（微电子学与固体电子学专业论文）面向微小卫星的地球敏感器的设计和实现.pdf

摘要 摘要 地球敏感器作为一种重要的姿态确定传感器，已经被广泛应用于卫星等航天 器的姿态控制系统中卫星向着微小型方向的发展，对地球敏感器的体积、质量 和功耗方面提出了进一步的要求。现有卫星上采用的传统地球敏感器主要基于光 机扫描技术实现，存在体积大、功耗高、精度低的缺点，无法满足微小卫星对姿 态敏感器的要求。 针对现有地球敏感器的不足，本文提出了一种适合于微小卫星姿态确定的地 球敏感器设计方法。该敏感器主要基于红外焦平面成像技术和全景环形成像技术 实现对地球姿态信息定位。这两种技术都是静态成像，无需活动扫描部件，故能 实现小体积、轻质量等优点，采用红外焦平面成像和全景环形成像交替用于卫星 的阴影区和光照区，由于全景环形成像的图像质量高，所需的功耗少，故这种成 像方式能提高敏感器的整体定姿精度和减少整个地球敏感器的功耗。该敏感器还 采用相同的后端硬件处理电路系统实现整个地球敏感器的姿态定位，从而使系统 功耗得到进一步的降低。故该敏感器有体积小、质量轻、功耗低的优点。 本文从地球敏感器的原理出发，提出了包括光学系统设计，图像传感器及后 端处理硬件电路设计在内的系统设计方案。本文采用红外热成像组件d 7 8 0 c 实 现焦平面红外成像，采用浙江大学研制的全景环形镜头和c m o s 图像传感器实 现全景环形成像，然后着重介绍本文设计的地球敏感器后端数字信号处理电路的 设计，包括硬件系统和软件系统设计。本文给出了两套具体地硬件系统实现方案， 一套用f p g a + d s p 架构实现，另外一套用具有视频接口d s p 实现。第一套方案 地优点在于灵活，但结构复杂。第二套方案主要优点在于结构简单，但灵活和通 用性不大。本文的软件系统设计包括系统架构设计和地球敏感器姿态定位算法设 计。软件系统架构设计采用了实时操作系统d s p b i o s 多任务多线程实现。本文 针对地球敏感器的设计原理，提出了一种姿态角定位计算的图像处理算法。该算 法具有较高的姿态角测量精度和较高的抗干扰性和可靠性，具有很强的实用性。 为了对地球敏感器的测量精度进行标定，本文搭建了一套地球敏感器测试平 台。本文在分析地球敏感器测量模型下，制作了一个地球模拟器用于精度地标定 浙江大学硕士学位论文 并且介绍了整个实验平台的搭建方法。最后，本文在该实验平台基础上对敏感器 进行了标定和测试工作，同时还对实验结果进行了分析，给出了系统的实测指标。 实验结果表明该地球敏感器的测试精度为0 1 。、灵敏度为0 0 1 0 ，处理速度在每 秒5 1 0 帧图像，满足微小卫星定姿系统的要求。 关键词：地球敏感器；微小卫星；红外焦平面；姿态控制；d s p ；全景环形成像； d s p b i o s l v a b s t r a c t a b s t r a c t e a r t hs e n s o r , a sa l li m p o r t a n ta t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns e n s o r , h a sb e e nw i d e l yu s e d i na t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mo fm i c r o - s a t e l l i t e sa n do t h e ra i r c r a f t s t h et r e n do f s a t e l l i t em i n i m i z a t i o n , p r o p o s e sf u r t h e rd e m a n d sf o re a r t hs e n s o ri nt e r m so fv o l u m n , m a s sa n dp o w e rc o r n s u p t i o n t r a d k i o n a le a r t hs e n s o rb a s e do ns w i l l g s c a n n i n g t e c h n i q u eh a sal o to f d i s a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gb u l k y , h i g hp o w e rc o m s u p t i o na n dl o w p r e c i s i o n , b e i n gu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fm i c r o s a t e l l i t e s a c c o r d i n gt ot h e s ed e f i c i e n c i e s ，ad e s i g nm e t h o do fe a r t hs e n s o rw h i c hi ss u i t a b l e f o rt h em i c r o s a t e l l i t ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es