摘 要： 提出了采用高集成度的CMOS圖像傳感器結(jié)合DSP技術(shù)的技術(shù)方案，研制成功超小型的星敏感器" title="星敏感器">星敏感器。該星敏感器具有體積小、重量輕、功耗低" title="功耗低">功耗低的特性，完全能夠滿足航天制導(dǎo)的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞： CMOS; DSP； 星敏感器; 星圖
?
星敏感器(star sensor)是當(dāng)今航天器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測(cè)量器件，它通過(guò)探測(cè)天球上不同位置的恒星來(lái)確定衛(wèi)星姿態(tài)，為航天飛行器提供相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)。
星敏感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器電路和控制與數(shù)據(jù)處理電路構(gòu)成。其基本的工作原理如下：圖像傳感器對(duì)恒星成像，由數(shù)據(jù)處理電路對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理，提取出所需的星點(diǎn)位置和亮度信息，進(jìn)行星圖匹配，從而計(jì)算出星敏感器的三軸姿態(tài)[1]。
航天科技的發(fā)展對(duì)星敏感器提出了越來(lái)越高的要求，新型的星敏感器必須有更高的速度和更小的體積。尤其在星光慣性混合制導(dǎo)中，星敏感器需要放置在飛行器狹小的慣導(dǎo)平臺(tái)內(nèi)部，這對(duì)星敏感器的體積提出了非常嚴(yán)格的要求。同時(shí)，還必須保證星敏感器具備足夠的敏感度和處理能力，基于以上考慮，本文采用以CMOS圖像傳感器和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）作為核心器件的電路設(shè)計(jì)方案。
1 CMOS圖像傳感器簡(jiǎn)介
目前，固體圖像傳感器分為電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）、光電二極管陣列（PDA）、NMOS圖像傳感器、CMOS圖像傳感器等[2]。
CMOS圖像傳感器基于超大規(guī)模集成電路的主流工藝，可以把光敏陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、模擬信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、全數(shù)字接口電路集成在一塊芯片上，單芯片就可以完成攝像機(jī)全部電學(xué)功能，體積小，功耗低。早期的CMOS圖像傳感器在分辨率、噪聲和成像質(zhì)量上低于CCD圖像傳感器，但是近年來(lái)，亞微米工藝技術(shù)的發(fā)展和器件結(jié)構(gòu)不斷改善大大增強(qiáng)了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。一些參數(shù)性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)CCD圖像傳感器，完全可以代替CCD作為星敏感器的圖像傳感器。
2 系統(tǒng)組成
整個(gè)星敏感器電學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分成兩大部分：星敏本體和星捕獲處理電控" title="電控">電控部分，如圖1所示。星敏本體包括光學(xué)鏡頭、CMOS圖像傳感器和CMOS驅(qū)動(dòng)電路等。星捕獲處理電控部分包括數(shù)字信號(hào)處理器、星像緩沖存儲(chǔ)器" title="緩沖存儲(chǔ)器">緩沖存儲(chǔ)器、接口和處理軟件等。
?
?
2.1 星敏本體
2.1.1 圖像傳感器LM9617
本文所采用的CMOS圖像傳感器是單色圖像傳感器LM9617, LM9617的像元數(shù)為664×504，提供片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換器、固定圖形噪聲消除單元、視頻增益。另外，內(nèi)部集成了靈活的時(shí)序和控制單元使用戶可以最大限度地調(diào)整積分時(shí)間、有效窗口尺寸、增益和幀頻，還提供了多種控制、時(shí)序和電源模式。其主要的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
?
