小型一体化编码式太阳敏感器信号处理技术

为实现编码式太阳敏感器小型一体化设计,研究编码式太阳敏感器细分角度计算的坐标旋转数字计算机（CORDIC,coordinate rotation digital computer）算法,在FPGA中实现包括数据采集、角度计算、通信协议等全部敏感器数字信号处理功能,并在此基础上研制专用ASIC芯片.采用挠性连接技术完成整机的微型化组装,最终实现了整机质量0.5 kg、功耗0.5 W、测角精度 0.05°(3σ)、分辨率14″、数据刷新率40 Hz的设计指标.采用单片FPGA实现的编码式太阳敏感器信号处理电路体积小、精度高,是实现产品小型化设计的关键环节.     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

内嵌ARM核的FPGA技术在星敏感器中的应用

介绍了内嵌先进精简指令集处理器ARM(Advanced RISC Machine)核的现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)芯片EPXA10的内部结构及特点.基于这种嵌入式技术,进行了互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)星敏感器图像驱动与实时星点定位算法的研究,并给出具体实现,包括用EPXA10的FPGA部分实现了CMOS图像传感器的驱动和对星图的预处理－阈值分割,用EPXA10的ARM部分完成了星图的星点定位算法--改进的4连通域成分贯序算法,基于VC＋＋语言实现了串口通讯程序以及图像显示程序.最后给出了成功驱动CMOS图像传感器得到的清晰图像及星点定位结果,并将基于ARM得到的定位结果与基于PC机(Personal Computer)得到的定位结果进行了比较,结果完全正确.采用内嵌ARM核的FPGA提高了整个系统的处理速度,减小了硬件电路设计的复杂性、体积和功耗.     

CMV4000国产化替代芯片验证平台设计

本文开展了对CMV4000传感器国产化替代的研究工作以及芯片验证平台设计工作，替代芯片为上海集成电路生产的ASG043传感器芯片。本文首先通过元器件手册信息，从硬件电路和FPGA软件设计两个角度开展替代工作的研究。然后在搭载ASG043图像传感器的星敏感器上对电源以及图像传感器驱动代码进行设计修改，以满足国产ASG043传感器的供电，时序，训练等要求，ASG043成功运行后，对比替代前后黑白图及采集星点图像。由对比结果可知其成像效果与进口探测器相当，可在不更改印制板的条件下原位置替代CMV4000图像传感器。     

太阳X-EUV成像望远镜的移动补偿系统

卫星帆板转动和自身颤动会导致太阳X射线-极紫外射线(X-EUV)成像望远镜的成像质量下降.用移动补偿系统控制相机的CCD驱动器,使势阱转移到相邻相的位置上,转移的方向正好与图像在传感器上移动方向一致,使得图像的每个光子在移动后仍然落入传感器的同一个势阱内,补偿由于帆板移动造成的图像偏移.CCD相移沿列的方向进行,而CCD的列平行于东西向.高精度太阳敏感器使用两轴直角坐标来定位太阳的位置.移动补偿系统只使用其中一个轴向数据,由于南北指向误差远远小于东西指向,因此不对南北指向补偿.该移动补偿系统利用高精度太阳敏感器构成半闭环控制系统,通过偏移CCD势阱来实现一个方向上的移动补偿.该方案可以在不增加成本的前提下,消除长时间曝光过程中的太阳的平移和帆板颤动对图像质量造成的影响,扩大动态观测范围.      

多视场星敏感器工作模式设计

针对多视场星敏感器的特点设计了两种工作模式:高精度工作模式和高更新率工作模式.中央时序控制器根据指令完成工作模式配置,以相应的时序启动图像采集处理模块.结合工作模式的时序特点,在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部设计了3个星点质心提取模块,与各自对应的图像采集模块同步运行,实现了两种工作模式下多视场星图快速质心提取.采用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器,基于FPGA设计了实验平台,对工作模式配置及数据更新率进行测试.实验结果表明:工作模式可灵活配置和切换,在高更新率工作模式下,星敏感器的数据更新率为传统单视场情况的3倍.     

基于多重UKF的粗太阳敏感器标定算法研究

针对粗太阳敏感器存在的非余弦特性以及易受空间环境杂光干扰的影响,为了提高粗太阳敏感器的定姿精度,需对其电池片进行标定.通过设计多重UKF(Unscented Kalman Filter)滤波器实现对粗太阳敏感器的定姿标定,将其划分为两类,第一类为标定陀螺漂移,第二类借助陀螺漂移标定结果,进而设计电池片滤波器来精确修正粗太阳敏感器的电池片系数,完成对整个粗太敏电池片的输出数据修正.仿真结果表明,采用多重UKF滤波器算法可有效实现对陀螺和粗太阳敏感器的标定,提高了卫星的姿态确定精度,达到了设计要求.     

弹载捷联星敏感器强光规避策略及算法

星敏感器光学系统及成像阵列易受太阳和月亮强光干扰.针对弹载捷联星敏感器提出一种规避强光的解析几何方法.通过天文公式解算出观星时刻太阳、月亮矢量,将其转换到当地地理坐标系下;将太阳、月亮方位、地心指向和星敏感器圆视场的几何分布关系划分为3种类型,并结合星敏感器遮光罩太阳月亮规避角参数,分别建立矢量公式求解星敏感器光轴的指令指向;利用STK仿真软件进行算法验证,选择任意时间段并设定星敏感器光轴指向,经本算法解算的光轴指令指向均可成功规避太阳月亮和地平.该算法可实现星敏感器光学系统的自主保护、观星窗口的选择,可以通过姿态机动实现太阳和月亮的规避和有效星光观测.     

