capteur Star est le plus sensible de toute la précision et la dérive minimale, est important dans le système de détermination de l'attitude de l'engin spatial. Comme le capteur d'étoile en utilisant un dispositif de capteur CMOS est déjà maintenant la direction de courant, le capteur étoile de la technologie de pointe nationaux et étrangers, il y a un grand écart entre l'usage domestique de l'appareil, avec les droits de propriété intellectuelle de la miniaturisation est devenue le capteur étoile imminente. Prendre une puce de commande de SoPC de localisation et CMOS APS conception de puce de capteur d'étoiles, les systèmes optiques et électriques de la conception de l'étude.
1 étoile conception du capteur
Un système de capteur stellaire de capot, une lentille optique, la puce de capteur et le circuit périphérique, un processeur de données et un système de commande par ordinateur, qui schéma de principe représenté sur la figure 1.
1.1 Conception du système optique
Capteur CMOS APS utilisé ici est un modèle interne B1XXX, les fonctions du circuit, des indicateurs, des paramètres, l'emballage, le plus souvent des définitions de broches sont compatibles U.S. STAR1000 les produits de cyprès, qui paramètres du Tableau 1.
les paramètres du système de capteur optique en étoile varie en fonction de l'environnement d'application, qui est déterminée principalement par les éléments suivants: la taille des pixels, les caractéristiques de réponse spectrale du capteur, détecter l'amplitude maximale souhaitée. Définition des paramètres du système optique nécessite une longueur focale de l'objectif, le domaine spectral, diffuse la taille de la tache de lumière à travers l'ouverture, et donc la longueur d'onde centrale de la transmittance .
Détermination de l'angle de champ 1.1.1
La détermination de l'angle de champ de la lentille optique est capable de détecter le ciel de la plage d'indice maximum. plus le nombre d'étoiles peut être observé dans les mêmes conditions, plus l'angle de vue,. Cependant, le nombre excessif des étoiles va interférer avec le calcul ultérieur, de sorte sélectionner l'angle approprié de champ du système optique est une première étape dans la construction.
Capteur CMOS APS tel qu'il est utilisé ici, est une puce interne. taille de pixel de 15 pm, une résolution de 1024 x 1024, la gamme de longueurs d'onde de fonctionnement sélectionnée de 400 nm ~ 780 nm. Une probabilité dans la revendication 4 ou plusieurs étoiles de guidage en toute position de capture de 99%, de sorte que les calculs subséquents . Les exigences de ces données, le processus de programmation par catalogue, disponible dans un champ de vision donné d'observer l'ampleur de chaque numéro. De plus l'ampleur statistique est 5.5 Lorsque similaire, pour sélectionner le rencontrer pour le champ de vision angle de vision de 20 ° x 20 ° observé dans l'un des quatre étoiles et au-dessus de cette condition. Par conséquent, la sélection d'un angle de vision de 20 ° x 20 °.
1.1.2 pour déterminer la distance focale
Déterminer le plan d'imagerie longueur focale est la distance au miroir. En fonction de la distance de l'objet sélectionné, la distance focale produira un changement correspondant. Dans l'espace, l'emplacement et la distance des étoiles est relativement fixe, si différent de zoom de la caméra ordinaire, la distance focale de l'étoile est fixe. champ du système optique existant de vue et d'une longueur focale de la relation de la formule:
La détermination de la taille de la tache de flou 1.1.3
Dans cet article, l'angle de vision de 20 ° x 20 ° par exemple, en utilisant 1024 x 1024 pixels, alors que jusqu'à un seul pixel 20/10240.0195 ° 70 ». Afin d'améliorer la précision de l'élément d'image estimée besoin d'être reçue par le capteur d'image défocalisation du point image se disperse, de sorte que la propagation de l'énergie autour de plusieurs pixels. l'énergie d'une pluralité de signaux d'éléments d'image sont regroupés, en fonction de certains algorithmes, calcul commun et acquiert la position du point en étoile. le but de ceci est que non seulement la position du point d'étoile est obtenu à partir d'un seul pixel, mais le niveau de sous-pixel peut être réalisé. qui est la méthode d'extraction de l'interpolation de sous-pixel point étoile chaînons . les plus couramment utilisés il taille de point de flou de 2 × 2 pixels ou 3 x 3 pixels, en utilisant une taille de point de flou peut améliorer la précision de positionnement, mais cela aura une incidence sur les calculs subséquents vitesse prennent ici 2 × 2 taille du pixel en tant que dimension de spot dispersée.