e n s o ri sb a s e do ni n f r a r e df o c a l p l a n ea r r a ya n dp a n o r a m i ci m a g i n gt e c h n o l o g y b o t ht e c h n i q u e sa r es t a t i cs t a r i i l g i m a g i n gw i t h o u ta c t i v es c a n n i n gp a r t s ，s oi tc a nr e a l i z et h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e a n dl i g h tq u a l i t y i n f r a r e df o c a lp l a n ei m a g i n ga n dp a n o r a m i ci m a g i n gi sm a i n l yu s e d f o rs a t e l l i t ei nt h es h a d o wa n d l i g h ta r e a s p a n o r a m i ca n n u l a ri m a g i i l gh a sh i g h i m a g i n gq u a l i t ya n dl e s sp o w e rc o n s u m p t i o n , s ot h i si m a g 吨m e t h o dc a ni m p r o v et h e t h eo v e r a l la t t i t u d ed e t e r m i n a t i o na c c u r a c yo ft h ee a r t hs e n s o ra n dr e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h ew h o l ee a r t hs e n s o r t h ee a r t hs e n s o ru s e st h es a m eh a r d w a r e p r o c e s s i n gc i r c u i t r yt oa c h i e v et h ee a t ha t t i t u d ep o s i t i o n , w h i c hc a nf u r t h e rr e d u c e p o w e rc o n s u m p t i o na n dv o l u m eo ft h es y s t e m s ot h ee a r t hs e n s o ri ss m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo fe a r t hs e n s o r , t h i sp a p e rg i v e st h ed e t a i ld e s i g n s c h e m eo ft h ee a r t hs e n s o r , i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h eo p t i c a ls y s t e m , i m a g 吨s e n s o r a n dt h eb a c k 。e n dh a r d w a r ep r o c e s s i n gs y s t e m i nt h i s p a p e r , i n f r a r e di m a g i n gi s c a p t u r e dt h r o u g ht h et h e r m a li m a g i n gc o m p o n e n td 7 8 0 c ，p a n o r a m i ci m a g 吨i s c a p t u r e dt h r o u g ht h ep a n o r a m i ca n n u l a rl e n sw h i c hi sd e v e l o p e db yz h e j i a n g u n i v e r s i t ya n dc m o si l n a g i n gs e n s o r t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e t a i l sa b o u t t h ed e s i g no fb a c k e n dd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m , i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e i m p l e m e n t a t i o n o fh a r d w a r e s y s t e m h a st w o p r o p o s a l s o n e