一种小型化分体式星敏感器的设计

桑文华，游鹏程，王文璞，段宇鹏，赵启坤

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

一种小型化分体式星敏感器的设计

桑文华，游鹏程，王文璞，段宇鹏，赵启坤

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，提供准确的空间方位和基准，具有高精度、无漂移、工作寿命长等特点，可与惯性仪表组成复合导航。针对小体积、高精度的应用需求，重点概述了星敏感器小型化分体式结构设计、光学系统设计、星像提取和星图识别等关键技术，为小型化星敏感器研制提供了设计思路。

星敏感器；小型化；星像；识别

0　引言

基于星跟踪功能模式的星敏感器，可以通过观测天空中的恒星，实现系统的姿态测量，辅助惯导系统提高导航精度，具有重要的应用价值与社会经济效益。德国Jena-Optronik公司的ASTRO15、法国SODERN公司的SED36和美国Lockheed Martin公司的AST-301等产品，具有全天球、全自主的姿态解算功能，这些星敏感器多采用了基于CCD的图像采集模式，其序列图像采集的特点，限制了提取速度，而且工作在光敏感器件建议的运行温度下。与其相比，市场对小型化、高温环境下具有目标天区的星敏感器应用需求更为迫切，引导星敏感器技术向小体积、高速率、高精度、耐高温的功能特性趋势发展。国外研制该类星敏感器较为成熟，法国SODERN公司专门为高温环境应用而设计的基于CCD的SED20星跟踪器，美国Microcosm公司的DayStar系统可以在白天的海平面上进行观测与惯导系统组合提供高精度的导航参数；对比已经进入实际应用的高温环境下的小型化星敏感器同类产品，我国的同类星敏感器产品总体研制水平相对落后，主要体现在：精度低、数据更新率低、高温寿命短。因此，结合应用需求，以小型化星敏感器为研制目标，重点概述了小型化分体式结构、宽视场高灵敏度光学系统、星像提取和星图识别等关键技术，提供一种设计思路。

1　星敏感器基本原理

如图1所示，恒星所发出的星光，通过星敏感器的光学系统成像在光敏面上，由信号检测线路将星光的光能转换成模拟电信号，模拟信号处理单元对其进行放大、滤波、整形等处理后，模数转换单元对其进行模数转换和数据采集。当天空星图以数字量的形式存在于内存时，数据处理单元的工作是对数字化后的星图进行处理，星图提取时剔除大目标，并进行星点坐标计算和星等计算。星图识别时基于匹配方法构造匹配模式，与导航星库中的已有模式进行匹配、处理，形成观测星与导航星的唯一匹配星对。利用匹配星对，确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向，最后由此指向及星敏感器安装角解算并输出三轴瞬时姿态。因此，星敏感器正常工作，关键技术主要包括结构设计、光学系统设计、星象提取和星图识别等，下面结合星敏感器小体积、分体式、高精度等设计目标，重点阐述小型化分体式星敏感器的设计思路。

图1　星敏器功能框图Fig.1　Block diagram of function of the sensor star

2　小型化分体式结构

小型化星敏感器具有明确的应用背景，小尺寸约束为强约束，决定了星敏感器研制的小型化要求，由此设计了星敏感器的小型化分体式结构，具体包括壳体支架、星敏器安装法兰、镜头安装接口、后盖、基准块、垫片、通行接口模块等。下面从壳体设计、基准块和安装基准的选择三个方面阐述设计中需要考虑的因素。

壳体设计需要考虑的因素包括星敏器壳体支架、星敏器安装法兰、镜头安装接口和后盖。壳体支架是长宽高的强约束条件决定的，在此轮廓内进行结构的分体设计和局部加强设计。星敏器安装法兰是应用已经明确的约束条件，需要完全继承。镜头安装接口的设计，需要考虑的是镜头自身结构和安装后是否干涉系统其他部件，由于镜头是圆筒状六片式结构，显然安装位置的外围轮廓是一个圆筒状轮廓，而该轮廓的圆心位置及大小是由不干涉其他部件的条件决定的；另外，镜头是由前至后穿插安装到壳体的，因此，要在镜头能顺利通过安装孔的前提下保证较高的安装精度；壳体上的安装孔与镜头之间采用正负公差配合，以保证镜头的定位精度；同时，对镜头法兰的安装基准面有较高的平面度与垂直度要求，从而确保镜头的安装精度。最后，后盖设计需要重点考虑星敏器内部的光敏感器件，为了尽量避免外部光源进入，后盖修改原有的平板直插的方式，与壳体支架采用了台阶型配合。

