專利名稱：高精度aps太陽(yáng)敏感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器上姿態(tài)測(cè)量控制系統(tǒng)中的姿態(tài)敏感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高精度APS太陽(yáng)敏感器。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)敏感器是以太陽(yáng)為基準(zhǔn)方位，測(cè)量太陽(yáng)視線與衛(wèi)星等航天器某一體軸或坐標(biāo)平面之間夾角的一種姿態(tài)敏感器，主要有模擬式、一般數(shù)字式和新型數(shù)字式三種類型，其中，模擬式和一般數(shù)字式為國(guó)內(nèi)外航天器所常用，其所用光敏探測(cè)元件多為半導(dǎo)體光電池(Si)及光電導(dǎo)器件(CdS)。以光電池為光敏探測(cè)元件的模擬式太陽(yáng)敏感器由于基于光伏特性，模擬量輸出，分辨率和測(cè)量精度低，不能滿足航天器姿態(tài)控制的大視場(chǎng)、高精度要求，一般數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，如編碼式太陽(yáng)敏感器，比模擬式太陽(yáng)敏感的精度高，但其光學(xué)探頭較重、控制復(fù)雜，不適應(yīng)微型化、輕量化的要求，同時(shí)也限制了測(cè)量精度的提高，美國(guó)NASA的噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在低功耗、高精度太陽(yáng)敏感器研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位，2003年研制出了基于多孔光學(xué)掩膜的太陽(yáng)敏感器，多孔設(shè)計(jì)提高了太陽(yáng)敏感器的精度，但是其太陽(yáng)敏感器光斑質(zhì)心的計(jì)算是通過(guò)將圖像傳給RISC處理器后實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較多、速度慢，成為其太陽(yáng)敏感器速度的瓶頸，并且增加了算法的復(fù)雜度，另外其姿態(tài)的計(jì)算也是通過(guò)RISC處理器實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高精度APS太陽(yáng)敏感器，其在結(jié)構(gòu)方面具有一體化、集成化和小型化的優(yōu)點(diǎn)，在性能方面能夠達(dá)到速度快、體積小、視場(chǎng)大、精度高、功耗低的有益效果。
本發(fā)明的高精度APS太陽(yáng)敏感器包括光學(xué)引入單元、圖像傳感單元、信號(hào)處理單元和接口單元，所述的光學(xué)引入單元與圖像傳感單元相連接，所述的信號(hào)處理單元分別與圖像傳感單元和接口單元進(jìn)行連接，所述的接口單元外接有主計(jì)算機(jī)，其中，光學(xué)引入單元用于產(chǎn)生光斑陣列圖像，圖像傳感單元用于輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值，信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角，接口單元用于將姿態(tài)角傳輸至主計(jì)算機(jī)。
所述的光學(xué)引入單元采用硅基片上鍍膜蝕刻的陣列小孔結(jié)構(gòu)。
所述的圖像傳感單元包括CMOS APS圖像傳感器。
所述的信號(hào)處理單元采用FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制，包括圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、質(zhì)心計(jì)算模塊、光斑缺失判斷與識(shí)別模塊、姿態(tài)計(jì)算模塊和接口協(xié)議模塊，上述各個(gè)模塊順次連接，其中，所述的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊還與圖像傳感單元連接，所述的接口協(xié)議模塊還與接口單元連接。
所述的接口單元包括RS422接口轉(zhuǎn)換芯片。
一種高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于包括如下步驟首先，光學(xué)引入單元產(chǎn)生光斑陣列圖像，接著，圖像傳感單元輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值，然后，信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角，最后，接口單元將姿態(tài)角傳輸至主計(jì)算機(jī)。
所述的光學(xué)引入單元是通過(guò)透光的小孔陣列結(jié)構(gòu)引入太陽(yáng)光線并產(chǎn)生光斑陣列圖像的。
所述的圖像傳感單元是由信號(hào)處理單元的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)從而逐行輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值的。