k i n d v 浙江大学硕士学位论文 o fa r c h i t e c t u r ei sb a s e do nf p g aa n dd s p , w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo ff l e x i b i l i t yb u t t h es h o r t a g eo fc o m p l e xs t a t u r e t h eo t h e ra r c h i t e c t u r eo n l yu s e sd s pw i t hp l e n t yo f v i d e oi n t e r f a c e s ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l i c i t yb u tw e a k n e s so fp o o r v e r s a t i l i t y s o f t w a r es y s t e md e s i g n sp r i m a r i l yr e f e r s t ot h ea r c h i t e c t u r ea n d o r i e n t a t i o na t t i t u d ei n f o r m a t i o nl o c a t i o na l g o r i t h m s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d w i t hr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e md s p b i o s ，w h i c hi s i m p l e m e n t e dm e c h a n i s mo f m u k i - t h r e a d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l eo f e a r t hs e n s o r , t h i sp a p e rp r o p o s e sa n i m a g i n gp r o c e s s i n ga l g o r i t h mf o ro r i e n t a t i o na t t i t u d ei n f o r m a t i o n t h i sa l g o r i t h mc a n g e tah i g hp r e c i s i o no fa b s o l u t em e a s u r e m e n ta tar e l a t i v e l yb i ga t t i t u d ea n g l e ，w i t h g r e a tr e l i a b i l i t ya n dh i g hp r a c t i c a l i t y f o rt h em e a s u r e m e n tc a l i b r a t i o na c c u r a c yo fe a r t hs e n s o r , t h i sp a p e rp r e s e n t sa c o r r e s p o n d i n gm e t h o do ft e s t i n ga n dc a l i b r a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee a r t hs e n s o r m o d e le s t a b l i s h st h ee a r t hs e n s o rs i m u l a t o rf o rap r e c i s i o nc a l i b r a t i o na n di n t r o d u c e s t h ed e s i g ns t e p so fc a l i b r a t i o np l a t f o r m a tl a s t ，w eg i v et h et e s tr e s u l ta n da n a l y z et h e e r r o rs o u r c e t h er e s u l to f t e s t i n gi n d i c a t e st h a tt h ee a r t hs c n o rt e s ta c c u r a c yo f o 1o ，a s e n s i t i v i t yo fo 0 1 0a n dt h ep r o c e s s i n gs p e e do f5 - 1 0i m a g e sp e rs e c o n dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm i c r o s a t e l l i t ea t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：e a r t hs e n s o r , m i c r o s a t e l l i t e ，i n f i a r e df o c a lp l a n e ，a t t i t u d ec o n t r o ls y s t e m , d s p , p a n o r a m i ca n n u l a r , d s p 1 3 1 0 s 致谢 致谢 光阴荏苒，时光飞逝，转眼间，毕业在即，回首往事，我不仅嗟叹，天下无 不散之筵席。