1.1.4 détermination ouverture relative
la taille des pores et la longueur focale représentés par l'ouverture par rapport F, à savoir, F / # = f / D. Norme nationale GB / T 30111-2013 dans la définition de l'ouverture relative est le rapport de la pupille d'entrée de diamètre de la distance focale, à savoir D / f, qui a sélectionné la valeur entre 1 / 0,8 à 6/1.
Calculé F / # est donnée par la formule :
Où est la valeur Vth SNR 5; Id sombre bruit de courant;
Est la somme du reste de bruit; [tau] est le facteur de transmission du système optique, en prenant 0,75; est une concentration d'énergie, en prenant 90%; t est le temps d'intégration de l'exposition, en prenant 100 ms; a est la taille de pixel, prendre 15 um; k est un détecteur équivalent de lumière; h comme le soleil transmis au système optique d'éclairage sur la pupille, le QE est le rendement quantique; rapport cyclique de la zone de la FF; d est diffuse la taille du spot, h est la constante de Planck, c représente la longueur d'onde centrale de la lumière incidente correspondant à fréquence. Le résultat final est calculé D25.2 mm. Le F / # = 25,2 / 43,56 = 1: 1,73. Conformément à la gamme standard nationale.
1.2 Conception du système électrique
L'analyse 1.2.1 CMOS APS
Tel qu'il est utilisé ici, est un B1XXX ayant de 1024 x 1024 rayonnement résolution capteur d'image CMOS, de la taille de pixel de 15 pm x 15 pm. Chaque fonction, index, paquet, définitions de broches circuits sont compatibles avec les produits américains CYPRESS STAR1000 de l'entreprise. Puce intégrée double échantillonnage, un amplificateur à gain variable (PGA) 12 et convertisseur analogique-numérique (ADC). puce ADC et isole électriquement, à la fois sur la puce de sortie numérique ADC est quantifiée, peut être basée sur les besoins des utilisateurs, les signaux analogiques de sortie optique directe.
Circuit ayant une fonction intelligente de la fenêtre, à savoir, le réseau de pixels des X, l'adresse Y programmation au hasard, la taille de la fenêtre de contrôle stochastique, adresses de début et de fin, présente une sensibilité élevée (2.7 V / lux · s (@ 550 nm)), peut adapter à l'espace exigences environnementales LLL; 1,2,4,8 fois avec gain programmable, en fonction de la commande de gain de sortie d'intensité lumineuse, d'adapter à l'environnement en général, avec une fonction d'intégration double pente, peut grandement améliorer la gamme dynamique, ce qui améliore le même environnement la lumière de faible adaptative lorsqu'il existe lumière; capacité de rayonnement de dose totale 100 Krad (si), seul événement de verrouillage LET75 Mev · cm2 / mg.
La structure du dispositif et les caractéristiques: B1XXX schéma fonctionnel représenté sur la figure 2. Le capteur d'image comprend six parties principales: une matrice de pixels, la logique d'adressage, l'amplificateur de pré-colonne, un amplificateur de gain programmable (PGA), et ADC multiplexeur analogique.
1.2.2 FPGA module d'unité de cadencement
Sélectionnez le plan focal du capteur d'image est directement liée au cur de la conception du capteur d'étoile.
Le système utilise FPGA entraînement de mise en uvre du capteur d'image CMOS, capteur d'image CMOS et le système de processeur d'interface, et la carte des étoiles graphique stocké ou prétraitement des fonctions. conception unique entièrement horloge synchrone est utilisé dans la conception, le cristal 20 MHz externe fournit la source d'entrée d'horloge, le processus de division interne est effectuée. Cette logique séquentielle plus complexe peut être programmé pour réaliser , comme représenté sur la Fig.
1.2.3 schéma de traitement du signal
La carte de traitement de signal comprend une âme en planche traitement de signaux SoPC, la plaque de noyau en basées sur le développement intégré de SoPC secondaire, les applications de SOPC minimum, le module de configuration de base et un circuit d'interface de communication intégré dans une taille de 51,4 mm x 51,4 mm petit SoC conseil d'administration. Dans lequel le schéma synoptique d'ensemble représenté sur la figure 4 SoPC puce.
