郭敬明 楊輕云 賈建祿

摘 要：星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測量裝置，它通過探測天球上不同位置的恒星來確定載體姿態(tài)。星敏感器樣機研制完成后，需要對其動態(tài)性能進行驗證。將星敏感器固定在經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服系統(tǒng)等速轉(zhuǎn)動，存儲星圖及時間碼，同時，經(jīng)緯儀主控軟件記錄時間碼及對應(yīng)時刻的編碼器值。利用該試驗系統(tǒng)來驗證星敏感器的動態(tài)性能。試驗結(jié)果表明：星敏感器在轉(zhuǎn)動速度為3°/s時，動態(tài)精度優(yōu)于10″，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：星敏感器 動態(tài)性能 經(jīng)緯儀

中圖分類號：TN379 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0075-02

星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測量裝置，以恒星為參照物，利用攝像頭探測單元某一時刻對天空直接捕獲星圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元對星圖進行恒星質(zhì)心提取、星圖識別、星跟蹤、姿態(tài)計算等一系列處理，獲得星敏感器瞬時視軸指向信息，在航天器上已獲得廣泛應(yīng)用[1]。由于星敏感器具有精度高、低功耗、小尺寸、低成本的特點，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴大。星敏感器在航天器上應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在地面的應(yīng)用尤其在海上船用星敏感器技術(shù)尚有許多問題需要解決：大氣折射誤差修正、動態(tài)拖尾情況下星圖的提取與識別等。近年來，隨著大視場高精度星敏感器技術(shù)的成熟，將星敏感器安裝于無線電雷達等測量設(shè)備上，以提高測控設(shè)備測角精度成為研究熱點[2]。動態(tài)測量精度是衡量星敏感器性能的一個重要指標(biāo)之一。該文介紹了星敏感器動態(tài)試驗系統(tǒng)平臺，將星敏感器固定于經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服系統(tǒng)等速轉(zhuǎn)動，存儲星圖及時間碼，經(jīng)緯儀主控軟件記錄對應(yīng)的時間碼、編碼器值，星敏感器通過星點提取、星圖識別及姿態(tài)解算等一系列數(shù)據(jù)處理，最后，解算星敏感器的動態(tài)測量精度。

1 星敏感器構(gòu)成及工作原理

星敏感器工作原理圖如圖1所示，其中光學(xué)系統(tǒng)用于獲取天空星圖，星圖處理模塊完成星圖預(yù)處理、亞像元細分定位、對星圖進行恒星質(zhì)心的提取、星圖識別以及星圖跟蹤等一系列計算，導(dǎo)航解算模塊計算星敏感器光軸在地心慣性空間的瞬時指向，再經(jīng)坐標(biāo)變換后確定載體的位置和姿態(tài)信息。

星敏感器以恒星發(fā)出的微弱星光信號為探測目標(biāo)。由于星光信號較微弱，所以對星敏感器采用的圖像探測器靈敏度提出了很高要求。早期主要采用長焦距、小視場的光學(xué)系統(tǒng)，探測星等較高。隨著技術(shù)的進步，一些高靈敏度的探測器件不斷出現(xiàn)，使星敏感器可以采用視場相對較大、焦距相對較短的光學(xué)系統(tǒng)，同時也縮短了拍攝星圖的積分時間，提高了數(shù)據(jù)更新速率，所以目前探測器一般選取靈敏度較高的EMCCD。該文選擇比較有代表性E2V公司的CCD201，CCD201是新型的EMCCD。CCD201是一款大面陣背照式EMCCD，具有極高的靈敏度和極高的量子效率。EMCCD技術(shù)始于“全固態(tài)電子倍增技術(shù)”。其與傳統(tǒng)CCD的不同在于在串行讀出寄存器后面增加了固態(tài)電子倍增結(jié)構(gòu)（CCM），信號電荷在進入讀出放大器前先進行電荷倍增放大，因此EMCCD不受讀出噪聲的限制，極大地提高了傳感器靈敏度。其主要技術(shù)指標(biāo)：有效像元數(shù)為1024（H）×1024（V），像元大小為13μm×13μm；填充因子為100%；讀出噪聲為43e-；暗電流信號密度為700e-/pixel/s（25℃），55 e-/pixel/s（0℃）；量子效率≥90%（500nm-650nm，-20℃）。