一路上，哭过笑过，彷徨过拼搏过，回首，发现足迹间写满了感动 和成长。感谢两年半来身边关心我的老师和同学，有你们的鼓舞和帮助，我才能 不断克服困难，不断地成长进步。 特别要感谢我的导师金仲和老师。金仲和老师学术造诣颇深，他对待学术问 题一丝不苟，科学作风严谨，无论从我毕业论文的选题、方案的论证、论文的撰 写与审阅等方面工作，我都得到了金老师的直接指导和帮助。金老师独到的见解、 敏锐的洞察力和认真的工作态度使我受益匪浅。在这里我要对金仲和老师表示最 崇高的敬意和感谢。 特别要感谢王昊老师。王老师在我的毕业设计里一直给我无私的帮助，并且 时时刻刻督促着我前进。在对我的毕业设计进行悉心指导的同时，王老师又为我 创造非常有利的学习实践环境，使我从中受益匪浅。在这里我要对王昊老师的悉 心指导与谆谆教诲表示衷心的感谢。 特别要感谢郑阳明老师。郑老师在我的研究生生涯中给予了很多帮助，特别 是在科研方面都一直给予我很多建设性地指导。郑老师认真的工作态度和深入分 析问题的能力使我受益匪浅。郑老师的到来，使我计算机程序方面得到了很大的 提高，在这里我要表达对郑阳明老师衷心地感谢。 感谢马慧莲老师、吴昌聚老师、金小军老师、王慧泉老师、蒙涛老师、王春 晖老师和张朝杰老师，无论是在学术论文的撰写还是平时的学习工作，你们都给 予了我很大的指导和帮助。 感谢康晓黎老师、骆温明老师、丁纯老师对我在学 - - j 上和生活上的无微不至 的关怀和帮助。 感谢张钰师兄、杨牧师兄、韩柯师兄、李辉师姐、向甜师姐、杨伟君师兄、 徐兆斌师兄、朱小丰师兄、周阳师兄、张立军师兄和屠斌杰师兄，师兄师姐们对 我生活和科研方面给予了很大帮助，同时也让我学会了待人处事的道理。 感谢郭振东硕士、应鹏硕士和汪宏浩博士在我毕业设计中所做的工作，我的 浙江大学硕士学位论文 毕业设计能够顺利地完成离不开你们辛勤地帮助，非常感谢你们。 感谢和我一届的蔡波硕士、丁立聪硕士、陈宇睿硕士、杨俊义硕士、姚灵芝 硕士、朱辉杰博士和赵明臣博士，感谢你们平时的提醒以及互勉互励。 特别要感谢我的父母，二十多年的养育之恩，是你们一直以来对我的默默关 怀和付出，才使你们的儿子在求学的道路上走到了今天你们是世界上最伟大、 最无私的人你们的理解和鼓励，是激发我前进的动力，让我在面对困难的时候， 能做到永不言败、迎难而上。 最后，仅以此文献给我的父母、亲人、老师和同学，是你们在我求学的道路 上默默的支持我鼓励我，你们的支持让我不断的前进。 沈国权 2 0 1 2 年0 2 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 姿态控制系统是卫星中复杂度最高的子系统之一。它的主要任务是实现卫星 在空间特定坐标系中的指向，一般由测量姿态矢量的敏感器、姿控计算机和执行 部件构成。目前在卫星姿态控制系统中使用的姿态敏感器主要有：陀螺仪、地平 探测仪、磁强计、地球重力传感器、红外地球敏感器、太阳敏感器和星敏感器等。 其中红外地球敏感器是卫星的主要姿态敏感器，它的作用是确定地球中心在卫星 坐标系中的矢量方向，从而为姿态和轨道控制系统提供俯仰和滚动信息，以便捕 获并保持卫星的姿态和天线定向。它是卫星姿态控制系统中的一个重要部件，它 的可靠性和精度对卫星的姿态控制具有非常重要的作用【1 】【2 】。 红外地球敏感器( 又叫红外地平仪) 按照工作方式可以分动态和静态两种地 球敏感器。目前，我国大多数卫星上采用的地球敏感器为圆锥扫描式动态地球敏 感器【3 1 。圆锥扫描式动态地球敏感器采用绕固定转轴扫描的方式实现，这种动态 地球敏感器包含有机械扫描装置，故体积大、功耗高，且测量精度低。微小卫星 的发展对地球敏感器要求日益提高，地球敏感器逐渐向着模块化、小型化、高精 度方向发展【4 】o 显然，动态红外地球敏感器无法满足微小卫星的需求。静态红外 地球敏感器采用凝视型成像，不需要扫描机械的运动，在质量、功耗、精度及使 用寿命等方面都比动态地球敏感器存在优势，因此各国都在积极开展对静态红外 地球敏感器的研究【5 1 。 浙江大学2 0 1 0 年9 月发射的z d p s 1 a 皮卫星上搭载了一个相机有效载荷， 成功捕获到了清晰的地球图像。该相机采用了全景环形光学镜头作为其光学部件， 可以实现3 6 0 0 环景成像。 根据以上所述，本论文提出了一种新型的地球敏感器设计和实现方法。采用 红外图像传感器和可见光图像传感器捕获地球影像，分别用于卫星在地球的阴影 区和光照区这种组合方式有利于降低地球敏感器的整体功耗和提高精度。因为 全景环形成像地球敏感器的功耗比红外静态焦平面地球敏感器小，且可见光波段 成像质量要远高于红外波段，故它的定姿精度高。所以采用可见光和红外相结合 1 浙江大学硕士学位论文 方式设计的地球敏感器在精度和功耗上优于全部采用红外定位的地球敏感器，特 别适合运用于微小卫星上。 