CN111156992A - 微型星载星敏感器及其工作流程时序 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型星载星敏感器，包括星敏本体，在所述星敏本体的前端安装有遮光罩；所述星敏本体内安装有光学镜头组件和用于安装CMOS探测器的前置板，光学镜头组件将平行光聚焦在CMOS探测器的靶面上；在所述星敏本体内还安装有处理板、电源板和接口板；所述处理板与CMOS探测器和接口板通信连接；所述电源板为内部电器件进行供电。本发明所述的微型星载星敏感器，具有的精度高、体积重量小、成本功耗低的优点，有效保证微纳卫星姿态测量与控制的精度需求，同时可以保证在微纳卫星平台应用。

Description

微型星载星敏感器及其工作流程时序

技术领域

本发明属于高精度光学姿态敏感器设计技术领域，尤其涉及一种微型星载星敏感器及其工作流程时序。

背景技术

微纳卫星是指重量在100KG或100KG以下的卫星，可应用在通信、互联网、军事、监测、科学实验等各个方面，微纳卫星技术研究及其组网应用技术是近年来国内外卫星技术研究的热点。高精度的姿态测量信息是微纳卫星完成使命任务的基础，星敏感器是一种以恒星为参考源的高精度光学姿态敏感器，是目前姿态测量精度最高的测量部件。为完成使命任务，微纳卫星需采用星敏感器做为姿态测量部件，但传统高精度星敏感器在体积、重量、功耗和成本等方面难以满足微纳卫星的需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种微型星载星敏感器，具有结构紧凑、成本低和性能稳定可靠等特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种微型星载星敏感器，包括星敏本体，在所述星敏本体的前端安装有遮光罩；所述星敏本体内安装有光学镜头组件和用于安装CMOS探测器的前置板，光学镜头组件将平行光聚焦在CMOS探测器的靶面上；在所述星敏本体内还安装有处理板、电源板和接口板；所述处理板与CMOS探测器和接口板通信连接；所述电源板为内部电器件进行供电。

作为本发明实施例的优选，所述星敏本体包括星敏壳体和安装在所述星敏壳体内部的星敏本体结构。

作为本发明实施例的优选，所述光学镜头组件、安装CMOS探测器的前置板和处理板安装在所述星敏本体结构内部；所述电源板和接口板安装在所述星敏壳体和星敏本体结构之间。

作为本发明实施例的优选，所述遮光罩包括遮光罩壳体和设置在所述遮光罩壳体内部的多个前后排列的遮光板。

作为本发明实施例的优选，所述遮光罩壳体沿着光线摄入的方向呈渐缩状结构。

作为本发明实施例的优选，所述光学镜头组件包括镜头壳体，在所述镜头壳体内设置有光学镜片和保护镜片，所述保护镜片设置在所述光学镜片的前端。

作为本发明实施例的优选，在所述星敏本体的底部安装有六面体基准镜。

本发明实施例还提供一种微型星载星敏感器的工作流程时序，具体包括以下步骤：

S1、星敏感器根据同步信号定时内触发控制传感器曝光；

S2、曝光控制完成后FPGA程序同时对采集的图像进行图像转移和图像星目标提取；

S3、星目标提取完后成ARM中产生FPGA检星中断，ARM程序读取星目标位置，结合标定参数计算星光观测矢量，运行星图匹配算法进行星图识别；

S4、星图识别完成后，确定星光惯性矢量，根据星光观测矢量和惯性矢量采用QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。

作为本发明实施例的优选，星敏感器曝光控制、图像转移和图像提取流程在FPGA程序中执行，其中图像转移和图像提取同步执行，星图匹配和姿态四元数计算在ARM程序中执行。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述的微型星载星敏感器，具有的精度高、体积重量小、成本功耗低的优点，有效保证微纳卫星姿态测量与控制的精度需求，同时可以保证在微纳卫星平台应用。

(2)本发明所述的微型星载星敏感器，采用单片式处理平台和自主设计的高可靠紧凑型光学***结构与低成本抗辐照技术，可实时输出三轴惯性姿态信息，满足微纳卫星控制***角秒级姿态测量精度要求，同时实现低成本、高可靠的星载微型星敏感器的要求。