基准块设计考虑的因素主要包括加工精度和安装方式。基准块主要功能是标定星敏器与系统之间的安装角，对加工精度提出了很高的要求，并明确了平面度、垂直度和粗超度的具体要求。基准块与壳体连接时采用了过度安装方式，即二者之间采用了垫片过渡，而垫片与壳体之间通过对角正反攻丝螺纹固定，尽量避免温度的影响。

安装基准的合理选择是为了确保星敏感器与系统的安装精度，主要包括壳体与系统的安装基准、镜头与壳体之间的安装基准、基准块与壳体的安装基准等。星敏感器通过壳体中部的安装基准面与系统连接，镜头通过镜头法兰与壳体的镜头安装基准面连接，基准块通过垫片与壳体连接。另外，通信接口模块的作用是为星敏器和系统之间提供标准化的通讯接口。

3　光学系统

光学系统主要包括杂散光抑制、镜头和光敏感器件。光学系统主要在应用需求的小型化强约束下进行设计，设计结果很大程度上直接影响到星敏感器的大部分重要指标，如尺寸体积、质量、高温性能等，也间接影响到自主导航性能、更新速率等。

杂散光抑制的目的是消除杂散光对光敏感器件的影响。杂散光基本上有三种，第一种是由视场外光线没有经过成像光路直接到达像面形成的；第二种杂光是由视场内光线经过镜筒等构件表面反射和散射光到达像面而致；第三种杂光是由视场内的光线由于成像光学元件不完善而产生的杂散光。遮光罩就是杂散光抑制的主要措施，抑制进入星敏感器图像传感器的外部杂散光，降低所获取星图的背景噪声，提高目标星的成像质量和背景恒星的质心定位精度。由于小型化星敏感器选用了折射式光学系统，其本体采用封闭式结构，光线只允许从镜头通光孔进入后到达像面，所以，镜头前端设计的遮光罩，完全可以起到杂散光抑制的作用，彻底消除一次杂光。而多次杂光的抑制方法是在光路内设置有消杂光的光栏，并在结构件内壁加工有遮光扣并涂覆低反射率的涂层，通过提高透镜表面的粗糙度来降低多次杂光。

镜头设计结果定型了星敏感器在强尺寸约束条件下的视场、灵敏度、弥散斑能量集中度等关键指标。星敏感器应用于目标天区下的辅助导航时，其光学系统参数设计就已经纳入了星跟踪的预定功能模式。这种目标天区下的先验信息可以预先确定星敏感器的天球视场中可能出现的星等及数量，然后结合星敏感器指标中的极限星等和跟踪模式必需的星数，基于1990年版的史密森SAO星表进行概率统计，从而确定最佳视场。由于视场是由光敏感器件的焦平面尺寸和镜头焦距决定，所以，初步筛选出光敏感器件后，镜头焦距相应也就确定了。基于计算的焦距，配合观测星中心波长、焦平面窗口尺寸、填充因子、透过率、噪声水平、量子效率等参数，优化选择信噪比、曝光时间（影响更新速率），综合确定决定星像观测灵敏度的最佳镜头孔径；最后通过加工难度系数校验设计是否可行，并反复修正参数直至满足要求。综合来看，灵敏度和视场是一对相互牵制的参数，例如，预定指标要求的极限星等越高，镜头孔径相应会要求越大，考虑到加工难度评估系数变化最小，镜头焦距也会相应增大，当可选范围有限的光敏感器件确定的前提下，视场也就越小。所以，小型化星敏感器镜头参数设计应当结合跟踪功能模式下设定的尺寸、视场等关键指标要求，适当取舍，确保满足小型化和特殊精度的应用需求。图2为最终设计的星敏感器镜头镜片结构图，共由六片球面镜片组成。

图2　镜头镜片结构图Fig.2　Camera lens’structure

光敏感器件选择需要综合考虑星敏感器的高温环境、快速数据读取等因素。目前主流的光敏感器件是CCD传感器，不过针对小型化星敏感器需求特点，CCD存在如下缺点：1）电压类型繁多：电源管理设计难度大，功耗高。2）难于单芯片集成：工艺限制了外围电路无法集成在一块芯片上，导致系统设计复杂，体积增大。3）抗辐射能力弱：像素单元由MOS电容构成，电荷激发的量子效应容易受到辐射线的影响。4）温度敏感：随着温度上升，性能急剧下降，需要降温措施，增大了系统复杂性和体积。5）图像数据序列输出：驱动方式决定了CCD图像数据输出是空间序列输出，限制了数据读取的灵活性。与其相比，CMOS-APS光敏感器件具有电源单一、集成度高（单芯片集成图像传感器阵列、时序控制电路、信号处理电路、A/D转换器、接口电路以及温度传感器等）、抗干扰能力强（像素单元是光电二极管）、随机窗口快速读取数据等优点。因此，针对星敏感器的近60℃高温应用和快速数据读取能力的应用需求，综合系统体积、复杂程度、功耗、性能、工作温度等要求，选择了-30℃～70℃的温度范围、同步式快门、曝光灵活控制的微小型CMOS光敏感器件。