所述的信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角的過(guò)程具體包括如下步驟第一步，質(zhì)心計(jì)算模塊讀取光斑陣列圖像的各像素坐標(biāo)(x，y)和灰度值I(x，y)后，區(qū)分各個(gè)像光斑，并采用一階矩質(zhì)心算法算出各個(gè)像光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，同時(shí)將它們保存在質(zhì)心X/Y存儲(chǔ)器中；第二步，光斑缺失判斷與識(shí)別模塊從X/Y存儲(chǔ)器中讀取光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，并識(shí)別出該光斑所在的行序號(hào)n和列序號(hào)m，同時(shí)根據(jù)行列序號(hào)n和m選取其對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)x0_nm，y0_nm，sinnm，cosnm，F(xiàn)′nm，α0_nm，β0_nm后傳給姿態(tài)計(jì)算模塊；第三步，姿態(tài)計(jì)算模塊基于CORDIC的算法算出各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角，然后對(duì)各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角取平均得到最終姿態(tài)角α，β。
所述的太陽(yáng)姿態(tài)角α，β考慮了誤差的安裝模型，其表達(dá)式為
其中Xc，Yc是光斑質(zhì)心坐標(biāo)，F(xiàn)′、x0、y0、α0、β0、是第m個(gè)小孔對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)通過(guò)FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了所有的邏輯控制和計(jì)算功能，包括圖像傳感器驅(qū)動(dòng)、光斑質(zhì)心提取、姿態(tài)計(jì)算和接口協(xié)議，并采用了流水線工作方式；(2)光學(xué)引入步驟和信號(hào)處理步驟都集成到一起，直接輸出姿態(tài)角，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化和小型化設(shè)計(jì)；(3)典型的各項(xiàng)指標(biāo)如下體積——85×85×47mm3、重量——250g、視場(chǎng)——120°×120°、精度——0.05°(RMS)、數(shù)據(jù)更新率——10Hz，具有體積小、重量輕和數(shù)據(jù)更新快的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足航天器姿態(tài)控制的大視場(chǎng)、高精度要求。


下面參照附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的高精度APS太陽(yáng)敏感器作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖3是本發(fā)明的工作流程示意圖；圖4是本發(fā)明的電氣原理圖；圖5是本發(fā)明的成像光斑示意圖；圖6是本發(fā)明的質(zhì)心坐標(biāo)存放順序示意圖；圖7是本發(fā)明的安裝誤差示意圖；圖8是本發(fā)明的光斑姿態(tài)角的計(jì)算流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1(a)所示，本發(fā)明的高精度APS太陽(yáng)敏感器基于小孔成像原理對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行成像，使其成像光斑投射在CMOS APS圖像傳感器上，根據(jù)各光斑中心位置可測(cè)算出太陽(yáng)的入射角，這里對(duì)其中一個(gè)小孔建立如圖1(b)所示坐標(biāo)系，假設(shè)太陽(yáng)光在小孔坐標(biāo)系中矢量方向?yàn)閂，在兩軸方向上的入射角度分別是α，β，小孔平面與成像平面的距離是F，由此可得到該坐標(biāo)系下像點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)以及入射角度α，β的表達(dá)式如下XCYC=F*tanα-F*(tanβ/cosα)]]>
α=arctan(XC/F),β=arctan(Yc/XC2+F2)---(1)]]>本發(fā)明的光學(xué)引入單元采用硅基片上鍍膜蝕刻3×3的陣列小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里采用硅基片的厚度為300μm，小孔直徑為50μm，孔間距250μm，考慮CMOS光強(qiáng)飽和特性以及掩膜加工工藝，選擇的光譜范圍為1μm～1.1μm，根據(jù)所要達(dá)到的視場(chǎng)范圍，掩膜平面到成像平面距離F取3.5mm。