星敏感器的姿態(tài)測量精度可由休斯公司的仿真評價公式[3]估算：

（1）

（2）

式中，σP、σY分別是俯仰、偏航方向的姿態(tài)測量誤差角度，σR是橫滾方向（指對星敏感器）的姿態(tài)測量誤差角弧度，n是參與計算的星數(shù)，σxy是星敏感器像面座標(biāo)中x、y方向上的角度測量誤差（單星測量誤差），θsep為探測星的平均分離角度。姿態(tài)測量精度隨著單星測量精度、參與計算星數(shù)目的增加而提高，橫滾的精度隨參與計算星數(shù)目和這些星的分離角度的增大而提高。視場和可探測星數(shù)n是相互關(guān)聯(lián)的，探測星等固定時只有提高視場角才能提高可探測星數(shù)n。而在視場角固定時，為了提高測量精度，只有提高探測暗星的能力才能提高可探測星數(shù)n。當(dāng)視場相對較小時，鏡頭的焦距可以長，在相對口徑一定時，有效口徑可以大，對暗星的探測能力提高顯著，其單星測量精度可以達到相當(dāng)高的水平。因此，在視場一定條件下，選擇合適的星等探測靈敏度來滿足可探測星數(shù)目n的要求就比較重要了。

為實現(xiàn)小型化、輕型化設(shè)計，采用大相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)是核心技術(shù)。在設(shè)計高精度、大相對孔徑的光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，光學(xué)系統(tǒng)與選用的探測器CCD匹配工作，從而實現(xiàn)高動態(tài)的恒星探測范圍。為實現(xiàn)對目標(biāo)的精確探測或跟蹤，提高后續(xù)電子學(xué)處理的精度，不僅要實現(xiàn)能量的高靈敏度收集，同時探測光斑應(yīng)該具有對稱性好，色差小以及系統(tǒng)畸變小的特點。同時，還需要實現(xiàn)不同視場情況下成像光斑的一致性，以保證實時探測跟蹤的精度。此外，光學(xué)系統(tǒng)還需要實現(xiàn)在不同溫度范圍內(nèi)均滿足能量收集的要求。該文通過計算，選取星相機為采用CCD201芯片的高靈敏度相機Andor iXon Ultra 888，焦距200 mm，口徑72 mm，相對口徑優(yōu)于1∶2，視場為4°×4°，整個視場的點彌散斑分布在1.8～2.5個像元上，盡可能均勻，并嚴格控制不對稱像差，以保證光學(xué)瞄準(zhǔn)精度，質(zhì)心漂移量≤1 μm，單星測量精度≤3.1″，星敏感器數(shù)據(jù)更新率為10 Hz，能滿足測量精度要求。

2 動態(tài)試驗平臺設(shè)計

星敏感器靜態(tài)測量精度可通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、探測器選擇等滿足指標(biāo)要求，但其動態(tài)測量精度還需進行試驗驗證。該文設(shè)計的動態(tài)試驗平臺原理框圖如圖2所示，星敏感器固定于經(jīng)緯儀跟蹤架上，控制機柜主控軟件發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)控制跟蹤架等速轉(zhuǎn)動。

星相機由光學(xué)系統(tǒng)、EMCCD圖像傳感器、驅(qū)動電路、視頻處理器、時序控制器及制冷溫控系統(tǒng)等組成，通過光纖傳輸系統(tǒng)向數(shù)據(jù)處理計算機發(fā)送實時星圖，用于星圖識別與姿態(tài)確定；光纖傳輸系統(tǒng)由光纖、光纖滑環(huán)、輸入輸出接口電路、主控制器、光纖信道編碼器及光纖收發(fā)模塊等組成，主要作用是建立星相機和數(shù)據(jù)處理計算機間的通信鏈路，傳輸圖像數(shù)據(jù)、串行通信數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號。光纖傳輸主要解決了船上長距離圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姶鸥蓴_問題。通過采用光纖傳輸方式可以極大降低布線難度、并且避免圖像信號備無線電信號干擾，可顯著提高系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)處理計算機提供主控軟件及數(shù)據(jù)處理軟件的運行平臺，由1臺工控機組成（工控機內(nèi)含時統(tǒng)板、RS-422串口卡、圖像采集卡及實時圖像處理器等板卡），完成星圖處理、星圖識別、星圖存儲與回放、姿態(tài)確定及綜合數(shù)據(jù)處理等功能。串口通訊卡選用MOXA公司的 CP-118U八口串口通信卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理計算機與時統(tǒng)、相機、圖像處理器的串行通信。RS422、RS232、RS485三種接口可選擇進行配置。GPS時統(tǒng)終端為PCI總線結(jié)構(gòu)，由溫補晶振、GPS接收機及天線、兩片控制芯片及一片F(xiàn)PGA組成，具有GPS授時功能，可接收GPS和標(biāo)準(zhǔn)B（AC、DC）碼時統(tǒng)信號，給出絕對時間，同時具備標(biāo)準(zhǔn)B（AC、DC）碼輸出功能，負責(zé)提供整個系統(tǒng)的外同步信號及時間信息，包括數(shù)據(jù)處理計算機所需的同步信號，采用RS-232接口；包括相機所需的10f/s同步脈沖，并具有同步信號修正功能。圖像采集卡為PCI總線結(jié)構(gòu)，由CameraLink解碼單元、串口接口電路、SRAM存儲單元、FPGA邏輯控制單元及PCI接口電路組成，完成CameraLink圖像采集，通過PCI9054專用芯片，由驅(qū)動程序傳至上位機應(yīng)用程序，存入數(shù)據(jù)處理計算機硬盤。星敏感器電控系統(tǒng)由空開、開關(guān)電源組成，負責(zé)星敏感器系統(tǒng)的供電。

