硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星甚高精度星敏感器設(shè)計(jì)與在軌驗(yàn)證

梁瀟 鹿瑞 孫大開 曹中祥 武延鵬

(北京控制工程研究所,北京 100094)

星敏感器可根據(jù)實(shí)時(shí)觀測的恒星圖像計(jì)算慣性姿態(tài),已成為衛(wèi)星上最重要的姿態(tài)測量敏感器之一。目前國內(nèi)外星敏感器市場上,主流產(chǎn)品的測量精度一般在3″～10″(3σ)左右[1-4]。隨著航天器應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,高精度對(duì)地觀測和天文望遠(yuǎn)鏡等任務(wù)平臺(tái)均對(duì)姿態(tài)測量精度提出了更高的要求。針對(duì)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星的高精度姿態(tài)測量需求,研制了一款基于定制CCD圖像傳感器的甚高精度星敏感器(Very-high Accuracy Star Tracker,VHAST),以提高主載荷姿態(tài)測量的精度,更好的完成巡天探測的科學(xué)任務(wù)。

VHAST在大孔徑高像質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)、低噪聲CCD探測電路、高穩(wěn)定性光機(jī)結(jié)構(gòu)、快速高魯棒性自主恒星識(shí)別算法、高精度系統(tǒng)誤差校正等方面完成了關(guān)鍵技術(shù)突破,2017年6月VHAST樣機(jī)隨HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌。在軌測量數(shù)據(jù)表明,VHAST測量精度小于1″(3σ),大幅優(yōu)于衛(wèi)星平臺(tái)星敏感器的測量精度,其姿態(tài)數(shù)據(jù)引入平臺(tái)閉環(huán)控制可提高主載荷在巡天觀測時(shí)的指向精度。本文對(duì)VHAST的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了詳細(xì)描述,給出了地面觀星試驗(yàn)的結(jié)果,最后分析了在HXMT衛(wèi)星4臺(tái)星敏感器的在軌測試數(shù)據(jù),通過對(duì)比證明了VHAST在精度提升方面的效果。

1 VHAST設(shè)計(jì)

VHAST采用分體式結(jié)構(gòu),由敏感器探頭(STH)和數(shù)據(jù)處理線路(DPU)兩部分組成(見圖1),將功耗較大的DPU與易受熱變形影響的STH分開,有利于提高STH對(duì)恒星圖像的探測穩(wěn)定性,從而保證姿態(tài)測量的高精度和穩(wěn)定性。國外的高精度星敏感器產(chǎn)品,包括美國LM公司的AST301星敏感器和Ball公司的HAST[5]星敏感器均采用分體式方案。

圖1 VHAST產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.1 Detect head of VHAST

STH由遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)和光電探測電路組成。STH采集的恒星圖像通過低壓差分信號(hào)(LVDS)總線傳輸?shù)紻PU,DPU內(nèi)的處理器執(zhí)行星點(diǎn)提取、星圖識(shí)別和姿態(tài)計(jì)算等功能。VHAST的性能參數(shù)見表1。

表1 VHAST性能參數(shù)Table 1 Specification of VHAST

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星敏感器的STH和DPU物理分離,DPU部分由4塊功能電路板及總線板組成,采用方形封閉式機(jī)箱設(shè)計(jì);STH部分包括遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、光電探測電路等組件,為保證焦平面與光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精度以及光學(xué)系統(tǒng)安裝基準(zhǔn)的穩(wěn)定性,采用光機(jī)電一體化設(shè)計(jì),并重點(diǎn)考慮減小溫度升高時(shí)對(duì)探測器的噪聲影響以及外熱流導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響。

STH結(jié)構(gòu)以遮光罩和光學(xué)系統(tǒng)中心線為軸線進(jìn)行設(shè)計(jì),光電探測電路環(huán)繞在光學(xué)系統(tǒng)的四周,以保證軸向長度最小化,整個(gè)STH的長度由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面以及制冷器確定。