圖2所示的是本發(fā)明高精度APS太陽(yáng)敏感器的結(jié)構(gòu)框圖，如圖所示，其包括光學(xué)引入單元、圖像傳感單元、信號(hào)處理單元和接口單元，其中，所述的光學(xué)引入單元與圖像傳感單元相連接，所述的信號(hào)處理單元與圖像傳感單元和接口單元分別相連接，所述的接口單元外接有主計(jì)算機(jī)。所述的光學(xué)引入單元采用硅基片上鍍膜蝕刻的陣列小孔結(jié)構(gòu)；所述的圖像傳感單元包括CMOS APS圖像傳感器；所述的信號(hào)處理單元采用FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制，包括圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、質(zhì)心計(jì)算模塊、光斑缺失判斷與識(shí)別模塊、姿態(tài)計(jì)算模塊和接口協(xié)議模塊，上述各個(gè)模塊順次連接，其中，所述的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊還與圖像傳感單元連接，所述的接口協(xié)議模塊還與接口單元連接；所述的接口單元包括RS422接口轉(zhuǎn)換芯片。
如圖3所示，本發(fā)明進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的工作過(guò)程如下首先，光學(xué)引入單元通過(guò)其透光的小孔陣列結(jié)構(gòu)引入太陽(yáng)光線并產(chǎn)生光斑陣列圖像，接著，信號(hào)處理單元的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)CMOS圖像傳感器，使其逐行輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值。然后信號(hào)處理單元的質(zhì)心計(jì)算模塊讀取圖像各像素坐標(biāo)(x，y)和灰度值I(x，y)后，區(qū)分各個(gè)像光斑，并采用一階矩質(zhì)心算法算出各個(gè)像光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，同時(shí)將它們保存在質(zhì)心X/Y存儲(chǔ)器中，然后，光斑缺失判斷和識(shí)別模塊從這兩個(gè)存儲(chǔ)器中讀取光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，并識(shí)別出該光斑所在的行序號(hào)n和列序號(hào)m，同時(shí)根據(jù)行列序號(hào)nm選取其對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)x0_nm，y0_nm，sinnm，cosnm，F(xiàn)′nm，α0_nm，β0_nm后傳給姿態(tài)計(jì)算模塊，然后，姿態(tài)計(jì)算模塊根據(jù)這些值算出各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角，然后對(duì)各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角取平均得到最終的姿態(tài)角α，β，最后接口協(xié)議模塊根據(jù)傳輸協(xié)議將最終姿態(tài)角α，β傳給主計(jì)算機(jī)，姿態(tài)計(jì)算模塊對(duì)姿態(tài)角的計(jì)算基于CORDIC的算法實(shí)現(xiàn)，其不但能夠兼顧計(jì)算結(jié)果的速度和精度的要求，而且能夠大大節(jié)省FPGA的資源。
圖4是本發(fā)明的電氣原理圖，由圖可知，圖像傳感單元包括芯片U1，其采用Fillfactory公司型號(hào)為STAR1000的CMOS圖像傳感器；信號(hào)處理單元包括芯片U2，其采用Xilinx公司型號(hào)為XCV600-HQ240I的FPGA；U3是FPGA的EPROM程序配置芯片，采用的型號(hào)為XC18V04_VQ44；本發(fā)明的接口單元包括芯片U4，其采用型號(hào)為MAX3491的RS422接口轉(zhuǎn)換芯片；U5是24MHz晶振；U6、U7分別是3.3V和2.5V穩(wěn)壓源；R1、C1...R9、C9和R10、R11是CMOS相應(yīng)引腳的偏置電阻電容；C10...C17是CMOS的電源濾波電容；RW1、RW2用來(lái)調(diào)節(jié)CMOS的兩種復(fù)位電平；S1、S2、S3用來(lái)選擇CMOS的兩種復(fù)位方式；Cf1、Cf2是3.3V穩(wěn)壓源的濾波電容；Rf1、Rf2是2.5V穩(wěn)壓源的調(diào)壓電阻，Rf3是其濾波電容；Rp1...Rq4是EPROM配置引腳的上拉電阻；Cp1...Cp4是EPROM的電源濾波電容；S4、S5、S6組合起來(lái)用來(lái)選擇FPGA的配置方式；Cd9...Cd36是FPGA的電源濾波電容；CJ和CM分別是晶振和MAX3491的電源濾波電容；LED1用來(lái)指示配置完成與否；J2連接FPGA和CMOS的接口；J3是MAX3491的輸出接口；J1是下載配置信息的接口，本發(fā)明的高精度APS太陽(yáng)敏感器采用一階矩質(zhì)心算法提取各像光斑中心位置，并基于CORDIC算法測(cè)算出最終的姿態(tài)角，當(dāng)上電后，CMOS APS圖像傳感器經(jīng)信號(hào)處理單元驅(qū)動(dòng)輸出圖像各像素灰度信號(hào)，F(xiàn)PGA讀取一幀圖像經(jīng)質(zhì)心提取和姿態(tài)計(jì)算后，得到最終姿態(tài)角，并將該姿態(tài)角按照傳輸協(xié)議傳給RS422接口轉(zhuǎn)換芯片，RS422接口轉(zhuǎn)換芯片將FPGA的輸出信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為與RS422兼容的信號(hào)電平，從而完成與主計(jì)算機(jī)的通信。
