高精度星敏感器动态测量精度检测方法

郭敬明 杨轻云 贾建禄

摘 要：星敏感器是一种高精度的姿态测量装置，它通过探测天球上不同位置的恒星来确定载体姿态。星敏感器样机研制完成后，需要对其动态性能进行验证。将星敏感器固定在经纬仪四通上，设定伺服系统等速转动，存储星图及时间码，同时，经纬仪主控软件记录时间码及对应时刻的编码器值。利用该试验系统来验证星敏感器的动态性能。试验结果表明：星敏感器在转动速度为3°/s时，动态精度优于10″，满足系统指标要求。

关键词：星敏感器 动态性能 经纬仪

中图分类号：TN379 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0075-02

星敏感器是一種高精度的姿态测量装置，以恒星为参照物，利用摄像头探测单元某一时刻对天空直接捕获星图，经过数据处理单元对星图进行恒星质心提取、星图识别、星跟踪、姿态计算等一系列处理，获得星敏感器瞬时视轴指向信息，在航天器上已获得广泛应用[1]。由于星敏感器具有精度高、低功耗、小尺寸、低成本的特点，其应用领域也逐步扩大。星敏感器在航天器上应用已经比较成熟，在地面的应用尤其在海上船用星敏感器技术尚有许多问题需要解决：大气折射误差修正、动态拖尾情况下星图的提取与识别等。近年来，随着大视场高精度星敏感器技术的成熟，将星敏感器安装于无线电雷达等测量设备上，以提高测控设备测角精度成为研究热点[2]。动态测量精度是衡量星敏感器性能的一个重要指标之一。该文介绍了星敏感器动态试验系统平台，将星敏感器固定于经纬仪四通上，设定伺服系统等速转动，存储星图及时间码，经纬仪主控软件记录对应的时间码、编码器值，星敏感器通过星点提取、星图识别及姿态解算等一系列数据处理，最后，解算星敏感器的动态测量精度。

1 星敏感器构成及工作原理

星敏感器工作原理图如图1所示，其中光学系统用于获取天空星图，星图处理模块完成星图预处理、亚像元细分定位、对星图进行恒星质心的提取、星图识别以及星图跟踪等一系列计算，导航解算模块计算星敏感器光轴在地心惯性空间的瞬时指向，再经坐标变换后确定载体的位置和姿态信息。

星敏感器以恒星发出的微弱星光信号为探测目标。由于星光信号较微弱，所以对星敏感器采用的图像探测器灵敏度提出了很高要求。早期主要采用长焦距、小视场的光学系统，探测星等较高。随着技术的进步，一些高灵敏度的探测器件不断出现，使星敏感器可以采用视场相对较大、焦距相对较短的光学系统，同时也缩短了拍摄星图的积分时间，提高了数据更新速率，所以目前探测器一般选取灵敏度较高的EMCCD。该文选择比较有代表性E2V公司的CCD201，CCD201是新型的EMCCD。CCD201是一款大面阵背照式EMCCD，具有极高的灵敏度和极高的量子效率。EMCCD技术始于“全固态电子倍增技术”。其与传统CCD的不同在于在串行读出寄存器后面增加了固态电子倍增结构（CCM），信号电荷在进入读出放大器前先进行电荷倍增放大，因此EMCCD不受读出噪声的限制，极大地提高了传感器灵敏度。其主要技术指标：有效像元数为1024（H）×1024（V），像元大小为13μm×13μm；填充因子为100%；读出噪声为43e-；暗电流信号密度为700e-/pixel/s（25℃），55 e-/pixel/s（0℃）；量子效率≥90%（500nm-650nm，-20℃）。

星敏感器的姿态测量精度可由休斯公司的仿真评价公式[3]估算：

（1）

（2）

式中，σP、σY分别是俯仰、偏航方向的姿态测量误差角度，σR是横滚方向（指对星敏感器）的姿态测量误差角弧度，n是参与计算的星数，σxy是星敏感器像面座标中x、y方向上的角度测量误差（单星测量误差），θsep为探测星的平均分离角度。姿态测量精度随着单星测量精度、参与计算星数目的增加而提高，横滚的精度随参与计算星数目和这些星的分离角度的增大而提高。视场和可探测星数n是相互关联的，探测星等固定时只有提高视场角才能提高可探测星数n。而在视场角固定时，为了提高测量精度，只有提高探测暗星的能力才能提高可探测星数n。当视场相对较小时，镜头的焦距可以长，在相对口径一定时，有效口径可以大，对暗星的探测能力提高显著，其单星测量精度可以达到相当高的水平。因此，在视场一定条件下，选择合适的星等探测灵敏度来满足可探测星数目n的要求就比较重要了。

为实现小型化、轻型化设计，采用大相对孔径光学系统是核心技术。在设计高精度、大相对孔径的光学系统的基础上，光学系统与选用的探测器CCD匹配工作，从而实现高动态的恒星探测范围。为实现对目标的精确探测或跟踪，提高后续电子学处理的精度，不仅要实现能量的高灵敏度收集，同时探测光斑应该具有对称性好，色差小以及系统畸变小的特点。同时，还需要实现不同视场情况下成像光斑的一致性，以保证实时探测跟踪的精度。此外，光学系统还需要实现在不同温度范围内均满足能量收集的要求。该文通过计算，选取星相机为采用CCD201芯片的高灵敏度相机Andor iXon Ultra 888，焦距200 mm，口径72 mm，相对口径优于1∶2，视场为4°×4°，整个视场的点弥散斑分布在1.8～2.5个像元上，尽可能均匀，并严格控制不对称像差，以保证光学瞄准精度，质心漂移量≤1 μm，单星测量精度≤3.1″，星敏感器数据更新率为10 Hz，能满足测量精度要求。