(3)本发明所述的微型星载星敏感器，可应用于微纳卫星等平台，还可推广至中高轨卫星平台，具有较大的市场价值。

附图说明

图1为本发明微型星载星敏感器的整体结构示意图；

图2为本发明所述的微型星载星敏感器的结构剖视图；

图3为本发明所述光学镜头组件的结构剖视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、遮光罩，1.1、遮光罩壳体，1.2、遮光板，2、光学镜头组件，2.1、镜头壳体，2.2、光学镜片，2.3、保护镜片3、前置板，4、处理板，5、电源板，6、接口板，7、六面体基准镜，8、星敏本体结构，9、星敏壳体，10、星敏本体。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至3所示，本发明实施例提供一种微型星载星敏感器，具体包括星敏本体10，在星敏本体10的前端安装有遮光罩1，在星敏本体10内安装有光学镜头组件2和用于安装CMOS探测器(图中未标示)的前置板3，光学镜头组件2将平行光聚焦在CMOS探测器的靶面上。在本实施例中，遮光罩1用来抑制地气光、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。光学镜头组件2将无穷远恒星平行光聚焦在CMOS探测器靶面上。CMOS探测器(图中未标示)通过光学镜头组件2将视场内的辐射光信号转换成电信号，实现星体在CMOS探测器靶面上成像以及数字图像输出。在星敏本体10内还安装有处理板4、电源板5和接口板6，处理板4与CMOS探测器和接口板6通信连接，电源板5为内部电器件进行供电。在本实施例中，处理板4是以单片式SOC为核心的微处理电路，主要完成星图采集、图像滤波、星目标提取、星矢量计算，并完成星体识别、姿态解算等功能。在本实施例中，星敏本体10包括星敏壳体9和安装在所述星敏壳体9内部的星敏本体结构8。光学镜头组件2、安装CMOS探测器的前置板3和处理板4安装在星敏本体结构8的内部，电源板5和接口板6安装在星敏壳体9和星敏本体结构8之间。在本实施例中，将光学镜头组件2、前置板3、处理板4、电源板5和接口板6均安装在星敏本体10内，实现星敏感器的高度集成，其中，处理板4采用单片式处理平台和自主设计的高可靠紧凑型光学***结构(光学镜头组件2)与低成本抗辐照技术，实现低成本、高可靠的星载微型星敏感器技术设计，具有的精度高、体积重量小、成本功耗低的优点，有效保证微纳卫星姿态测量与控制的精度需求。

参见图2所示，在本实施例中，遮光罩1包括遮光罩壳体1.1和设置在所述遮光罩壳体1.1内部的多个前后排列的遮光板1.2。遮光罩壳体1.1沿着光线摄入的方向呈渐缩状结构。通过多个有序排列的遮光板1.2可以有效地过滤的大气背景杂散光、太阳、月亮等非目标光源辐射的杂散光。光学镜头组件2包括镜头壳体2.1，在镜头壳体2.1内设置有光学镜片2.2和保护镜片2.3，保护镜片2.3设置在光学镜片2.2的前端。光学镜片2.2和保护镜片2.3采用厚度3mmJGS1抗辐照玻璃，均具有较好的抗辐照能力。在星敏本体10的底部安装有六面体基准镜7，通过六面体基准镜7实现星敏感器测量坐标系的转换导出。

在本发明实施例中，微型星载星敏感器达到的主要技术指标：

(1)静态姿态精度(3σ)：x、y方向3＂，z方向20＂；

(2)动态性能：＞2°/s；

(3)灵敏度：5.5Mv；

(4)姿态输出率：10Hz；

(5)初始捕获时间：≤0.2s；

(6)外形尺寸：55mm(L)×55mm(B)×150mm(H)；

(7)遮光罩前端直径：90mm

(8)重量：450g；

(9)太阳规避角：35°；

(10)供电：5.0V±0.3V；

(11)功耗：2.6W±0.2W；

(12)通信接口：RS422/CAN2.0。

本发明的工作原理如下：星敏感器采用定焦镜头相机，光电传感器CMOS安放在光学镜片2.2的焦平面上，可以直接测量平行光的入射角度，星光经过遮光罩1去除大部分杂散光，再通过光学镜头在CMOS传感器上完成光电转换，在一定的时序驱动下采样形成数字化星图，然后将其送入微处理器。通过星点提取得到恒星像在传感器的位置坐标和星敏感器坐标系下的位置矢量，最后根据星点在星敏感器坐标系下的位置矢量和惯性系中的位置矢量可计算出当前星敏感器的载体姿态。姿态解算模型如下：