1 2 地球敏感器国内外研究现状 从上世纪6 0 年代起，各国卫星采用了不同类型的地球敏感器，并取得了许 多宝贵的经验网。在欧洲，法国和意大利等国的红外地球敏感器研究处于国际领 先地位，其中法国的s o d e m 公司是红外地球敏感器的知名厂商，s t d l 6 是其中 一款典型的动态双圆锥扫描的地球敏感器【7 1 ，如图1 1 所示。 图1 1s o d f i r l l 公司s t d l 6 红外地球敏感器 下面是各国地球敏感器的研究详细现状。 1 ) 法国 s o d e m 公司是法国星敏感器和地球敏感器的知名公司【5 】。c c d 马赛克 ( m o s a i c ) 地球敏感器是s o d e m 早期按照c n e s 合同研发的可见光地球敏感器。 其采用t h o m s o n 公司的t h 7 8 6 4 c c d 器件为前段探测器，视场为3 0 0 x 4 0 0 ，可实 现的定姿精度优于0 0 3 0 。s t d l 5 是其公司研制的一款典型的动态双圆锥扫描的 红外地球敏感器，如图1 2 所示。s t d l 5 应用于t c 2 系列、h i s 2 p a s a t 系列、 h o t b i r d 系列、n i l e s a t 系列等卫星，其主要的技术指标为：质量：3 4 k g ；尺 寸：16 8 m m x 2 0 6 5 m m 2 0 6 5 r a m ；功耗：7 5 w ；供电2 0 2 5 v 。 2 ) 美国 1 3 - 4 1 0 是美国g o o d r i c h 公司生产的最新一代多任务红外地球敏感器，它的 工作原理是动态扫描式，其视场比传统的红外地球敏感器广阔，能达到1 6 0 x 1 0 0 的视场角，其精度也能够达到土o 0 5 。- i - 0 0 8 0 。该敏感器在结构方面也获得了质的 绪论 图1 - 2s t d l 5 红外地球敏感器 的飞跃，尺寸大小为q ) 1 7 0 m m x l 2 0 m m 。此外，该敏感器在m e o 轨道可以工作 1 0 年，在g e o 轨道可以工作1 5 年。该敏感器已经被选作美国空军先进超高频 计划卫星的主要定姿敏感器。 3 ) 日本 日本a s t r or e s e a r c h 公司生成c e s 3 是一种圆锥扫描式地球敏感器【8 】【9 1 。 c e s 3 主要应用于中低轨道的三轴稳定卫星的姿态控制系统中，其主要参数指标 如下：视场大小为1 5 。1 5 。，它的尺寸为1 1 8 m m x l 2 0 m m ，质量为2 7 k g ，功 耗为2 w ，正常工作的温度范围为5 4 5 0 ，使用寿命大于5 年。 4 ) 中国 我国的红外地球敏感器研制起步较晚，型号i r e s 2 是中国航天科技集团5 0 2 所生产的一款圆锥扫描式红外地球敏感器【1 0 】，如图1 3 所示。它具有小体积、低 功耗、长寿命、高精度等优点，其主要应用于中低轨道三轴稳定卫星。i r e s 2 的瞬时视场角1 5 0 x 1 5 0 ，尺寸为1 9 0 m m x l 6 4 m m x 3 7 5 m m ，质量小于3 2 k g 。 图1 3 摆动扫描式红外地球敏感器 从国内外的调研可以看出，前面几种地球敏感器无法满足微小卫星小型化、 低功耗的要求。需要在原有的基础上，研制新的地球敏感器的实现方案。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文的背景和主要内容 本文从微小卫星的姿态控制系统要求出发，在充分研究国内外地球敏感器的 基础上，结合上颗实验室自行研制成功的z d p s 1 a 的成功经验，提出了一种新 型的地球敏感器的设计和实现方法。它采用红外焦平面成像技术和全景环形成像 技术实现对地球姿态信息定位。从而使地球敏感器具有低功耗、小体积、质量轻 特点，为地球敏感器在微小卫星领域指明了一条发展道路。 第l 章绪论阐明了本课题研究的目的及意义，并对国内外地球敏感器的发展 进行了详细的介绍 第2 章介绍了地球敏感器的一般工作原理和分类，对每个类型的地球敏感器 工作原理进行了详细地介绍，证实了现有地球敏感器无论在体积和功耗方面无法 满足微小卫星的要求，然后给出了本论文所设计的地球敏感器的具体工作原理以 及其所具有的优势。 第3 章给出了本课题所研究的地球敏感器的系统设计构架。本文介绍了所设 计地球敏感器的前端光学系统和图像传感器，然后着重介绍本文设计的地球敏感 器后端数字信号处理电路的硬件系统设计。硬件系统的设计采用了两套实现方案， 一套以f p g a + d s p 实现，另外一套用视频接口d s p 实现，然后分别讲解了每套 方案的详细实现过程和优缺点。 第4 章主要介绍了本文地球敏感器的软件系统设计。整个软件系统设计包括 系统架构设计和地球敏感器姿态定位算法设计。本文中的软件系统架构设计采用 了两种方法：一种是采用中断轮询方式设计，另外一种是采用实时操作系统 d s p b i o s 多任务多线程设计，且分别给出了两种方式的详细实现过程地球敏 感器姿态定位算法包括：图像预处理、地球敏感器粗略定中心、地球敏感器精确 定中心。