敏感器,对其光学及电学系统进行研究设计。

1 星敏感器设计

    星敏感器系统由遮光罩、光学镜头、敏感器芯片及外围电路、数据处理器和电脑控制系统组成,其组成框图如图1所示。

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1.1 光学系统设计

    本文中使用的CMOS APS传感器为某国产型号B1XXX,电路中各项功能、指标、参数、封装形式、引脚定义均兼容最常用的美国CYPRESS公司STAR1000产品,其参数见表1。

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    星敏感器光学系统参数会根据不同的应用环境而有所不同,它主要由以下几点确定:传感器的像元尺寸、光谱响应特性、所需探测的最高星等。光学系统的参数需要设定的有镜头的焦距、光谱范围、弥散斑尺寸、通光孔径、中心波长透过率等[1]

1.1.1 视场角的确定

    视场角是确定光学镜头能够探测到星空最大范围的指标。在同等条件下,视场角越大,能够观测到的星数越多。但是过多的星数会干扰后续的计算,所以选择合适的视场角是构建光学系统的第一步。

    本文使用的APS CMOS传感器是某国产芯片。像元尺寸15 μm,分辨率1 024×1 024,工作波长范围选定为400 nm~780 nm。要求在任意姿态下捕获4颗以上导航星的概率达到99%,以便后续计算[2]。根据这一数据要求,通过编程处理星表,可得在给定视场内观测到各个星等的数量。进一步统计当星等为5.5等时,选取视场角为20°×20°能够满足在任意视场内观测到4颗及以上星星这一条件。故选取20°×20°作为视场角。

1.1.2 焦距的确定

    焦距是确定成像平面到镜面的距离。由于选取的物体远近不同,焦距会产生相应的变化。在太空中,星星的位置与距离相对固定,所以与普通的相机变焦不同,星敏感器的焦距是固定的。现有光学系统视场和焦距关系式为:

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1.1.3 弥散斑尺寸的确定

    本文以 20°×20°的视场角为例,采用1 024×1 024 像元,则单个像元仅能达到20/1 024≈0.019 5°≈70″。为了提高像元测算的精准度,需要将传感器接收到的图像进行离焦,使像点弥散开来,从而使能量扩散到周围的数个像元。将多个像元的能量信号进行汇总,根据一定的算法,共同计算并获取星点的位置。这样做的目的是使得星点位置不仅仅从单个像元上获得,而是能够达到亚像元级别。即亚像元内插星点提取方法[3]。目前常用的弥散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元,使用大的弥散斑尺寸能提高定位精度,但会影响到后续的计算速度。本文采取2×2像元大小作为弥散斑尺寸。

1.1.4 相对孔径的确定

    孔径与焦距用相对孔径F表示,即F/#=f/D。国标GB/T 30111-2013中,对相对孔径的定义是入瞳直径与焦距的比值,即D/f,其数值在1/0.8~1/6之间选取。

    F/#的计算由以下公式给出[4]

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其中Vth为信噪比,取值5;Id为暗电流噪声;ck7-1.2-s1.gif为其余噪声总和;τ为光学系统透过率,取0.75;η为能量集中度,取90%;t为曝光积分时间,取100 ms;a为像元尺寸,取15 μm;k为探测器的光功当量;H为恒星发射到光学系统入瞳上的光照度;QE为量子效率;FF为面积占空比;d为弥散斑大小,h为普朗克常数,v表示入射光中心波长对应的频率。最终计算结果为D≥25.2 mm。则F/#=25.2/43.56=1:1.73。符合国家标准范围。

1.2 电学系统设计

1.2.1 CMOS APS传感器分析

    本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗辐射CMOS图像传感器,像素尺寸为15 μm×15 μm。电路各项功能、指标、封装形式、引脚定义均兼容美国CYPRESS公司的STAR1000产品。片内集成了双采样技术、可变增益放大器(PGA)以及12位模数转换器(ADC)。且片上ADC电学可隔离,既可以采用片上ADC数字量化输出,也可以依据用户需求,直接输出光模拟信号。

    电路具有智能窗口功能,即像素阵列的X、Y地址可随机编程,实现对窗口大小、起止地址的随机控制;具有高灵敏度(≥2.7 V/lux·s(@550 nm)),可适应空间微光环境需求;具有1、2、4、8倍可编程增益,可以根据光照强弱控制输出增益,适应更宽工作环境;具有双斜积分功能,可大大提高动态范围,从而提高同一环境下强光弱光同时存在时的适应性;抗辐射总剂量能力≥100 Krad(Si),抗单粒子闩锁LET≥75 Mev·cm2/mg。

