專利名稱：一種雙探頭星敏感器及其設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空間技術，具體說就是一種雙探頭星敏感器及其設計方法。
背景技術：
星敏感器是感受恒星的輻射并測量衛(wèi)星相對于該恒星方位的一種光學姿態(tài)敏感器。由于恒星的張角非常小，且星光在慣性坐標系中的方向是精確已知的，所以星敏感器的測量精度很高，比太陽敏感器高一個數(shù)量級。但是由于星光非常微弱，所以信號檢測比較困難，其成像需要使用高靈敏度的圖像傳感器，比如析像管或電荷耦合器件(CCD，ChargeCoupled Device)。天空中恒星數(shù)量很多，它一方面帶來可供選擇的目標星較多和應用方便 的優(yōu)點，但也帶來了對檢測到的恒星進行識別的困難，因而需要配備數(shù)據(jù)存儲和處理能力較強的星載數(shù)字計算機。為了減小外界雜散光的影響，常常在星敏感器的鏡頭前加一個遮光罩。來自恒星的平行光經(jīng)過光學系統(tǒng)后在像面陣上聚焦成像，按能量中心法可確定星像的中心位置(其精度可達角秒)。根據(jù)聚焦幾何關系進一步求出星光矢量在星敏感器坐標系中的方向，再由星敏感器安裝矩陣求得星光矢量在衛(wèi)星本體坐標系中的觀測矢量。星敏感器能同時感測多顆恒星(通常是6等以上的恒星)，經(jīng)過星圖識別后作為三軸姿態(tài)測量基準的恒星一般在3顆以上。利用多矢量定姿法可求出衛(wèi)星相對于慣性空間(天球坐標系)的三軸姿態(tài)。當給定飛行器的軌道根數(shù)后，可通過坐標轉換求得飛行器相對于軌道坐標系的姿態(tài)。星敏感器的姿態(tài)確定精度是由恒星位置的測量精度確定的。但恒星位置的測量精度與視場角大小之間是矛盾的，為了進一步提高星敏感器的姿態(tài)精度，許多設計者減少星敏感器的視場。對于單視場星敏感器而言，滾動角的誤差一般是偏航角和俯仰角誤差的5-10倍。因此，降低星敏感器視場也不可能把滾動角的精度提高到偏航角和俯仰角的精度。而且小視場的星敏感器視場中可捕獲的導航星數(shù)量比較少，導致星敏感器星探測能力的降低，不利于星圖識別和飛行器的動態(tài)性能；不能保證在每一時刻視場中都能同時拍到足夠的導航星。這樣會限制星敏感器的星探測能力和造成姿態(tài)確定精度的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決航天器高動態(tài)飛行條件下星敏感器測量精度和星探測能力的問題，提供一種雙探頭星敏感器及其設計方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明一種雙探頭星敏感器，它是由兩個成像探頭模塊、一個CPU數(shù)據(jù)處理模塊和一個電源轉換模塊組成的,兩個成像探頭模塊分別與CPU數(shù)據(jù)處理模塊相連，接口采用LVDS，兩個成像探頭模塊之間相互獨立，考慮到傳輸時間延遲的問題，兩個成像探頭模塊傳送給CPU數(shù)據(jù)處理模塊不是整幅圖像，而是圖像中的星像坐標，為了便于CPU數(shù)據(jù)處理模塊對兩個成像探頭模塊的數(shù)據(jù)融合，兩個成像探頭模塊除了給CPU數(shù)據(jù)處理模塊傳輸圖像中的星像坐標外，還把當前探頭曝光時的時刻發(fā)送給CPU數(shù)據(jù)處理模塊，兩個成像探頭模塊與CPU數(shù)據(jù)處理模塊除了存在數(shù)據(jù)信號連接以外，還分別與CPU數(shù)據(jù)處理模塊之間連接一個I/O信號，CPU數(shù)據(jù)處理模塊除了處理數(shù)據(jù)以外，還在I/O上產(chǎn)生秒脈沖，通過兩個LVDS接口周期地給兩個成像探頭模塊校時，在兩個校時周期內(nèi)，兩個成像探頭模塊分別自主守時。