[发明专利]高动态高更新率星敏感器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器姿态测量技术，特别是指一种高动态高更新率星敏感器及其实现方法。

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是当今航天飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件。随着科学技术的发展，航天器的机动性越来越高，对星敏感器的性能要求也就越来越高，而目前的星敏感器存在动态性能较低、姿态更新率不高的缺点，因此，无法满足未来航天器姿态测量的需要。

星敏感器动态性能较低、以及姿态更新率不高是受多方面因素影响的，具体分析如下：

第一，一方面，为了达到较高的星等探测能力，需要较长的曝光时间，但是，长时间的曝光会造成星点成像产生拖影，并使星点能量分散，从而造成星等探测能力下降、视场内所能敏感到的恒星数目减少，以至不能满足识别要求；同时，曝光时间的增加会直接影响到姿态更新率的提升。另一方面，缩短曝光时间虽然可以减少恒星成像拖影、减少能量分散的影响，同时可以提高姿态更新率，但是，缩短曝光时间就意味着对暗星的探测能力减弱，会造成可敏感恒星数目减少。由于可敏感恒星数目由星等探测灵敏度以及视场大小来决定，因此，提高星等探测灵敏度、增加视场大小可以获得更多的恒星观测信息。

然而，对于现有的星敏感器来说，受体系结构及光学系统设计与加工能力的限制，星等探测灵敏度与视场大小成为互相影响和制约的两个因素。具体来说，在光学系统的相对孔径和图像传感器尺寸一定的情况下，视场大意味着焦距小，从而会造成星敏感器的通光孔径比较小，进而造成星等探测能力比较弱；反之，具有较高的星等探测能力通常就意味着较大的焦距、较大的通光孔径、以及较小的视场，同时还会增加光学成像系统的体积及重量，进而会极大地增加星敏感器的体积和重量。

第二，星图图像数据吞吐量大，数据处理能力存在瓶颈。以1024*1024分辨率的星图图像的处理为例，如果要实现50Hz的姿态更新率，则必须要求在1秒钟的时间内完成50M字节数据量的处理，这对现有的数据处理系统来说，是很大的处理量。

第三，现有的星图识别及星跟踪速度较慢，无法满足高更新率的要求。

因此，受上述三个方面的影响，当前主流星敏感器的动态范围一般不超过2°/s，静态情况下的极限敏感星等一般为5～6.5Mv，曝光时间一般为100～1000ms，姿态更新率一般不超过10Hz。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能实现高动态、高姿态更新率的性能星敏感器及其实现方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种高动态高更新率星敏感器，包括：光学成像系统、以及图像传感器；该星敏感器还包括：像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，

像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；

图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；

DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

上述方案中，所述像增强器包括：光阴极、微通道板(MCP，MicroChannel Plate)、以及荧光屏；其中，

光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；

MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；

荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。

上述方案中，所述光阴极为多碱阴极；

所述MCP的最大亮度增益为8000倍；

所述荧光屏为P-22荧光屏。

上述方案中，所述多碱阴极为S-25+。

上述方案中，所述图像传感器为电荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device)图像传感器、或为互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。

本发明还提供了一种高动态高更新率星敏感器的实现方法，该方法包括：

将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；