一种用于对日观测载荷的高精度高更新率太阳敏感器

太阳敏感器作为检测太阳矢量方位角的一种光学仪器,是卫星进行姿态测量、确定和控制的重要敏感器.随着天基对日观测活动的发展,对日精确指向需求强烈,太阳敏感器的精度和数据更新率成为制约对日观测平台稳态控制和精确观测的关键因素.针对太阳敏感器高精度和高更新率的需求,从光学系统、电路系统和软件算法等多个角度出发,设计了一种太阳敏感器,经标定测试,精度随机误差达到0. 716″(3σ),更新率达到62 Hz.     

一种用于对日观测载荷的高精度高更新率太阳敏感器#br#

太阳敏感器作为检测太阳矢量方位角的一种光学仪器,是卫星进行姿态测量、确定和控制的重要敏感器.随着天基对日观测活动的发展,对日精确指向需求强烈,太阳敏感器的精度和数据更新率成为制约对日观测平台稳态控制和精确观测的关键因素.针对太阳敏感器高精度和高更新率的需求,从光学系统、电路系统和软件算法等多个角度出发,设计了一种太阳敏感器,经标定测试,精度随机误差达到0.716″(3σ),更新率达到62 Hz.     

激光位移传感器高速数据采集与处理系统设计

介绍了基于FPGA和单片机的激光位移传感器高速数据采集与处理系统的工作原理与软硬件设计,该系统采用FPGA作为核心控制器,主要完成A/D转换时钟控制、CCD像点位置提取、数据缓冲异步FIFO三部分功能。单片机负责键控、显示以及系统协调。这种基于FPGA和单片机的同步采集、实时读取采集数据的方案,可以提高系统采集和传输的速度。该硬件电路结构简单、成本低廉、可靠性高、功耗较低,满足了实际应用中的要求。     

工业总线标准电容层析成像系统设计

为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 d B,成像结果具有良好的空间分辨率。     

基于SiP技术的单片集成数字式太阳敏感器

设计了一种新型的数字式太阳敏感器。采用SiP（Stystem in Package）设计,将滤光片直接安装于探测器上。此设计减小了数字式太阳敏感器的体积与质量,可提高其可靠性。所设计的数字式太阳敏感器可用于深空探测卫星系统的太阳捕获和太阳定向,同时,也可作为星上其他光电敏感器的监护仪器,防止其他光学敏感器被强光损坏。最后,完成了原理样机的研制与标定,并在外场进行了太阳光斑的拍图测试。实验表明所提出方法可行,可满足火星探测、深空探测的使用需求。     

APS星敏感器太阳照射影响分析及试验验证

针对APS星敏感器在轨过程中太阳照射问题进行了研究,分析了太阳照射对星敏感器功能和性能的影响,设计了太阳照射相关的试验及验证方案,最后给出了相关试验过程和试验验证结果,明确了分析及试验结论.通过分析和试验结果表明:紫外辐照试验对光学系统透过率无明显影响,且影响在APS星敏感器灵敏度余量范围内;在轨太阳照射对APS星敏感器探测器及整机的功能和性能无影响.相关分析和试验数据可作为星敏感器后续改进设计的依据和参考.     

卫星遥感图像信息作为姿态敏感器的应用研究

陆标敏感器可以从卫星遥感图像信息中提取卫星的姿态信息,它根据卫星实时图像与基准图像之间的偏移量,计算出卫星的姿态。对陆标敏感器的总体方案进行了设计,在图像匹配技术中采用基于区域特征的先粗匹配、后精匹配的匹配算法,在姿态确定算法中对可能达到的姿态测量精度进行了理论分析,研究表明陆标敏感器可以获得较高精度的卫星姿态信息,作为新型光学姿态敏感器具有重要的研究意义。     

嵌入式红外视频数字录像机的设计与实现

设计并实现了嵌入式红外视频数字录像机.它基于PC/104Plus体系结构,实现了PCI数据传输,在FPGA(Field-Programmable Gate Array)的控制下、使用2个存储单元轮换存储方式硬件化地实现了红外视频采集与数据传输、红外视频播放与数据传输的并行操作.该录像机人机界面友好,文件管理完善.      

多激励频率模式的磁感应层析成像系统

磁感应层析成像(MIT)技术在生物医学检查与诊断中有很好的应用前景。为了实现MIT对生物组织特性信息的获取,设计了具有多激励频率模式的磁感应层析成像系统。系统采用电压激励与测量的工作模式,可选择100 k Hz~4 MHz范围内的单频、扫频和混频3种激励频率模式。系统包括激励源模块、传感器线圈阵列、数据采集和调理模块、数字解调模块,采用现场可编程门阵列(FPGA)控制多路复用器、程控放大器、模拟数字转换器等。经模拟实验测试,多激励频率模式系统所获得的测试数据具有较好的一致性,信噪比在46 d B以上,不同激励频率下采集的电压差数据可用于实现被测介质电导率分布的图像重建。