W_i＝AV_i i＝1，2，…，n

V为星体在载体坐标系中的矢量，W为星体在惯性坐标系中的矢量，A为载体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵。

在本实施例中，微型星载星敏感器的工作流程时序如下：星敏感器根据同步信号定时内触发控制传感器曝光；曝光控制完成后FPGA程序同时对采集的图像进行图像转移和图像星目标提取；星目标提取完后成ARM中产生FPGA检星中断，ARM程序读取星目标位置，结合标定参数计算星光观测矢量，运行星图匹配算法进行星图识别；星图识别完成后，确定星光惯性矢量，根据星光观测矢量和惯性矢量采用QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。

在本实施例中，星敏感器曝光控制、图像转移和图像提取流程在FPGA程序中执行，其中图像转移和图像提取同步执行，星图匹配和姿态四元数计算在ARM程序中执行。FPGA程序和ARM程序可形成流水线形式执行，星敏感器帧周期由流水线中执行时间较长的FPGA程序决定，通过合理安排星敏感器工作流水线，星敏感器数据更新率可达10Hz以上。

在本实施例中，星敏感器具有两种工作模式：姿态测量模式和待机模式，两种工作模式之间可以相互切换。

姿态测量模式：星敏感器上电或重启后均进入姿态测量模式，姿态测量模式下，星敏感器定时产生同步信号触发CMOS传感器曝光，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，并能响应卫星姿态控制***的姿态数据请求，星敏感器主要工作在姿态测量模式下。

待机模式：待机模式下星敏感器不进行星图识别和姿态解算等工作，可执行自检、参数配置、参数升级、图像传图等命令。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种微型星载星敏感器，其特征在于：包括星敏本体(10)，在所述星敏本体(10)的前端安装有遮光罩(1)；所述星敏本体(10)内安装有光学镜头组件(2)和用于安装CMOS探测器的前置板(3)，光学镜头组件(2)将平行光聚焦在CMOS探测器的靶面上；在所述星敏本体(10)内还安装有处理板(4)、电源板(5)和接口板(6)；所述处理板(4)与CMOS探测器和接口板(6)通信连接；所述电源板(5)为内部电器件进行供电。

2.根据权利要求1所述的微型星载星敏感器，其特征在于：所述星敏本体(10)包括星敏壳体(9)和安装在所述星敏壳体(9)内部的星敏本体结构(8)。

3.根据权利要求2所述的微型星载星敏感器，其特征在于：所述光学镜头组件(2)、安装CMOS探测器的前置板(3)和处理板(4)安装在所述星敏本体结构(8)内部；所述电源板(5)和接口板(6)安装在所述星敏壳体(9)和星敏本体结构(8)之间。

4.根据权利要求1所述的微型星载星敏感器，其特征在于：所述遮光罩(1)包括遮光罩壳体(1.1)和设置在所述遮光罩壳体(1.1)内部的多个前后排列的遮光板(1.2)。

5.根据权利要求2所述的微型星载星敏感器，其特征在于：所述遮光罩壳体(1.1)沿着光线摄入的方向呈渐缩状结构。

6.根据权利要求1至3任一项所述的微型星载星敏感器，其特征在于：所述光学镜头组件(2)包括镜头壳体(2.1)，在所述镜头壳体(2.1)内设置有光学镜片(2.2)和保护镜片(2.3)，所述保护镜片(2.3)设置在所述光学镜片(2.2)的前端。

7.根据权利要求1所述的微型星载星敏感器，其特征在于：在所述星敏本体(10)的底部安装有六面体基准镜(7)。

8.一种微型星载星敏感器的工作流程时序，其特征在于，包括以下步骤：

S1、星敏感器根据同步信号定时内触发控制传感器曝光；

S2、曝光控制完成后FPGA程序同时对采集的图像进行图像转移和图像星目标提取；

S3、星目标提取完后成ARM中产生FPGA检星中断，ARM程序读取星目标位置，结合标定参数计算星光观测矢量，运行星图匹配算法进行星图识别；

S4、星图识别完成后，确定星光惯性矢量，根据星光观测矢量和惯性矢量采用QUEST算法计算惯性姿态矩阵，并转化为姿态四元数。

9.根据权利要求8所述的微型星载星敏感器的工作流程方法，其特征在于，星敏感器曝光控制、图像转移和图像提取流程在FPGA程序中执行，其中图像转移和图像提取同步执行，星图匹配和姿态四元数计算在ARM程序中执行。

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