本發(fā)明一種雙探頭星敏感器的設計方法，步驟如下步驟一電源轉換模塊的設計電源板包括電源轉換模塊和輸出接口，電源轉換模塊把輸入的28V電壓轉換到兩個成像探頭模塊和CPU數(shù)據(jù)處理板所需要的5V電壓； 步驟二 探頭模塊的設計兩個探頭模塊的功能是一樣的，因此可以設計完全一樣的模塊，每個探頭模塊分別包含了三個部分，分別是光學鏡頭部分、圖像傳感器部分和FPGA板部分，光學鏡頭部分光學鏡頭按照任務的需求，選擇現(xiàn)成的鏡頭，根據(jù)任務的需要，光學鏡頭的視場是14° X 14°，圖像傳感器部分相對于CXD傳感器，APS傳感器的驅動電路大大簡化，由于APS可直接輸出數(shù)字信號，另外，由于APS傳感器采用的是CMOS技術，因此APS傳感器及其驅動電路可以和微處理器一起集成在單片芯片上，與采用CCD傳感器相比，APS具有電路簡單低功耗和低成本的優(yōu)點，因此選擇CMOS作為探頭模塊的圖像傳感器，根據(jù)任務的需要，雙探頭星敏感器的精度要優(yōu)于I角秒，探測最暗的恒星為6等星，數(shù)據(jù)更新率為5Hz ；①雙探頭星敏感器的精度的計算從SKY2000星表中可以查出，全天球量于6等星的星數(shù)為4524顆，利用Ncfov =I - COS-^l(I)
2 V2 )其中N(Mv)為恒星總數(shù)，Θ FQV為視場大小就可以計算出視場內(nèi)平均恒星數(shù)為16. 86顆，利用精度計算公式
權利要求
1.一種雙探頭星敏感器，它是由兩個成像探頭模塊、一個CPU數(shù)據(jù)處理模塊和一個電源轉換模塊組成的，其特征在于兩個成像探頭模塊分別與CPU數(shù)據(jù)處理模塊相連，接口采用LVDS，兩個成像探頭模塊之間相互獨立，兩個成像探頭模塊傳送給CPU數(shù)據(jù)處理板不是整幅圖像，而是圖像中的星像坐標，并把當前探頭曝光時的時刻發(fā)送給CPU數(shù)據(jù)處理模塊，兩個成像探頭模塊與CPU數(shù)據(jù)處理模塊除了存在數(shù)據(jù)信號連接以外，還分別與CPU數(shù)據(jù)處理模塊之間連接一個I/o信號，CPU數(shù)據(jù)處理模塊除了處理數(shù)據(jù)以外，還在I/O上產(chǎn)生秒脈沖，通過兩個LVDS接口周期地給兩個成像探頭模塊校時，在兩個校時周期內(nèi)，兩個成像探頭模塊分別自主守時，電源轉換模塊把輸入的28V電壓轉換到兩個成像探頭模塊和CPU數(shù)據(jù)處理模塊所需要的5V電壓。
2.一種雙探頭星敏感器的設計方法，其特征在于，步驟如下 步驟一電源轉換模塊的設計 電源板包括電源轉換模塊和輸出接口，電源轉換模塊把輸入的28V電壓轉換到兩個成像探頭模塊、CPU數(shù)據(jù)處理板所需要的5V電壓； 步驟二 探頭模塊的設計 兩個探頭模塊的功能是一樣的，因此可以設計完全一樣的模塊，每個探頭模塊分別包含了三個部分，分別是光學鏡頭部分、圖像傳感器部分和FPGA板部分,光學鏡頭部分光學鏡頭按照任務的需求，選擇現(xiàn)成的鏡頭， 根據(jù)任務的需要，光學鏡頭的視場是14° X14°， 圖像傳感器部分選擇CMOS作為探頭模塊的圖像傳感器，根據(jù)任務的需要，雙探頭星敏感器的精度要優(yōu)于I角秒，探測最暗的恒星為6等星，數(shù)據(jù)更新率為5Hz ； ①雙探頭星敏感器的精度的計算 從SKY2000星表中可以查出，全天球量于6等星的星數(shù)為4524顆，利用
全文摘要
一種雙探頭星敏感器及其設計方法，雙探頭星敏感器包括兩個成像探頭模塊、一個CPU數(shù)據(jù)處理模塊和一個電源轉換模塊，兩個成像探頭模塊分別與CPU數(shù)據(jù)處理模塊相連，接口采用LVDS，通過兩個LVDS接口周期地給兩個成像探頭模塊校時，在兩個校時周期內(nèi)，兩個成像探頭模塊分別自主守時。其設計方法是步驟一電源轉換模塊的設計；步驟二探頭模塊的設計；步驟三數(shù)據(jù)處理模塊的設計。本發(fā)明彌補了星敏感器長時間運行后，兩個成像探頭模塊之間時間差增大和單個成像探頭模塊星敏感器滾動軸姿態(tài)精度差的缺點；即使某個成像探頭模塊失效，在保證姿態(tài)精度的基礎上，另一個成像探頭模塊仍然能輸出姿態(tài)，提高了數(shù)據(jù)可靠性。
文檔編號G01C21/02GK102914306SQ201210328010
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權日2012年5月10日
發(fā)明者李葆華, 王常虹, 陳希軍, 溫奇詠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學