焦平面組件設(shè)計(jì)了電荷耦合器件(CCD)安裝法蘭,可精確定位焦面中心,并以軸孔配合的方式與光學(xué)系統(tǒng)固聯(lián)在一起,以實(shí)現(xiàn)焦平面與光軸的精密對(duì)準(zhǔn)并保持高度穩(wěn)定。CCD背面通過低熱阻導(dǎo)熱銅帶連接到熱電制冷器上,后者安裝在后蓋板上并噴涂白漆,保證CCD芯片的制冷效果。

STH的安裝法蘭設(shè)計(jì)于STH的中部,其前端與光學(xué)系統(tǒng)的法蘭接連,以保證光學(xué)系統(tǒng)安裝的穩(wěn)定性,安裝法蘭的腳印采用了消熱應(yīng)力設(shè)計(jì),避免外熱流影響下安裝基準(zhǔn)的變化。考慮熱適配性,光機(jī)結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)、芯片法蘭、調(diào)焦環(huán)等重要部位都選擇了熱變形較小的鈦合金。考慮壽命末期電路的抗輻射要求,各蓋板最薄處的厚度設(shè)計(jì)為3 mm。

1.2 電子學(xué)設(shè)計(jì)

分體式星敏感器的電子學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。STH部分以定制CCD芯片為核心,針對(duì)其電接口和時(shí)序接口設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換、信號(hào)驅(qū)動(dòng)、時(shí)序控制及采樣等模塊以生成數(shù)字恒星圖像;DPU部分主要是通過LVDS總線采集恒星圖像,通過處理器電路完成星點(diǎn)提取、匹配識(shí)別、姿態(tài)計(jì)算、外部通訊等功能,其核心是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的設(shè)計(jì)。

圖2 VHAST電子學(xué)組成框圖Fig.2 Electronic scheme of VHAST

星敏感器采用定制的抗輻射加固CCD圖像傳感器,該芯片性能參數(shù)見表2。定制CCD讀出噪聲較小,讀出速度快,具有良好的抗輻射性能,并且針對(duì)安裝定位和制冷器裝配需求定制了芯片封裝,該CCD芯片后被用于NASA小行星探測任務(wù)OSIRIS-REX上的光學(xué)相機(jī)。

表2 定制CCD性能參數(shù)Table 2 Specification of customized CCD

STH時(shí)序控制模塊的核心是一片反熔絲FPGA。FPGA產(chǎn)生CCD成像所需的時(shí)序信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)CCD感光。此外,FPGA產(chǎn)生采樣控制時(shí)序,控制相關(guān)雙采樣電路采集CCD輸出的感光模擬信號(hào),并轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字圖像。產(chǎn)生的恒星數(shù)字圖像由FPGA配置對(duì)應(yīng)的同步信號(hào),通過LVDS接口電路輸出給DPU進(jìn)行星圖處理。

DPU同樣利用一塊反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)接口電路的設(shè)計(jì),采集STH電路輸出的數(shù)字星圖,并利用乒乓存儲(chǔ)的方式實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)與計(jì)算的并行處理。此外,FPGA控制外設(shè)芯片實(shí)現(xiàn)1553B總線及RS422接口通訊,并處理外部控制器給出的同步信號(hào)。

DPU核心處理電路基于抗輻射加固的DSP處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。星敏感器的應(yīng)用軟件存儲(chǔ)于高可靠的PROM芯片中,DSP加電啟動(dòng)后首先運(yùn)行bootloader程序,將應(yīng)用程序從PROM中搬運(yùn)至SRAM中運(yùn)行。星敏感器的星表、標(biāo)定參數(shù)、壞像素等數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于非易失EEPROM中,DSP加電啟動(dòng)后也會(huì)將其拷貝到SRAM中以提高訪問速度。

DPU利用AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)8路模擬量,可以采集鏡頭、CCD芯片的溫度數(shù)據(jù)。制冷器控制電路根據(jù)CCD的溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分(PID)控制,改變熱電制冷器(TEC)制冷器的制冷電流,使得CCD芯片的溫度穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)設(shè)值(默認(rèn)為10℃)附近。