如圖5到圖8所示，下面介紹本發(fā)明的FPGA邏輯控制過(guò)程一、CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)按照CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求，基于FPGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)，使其逐行輸出圖像各像素的10bit灰度值。
二、質(zhì)心計(jì)算本發(fā)明的高精度APS太陽(yáng)敏感器對(duì)各個(gè)像光斑中心位置的提取是基于一階矩質(zhì)心算法，假設(shè)一個(gè)像光斑的成像區(qū)域?yàn)镸行N列，則該光斑的質(zhì)心坐標(biāo)可由下面公式得到Xc=1ItotalΣr=1MΣh=1NXr*I(r,h),Ycentr=1ItotalΣr=1MΣh=1NYh*I(r,h)---(2)]]>其中Itotal=Σr=1MΣh=1NI(r,h).]]>式中，Xc，Yc是求得的光斑質(zhì)心坐標(biāo)；Xr，Yh是r行h列像素的坐標(biāo)；I(r，h)是r行h列像素的灰度值。質(zhì)心計(jì)算模塊通過(guò)CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊，逐行讀取CMOS輸出圖像的各像素灰度值I(x，y)和坐標(biāo)值(x，y)，對(duì)灰度大于閾值的像素做標(biāo)記，并根據(jù)這些標(biāo)記來(lái)區(qū)分各個(gè)像光斑和累加各個(gè)像光斑的Σr=1MΣh=1NXr*I(r,h),Σr=1MΣh=1NYh*I(r,h)]]>和Itotal，然后根據(jù)式(2)得到各光斑的質(zhì)心坐標(biāo)。實(shí)現(xiàn)該算法的具體過(guò)程見(jiàn)張廣軍等所著的“用于星敏感器的星點(diǎn)圖像定位方法及裝置”，該算法具有精度高、速度快的特點(diǎn)。
三、光斑缺失判斷與序號(hào)識(shí)別采用上述質(zhì)心算法將各光斑質(zhì)心X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)分別保存在存儲(chǔ)器中。由圖像特征和質(zhì)心算法的過(guò)程所知，其存放順序并不是按光斑序號(hào)依次存放的，而是按行依次存放，同一行光斑質(zhì)心坐標(biāo)的存放順序則是隨機(jī)的，例如對(duì)圖5所示的3×3陣列小孔結(jié)構(gòu)的光學(xué)引入單元的成像光斑圖像，質(zhì)心X坐標(biāo)存放順序?yàn)閳D6(a)所示，括號(hào)內(nèi)表示光斑所在行和列的序號(hào)，質(zhì)心Y坐標(biāo)存放順序與質(zhì)心X坐標(biāo)存放順序相同。
實(shí)際使用中可能會(huì)因?yàn)檠谀け晃廴?，使個(gè)別小孔不能透光而導(dǎo)致某些光斑缺失的情況。對(duì)于圖5所示圖像，如果光斑6缺失，則各光斑質(zhì)心坐標(biāo)在存儲(chǔ)器中的存放就成為圖6(b)，為了降低運(yùn)算復(fù)雜度，如果某一行光斑有缺失，則該行光斑不參與后續(xù)姿態(tài)計(jì)算，因此在計(jì)算姿態(tài)之前先進(jìn)行光斑缺失的判斷，從圖像特征知，同一行光斑其質(zhì)心y坐標(biāo)相差不超過(guò)10個(gè)像素，而不同行光斑其質(zhì)心y坐標(biāo)相差超過(guò)10個(gè)像素，基于這一特征，從質(zhì)心Y坐標(biāo)存儲(chǔ)器(存放順序與6(b)所示同)中依次讀取各光斑質(zhì)心y坐標(biāo)值，兩兩做減法運(yùn)算，并累計(jì)讀取的光斑個(gè)數(shù)L，當(dāng)差值大于10個(gè)像素，表明第n行光斑結(jié)束，此時(shí)累計(jì)的光斑個(gè)數(shù)L若等于3表示該行光斑無(wú)缺失；若L小于3，則表示該行有光斑缺失，對(duì)無(wú)缺失的第n行光斑，比較其質(zhì)心x坐標(biāo)的大小可識(shí)別其相應(yīng)的列序號(hào)m。