DSP對(duì)LM9617的控制通過(guò)雙向二線制的同步串行I2C總線實(shí)現(xiàn)，DSP通過(guò)I2C總線對(duì)LM9617相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LM9617的積分時(shí)間和模式、增益和幀頻、開(kāi)窗位置、讀出模式等的控制。
2.1.2 致冷器
由于CMOS的暗電流和熱噪聲較大，要保證星敏感器的測(cè)量精度，就必須采用主動(dòng)致冷措施。用半導(dǎo)體致冷器將CMOS冷卻到10℃±1℃ 以降低CMOS暗電流和熱噪聲。致冷器選用Marlow公司生產(chǎn)的單級(jí)半導(dǎo)體致冷器。同時(shí)還要采用隔熱材料進(jìn)行被動(dòng)式致冷，以達(dá)到更好的致冷效果。
2.2 星捕獲處理電控部分
星捕獲處理電控部分由CPU、星像緩沖存儲(chǔ)器、地址發(fā)生器和接口等構(gòu)成。
2.2.1 CPU
本星敏感器采用TI公司的DSP TMS320F206作為系統(tǒng)的CPU。系統(tǒng)CPU的功能包括：
(1)控制星敏感器的工作方式;
(2)控制地址發(fā)生器、自檢標(biāo)定和致冷器;
(3)接收慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令和控制參數(shù)，實(shí)施控制并設(shè)置預(yù)置參數(shù);
(4)處理視頻信號(hào)處理器送來(lái)的數(shù)字星像信號(hào)，確定閾值，對(duì)數(shù)字星像信號(hào)進(jìn)行連通性分析，通過(guò)內(nèi)插細(xì)分求出選定星的精確像面坐標(biāo)和星的亮度。
2.2.2 地址發(fā)生器
地址發(fā)生器根據(jù)CMOS圖像傳感器所提供的行、場(chǎng)和像元時(shí)鐘等時(shí)序信號(hào)，為星圖緩沖存儲(chǔ)器產(chǎn)生存儲(chǔ)星像所需要的存儲(chǔ)地址，完成星圖的存儲(chǔ)。
2.2.3 星圖緩沖存儲(chǔ)器
星圖緩存器由大容量的靜態(tài)RAM構(gòu)成，通過(guò)CMOS所采集的原始星圖預(yù)先存儲(chǔ)在星圖緩沖存儲(chǔ)器中，再由CPU訪問(wèn)星圖緩沖存儲(chǔ)器，對(duì)所存儲(chǔ)的星圖作進(jìn)一步的處理。
2.2.4 接口
采用RS485接口芯片，以串行通訊方式與慣導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行命令與數(shù)據(jù)通訊。
3 工作模式及流程
星敏感器有4種工作模式：自檢工作模式、捕獲工作模式、跟蹤工作模式和成像工作模式。
星敏感器上電以后，首先工作在自檢工作模式，點(diǎn)亮放在CMOS前的標(biāo)定燈，CMOS對(duì)標(biāo)定燈的燈光成像，系統(tǒng)通過(guò)檢查所成圖像的平均灰度來(lái)判定星敏感器的工作正常與否。自檢正常后即進(jìn)入捕獲模式。在捕獲模式下，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)所呈現(xiàn)的星圖進(jìn)行處理，剔除太空碎片和大目標(biāo)，選取最亮的2～5顆星作為導(dǎo)航星" title="導(dǎo)航星">導(dǎo)航星，確定導(dǎo)航星窗口。導(dǎo)航星窗口確定以后，進(jìn)入跟蹤模式。在跟蹤模式下，處理導(dǎo)航星窗口內(nèi)的星象數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航星的精確位置，判斷出其星等，輸出計(jì)算結(jié)果，同時(shí)更新導(dǎo)航星窗口的位置。其工作流程如圖2所示。
?
成像模式一般在試驗(yàn)調(diào)試中使用。在成像工作模式下，星敏感器被作為一臺(tái)相機(jī)使用，可以拍攝和存儲(chǔ)視場(chǎng)內(nèi)的星圖，所拍攝的星圖通過(guò)RS485接口直接傳輸給外部的星務(wù)計(jì)算機(jī)。在試驗(yàn)調(diào)試中，通過(guò)成像模式可以觀察所拍攝的星圖，檢驗(yàn)星敏感器的測(cè)量精度，在實(shí)際應(yīng)用中，啟動(dòng)成像模式后，星敏感器可以作為空間相機(jī)使用，擴(kuò)展了星敏感器的使用范圍。
4 軟件基本算法
星敏感器的主要功能是對(duì)星點(diǎn)的精確坐標(biāo)定位，受光學(xué)系統(tǒng)和CMOS制造工藝的限制，圖像的分辨率不可能無(wú)限制地提高。因此通過(guò)提高圖像分辨率來(lái)提高定位精度的方法具有明顯的局限性，而通過(guò)圖像處理軟件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)分定位則是一個(gè)行之有效的途徑。為了達(dá)到較高的定位精度，本設(shè)計(jì)采用離焦（彌散）的方式，使恒星在CMOS的感光面上的成像點(diǎn)擴(kuò)散到較多的像元上，然后進(jìn)行細(xì)分定位，如圖3所示。試驗(yàn)表明，當(dāng)彌散圓的面積在3×3個(gè)像元時(shí)，可以達(dá)到很理想的細(xì)分定位精度。
?