1.3 光學(xué)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)(如視場、口徑等)根據(jù)星敏感器的捕獲概率、探測靈敏度等系統(tǒng)參數(shù)權(quán)衡設(shè)計(jì)。為確保亞角秒測量精度,視場內(nèi)平均星數(shù)不小于25顆,通過系統(tǒng)仿真,確定星敏感器的極限儀器星等確定為8.5 Mi。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證星敏感器視場內(nèi)有足夠的導(dǎo)航星數(shù)量,且壽命末期的探測靈敏度仍能滿足暗星提取的信噪比要求。據(jù)此,確定星敏感器視場為5°(內(nèi)切圓視場),焦距為99.7 mm,入瞳直徑為75 mm,光譜范圍為500～900 nm。

光學(xué)系統(tǒng)由6片分離的光學(xué)零件組成,系統(tǒng)光闌位于第一鏡和第二鏡之間,入瞳位置緊挨光闌后部,整體上位于系統(tǒng)的中前部,在實(shí)現(xiàn)較大入瞳直徑的前提下,有效減小了系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),光學(xué)系統(tǒng)軸上和軸外視場的彌散斑形狀接近圓形,軸上和軸外的彌散斑能量分布曲線形狀一致,光斑的能量同一度較高,接近于正態(tài)分布,有利于提高星點(diǎn)質(zhì)心提取算法的精度。

考慮整體尺寸和質(zhì)量,光學(xué)系統(tǒng)前端的遮光罩采用吸收型一級(jí)擋光環(huán)式方案,由6級(jí)擋光環(huán)組成,其雜光抑制角為35°,可以滿足大部分衛(wèi)星的使用需求。遮光罩內(nèi)部表面噴涂黑漆,吸收率可達(dá)0.98,并通過了紫外輻照、抗原子氧和濕熱老化等環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證,具有較好的穩(wěn)定性,有多次航天飛行經(jīng)歷。

通過TracePro軟件進(jìn)行光線追跡分析,可知遮光罩的點(diǎn)源透射比(PST)系數(shù)在35°入射角時(shí)為10－7,可以滿足整機(jī)的雜光抑制需求,具體仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 VHAST遮光罩光線追跡分析及PST結(jié)果Fig.3 VHAST baffle ray tracing analysis and calculated PST

1.4 軟件與算法設(shè)計(jì)

VHAST的軟件和算法設(shè)計(jì)繼承了北京控制工程研究所多年以來在星敏感器產(chǎn)品研發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn),同時(shí)針對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)增加了新的算法,如極大組全天識(shí)別算法[6-7]、自動(dòng)離焦修正算法、多光譜修正算法等。

星敏感器啟動(dòng)后自動(dòng)按照設(shè)計(jì)的時(shí)序工作。在完成初始化之后,軟件根據(jù)同步信號(hào)(外部輸入或者內(nèi)部產(chǎn)生)啟動(dòng)周期性循環(huán)工作。首先控制STH開始感光并輸出圖像給DPU,DPU采集圖像完成后,開始星圖處理和計(jì)算,當(dāng)收到外部數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),將姿態(tài)數(shù)據(jù)打包輸出。

VHAST軟件所消耗的時(shí)間與軟件工作模式有關(guān),工作模式如圖4所示。星敏感器上電后首先進(jìn)入引導(dǎo)模式(BOOT),完成軟硬件初始化后進(jìn)入待機(jī)模式(STANDBY)。若待機(jī)模式未設(shè)置模式保持標(biāo)志,則自動(dòng)進(jìn)入全天捕獲模式(MODE-A),5 s內(nèi)自動(dòng)完成全天自主恒星識(shí)別與匹配。捕獲成功后進(jìn)入局部天區(qū)模式(MODE-B),對(duì)局部星圖進(jìn)行識(shí)別匹配,縮短處理時(shí)間(數(shù)百毫秒)。MODE-B連續(xù)識(shí)別成功后進(jìn)入窗口跟蹤模式(MODE-C),軟件在此模式下僅進(jìn)行指定位置的窗口圖像內(nèi)提取和識(shí)別匹配星點(diǎn),處理時(shí)間進(jìn)一步縮短到數(shù)十毫秒。

