0 引言

    星敏感器是所有敏感器中最為精密而且漂移最小的，是航天飛行器中重要的定姿系統。使用CMOS作為星敏感器的傳感器器件已經是現在的主流方向，國產星敏感器與國外先進技術存在著較大的差距，使用國產化器件，擁有自主知識產權的微小型化星敏感器已經變得迫在眉睫。本文以某國產化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片設計星敏感器，對其光學及電學系統進行研究設計。

1 星敏感器設計

    星敏感器系統由遮光罩、光學鏡頭、敏感器芯片及外圍電路、數據處理器和電腦控制系統組成，其組成框圖如圖1所示。

1.1 光學系統設計

    本文中使用的CMOS APS傳感器為某國產型號B1XXX，電路中各項功能、指標、參數、封裝形式、引腳定義均兼容最常用的美國CYPRESS公司STAR1000產品，其參數見表1。

    星敏感器光學系統參數會根據不同的應用環境而有所不同，它主要由以下幾點確定：傳感器的像元尺寸、光譜響應特性、所需探測的最高星等。光學系統的參數需要設定的有鏡頭的焦距、光譜范圍、彌散斑尺寸、通光孔徑、中心波長透過率等^[1]。

1.1.1 視場角的確定

    視場角是確定光學鏡頭能夠探測到星空最大范圍的指標。在同等條件下，視場角越大，能夠觀測到的星數越多。但是過多的星數會干擾后續的計算，所以選擇合適的視場角是構建光學系統的第一步。

    本文使用的APS CMOS傳感器是某國產芯片。像元尺寸15 μm，分辨率1 024×1 024，工作波長范圍選定為400 nm~780 nm。要求在任意姿態下捕獲4顆以上導航星的概率達到99%，以便后續計算^[2]。根據這一數據要求，通過編程處理星表，可得在給定視場內觀測到各個星等的數量。進一步統計當星等為5.5等時，選取視場角為20°×20°能夠滿足在任意視場內觀測到4顆及以上星星這一條件。故選取20°×20°作為視場角。

1.1.2 焦距的確定

    焦距是確定成像平面到鏡面的距離。由于選取的物體遠近不同，焦距會產生相應的變化。在太空中，星星的位置與距離相對固定，所以與普通的相機變焦不同，星敏感器的焦距是固定的。現有光學系統視場和焦距關系式為：

1.1.3 彌散斑尺寸的確定

    本文以 20°×20°的視場角為例，采用1 024×1 024 像元，則單個像元僅能達到20/1 024≈0.019 5°≈70″。為了提高像元測算的精準度，需要將傳感器接收到的圖像進行離焦，使像點彌散開來，從而使能量擴散到周圍的數個像元。將多個像元的能量信號進行匯總，根據一定的算法，共同計算并獲取星點的位置。這樣做的目的是使得星點位置不僅僅從單個像元上獲得，而是能夠達到亞像元級別。即亞像元內插星點提取方法^[3]。目前常用的彌散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元，使用大的彌散斑尺寸能提高定位精度，但會影響到后續的計算速度。本文采取2×2像元大小作為彌散斑尺寸。

1.1.4 相對孔徑的確定

    孔徑與焦距用相對孔徑F表示，即F/#=f/D。國標GB/T 30111-2013中，對相對孔徑的定義是入瞳直徑與焦距的比值，即D/f，其數值在1/0.8~1/6之間選取。

    F/#的計算由以下公式給出^[4]：

其中V_th為信噪比，取值5；I_d為暗電流噪聲；為其余噪聲總和；τ為光學系統透過率，取0.75；η為能量集中度，取90%；t為曝光積分時間，取100 ms；a為像元尺寸，取15 μm；k為探測器的光功當量；H為恒星發射到光學系統入瞳上的光照度；QE為量子效率；FF為面積占空比；d為彌散斑大小，h為普朗克常數，v表示入射光中心波長對應的頻率。最終計算結果為D≥25.2 mm。則F/#=25.2/43.56=1:1.73。符合國家標準范圍。

1.2 電學系統設計

1.2.1 CMOS APS傳感器分析

    本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗輻射CMOS圖像傳感器，像素尺寸為15 μm×15 μm。電路各項功能、指標、封裝形式、引腳定義均兼容美國CYPRESS公司的STAR1000產品。片內集成了雙采樣技術、可變增益放大器（PGA）以及12位模數轉換器（ADC）。且片上ADC電學可隔離，既可以采用片上ADC數字量化輸出，也可以依據用戶需求，直接輸出光模擬信號。

    電路具有智能窗口功能，即像素陣列的X、Y地址可隨機編程，實現對窗口大小、起止地址的隨機控制；具有高靈敏度（≥2.7 V/lux·s（@550 nm）），可適應空間微光環境需求；具有1、2、4、8倍可編程增益，可以根據光照強弱控制輸出增益，適應更寬工作環境；具有雙斜積分功能，可大大提高動態范圍，從而提高同一環境下強光弱光同時存在時的適應性；抗輻射總劑量能力≥100 Krad（Si），抗單粒子閂鎖LET≥75 Mev·cm²/mg。