四、姿態(tài)計(jì)算式(1)是圖1(a)所示理想情況下的太陽(yáng)入射角表達(dá)式，實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)如圖7所示的安裝誤差，這里對(duì)各個(gè)參數(shù)描述如下(a)小孔平面坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)成像平面坐標(biāo)原點(diǎn)平移，設(shè)小孔平面坐標(biāo)原點(diǎn)在成像平面投影的坐標(biāo)為(x0，y0)；(b)小孔平面到成像平面距離不為精確的理論值F，設(shè)實(shí)際值為F’；(c)小孔平面相對(duì)成像平面在兩軸方向傾斜，設(shè)傾斜角分別為α0，β0；
(d)小孔平面相對(duì)成像平面旋轉(zhuǎn)，設(shè)旋轉(zhuǎn)角為。
考慮上述誤差模型的太陽(yáng)入射角表達(dá)式變?yōu)? 其中Xc，Yc是光斑質(zhì)心坐標(biāo)，F(xiàn)′、x0、y0、α0、β0、是第m個(gè)小孔對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。
由式(3)、(4)知，太陽(yáng)入射角度α、β的測(cè)算涉及到反正切、平方和開(kāi)根號(hào)、乘法、除法和加減法運(yùn)算，反正切函數(shù)傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法有查表、多項(xiàng)式展開(kāi)或近似的方法，這些方法在速度、精度方面不能兼顧，而且不利于FPGA實(shí)現(xiàn)。用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)反正切函數(shù)能很好地解決這些問(wèn)題。
對(duì)式 這樣的平方和開(kāi)根號(hào)運(yùn)算，如果采用先乘方，相加后求平方根的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即費(fèi)資源又費(fèi)時(shí)序，如果把它看成復(fù)數(shù)A+Bi的模，利用CORDIC算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，可大大節(jié)省FPGA的資源。其中A＝F′，B＝[(Xc-x0)cos+(Yc-y0)sin]，本發(fā)明采用CORDIC算法快速有效地實(shí)現(xiàn)了其中反正切、平方和開(kāi)根號(hào)運(yùn)算。
姿態(tài)計(jì)算模塊在讀取某個(gè)光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc_nm，Yc_nm)以及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)x0_nm，y0_nm，sinnm，cosnm，F(xiàn)′nm，α0_nm，β0_nm后，按照?qǐng)D8進(jìn)行計(jì)算得到該光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角αnm，βnm。累加無(wú)光斑缺失行的所有光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角αnm，βnm，最后分別對(duì)它們?nèi)∑骄玫阶罱K輸出的姿態(tài)角α，β。
五、接口協(xié)議接口協(xié)議模塊按照與主計(jì)算機(jī)的串口協(xié)議，將最終得到的姿態(tài)角α，β通過(guò)R422接口轉(zhuǎn)換芯片MAX3491傳給主計(jì)算機(jī)。
以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，這些變化也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高精度APS太陽(yáng)敏感器，其特征在于包括光學(xué)引入單元、圖像傳感單元、信號(hào)處理單元和接口單元，所述的光學(xué)引入單元與圖像傳感單元相連接，所述的信號(hào)處理單元分別與圖像傳感單元和接口單元進(jìn)行連接，所述的接口單元外接有主計(jì)算機(jī)，其中，光學(xué)引入單元用于產(chǎn)生光斑陣列圖像，圖像傳感單元用于輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值，信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角，接口單元用于將姿態(tài)角傳輸至主計(jì)算機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器，其特征在于所述的光學(xué)引入單元采用硅基片上鍍膜蝕刻的陣列小孔結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器，其特征在于所述的圖像傳感單元包括CMOS APS圖像傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器，其特征在于所述的信號(hào)處理單元采用FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制，包括圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、質(zhì)心計(jì)算模塊、光斑缺失判斷與識(shí)別模塊、姿態(tài)計(jì)算模塊和接口協(xié)議模塊，上述各個(gè)模塊順次連接，其中，所述的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊還與圖像傳感單元連接，所述的接口協(xié)議模塊還與接口單元連接。