2 动态试验平台设计

星敏感器静态测量精度可通过光学系统设计、探测器选择等满足指标要求，但其动态测量精度还需进行试验验证。该文设计的动态试验平台原理框图如图2所示，星敏感器固定于经纬仪跟踪架上，控制机柜主控软件发送引导数据控制跟踪架等速转动。

星相机由光学系统、EMCCD图像传感器、驱动电路、视频处理器、时序控制器及制冷温控系统等组成，通过光纤传输系统向数据处理计算机发送实时星图，用于星图识别与姿态确定；光纤传输系统由光纤、光纤滑环、输入输出接口电路、主控制器、光纤信道编码器及光纤收发模块等组成，主要作用是建立星相机和数据处理计算机间的通信链路，传输图像数据、串行通信数据和触发信号。光纤传输主要解决了船上长距离图像数据传输的电磁干扰问题。通过采用光纤传输方式可以极大降低布线难度、并且避免图像信号备无线电信号干扰，可显著提高系统可靠性。数据处理计算机提供主控软件及数据处理软件的运行平台，由1台工控机组成（工控机内含时统板、RS-422串口卡、图像采集卡及实时图像处理器等板卡），完成星图处理、星图识别、星图存储与回放、姿态确定及综合数据处理等功能。串口通讯卡选用MOXA公司的 CP-118U八口串口通信卡，实现数据处理计算机与时统、相机、图像处理器的串行通信。RS422、RS232、RS485三种接口可选择进行配置。GPS时统终端为PCI总线结构，由温补晶振、GPS接收机及天线、两片控制芯片及一片FPGA组成，具有GPS授时功能，可接收GPS和标准B（AC、DC）码时统信号，给出绝对时间，同时具备标准B（AC、DC）码输出功能，负责提供整个系统的外同步信号及时间信息，包括数据处理计算机所需的同步信号，采用RS-232接口；包括相机所需的10f/s同步脉冲，并具有同步信号修正功能。图像采集卡为PCI总线结构，由CameraLink解码单元、串口接口电路、SRAM存储单元、FPGA逻辑控制单元及PCI接口电路组成，完成CameraLink图像采集，通过PCI9054专用芯片，由驱动程序传至上位机应用程序，存入数据处理计算机硬盘。星敏感器电控系统由空开、开关电源组成，负责星敏感器系统的供电。

系统工作原理：系统上电后，星相机完成星图采集，图像采集卡接收时统的外同步与时间码，将时间信息叠加到图像最后一行，再存入计算机，便于事后数据处理。同时，经纬仪主控软件按时统触发同步记录时间码、编码器值，存入文件。最后，通过星点提取、星图识别及姿态解算等数据处理，与记录的时间码、编码器文件对比，解算星敏感器的动态精度。

3 试验结果与分析

星敏感器样机研制完成后，需对其主点、焦距等进行精确标定，采用转动带发光目标的高精度0.5″莱卡经纬仪（TM5100A）来进行标定。该莱卡经纬仪能提供方位、俯仰编码器值（0°～360°），并能产生带目标光源，转动莱卡经纬仪，获取主点附近多帧带目标的图像，经过图像处理提取目标中心，迭代计算出主点、焦距。标定结果如表1所示。

利用跟踪架的随动系统实现引导、动态拍星、编码器数据记录等功能，将星敏感器固定在经纬仪四通上，设定伺服等速转动，设定伺服等速转动，分别按1°/s、2°/s、3°/s速度转动通过经纬仪引导到特定天区进行拍摄，对天区内不同星等的恒星进行提取和识别。2013年8月26日在所内进行的动态测量精度试验参数：北纬43°50′46.6442″，东经125°24′3.0193″，海拔220.771 m，温度为11.10℃，气压为1021.70 hPa。星敏感器在积分时间、增益等参数设置适当，当角速度达到3°/s时，成像约12个像素，成像质量仍能较好满足提取要求，有效保证星图识别与姿态精度解算。

由经纬仪输出的编码器角度作为星敏感器视轴初始指向，由初始指向获取某一天区范围内的导航星，在星角距库中检索导航星，并通过星点映射的方法投影到星敏感器靶面坐标系，设定像素坐标判定阈值，与观测星图中提取的观测星进行匹配（选取最亮的6～8颗星进行匹配），匹配完成后计算姿态。在匹配前，按像素灰度值坐标排序，从而减少匹配次数。

对19：41：58：590，积分时间为10 ms、增益100时拍摄的动态星图，进行星点提取、识别结果及输出姿态结果如表2所示。

对19：28：22：750至19：50：45：39动态拍摄星图进行处理，由试验参数经坐标变换可以得到地平坐标系下姿态，解算地平系方位、俯仰指向精度分别为8.7394″和7.6620″。

4 結语

该文介绍了高精度星敏感器的动态测量精度检验方法，进行了外场试验验证。经试验表明，星敏感器样机动态星识别、姿态计算等关键技术问题已经解决，星敏感器在转动速度为3°/s时，动态精度优于10″。下一步将通过提高星点提取算法精度和缩短积分时间来提高星敏感器动态测量精度。

参考文献

[1] 方蓉初.恒星敏感器（航天从书）[M].北京：宇航出版社，2001.

[2] 张同双，钟德安，潘良，等.基于星敏感器指向的船载雷达轴系误差分离模型[J].电讯技术，2015，55（5）：516-521.

[3] 郭敬明，何昕，魏仲慧，等.基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计[J].光电子技术，2014，34（1）：1-7.