點(diǎn)狀光斑目標(biāo)的細(xì)分定位方法可以分為基于灰度和基于邊緣兩大類?；诨叶鹊姆椒ㄒ话憷媚繕?biāo)的灰度分布信息、如矩心法、曲面擬合法等?；谶吘壍姆椒ㄒ话憷媚繕?biāo)的邊緣形狀信息，如邊緣圓(橢圓)擬合、Hough變換等。一般而言，基于灰度的方法適用于較小的目標(biāo)，而基于邊緣的方法適用于較大的目標(biāo)，且對(duì)灰度不敏感。從星圖的特征可以看到，星點(diǎn)與背景主要區(qū)別就在于灰度，而且實(shí)際星圖中的星點(diǎn)目標(biāo)的直徑一般為三個(gè)像元，是比較典型的小目標(biāo)，所以細(xì)分算法宜采用基于灰度的方法[3-4]。
在基于灰度的算法中，與曲面擬合法相比，矩心法是對(duì)信號(hào)求面積的矩，然后再在區(qū)域內(nèi)作面積平均，因此，可顯著降低每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)信號(hào)的影響，有利于消除系統(tǒng)誤差，減少隨機(jī)誤差，提高值的穩(wěn)定度和重復(fù)精度，所以，采用矩心法作為求高精度星點(diǎn)坐標(biāo)定位的方法。
矩心算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
上述表達(dá)式中，Vth為星圖閾值，Axy是像元灰度值，x、y為像元信號(hào)的橫縱坐標(biāo)（單位：像元），xc、yc為星點(diǎn)信號(hào)矩心橫縱坐標(biāo)（單位：像元），（xc，yc）代表了星點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)插細(xì)分后所得到的精確定位位置[5-6]。
5 性能測(cè)試結(jié)果及分析
采用本文所提出的設(shè)計(jì)方案，研制成功了基于CMOS和DSP的超小型星敏感器，如圖4所示。
?
該星敏感器的外形尺寸只有φ80mm×φ60mm×110mm，功耗只有2W左右。從筆者所掌握的資料來(lái)看，這是目前國(guó)內(nèi)獨(dú)立研制成功的體積最小的星敏感器。
5.1 野外測(cè)試
??? 圖5為野外試驗(yàn)所拍攝的牧羊座區(qū)域星圖，圖6為SKYMAP所提供的牧羊座區(qū)域星圖。
?
?
?
??? 星敏感器在捕獲模式下，對(duì)所捕獲的整幅星圖進(jìn)行掃描，確定導(dǎo)航窗口，識(shí)別出星點(diǎn)坐標(biāo)所用時(shí)間為168ms。如果在跟蹤模式下，不對(duì)整幅星圖掃描，只處理導(dǎo)航窗口內(nèi)的星點(diǎn)數(shù)據(jù)，所用時(shí)間只為50ms左右，完全可以滿足星光慣性混合制導(dǎo)的數(shù)據(jù)更新率的要求。
5.2 細(xì)分靜態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試
?? 在室內(nèi)對(duì)該星敏感器做了細(xì)分靜態(tài)穩(wěn)定性的試驗(yàn)。用平行光管產(chǎn)生如圖7所示的模擬星圖。在星點(diǎn)的定位細(xì)分識(shí)別百分之一個(gè)像元的情況下，在2分鐘內(nèi)重復(fù)采集處理數(shù)據(jù)20次，在2小時(shí)內(nèi)，間隔6分鐘重復(fù)采集處理數(shù)據(jù)20次，從所得測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，間隔6分鐘采集測(cè)量的均方差比連續(xù)采集略有增加，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是，隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，引入的隨機(jī)誤差會(huì)隨著增加，測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性會(huì)略有下降，這種現(xiàn)象是正常的。測(cè)量結(jié)果表明，不論是連續(xù)測(cè)量還是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，均方差的值都在0.001像元左右，該試驗(yàn)表明該星敏感器的細(xì)分靜態(tài)穩(wěn)定性是十分優(yōu)異的，完全可以滿足航天制導(dǎo)的技術(shù)要求。
??? CMOS圖像傳感器和DSP都具有集成度高、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，因此，基于二者設(shè)計(jì)的星敏感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低的硬件特性。同時(shí)，實(shí)踐證明，該星敏感器體積小，功能強(qiáng)大，對(duì)星點(diǎn)細(xì)分精度可以達(dá)到百分之一個(gè)像元，靜態(tài)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)更新率高，功耗低，是目前國(guó)內(nèi)星光慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中技術(shù)先進(jìn)的星敏感器。
參考文獻(xiàn)
[1]?陳元枝. 基于星敏感器的三軸姿態(tài)測(cè)量方法研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所，2000.
[2]?袁家虎.導(dǎo)航星敏感器探測(cè)靈敏度研究[J]. 光電工程，1999，26：56-60.
[3] 楊 博. 一種用星敏感器自主定位方法的精度分析[J].航天控制, 2001，(1)：12-16.
[4] AMOLD J, PASTENACK H. Detection and tracking of?low-observable targets through dynamic programming,SPIE,
?Signal and Data Processing of Small Targets,1990,1481:198-208.
[5] HANNELORE G H,CYRUS E. Adaptive threshold adjustment and control,SPIE,Singal and Data Processing of small
??targets,1989,1096:44-54.
[6] PADGETT C， KREUTZ-DELGADO K. A gid algorithm?for autonomous star identification. IEEE Transations on
?Aerospace and Leectronic Systems,1997,33(1):202-213.