摘 要： 提出了采用高集成度的CMOS圖像傳感器結合DSP技術的技術方案，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的技術要求。
關鍵詞： CMOS; DSP； 星敏感器; 星圖
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星敏感器(star sensor)是當今航天器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態測量器件，它通過探測天球上不同位置的恒星來確定衛星姿態，為航天飛行器提供相對于慣性坐標系的三軸姿態。
星敏感器主要由光學系統、圖像傳感器電路和控制與數據處理電路構成。其基本的工作原理如下：圖像傳感器對恒星成像，由數據處理電路對所拍攝的圖像進行處理，提取出所需的星點位置和亮度信息，進行星圖匹配，從而計算出星敏感器的三軸姿態[1]。
航天科技的發展對星敏感器提出了越來越高的要求，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中，星敏感器需要放置在飛行器狹小的慣導平臺內部，這對星敏感器的體積提出了非常嚴格的要求。同時，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（數字信號處理器）作為核心器件的電路設計方案。
1 CMOS圖像傳感器簡介
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模集成電路的主流工藝，可以把光敏陣列、驅動和控制電路、模擬信號處理電路、模/數轉換器(ADC)、全數字接口電路集成在一塊芯片上，單芯片就可以完成攝像機全部電學功能，體積小，功耗低。早期的CMOS圖像傳感器在分辨率、噪聲和成像質量上低于CCD圖像傳感器，但是近年來，亞微米工藝技術的發展和器件結構不斷改善大大增強了CMOS圖像傳感器的圖像質量。一些參數性能指標已經達到或者超過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 系統組成
整個星敏感器電學系統的結構分成兩大部分：星敏本體和星捕獲處理電控" title="電控">電控部分，如圖1所示。星敏本體包括光學鏡頭、CMOS圖像傳感器和CMOS驅動電路等。星捕獲處理電控部分包括數字信號處理器、星像緩沖存儲器" title="緩沖存儲器">緩沖存儲器、接口和處理軟件等。
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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的像元數為664×504，提供片內12位A/D轉換器、固定圖形噪聲消除單元、視頻增益。另外，內部集成了靈活的時序和控制單元使用戶可以最大限度地調整積分時間、有效窗口尺寸、增益和幀頻，還提供了多種控制、時序和電源模式。其主要的技術指標如表1所示。
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DSP對LM9617的控制通過雙向二線制的同步串行I2C總線實現，DSP通過I2C總線對LM9617相應的寄存器進行設置即可實現對LM9617的積分時間和模式、增益和幀頻、開窗位置、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量精度，就必須采用主動致冷措施。用半導體致冷器將CMOS冷卻到10℃±1℃ 以降低CMOS暗電流和熱噪聲。致冷器選用Marlow公司生產的單級半導體致冷器。同時還要采用隔熱材料進行被動式致冷，以達到更好的致冷效果。
2.2 星捕獲處理電控部分
星捕獲處理電控部分由CPU、星像緩沖存儲器、地址發生器和接口等構成。
2.2.1 CPU
本星敏感器采用TI公司的DSP TMS320F206作為系統的CPU。系統CPU的功能包括：
(1)控制星敏感器的工作方式;
(2)控制地址發生器、自檢標定和致冷器;
(3)接收慣導計算機發出的指令和控制參數，實施控制并設置預置參數;
(4)處理視頻信號處理器送來的數字星像信號，確定閾值，對數字星像信號進行連通性分析，通過內插細分求出選定星的精確像面坐標和星的亮度。
2.2.2 地址發生器
地址發生器根據CMOS圖像傳感器所提供的行、場和像元時鐘等時序信號，為星圖緩沖存儲器產生存儲星像所需要的存儲地址，完成星圖的存儲。
2.2.3 星圖緩沖存儲器
星圖緩存器由大容量的靜態RAM構成，通過CMOS所采集的原始星圖預先存儲在星圖緩沖存儲器中，再由CPU訪問星圖緩沖存儲器，對所存儲的星圖作進一步的處理。
2.2.4 接口
采用RS485接口芯片，以串行通訊方式與慣導計算機進行命令與數據通訊。