    器件结构及特点:B1XXX的功能结构框图如图2所示。该图像传感器主要包含6个部分:像素阵列、寻址逻辑、前置列放大器、可编程增益放大器(PGA)、模拟多路选择器和ADC。

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1.2.2 FPGA时序驱动模块

    焦平面图像传感器的选择直接关系到星敏感器的核心设计。 

    本系统利用FPGA实现对CMOS图像传感器的驱动、CMOS图像传感器与处理器系统的接口,以及星图存储或星图预处理等功能。单时钟全同步的设计被设计中所使用,外部20 MHz晶振提供了时钟输入来源,内部则进行分频处理。这一较为复杂的时序逻辑能够通过编程得以实现[5],如图3所示。

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1.2.3 信号处理方案

    信号处理板采用了国产SoPC核心信号处理板,该核心板基于国产SoPC进行二次集成开发,将SoPC最小应用系统、基础配置电路和通信接口模块集成在了尺寸为51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上。其中SoPC芯片总体结构框图如图4所示。

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    此外,核心信号处理板还包括了基础的配置及与应用系统的通信接口,主要包括:PLL配置、调试接口配置、复位模块、时钟模块、FPGA配置等。通信接口主要包括:1553通信接口、ADC接口、串行通信接口、可扩展GPIO接口、中断接口、I2C总线、定时器/计数器输入/输出接口、测试与指示接口等。这些基本可以满足星敏感器的软件需求。

    最终设计方案为:将星敏感器电学系统(不含外壳)尺寸小型化到60 mm×60 mm,2块电路板重量(含紧固件)共计约60 g,静态功耗约1.2 W。

2 APS星敏感器软件方案

    星敏感器的软件算法主要包括星库建立、星图预处理、星图识别与星图匹配、姿态解算等部分。

    (1)星库建立

    星库是根据星表筛选后建立的导航星的集合,其作用是在进行星图匹配时提供匹配的依据。确定好星表后,就可以根据星表建立起相应的导航星库。

    (2)星图预处理

    在传感器获得图像之后,由于各种噪声的存在,需要在处理数据之前进行降噪,随后将星点质心提取,提供给星图识别算法。

    在实际应用中采用了简单的平均值去噪方法。由于固定噪声的数值在一定范围内不规律地呈现,故可以取其平均值作为系统的固定噪声,再用采集的图像与平均值求差,可以得到初步的降噪效果。具体方法为:使用星敏感器系统连续拍摄在黑暗条件下的图片,获取其中噪点的信息,包括位置及数值。在同一位置获得的噪点信息,使用平均值法算出均值作为其最终数值。

    由于积分时间不同,固定噪声呈现出的噪点会有略微不同。统计在积分时间为10 ms、50 ms、100 ms的情况下,采用10次平均值方法得出的平均噪声与实际的差值。

    在采集全黑的图片时,固定噪声干扰会带来大约3.6%左右的影响。噪声灰度值集中在08~10左右。当使用平均值去噪方法后,噪声灰度值集中在00~02左右。表2为不同积分时间下使用平均值去噪的效果。

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    (3)星图识别与星图匹配

    在提取质心信息后,在导航星库中搜索识别相同信息的导航星,如果获得唯一匹配的导航星,则匹配成功。

    (4)姿态解算

    当匹配成功后进行姿态解算,算出当前的姿态角或四元数数据,输出结果。

    图5为星敏感器软件流程图。

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3 结论

    本文根据某国产抗辐射COMS APS芯片和SoPC控制芯片,设计了微小型星敏感器的光学及电学系统。根据现有的传感器特性,有针对性地选择合适的光学系统参数,并得出其确定参数。光学系统在确定了视场角和APS传感器之后,就可以依次得出焦距、相对孔径等参数。星敏感器根据硬件及系统的要求,设计了FPGA驱动模块和信号处理模块。星敏感器硬件完全国产自主化,并符合GB/T 30111-2013中对于星敏感器的要求,软件部分根据现有的器件参数进行编程。最后,设计并完成了一套国产化星敏感器实验原理样机。

参考文献

[1] 黄欣.星敏感器光学系统参数的确定[J].航天控制,2000(1):44-50.

[2] 吴峰.自主导航星敏感器关键技术的研究[D].苏州:苏州大学,2012.

[3] 何家维.高精度全天时星敏感器关键技术研究[D].长春:中国科学院研究生院,2013.

[4] 吴峰.自主导航星敏感器关键技术的研究[D].苏州:苏州大学,2012.

[5] 袁家虎.导航星敏感器技术研究[D].成都:四川大学,1999.

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