    器件結構及特點：B1XXX的功能結構框圖如圖2所示。該圖像傳感器主要包含6個部分：像素陣列、尋址邏輯、前置列放大器、可編程增益放大器（PGA）、模擬多路選擇器和ADC。

1.2.2 FPGA時序驅動模塊

    焦平面圖像傳感器的選擇直接關系到星敏感器的核心設計。 

    本系統利用FPGA實現對CMOS圖像傳感器的驅動、CMOS圖像傳感器與處理器系統的接口，以及星圖存儲或星圖預處理等功能。單時鐘全同步的設計被設計中所使用，外部20 MHz晶振提供了時鐘輸入來源，內部則進行分頻處理。這一較為復雜的時序邏輯能夠通過編程得以實現^[5]，如圖3所示。

1.2.3 信號處理方案

    信號處理板采用了國產SoPC核心信號處理板，該核心板基于國產SoPC進行二次集成開發，將SoPC最小應用系統、基礎配置電路和通信接口模塊集成在了尺寸為51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上。其中SoPC芯片總體結構框圖如圖4所示。

    此外，核心信號處理板還包括了基礎的配置及與應用系統的通信接口，主要包括：PLL配置、調試接口配置、復位模塊、時鐘模塊、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、可擴展GPIO接口、中斷接口、I²C總線、定時器/計數器輸入/輸出接口、測試與指示接口等。這些基本可以滿足星敏感器的軟件需求。

    最終設計方案為：將星敏感器電學系統(不含外殼)尺寸小型化到60 mm×60 mm，2塊電路板重量(含緊固件)共計約60 g，靜態功耗約1.2 W。

2 APS星敏感器軟件方案

    星敏感器的軟件算法主要包括星庫建立、星圖預處理、星圖識別與星圖匹配、姿態解算等部分。

    (1)星庫建立

    星庫是根據星表篩選后建立的導航星的集合，其作用是在進行星圖匹配時提供匹配的依據。確定好星表后，就可以根據星表建立起相應的導航星庫。

    (2)星圖預處理

    在傳感器獲得圖像之后，由于各種噪聲的存在，需要在處理數據之前進行降噪，隨后將星點質心提取，提供給星圖識別算法。

    在實際應用中采用了簡單的平均值去噪方法。由于固定噪聲的數值在一定范圍內不規律地呈現，故可以取其平均值作為系統的固定噪聲，再用采集的圖像與平均值求差，可以得到初步的降噪效果。具體方法為：使用星敏感器系統連續拍攝在黑暗條件下的圖片，獲取其中噪點的信息，包括位置及數值。在同一位置獲得的噪點信息，使用平均值法算出均值作為其最終數值。

    由于積分時間不同，固定噪聲呈現出的噪點會有略微不同。統計在積分時間為10 ms、50 ms、100 ms的情況下，采用10次平均值方法得出的平均噪聲與實際的差值。

    在采集全黑的圖片時，固定噪聲干擾會帶來大約3.6%左右的影響。噪聲灰度值集中在08～10左右。當使用平均值去噪方法后，噪聲灰度值集中在00～02左右。表2為不同積分時間下使用平均值去噪的效果。

    (3)星圖識別與星圖匹配

    在提取質心信息后，在導航星庫中搜索識別相同信息的導航星，如果獲得唯一匹配的導航星，則匹配成功。

    (4)姿態解算

    當匹配成功后進行姿態解算，算出當前的姿態角或四元數數據，輸出結果。

    圖5為星敏感器軟件流程圖。

3 結論

    本文根據某國產抗輻射COMS APS芯片和SoPC控制芯片，設計了微小型星敏感器的光學及電學系統。根據現有的傳感器特性，有針對性地選擇合適的光學系統參數，并得出其確定參數。光學系統在確定了視場角和APS傳感器之后，就可以依次得出焦距、相對孔徑等參數。星敏感器根據硬件及系統的要求，設計了FPGA驅動模塊和信號處理模塊。星敏感器硬件完全國產自主化，并符合GB/T 30111-2013中對于星敏感器的要求，軟件部分根據現有的器件參數進行編程。最后，設計并完成了一套國產化星敏感器實驗原理樣機。

參考文獻

[1] 黃欣.星敏感器光學系統參數的確定[J].航天控制，2000(1)：44-50.

[2] 吳峰.自主導航星敏感器關鍵技術的研究[D].蘇州：蘇州大學，2012.

[3] 何家維.高精度全天時星敏感器關鍵技術研究[D].長春：中國科學院研究生院，2013.

[4] 吳峰.自主導航星敏感器關鍵技術的研究[D].蘇州：蘇州大學，2012.

[5] 袁家虎.導航星敏感器技術研究[D].成都：四川大學，1999.