图像预处理主要用于红外图像去噪和全景环形图像消畸变，粗略定中心 和精确定中心是用于姿态的定位，该算法有较高的姿态角测量精度和较高的抗干 扰性和可靠性，具有很强的实用性。 第5 章主要介绍了搭建地球敏感器标定及性能测试环境的详细步骤。提出了 一种的地球敏感器标定平台搭建方案，并对地球敏感器精度进行了标定。对实验 数据进行了分析，给出了测试平台的误差补偿方法和测试算法的改进方法，再次 进行了精度标度，得出了所设计的地球敏感器的测量精度和灵敏度，证明了所设 正 绪论 计的地球敏感器符合微小卫星姿态控制系统的要求。 第6 章对本课题所研究的地球敏感器进行了总结，提出了下一阶段需要改进 的地方。 s 浙江大学硕士学位论文 6 地球敏感器工作原理 地球敏感器工作原理 2 1 地球敏感器原理概述 地球敏感器根据其前端探测器的波段可以分为可见光地球敏感器和红外地 球敏感器。可见光地球敏感器的优势在于图像敏感和星上信号处理技术已经相当 成熟，但是由于可见光地球敏感器在卫星进入地球阴影区时无法使用，所以现在 卫星上采用的地球敏感器都是红外地球敏感器。 红外地球敏感器借助于地球对红外辐射的敏感，从而获取卫星相对于地球的 姿态信息，经后端电路处理后输出包含姿态信息的信号，即地球的俯仰角信息和 滚动角信息f l l l 。 从卫星上看，地球乃是张角( 即地球直径对卫星的张角) 相当大的圆盘，称 为“地球圆盘”，如图2 1 所示，卫星s 与地平圆盘中心0 的连线称为“当地垂 线”。则地球敏感器获取的卫星“对地”姿态信息可归结为当地垂线在卫星坐标 系中的方位。它包含了俯仰角和滚动角等姿态信息，即指卫星指向雨相对于当 地垂线万万的滚动角偏差o r 和俯仰角偏差以。可见，地球敏感器任务可归结为 确定当地垂线，也就是确定地球圆盘的中心【1 2 】。 p ( 图2 1 地球敏感器定姿一般原理 7 圆 浙江大学硕士学位论文 2 2 红外地球敏感器的分类 红外地球敏感器主要由前端光学镜头、红外图像传感器以及后端信号处理电 路三部分组成，有些还包括活动机械扫描部件。因此，可以按照是否含有机械扫 描部件将红外地球敏感器分为动态的和静态的两类。 动态红外地球敏感器主要利用电机等活动扫描机构带动光学红外探头扫描 地球和太空，探测器将辐射信号转为电信号，经过信号处理电路得到滚动轴和俯 仰轴姿态信息。动态地平仪根据扫描方式可以分为圆锥扫描式和摆动扫描式两种。 静态红外地球敏感器是将多个红外探测元放在光学系统的焦平面上，通过探 测对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的姿态信息【1 3 】。静态红外 地球敏感器的成像方式有线阵和面阵两种。 2 2 1 圆锥扫描式红外地球敏感器 圆锥扫描式红外地球敏感器主要在电机驱动下绕扫描轴旋转时形成以圆锥 面对地平圈进行扫描。在一次扫描中两次扫过地平圈，每次扫过地平圈时产生脉 冲信号，利用这两个脉冲电平信号计算出姿态角信息。其测量原理【1 0 】【1 4 】如图2 2 所示。假设在时间点为t g 时刻扫过g 点作为输出基准信号。时间点t o 视线在h o 点从地球扫描过天空，时间点t i 视线在h i 点从天空扫描地球，视线扫描周期t 图2 - 2 圆锥扫描式地球敏感器的工作原理 设q 为视线围绕y 轴由h i 到h o 转动的角度。，w j 为基准点g 到扫出点h o 的角 度宽度，w i 为扫入点h j 到基准点g 的角度宽度。俯仰轴y 的姿态偏差记为v 】， 则其关系有如公式2 1 所示。从圆锥扫描式地球敏感器可以看出，其只能测量出 一个扫描轴的姿态信息，所以说如果需要得到滚动轴和俯仰轴的姿态角信息的话， 需要用到两个敏感器。 g 地球敏感器工作原理 q ：! d * 3 6 0 l 。 w o = o - - 下t g 牛3 6 0 形= 盘o q 。1 l 。 v y = 职一旦：墅墨 2 2 2 摆动扫描式红外地球敏感器 摆动扫描式地球敏感器利用光学系统镜片在空间往返直线扫描的摆动，从而 使地球红外辐射成像在探测元件上，利用两次偏移的坐标位置差计算姿态角信息。 它主要有单地平摆动式和双地平摆动式两种类型。 单地平摆动式地球敏感器的工作原理【1 5 】【1 6 】如图2 3 、图2 4 所示。x o y 是坐 标系。圆0 是姿态无偏差时看到的地球圆盘。圆o 是姿态发生变化时看到的地 球圆盘。a 、b 、c 、d 是4 个视场，直线a b 、c d 是敏感器视场的两条扫描轨 迹线。a ，b 、c 、d 同时代表了4 个地平穿越点。在同步轨道高度，从卫星上看 到的地球是半径为8 7 3 0 的圆盘。 y 滚动轴 一轴 葺荽嘲 图2 3 单地平摆动地球敏感器工作原理 图2 4 地球敏感器扫描与地球的几何关系 9 浙江大学硕士学位论文 当卫星姿态在零姿态条件下时，其4 个地平穿越点的坐标有如下关系式： j 彳2 + 】，2 = 足( 2 2 ) l 】，= + s i n y + 恳 式( 2 - 2 ) 中丫为扫描纬度，当沿士4 5 。