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)上電后，星相機完成星圖采集，圖像采集卡接收時統(tǒng)的外同步與時間碼，將時間信息疊加到圖像最后一行，再存入計算機，便于事后數(shù)據(jù)處理。同時，經(jīng)緯儀主控軟件按時統(tǒng)觸發(fā)同步記錄時間碼、編碼器值，存入文件。最后，通過星點提取、星圖識別及姿態(tài)解算等數(shù)據(jù)處理，與記錄的時間碼、編碼器文件對比，解算星敏感器的動態(tài)精度。

3 試驗結(jié)果與分析

星敏感器樣機研制完成后，需對其主點、焦距等進行精確標(biāo)定，采用轉(zhuǎn)動帶發(fā)光目標(biāo)的高精度0.5″萊卡經(jīng)緯儀（TM5100A）來進行標(biāo)定。該萊卡經(jīng)緯儀能提供方位、俯仰編碼器值（0°～360°），并能產(chǎn)生帶目標(biāo)光源，轉(zhuǎn)動萊卡經(jīng)緯儀，獲取主點附近多幀帶目標(biāo)的圖像，經(jīng)過圖像處理提取目標(biāo)中心，迭代計算出主點、焦距。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

利用跟蹤架的隨動系統(tǒng)實現(xiàn)引導(dǎo)、動態(tài)拍星、編碼器數(shù)據(jù)記錄等功能，將星敏感器固定在經(jīng)緯儀四通上，設(shè)定伺服等速轉(zhuǎn)動，設(shè)定伺服等速轉(zhuǎn)動，分別按1°/s、2°/s、3°/s速度轉(zhuǎn)動通過經(jīng)緯儀引導(dǎo)到特定天區(qū)進行拍攝，對天區(qū)內(nèi)不同星等的恒星進行提取和識別。2013年8月26日在所內(nèi)進行的動態(tài)測量精度試驗參數(shù)：北緯43°50′46.6442″，東經(jīng)125°24′3.0193″，海拔220.771 m，溫度為11.10℃，氣壓為1021.70 hPa。星敏感器在積分時間、增益等參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，當(dāng)角速度達到3°/s時，成像約12個像素，成像質(zhì)量仍能較好滿足提取要求，有效保證星圖識別與姿態(tài)精度解算。

由經(jīng)緯儀輸出的編碼器角度作為星敏感器視軸初始指向，由初始指向獲取某一天區(qū)范圍內(nèi)的導(dǎo)航星，在星角距庫中檢索導(dǎo)航星，并通過星點映射的方法投影到星敏感器靶面坐標(biāo)系，設(shè)定像素坐標(biāo)判定閾值，與觀測星圖中提取的觀測星進行匹配（選取最亮的6～8顆星進行匹配），匹配完成后計算姿態(tài)。在匹配前，按像素灰度值坐標(biāo)排序，從而減少匹配次數(shù)。

對19：41：58：590，積分時間為10 ms、增益100時拍攝的動態(tài)星圖，進行星點提取、識別結(jié)果及輸出姿態(tài)結(jié)果如表2所示。

對19：28：22：750至19：50：45：39動態(tài)拍攝星圖進行處理，由試驗參數(shù)經(jīng)坐標(biāo)變換可以得到地平坐標(biāo)系下姿態(tài)，解算地平系方位、俯仰指向精度分別為8.7394″和7.6620″。

4 結(jié)語

該文介紹了高精度星敏感器的動態(tài)測量精度檢驗方法，進行了外場試驗驗證。經(jīng)試驗表明，星敏感器樣機動態(tài)星識別、姿態(tài)計算等關(guān)鍵技術(shù)問題已經(jīng)解決，星敏感器在轉(zhuǎn)動速度為3°/s時，動態(tài)精度優(yōu)于10″。下一步將通過提高星點提取算法精度和縮短積分時間來提高星敏感器動態(tài)測量精度。

參考文獻

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