一種小型化分體式星敏感器的設計

桑文華，游鵬程，王文璞，段宇鵬，趙啟坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

一種小型化分體式星敏感器的設計

桑文華，游鵬程，王文璞，段宇鵬，趙啟坤

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

星敏感器是以恒星為參照系，以星空為工作對象的高精度空間姿態測量裝置，提供準確的空間方位和基準，具有高精度、無漂移、工作壽命長等特點，可與慣性儀表組成復合導航。針對小體積、高精度的應用需求，重點概述了星敏感器小型化分體式結構設計、光學系統設計、星像提取和星圖識別等關鍵技術，為小型化星敏感器研制提供了設計思路。

星敏感器；小型化；星像；識別

0　引言

基于星跟蹤功能模式的星敏感器，可以通過觀測天空中的恒星，實現系統的姿態測量，輔助慣導系統提高導航精度，具有重要的應用價值與社會經濟效益。德國Jena-Optronik公司的ASTRO15、法國SODERN公司的SED36和美國Lockheed Martin公司的AST-301等產品，具有全天球、全自主的姿態解算功能，這些星敏感器多采用了基于CCD的圖像采集模式，其序列圖像采集的特點，限制了提取速度，而且工作在光敏感器件建議的運行溫度下。與其相比，市場對小型化、高溫環境下具有目標天區的星敏感器應用需求更為迫切，引導星敏感器技術向小體積、高速率、高精度、耐高溫的功能特性趨勢發展。國外研制該類星敏感器較為成熟，法國SODERN公司專門為高溫環境應用而設計的基于CCD的SED20星跟蹤器，美國Microcosm公司的DayStar系統可以在白天的海平面上進行觀測與慣導系統組合提供高精度的導航參數；對比已經進入實際應用的高溫環境下的小型化星敏感器同類產品，我國的同類星敏感器產品總體研制水平相對落后，主要體現在：精度低、數據更新率低、高溫壽命短。因此，結合應用需求，以小型化星敏感器為研制目標，重點概述了小型化分體式結構、寬視場高靈敏度光學系統、星像提取和星圖識別等關鍵技術，提供一種設計思路。

1　星敏感器基本原理

如圖1所示，恒星所發出的星光，通過星敏感器的光學系統成像在光敏面上，由信號檢測線路將星光的光能轉換成模擬電信號，模擬信號處理單元對其進行放大、濾波、整形等處理后，模數轉換單元對其進行模數轉換和數據采集。當天空星圖以數字量的形式存在于內存時，數據處理單元的工作是對數字化后的星圖進行處理，星圖提取時剔除大目標，并進行星點坐標計算和星等計算。星圖識別時基于匹配方法構造匹配模式，與導航星庫中的已有模式進行匹配、處理，形成觀測星與導航星的唯一匹配星對。利用匹配星對，確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向，最后由此指向及星敏感器安裝角解算并輸出三軸瞬時姿態。因此，星敏感器正常工作，關鍵技術主要包括結構設計、光學系統設計、星象提取和星圖識別等，下面結合星敏感器小體積、分體式、高精度等設計目標，重點闡述小型化分體式星敏感器的設計思路。

圖1　星敏器功能框圖Fig.1　Block diagram of function of the sensor star

2　小型化分體式結構

小型化星敏感器具有明確的應用背景，小尺寸約束為強約束，決定了星敏感器研制的小型化要求，由此設計了星敏感器的小型化分體式結構，具體包括殼體支架、星敏器安裝法蘭、鏡頭安裝接口、后蓋、基準塊、墊片、通行接口模塊等。下面從殼體設計、基準塊和安裝基準的選擇三個方面闡述設計中需要考慮的因素。

殼體設計需要考慮的因素包括星敏器殼體支架、星敏器安裝法蘭、鏡頭安裝接口和后蓋。殼體支架是長寬高的強約束條件決定的，在此輪廓內進行結構的分體設計和局部加強設計。星敏器安裝法蘭是應用已經明確的約束條件，需要完全繼承。鏡頭安裝接口的設計，需要考慮的是鏡頭自身結構和安裝后是否干涉系統其他部件，由于鏡頭是圓筒狀六片式結構，顯然安裝位置的外圍輪廓是一個圓筒狀輪廓，而該輪廓的圓心位置及大小是由不干涉其他部件的條件決定的；另外，鏡頭是由前至后穿插安裝到殼體的，因此，要在鏡頭能順利通過安裝孔的前提下保證較高的安裝精度；殼體上的安裝孔與鏡頭之間采用正負公差配合，以保證鏡頭的定位精度；同時，對鏡頭法蘭的安裝基準面有較高的平面度與垂直度要求，從而確保鏡頭的安裝精度。最后，后蓋設計需要重點考慮星敏器內部的光敏感器件，為了盡量避免外部光源進入，后蓋修改原有的平板直插的方式，與殼體支架采用了臺階型配合。

基準塊設計考慮的因素主要包括加工精度和安裝方式?；鶞蕢K主要功能是標定星敏器與系統之間的安裝角，對加工精度提出了很高的要求，并明確了平面度、垂直度和粗超度的具體要求?；鶞蕢K與殼體連接時采用了過度安裝方式，即二者之間采用了墊片過渡，而墊片與殼體之間通過對角正反攻絲螺紋固定，盡量避免溫度的影響。