En outre, le noyau comprend en outre un traitement de signal interface de communication de la carte avec la configuration de base et le système d'application, y compris: la configuration PLL, la configuration de l'interface de mise en service, un module remise à zéro, le module d'horloge, la configuration FPGA. L'interface de communication comprenant: une interface de communication 1553, l'interface ADC, une interface de communication série, étendu l'interface GPIO, une interface d'interruption, bus I2C, l'interface temporisateur / compteur d'entrée / sortie, et des instructions à l'interface de test. Le capteur étoile pour répondre aux exigences du logiciel de base.
La conception finale est la suivante: La taille étoile capteur système électrique (sans boîtier) à un 60 mm x 60 mm, 2 cartes de circuits wt (y compris les éléments de fixation) un total d'environ 60 g, la consommation d'énergie statique d'environ 1,2 W.
2 APS logiciel du capteur étoile
algorithme de logiciel comprend un capteur d'étoiles catalogue d'étoiles établi, étoile pré-traitement de la figure, l'identification de motif en étoile et le graphique correspondant, et une autre solution d'attitude.
(1) établir des bibliothèques étoiles
Bibliothèque est une étoile collection établie conformément à l'étoile guide de sélection du catalogue, dont le rôle est de fournir un match à base de match pendant le tableau. Après avoir déterminé un bon catalogue, vous pouvez configurer le catalogue d'étoile guide approprié en fonction de catalogue.
(2) Prétraitement étoile figure.
Après l'obtention d'un capteur d'image, en raison de divers bruits, les données doivent être traitées avant le bruit, puis l'étoile extraction barycentre, est fourni aux algorithmes d'identification des étoiles.
Il utilise une méthode de débruitage moyenne simple dans des applications pratiques. Etant donné que la valeur du bruit stationnaire est présentée de façon irrégulière dans une certaine plage, il est possible de la valeur moyenne en tant que bruit de système fixe, puis une moyenne de l'image capturée et la différence, l'effet de réduction de bruit initial peut être obtenu. Des méthodes spécifiques: en utilisant le système de capteur étoile continuellement prendre des photos dans l'état sombre, dans lequel le bruit d'acquisition d'informations, y compris l'emplacement et la valeur. information de bruit obtenu à la même position, en utilisant la méthode de la moyenne a été calculée comme étant la valeur finale moyenne.
En raison des différents points de temps, montrant un bruit de bruit stationnaire sera légèrement différente. Dans le cas de temps d'intégration statistique de 10 ms, 50 ms, 100 ms, en utilisant la différence entre le bruit moyen et la moyenne des 10 méthode réelle dérivée.
Dans l'acquisition de toutes les images en noir, le bruit fixe affectera environ 3,6% des quelque. valeur de gris de bruit centrée autour de 08-10. Lorsque la méthode débruitage utilisant la valeur moyenne, la valeur de gris bruit centrée autour 00 ~ 02. Tableau 2 effet d'utiliser une valeur moyenne pour les suivant débruitage différents temps d'intégration.
(3) identifier l'étoile figure étoile carte correspondant
Après l'extraction des informations barycentre, le guide étoiles Guide base de données pour identifier les étoiles rechercher les mêmes informations, si elles sont obtenues le seul match de l'étoile guide, le match est réussi.
(4) solution d'attitude
Lorsqu'une correspondance est l'algorithme d'attitude réussie calcule les angles d'attitude courant ou sortie de données de quaternion.
La figure 5 est un capteur organigramme logiciel étoile.
3 Conclusion
Radiation ici puce COMS APS et une puce de commande conformément à un capteur étoile optique miniature conçus anti-SoPC domestiques et des systèmes électriques. Les caractéristiques des capteurs classiques, ciblés sélection d'un paramètre de système optique appropriés, et pour déterminer les paramètres dérivés de ceux-ci. Après avoir déterminé le système optique de l'angle de vue et un capteur APS, la distance focale peut être obtenue successivement, et d'autres paramètres ouverture relative. Étoile capteur en fonction des besoins et du système matériel, la conception du FPGA d'un module de traitement de signal et le module d'entraînement. Capteur étoile fait complètement indépendant du matériel et dans les GB / T 30111-2013 exigences en ce qui concerne le capteur stellaire, une partie du logiciel programmé selon un paramètre de dispositif classique. Enfin, un ensemble conçu et réalisé la localisation du prototype de capteur étoile Principe.