星敏感器的工作模式切換缺省是自動(dòng)進(jìn)行的(條件Ax),也可以進(jìn)行人為干預(yù)(條件Cx)。例如可以指定星敏感器進(jìn)入STANDBY并置位模式保持標(biāo)志,停留在此模式下可對(duì)星敏感器軟件進(jìn)行在軌注入維護(hù)。

圖4 VHAST模式切換過程圖Fig.4 VHAST mode-switch flow chart

2 地面試驗(yàn)與在軌測試結(jié)果

星敏感器的測量精度分析采用差分法評(píng)估,具體分析方法如下:

(1)從所有姿態(tài)四元數(shù)中選擇相鄰時(shí)間間隔相等的姿態(tài)四元數(shù)。

(2)對(duì)相鄰兩幀星敏感器姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行叉乘,計(jì)算誤差四元數(shù);記t時(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)為qt,t＋1時(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)為qt＋1,則四元數(shù)叉乘見式(1)。

(3)將計(jì)算得到的誤差四元數(shù)根據(jù)公式轉(zhuǎn)換為星敏感器測量坐標(biāo)系3個(gè)軸上的角度誤差,具體轉(zhuǎn)換關(guān)系見式(2)。

式中:φ為星敏感器X軸角度誤差,ψ為星敏感器Y軸角度誤差,θ為星敏感器Z軸角度誤差。式(1)計(jì)算得到星敏感器三軸角度誤差單位為角秒。

VHAST地面驗(yàn)證采用夜空觀星的方式進(jìn)行,試驗(yàn)場地在國家天文臺(tái)興隆觀星站,該站點(diǎn)位于北緯40.5°,遠(yuǎn)離城市市區(qū),受光污染影響較小,是華北地區(qū)觀測條件最好的觀測站。

根據(jù)地面觀星結(jié)果,VHAST的測量精度評(píng)估結(jié)果如圖5所示,其X軸精度0.95″(3σ),Y軸精度0.78″(3σ),均小于1″的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖5 VHAST地面觀星測量精度評(píng)估(X、Y、Z軸)Fig.5 VHAST accuracy performance on ground

VHAST于2017年6月15日隨HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌并迅速捕獲進(jìn)入跟蹤模式,選取6月17日衛(wèi)星處于巡天模式下的一段姿態(tài)測量數(shù)據(jù)評(píng)估星敏感器的精度。作為對(duì)比,平臺(tái)使用的3個(gè)星敏感器(分別為星敏感器ST-A、星敏感器ST-B、星敏感器ST-C)的X、Y、Z三軸姿態(tài)測量數(shù)據(jù)也列入對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)在軌數(shù)據(jù)計(jì)算,VHAST在軌測量精度結(jié)果X軸為0.978″(3σ),Y軸為0.213″(3σ),滿足測量精度小于1″的需求。VHAST的測量精度與平臺(tái)3個(gè)星敏感器的性能相比明顯提高,以光軸指向相同的平臺(tái)星敏感器A為例,其X軸精度為5.11″(3σ),Y軸精度為7.23″(3σ)。由此可見,VHAST引入平臺(tái)閉環(huán)控制,將顯著改善平臺(tái)姿態(tài)測量精度,從而提高主載荷巡天觀測時(shí)的空間指向精度。

圖6 VHAST與平臺(tái)星敏感器A/B/C在軌測量精度對(duì)比Fig.6 Comparison of inflight accuracy performance between VHAST and ST-A/B/C

3 結(jié)束語

根據(jù)HXMT硬X射線天文望遠(yuǎn)鏡的精確姿態(tài)測量需求,本文研發(fā)了一款基于定制抗輻射加固CCD的甚高精度星敏感器(VHAST),并成功投入了在軌使用。在軌測試數(shù)據(jù)表明,該星敏感器的測量精度達(dá)到了亞角秒水平,為應(yīng)用系統(tǒng)提供了亞角秒級(jí)的指向參考。甚高精度星敏感器的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)亞角秒精度星敏感器的市場空白,在高精度對(duì)地觀測及天文觀測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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