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，點亮放在CMOS前的標定燈，CMOS對標定燈的燈光成像，系統通過檢查所成圖像的平均灰度來判定星敏感器的工作正常與否。自檢正常后即進入捕獲模式。在捕獲模式下，對視場內所呈現的星圖進行處理，剔除太空碎片和大目標，選取最亮的2～5顆星作為導航星" title="導航星">導航星，確定導航星窗口。導航星窗口確定以后，進入跟蹤模式。在跟蹤模式下，處理導航星窗口內的星象數據，計算導航星的精確位置，判斷出其星等，輸出計算結果，同時更新導航星窗口的位置。其工作流程如圖2所示。
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成像模式一般在試驗調試中使用。在成像工作模式下，星敏感器被作為一臺相機使用，可以拍攝和存儲視場內的星圖，所拍攝的星圖通過RS485接口直接傳輸給外部的星務計算機。在試驗調試中，通過成像模式可以觀察所拍攝的星圖，檢驗星敏感器的測量精度，在實際應用中，啟動成像模式后，星敏感器可以作為空間相機使用，擴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星點的精確坐標定位，受光學系統和CMOS制造工藝的限制，圖像的分辨率不可能無限制地提高。因此通過提高圖像分辨率來提高定位精度的方法具有明顯的局限性，而通過圖像處理軟件對目標進行細分定位則是一個行之有效的途徑。為了達到較高的定位精度，本設計采用離焦（彌散）的方式，使恒星在CMOS的感光面上的成像點擴散到較多的像元上，然后進行細分定位，如圖3所示。試驗表明，當彌散圓的面積在3×3個像元時，可以達到很理想的細分定位精度。
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點狀光斑目標的細分定位方法可以分為基于灰度和基于邊緣兩大類。基于灰度的方法一般利用目標的灰度分布信息、如矩心法、曲面擬合法等。基于邊緣的方法一般利用目標的邊緣形狀信息，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，而基于邊緣的方法適用于較大的目標，且對灰度不敏感。從星圖的特征可以看到，星點與背景主要區別就在于灰度，而且實際星圖中的星點目標的直徑一般為三個像元，是比較典型的小目標，所以細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，矩心法是對信號求面積的矩，然后再在區域內作面積平均，因此，可顯著降低每個測量數據對整個信號的影響，有利于消除系統誤差，減少隨機誤差，提高值的穩定度和重復精度，所以，采用矩心法作為求高精度星點坐標定位的方法。
矩心算法的數學表達式如下：
上述表達式中，Vth為星圖閾值，Axy是像元灰度值，x、y為像元信號的橫縱坐標（單位：像元），xc、yc為星點信號矩心橫縱坐標（單位：像元），（xc，yc）代表了星點信號經過內插細分后所得到的精確定位位置[5-6]。
5 性能測試結果及分析
采用本文所提出的設計方案，研制成功了基于CMOS和DSP的超小型星敏感器，如圖4所示。
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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看，這是目前國內獨立研制成功的體積最小的星敏感器。
5.1 野外測試
??? 圖5為野外試驗所拍攝的牧羊座區域星圖，圖6為SKYMAP所提供的牧羊座區域星圖。
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??? 星敏感器在捕獲模式下，對所捕獲的整幅星圖進行掃描，確定導航窗口，識別出星點坐標所用時間為168ms。如果在跟蹤模式下，不對整幅星圖掃描，只處理導航窗口內的星點數據，所用時間只為50ms左右，完全可以滿足星光慣性混合制導的數據更新率的要求。
5.2 細分靜態穩定性測試
?? 在室內對該星敏感器做了細分靜態穩定性的試驗。用平行光管產生如圖7所示的模擬星圖。在星點的定位細分識別百分之一個像元的情況下，在2分鐘內重復采集處理數據20次，在2小時內，間隔6分鐘重復采集處理數據20次，從所得測試數據可以看出，間隔6分鐘采集測量的均方差比連續采集略有增加，出現此現象的原因是，隨著測量時間的延長，引入的隨機誤差會隨著增加，測量系統的靜態穩定性會略有下降，這種現象是正常的。測量結果表明，不論是連續測量還是長時間測量，均方差的值都在0.001像元左右，該試驗表明該星敏感器的細分靜態穩定性是十分優異的，完全可以滿足航天制導的技術要求。
??? CMOS圖像傳感器和DSP都具有集成度高、功能強大的特點，因此，基于二者設計的星敏感器具有體積小、質量輕、功耗低的硬件特性。同時，實踐證明，該星敏感器體積小，功能強大，對星點細分精度可以達到百分之一個像元，靜態穩定性好，數據更新率高，功耗低，是目前國內星光慣性導航領域中技術先進的星敏感器。
參考文獻
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