4　星像提取

星图提取的目标是完成星像坐标和星像亮度数据的提取，是星图识别的必要前提。光敏感器件像素阵列的大小，直接决定星像坐标和亮度数据提取时的处理容量。由于星敏感器像素阵列庞大，为了取得较好的时效，应当研究星像提取算法，快速完成星图数据提取。

星像提取主要是分离星像和背景，星像与星像，并进行质心计算。星像和背景数据分离：星像数据剔除背景数据，首先需要确定背景数据的规律，可以采用不够精确但效率较高的背景数据固定阈值算法，也可以采用双正交小波变换或自适应预测算法动态确定背景数据阈值，提高星像与背景分离的精确性，但是也增加了数据处理的复杂性并牺牲了时效。星像与星像数据分离：星像间的数据分离，核心是如何界定不同恒星星像数据的边界，连通域的方法是每一次姿态输出都要遍历整个焦平面，反复标记与扫描，效率较低，同样，拟合星像局部灰度曲面，求取极值进行聚类并分离不同星像数据，精度较高，但效率依然是个问题。由于星像图像具有连贯性，基于链表构建图像稀疏矩阵，不失为一种高效而又兼顾精度的方法。星像质心求取：质心计算过程中，曲面拟合的方法通过求取观测数据与预期数据的相关度函数，高精度的获取星像质心与亮度，计算量较大，提取速度低，而质心算法和加权质心算法数据耦合性小，效率高。所以，星像提取算法的选择与优化，应当结合星敏感器预期指标定位，兼顾提取速率和精度。

5　星图识别

星图识别过程是完成观测星和导航星库唯一性匹配的过程。在唯一性匹配中，星图识别算法需要解决星组几何特征和导航星库优选的问题。而这两个问题与星敏感器应用领域及预期功能紧密相关。作为目标天区应用背景下的小型化星敏感器，先验信息决定了星图识别过程不是在全天球导航星库范围内反复搜索直至匹配，而是在先验信息下的目标天区内搜索，这样就缩减了匹配范围。范围缩小有助于弱化星组特征选择的复杂性，但是并不意味着导航星库优选可以降低标准。

导航星库优选旨在基于极限星等和基数星，实现全天球或局部天球内恒星筛选后均匀分布。目标天区预期观测的极限星等，决定了导航星库优选时的观测星总量，经过筛选在等面积天区内实现均匀分布。密度不太均匀的正交网格算法，对经纬度不敏感的球面分块法或固定斜度螺旋线法等，侧重于全天球均匀分布，弱化了星敏感器观测视场与天区视场必需保障的导航星数量，在星敏感器特定目标天区指向应用场景下，不能可靠实现视场内有足够的导航星数。因此，小型化星敏感器导航星库优选的原则是先验信息指向的视场内能够保证一定星数的前提下，实现恒星在全天球和局部天球的均匀分布。自组织导航星选择、回归选取等算法较好地兼顾了这一特性。

星组几何特征决定了星图识别算法的结构。在全天球范围内的星图识别，星数众多，基于模式识别特征的特征提取算法，以及自组织特征映射聚类的神经网络算法，提高了算法的稳健性和识别成功率，不过计算复杂的特性，不太切合星敏感器目标天区下的小范围搜索特征，反倒是多边形（三角形、四边形、凸多边形等）算法比较适用，不过星数稍多时三角形算法会存在误识别的情况，必要时可以添加星亮度特征，进行组合识别，或者根据星数进行三角形、四边形甚至金字塔式结构的特征切换识别，提高星图识别匹配的唯一性和成功率。

6　结论

与空天工作环境下的全天球自主识别相比，小型化星敏感器工作场景是高温环境，而且是在粗姿态指向下的非自主星图识别，并要求具有小体积、高精度等功能特性，据此重点概述了小型化星敏器的小型化分体式结构设计，基于杂散光抑制、镜头和耐高温光敏感器件的光学系统设

计，基于星像背景数据分离、星间数据分离和质心计算的星像提取，和基于导航星库优选和星组几何特征选取的星图识别算法等内容，为小型化星敏感器设计奠定了设计基础。

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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

桑文华，男，博士，工程师，研究方向为惯性仪表。