安裝基準的合理選擇是為了確保星敏感器與系統的安裝精度，主要包括殼體與系統的安裝基準、鏡頭與殼體之間的安裝基準、基準塊與殼體的安裝基準等。星敏感器通過殼體中部的安裝基準面與系統連接，鏡頭通過鏡頭法蘭與殼體的鏡頭安裝基準面連接，基準塊通過墊片與殼體連接。另外，通信接口模塊的作用是為星敏器和系統之間提供標準化的通訊接口。

3　光學系統

光學系統主要包括雜散光抑制、鏡頭和光敏感器件。光學系統主要在應用需求的小型化強約束下進行設計，設計結果很大程度上直接影響到星敏感器的大部分重要指標，如尺寸體積、質量、高溫性能等，也間接影響到自主導航性能、更新速率等。

雜散光抑制的目的是消除雜散光對光敏感器件的影響。雜散光基本上有三種，第一種是由視場外光線沒有經過成像光路直接到達像面形成的；第二種雜光是由視場內光線經過鏡筒等構件表面反射和散射光到達像面而致；第三種雜光是由視場內的光線由于成像光學元件不完善而產生的雜散光。遮光罩就是雜散光抑制的主要措施，抑制進入星敏感器圖像傳感器的外部雜散光，降低所獲取星圖的背景噪聲，提高目標星的成像質量和背景恒星的質心定位精度。由于小型化星敏感器選用了折射式光學系統，其本體采用封閉式結構，光線只允許從鏡頭通光孔進入后到達像面，所以，鏡頭前端設計的遮光罩，完全可以起到雜散光抑制的作用，徹底消除一次雜光。而多次雜光的抑制方法是在光路內設置有消雜光的光欄，并在結構件內壁加工有遮光扣并涂覆低反射率的涂層，通過提高透鏡表面的粗糙度來降低多次雜光。

鏡頭設計結果定型了星敏感器在強尺寸約束條件下的視場、靈敏度、彌散斑能量集中度等關鍵指標。星敏感器應用于目標天區下的輔助導航時，其光學系統參數設計就已經納入了星跟蹤的預定功能模式。這種目標天區下的先驗信息可以預先確定星敏感器的天球視場中可能出現的星等及數量，然后結合星敏感器指標中的極限星等和跟蹤模式必需的星數，基于1990年版的史密森SAO星表進行概率統計，從而確定最佳視場。由于視場是由光敏感器件的焦平面尺寸和鏡頭焦距決定，所以，初步篩選出光敏感器件后，鏡頭焦距相應也就確定了。基于計算的焦距，配合觀測星中心波長、焦平面窗口尺寸、填充因子、透過率、噪聲水平、量子效率等參數，優化選擇信噪比、曝光時間（影響更新速率），綜合確定決定星像觀測靈敏度的最佳鏡頭孔徑；最后通過加工難度系數校驗設計是否可行，并反復修正參數直至滿足要求。綜合來看，靈敏度和視場是一對相互牽制的參數，例如，預定指標要求的極限星等越高，鏡頭孔徑相應會要求越大，考慮到加工難度評估系數變化最小，鏡頭焦距也會相應增大，當可選范圍有限的光敏感器件確定的前提下，視場也就越小。所以，小型化星敏感器鏡頭參數設計應當結合跟蹤功能模式下設定的尺寸、視場等關鍵指標要求，適當取舍，確保滿足小型化和特殊精度的應用需求。圖2為最終設計的星敏感器鏡頭鏡片結構圖，共由六片球面鏡片組成。

圖2　鏡頭鏡片結構圖Fig.2　Camera lens’structure

光敏感器件選擇需要綜合考慮星敏感器的高溫環境、快速數據讀取等因素。目前主流的光敏感器件是CCD傳感器，不過針對小型化星敏感器需求特點，CCD存在如下缺點：1）電壓類型繁多：電源管理設計難度大，功耗高。2）難于單芯片集成：工藝限制了外圍電路無法集成在一塊芯片上，導致系統設計復雜，體積增大。3）抗輻射能力弱：像素單元由MOS電容構成，電荷激發的量子效應容易受到輻射線的影響。4）溫度敏感：隨著溫度上升，性能急劇下降，需要降溫措施，增大了系統復雜性和體積。5）圖像數據序列輸出：驅動方式決定了CCD圖像數據輸出是空間序列輸出，限制了數據讀取的靈活性。與其相比，CMOS-APS光敏感器件具有電源單一、集成度高（單芯片集成圖像傳感器陣列、時序控制電路、信號處理電路、A/D轉換器、接口電路以及溫度傳感器等）、抗干擾能力強（像素單元是光電二極管）、隨機窗口快速讀取數據等優點。因此，針對星敏感器的近60℃高溫應用和快速數據讀取能力的應用需求，綜合系統體積、復雜程度、功耗、性能、工作溫度等要求，選擇了-30℃～70℃的溫度范圍、同步式快門、曝光靈活控制的微小型CMOS光敏感器件。