纬度扫描时，各穿越点的x 轴坐标可以从公 式( 2 3 ) 计算得到： 一= - , r - ( r * s i n z y = 一压石面焉丽( 2 3 ) x c = 厄f 瓦丽 x d = 瓜f _ l 葡 当卫星有俯仰偏差郇和滚动偏差o r 时，设地球圆盘的中心位置偏移到0 ，地平 穿越点为a ，、b 、c 、d ，则其坐标可由下面方程求得： j ( 工+ 郎) 2 + ( y + 喙) 2 = 疋( 2 4 ) 【y = ：t ：s i n y 恐 各穿越点坐标可以从公式( 2 5 ) 为： 工- = 也一压面瓦而亍 j b = 4 一扼丽可而 ( 2 5 ) x o = 4 + 瓜f 丽百而 x t 。= 4 + 压f 瓦百而 敏感器检测出的俯仰角和滚动角关系可以通过无姿态偏差时的参考点a 、b 、c 、 d 与有姿态偏差时的实际扫描穿越点久、b 、c 、d 的坐标关系计算得到，其 计算关系如公式( 2 6 ) 得到： a , 4 = 一x _ a b = x b x 口 a c = 一x c ( 2 6 ) a d = x d x d a a + a c = a b + a d = 2 郎 a b - a a = a d - a c = 如2 - ( - r e s h a y + o r ) 2 一如2 一( s i n y + o r ) 2 2 2 3 红外线阵静态地球敏感器 红外线阵静态敏感器的工作原理【1 7 】如图2 5 所示图中p 1 、p 2 表示其中的 两个视场。假定地球成像圆盘的辐射度均匀，两通道灵敏度相等。设v 1 、v 2 为 1 0 地球敏感器工作原理 p 1 、p 2 的输出电压值，其二通道输出之差v y = v i v 2 ，显然当敏感器轴线位于 二视场连线的垂直平分线上时，矿1 = 矿2 ，v y = 0 表示敏感器零姿态。设敏感器姿 态偏差的有关系式为v y = f ( v v ) ，则通过此表达式即可进行敏感器的标定确定。 分。_ 食p 1 - y 侣 0 一 冷 泛沁 仰轴 圆盘 图2 5 红外线阵地球敏感器工作原理示意图 2 3 本文设计的地球敏感器工作原理 从上面所述可知，圆锥式地球敏感器和摆动式地球敏感器其质量大、功耗多， 并且扫描机构长时间运动会使敏感器产生振动偏差，故其测量精度低。且这一类 型的地球敏感器技术已经十分成熟，继续发展的空间很小【5 】【1 8 】。所以动态红外地 球敏感器无法满足微小卫星对质量、功耗、精度方面的要求。 红外静态地球敏感器分为线阵和面阵两种。从2 2 3 节可知，线阵地球敏感 器假定地球红外热辐射均匀，但实际上地球辐射是不均匀的，并且这种不均匀性 是随着时间而变化的，这个情况使得线阵地球敏感器的精度很难得到提高。线阵 地球敏感器的另一个缺点就是测量范围狭窄，敏感器的输出信息就不能正确反映 敏感器的对地姿态信息。线阵静态地球敏感器的姿态测量范围决定于视场大小。 由于视场的增大受到种种限制，测量范围的扩大也是很有限制的。基于以上分析， 本文设计的地球敏感器采用红外静态焦平面地球敏感器。 红外静态焦平面地球敏感器采用焦平面凝视成像，不受地球辐射不均匀性影 响，且成像面积大，获得的地球圆盘信息量大，从而定姿精度高，且无活动部件， 1 1 浙江大学硕士学位论文 体积小、功耗低，非常适合应用于微小卫星定姿系统。为了更进一步提高敏感器 的精度和降低敏感器功耗，本文提出了一种全景成像的可见光地球敏感器的设计 方法由于可见光敏感器采用c m o s 图像传感器，故其功耗比焦平面成像的敏 感器低，且可见光波段成像质量比红外波段好，故其定姿精度优于红外。故本文 设计的地球敏感器结合可见光和焦平面地球敏感器各自的优点。以红外焦平面地 球敏感器定姿于卫星处于阴影区，以可见光地球敏感器定姿于卫星处于太阳光照 区部分。 2 3 1 红外焦平面地球敏感器 红外静态焦平面地球敏感器【1 9 1 的工作方式类似人眼，采用面阵焦平面作为 红外探测器阵列红外焦平面地球敏感器的原理如图2 - 6 所示，整个地球投射到 红外传感器的像平面上，然后后端信息处理电路通过图像处理算法计算地球像的 中心位置，最后计算姿态角度。图2 - 6 中0 t 、1 3 分别为所地球敏感器定姿中的滚 动角和俯仰角。x s 、y 。为地球在像平面上所成像的中心坐标值，x o 、y o 为地球 光学镜头 地球像 囱 图2 - 6 红外焦平面地球敏感器工作原理示意图 敏感器零点的坐标。设红外图像传感器像平面的分别率w xh ，光学镜头视场角 为q ，那么可以得出每个像素对应的视场角：在滚动方向上为( 2 w ，在俯仰 方向上为西h 。根据以上分析可以得出口、b 的计算公式如下： 口- - - ( 置一：c o ) * f 2 形( 2 - 7 ) = ( r 一艺) 牛日( 2 8 ) 地球敏感器工作原理 2 3 2 全景环形成像地球敏感器 本文设计的全景环形成像地球敏感器1 2 0 1 的的工作原理和红外焦平面相同。 可采c m o s 图像传感器捕获地球，然后后端信息处理电路通过图像处理算法计 算地球像的中心位置，最后计算姿态角度。图2 7 是实验室自行研制z d p s 1 a 在太空中成功传回的拍摄到的地球的图像。 图2 7z d p s 1 a 拍摄到的地球图像 本文设计的全景成像可见光地球敏感器工作原理如图2 - 8 所示，全景环形镜 像平面 图2 - 8 金景成像可见光地球敏感器工作原理示意图 头成像与传统相机光学系统不同，其像高满足仁p 的关系如下： f = 枣r( 2 9 ) 式中b 为地心与镜头光轴的夹角，r 为像高，f 为全景环形镜头焦距。