5.如權(quán)利要求4所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器，其特征在于所述的接口單元包括RS422接口轉(zhuǎn)換芯片。
6.一種高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于包括如下步驟首先，光學(xué)引入單元產(chǎn)生光斑陣列圖像，接著，圖像傳感單元輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值，然后，信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角，最后，接口單元將姿態(tài)角傳輸至主計(jì)算機(jī)。
7.如權(quán)利要求6所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于所述的光學(xué)引入單元是通過(guò)透光的小孔陣列結(jié)構(gòu)引入太陽(yáng)光線并產(chǎn)生光斑陣列圖像的。
8.如權(quán)利要求6或7所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于圖像傳感單元是由信號(hào)處理單元的圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)從而逐行輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值的。
9.如權(quán)利要求8所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角的過(guò)程具體包括如下步驟第一步，質(zhì)心計(jì)算模塊讀取光斑陣列圖像的各像素坐標(biāo)(x，y)和灰度值I(x，y)后，區(qū)分各個(gè)像光斑，并采用一階矩質(zhì)心算法算出各個(gè)像光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，同時(shí)將它們保存在質(zhì)心X/Y存儲(chǔ)器中；第二步，光斑缺失判斷與識(shí)別模塊從X/Y存儲(chǔ)器中讀取光斑的質(zhì)心坐標(biāo)(Xc，Yc)，并識(shí)別出該光斑所在的行序號(hào)n和列序號(hào)m，同時(shí)根據(jù)行列序號(hào)n和m選取其對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)x0_nm，y0_nm，sinnm，cosnm，F(xiàn)′nm，α0_nm，β0_nm后傳給姿態(tài)計(jì)算模塊；第三步，姿態(tài)計(jì)算模塊基于CORDIC的算法算出各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角，然后對(duì)各光斑對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)入射角取平均得到最終姿態(tài)角α，β。
10.如權(quán)利要求9所述的高精度APS太陽(yáng)敏感器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量的方法，其特征在于所述的太陽(yáng)姿態(tài)角α，β考慮了誤差的安裝模型，其表達(dá)式為 其中Xc，Yc是光斑質(zhì)心坐標(biāo)，F(xiàn)′、x0、y0、α0、β0、是第m個(gè)小孔對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。
全文摘要
一種高精度APS太陽(yáng)敏感器，包括光學(xué)引入單元、圖像傳感單元、信號(hào)處理單元和接口單元，所述的光學(xué)引入單元與圖像傳感單元相連接，所述的信號(hào)處理單元分別與圖像傳感單元和接口單元進(jìn)行連接，所述的接口單元外接有主計(jì)算機(jī)，其中，光學(xué)引入單元用于產(chǎn)生光斑陣列圖像，圖像傳感單元用于輸出光斑陣列圖像的各像素灰度值，信號(hào)處理單元根據(jù)光斑陣列圖像的各像素灰度值測(cè)量得到姿態(tài)角，接口單元用于將姿態(tài)角傳輸至主計(jì)算機(jī)。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)方面具有一體化、集成化和小型化的優(yōu)點(diǎn)，在性能方面能夠達(dá)到速度快、體積小、視場(chǎng)大、精度高、功耗低的有益效果。
文檔編號(hào)G01C17/34GK1907809SQ20061010379
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月1日
發(fā)明者張廣軍, 江潔, 樊巧云 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)