4　星像提取

星圖提取的目標是完成星像坐標和星像亮度數據的提取，是星圖識別的必要前提。光敏感器件像素陣列的大小，直接決定星像坐標和亮度數據提取時的處理容量。由于星敏感器像素陣列龐大，為了取得較好的時效，應當研究星像提取算法，快速完成星圖數據提取。

星像提取主要是分離星像和背景，星像與星像，并進行質心計算。星像和背景數據分離：星像數據剔除背景數據，首先需要確定背景數據的規律，可以采用不夠精確但效率較高的背景數據固定閾值算法，也可以采用雙正交小波變換或自適應預測算法動態確定背景數據閾值，提高星像與背景分離的精確性，但是也增加了數據處理的復雜性并犧牲了時效。星像與星像數據分離：星像間的數據分離，核心是如何界定不同恒星星像數據的邊界，連通域的方法是每一次姿態輸出都要遍歷整個焦平面，反復標記與掃描，效率較低，同樣，擬合星像局部灰度曲面，求取極值進行聚類并分離不同星像數據，精度較高，但效率依然是個問題。由于星像圖像具有連貫性，基于鏈表構建圖像稀疏矩陣，不失為一種高效而又兼顧精度的方法。星像質心求?。嘿|心計算過程中，曲面擬合的方法通過求取觀測數據與預期數據的相關度函數，高精度的獲取星像質心與亮度，計算量較大，提取速度低，而質心算法和加權質心算法數據耦合性小，效率高。所以，星像提取算法的選擇與優化，應當結合星敏感器預期指標定位，兼顧提取速率和精度。

5　星圖識別

星圖識別過程是完成觀測星和導航星庫唯一性匹配的過程。在唯一性匹配中，星圖識別算法需要解決星組幾何特征和導航星庫優選的問題。而這兩個問題與星敏感器應用領域及預期功能緊密相關。作為目標天區應用背景下的小型化星敏感器，先驗信息決定了星圖識別過程不是在全天球導航星庫范圍內反復搜索直至匹配，而是在先驗信息下的目標天區內搜索，這樣就縮減了匹配范圍。范圍縮小有助于弱化星組特征選擇的復雜性，但是并不意味著導航星庫優選可以降低標準。

導航星庫優選旨在基于極限星等和基數星，實現全天球或局部天球內恒星篩選后均勻分布。目標天區預期觀測的極限星等，決定了導航星庫優選時的觀測星總量，經過篩選在等面積天區內實現均勻分布。密度不太均勻的正交網格算法，對經緯度不敏感的球面分塊法或固定斜度螺旋線法等，側重于全天球均勻分布，弱化了星敏感器觀測視場與天區視場必需保障的導航星數量，在星敏感器特定目標天區指向應用場景下，不能可靠實現視場內有足夠的導航星數。因此，小型化星敏感器導航星庫優選的原則是先驗信息指向的視場內能夠保證一定星數的前提下，實現恒星在全天球和局部天球的均勻分布。自組織導航星選擇、回歸選取等算法較好地兼顧了這一特性。

星組幾何特征決定了星圖識別算法的結構。在全天球范圍內的星圖識別，星數眾多，基于模式識別特征的特征提取算法，以及自組織特征映射聚類的神經網絡算法，提高了算法的穩健性和識別成功率，不過計算復雜的特性，不太切合星敏感器目標天區下的小范圍搜索特征，反倒是多邊形（三角形、四邊形、凸多邊形等）算法比較適用，不過星數稍多時三角形算法會存在誤識別的情況，必要時可以添加星亮度特征，進行組合識別，或者根據星數進行三角形、四邊形甚至金字塔式結構的特征切換識別，提高星圖識別匹配的唯一性和成功率。

6　結論

與空天工作環境下的全天球自主識別相比，小型化星敏感器工作場景是高溫環境，而且是在粗姿態指向下的非自主星圖識別，并要求具有小體積、高精度等功能特性，據此重點概述了小型化星敏器的小型化分體式結構設計，基于雜散光抑制、鏡頭和耐高溫光敏感器件的光學系統設

計，基于星像背景數據分離、星間數據分離和質心計算的星像提取，和基于導航星庫優選和星組幾何特征選取的星圖識別算法等內容，為小型化星敏感器設計奠定了設計基礎。

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Design of Star Sensor with Small Volume and Divided Structure

SANG Wen-hua，YOU Peng-cheng，WANG Wen-pu，DUAN Yu-peng，ZHAO Qi-kun
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

With high precision，non-shift and long-life，a star sensor is a device for measuring an object’s attitude referring to the stellar coordinates，which provides exact orientation and benchmark in space，and makes up a hybrid navigation with inertial instrument.In view of the application requirement for a star sensor with small volume and high precision，it is focused on the overview of the analysis for the fission structure with small volume，an optical system，the processing of star image，and the star identification，which is the keynote and provides a kind of idea for designing a star sensor with small volume.

star sensor；miniaturization；star map；star identification

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01045

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.012

2014-12-09

桑文華，男，博士，工程師，研究方向為慣性儀表。