全景环形 成像地球敏感器角度计算公式如公式( 2 1 0 ) ，其中0 【、p 为滚动角和俯仰角信息。 ) ( o 、y o 为地球敏感器零点的坐标，x 。、y 。为地球经探测器成像后在像平面上中 心点的坐标值，f 为全景光学镜头的焦距。 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 4 本章小结 口= 一( ) p = 7 f r = 厢 ( 2 l o ) 本章介绍了地球敏感器一般的工作原理和分类，对每种类型的地球敏感器的 工作原理作了详细的介绍，指出了现有的地球敏感器的不足之处，最后给出了本 文所设计的地球敏感器的工作原理和所具有的优势。 地球敏感器硬件系统设计 地球敏感器硬件系统设计 3 1 系统结构设计 本文研究的红外焦平面和全景环形成像地球敏感器系统结构如图3 1 所示， 主要都是由光学镜头、图像传感器及信号处理电路单元构成。 f _ _ 光学镜头 图警感嘭错篓酏 器 ” 明 图3 i 本文设计的地球敏感器系统框图 红外静态焦平面地球敏感器采用4 0 m m 红外长焦镜头，图像传感器采用焦平 面红外热组件d 7 8 0 c ，信号处理电路用f p g a + d s p 实现。f p g a 采集红外图 像，d s p 实现图像定位算法，计算出姿态角信息。全景成像可见光地球敏感器采 用全景环形镜头，图像传感器采用o v 2 6 4 0 ，其处理电路同样f p g a + d s p 实现， f p g a 采集可见光图像，d s p 首先实现图像消畸变算法，然后进行图像定位算法， 最后计算出姿态角信息。 3 2 光学系统和图像传感器 3 2 1 红外焦平面地球敏感器 本文设计的红外焦平面地球敏感器采用4 0 m m 焦距的红外镜头，通光率为 0 9 ，光圈大小为4 4 4 4 m m 。图3 2 是红外镜头和红外图像传感器d 7 8 0 c 示意图。 其中d 7 8 0 c 红外热成像组件采用法国s o f r a d i r 公司生产的红外热探测器。该红 外热探测器所用的敏感材料主要是多晶硅。在研制红外面阵焦平面图像传感器方 面，较著名的有美国的b o e i n g 公司和法国的s o t a d i r 公司1 2 1 】b o e i n g 公司早在 1 9 9 6 年就已经成功研制出面阵红外焦平面探测器u 3 0 0 0 系列，近年来还成功研 制出u 4 0 0 0 等系列，其用限作为敏感材料，基于测辐射热原理。s o f r a d i r 公 浙江大学硕士学位论文 图3 - 2 本文所采用的红外图像传感器 司也用多晶硅成功开发出红外面阵焦平面探测器，它采用多晶硅单片集成技术， 从而使成本得到降低。表3 - 1 是b o e i n g 公司和s o f r a d i r 公司焦平面红外探测器典 型器件的特性参数。 表3 1 典型器件特性 u 3 0 0 0 a 探测器类型：v o 。 多晶硅 时间常数：0 0 0 3 s 0 0 0 4 s 平均响应率：5 m v k 1 t 斟阪 探测器元数：3 2 0 x 2 4 0 3 2 0 x 2 4 0 单元大小：5 1 9 m x 5 1 i t m4 5 岬4 5 p m 窗口波段：8 - - - 1 4 邺a7 1 4 1 j m 工作温度：3 0 c - - , + 5 4 c 9 0 - 一- 1 0 0 研制单位：b o e i n g 公司 s o f r a d i r 公司 d 7 8 0 c 热成像组件是浙江大立科技有限公司生产的一款体积小、重量轻、功 耗低的面阵焦平面探测器。表3 2 是d 7 8 0 c 的组件特性。红外焦平面成像往往 存在非均匀性、像元盲点和死点等问题【2 2 1 ，影响图像的成像质量，所以地球敏 感器的后端处理电路往往需要先对图像做预处理，这样就增加了处理电路的难度， 降低了处理图像的速度。d 7 8 0 c 组件具备红外热图像的非均匀性校正、单点校 正、盲元校正等功能，从而使后端处理电路无需预处理，直接可以对图像进行姿 态信息计算。d 7 8 0 c 在输出接口方面，有数字和模拟两路输出信号，方便用户 根据具体的需要选择。数字接口输出1 6 b i t 数字视频信号为经过非均匀性单点校 1 6 地球敏感器硬件系统设计 正、单点单点校正、盲元单点校正后的原始图像数据。数据基准：0 x 0 0 0 0 。信号 电平3 3 vc m o s 兼容。数字信号接口的优势在于后端处理电路无需模数转换，直 接采集后进行处理即可。模拟接口输出为国际标准的p a l 制视频信号，其是对原 始图像信息进行图像处理后转换成模拟视频信号输出。 表3 - 2d 7 8 0 c 组件技术参数 探测器类型 多晶硅 像素 3 8 4 x 2 8 8 探测器性能 像元间距 3 5 u m 波长范围8 1 4 u m 时间常数 0 0 0 7 s 数字接口1 6 b i t 数字原始图像 接1 3 模拟接口标准p a l 视频信号 图像预处理 非均匀性单点校正、单点单点校 图像校正 正、盲元单点校正 实时图像降噪功能，降低图像背