一种高精度ＡＰＳ太阳敏感器及其实现方法技术

本发明专利技术涉及一种高精度ＡＰＳ太阳敏感器及其实现方法，其特征在于：它包括光引入器、图像传感器、接口电路和计算机；光引入器的窗口由抗辐照石英玻璃基底和太阳光线遮挡层依次排列组成，太阳光线遮挡层包括排列成ｐ×ｐ矩阵的透光孔；图像传感器具有较大面阵，并可进行窗口曝光和随机读取；接口电路将图像传感器输出的图像信息输入计算机中进行计算，所采用的高精度计算方法为图像相关和相关矩阵的质心计算方法。由于本发明专利技术采用ＡＰＳ　ＣＭＯＳ图像传感器作为感光探测器，具有窗口曝光和随机读取的能力，不但可避免大面阵图像传感器的读出时间和处理时间过长的问题，还有效地利用了图像传感器的资源，提高了图像采集和处理电路的工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种航天器姿态的测算领域，特别是关于一种用于姿态测量控制 系统的高精度APS太阳敏感器及其实现方法。
技术介绍
太阳敏感器是航天器上进行姿态测量的重要器件，现在已经广泛应用于航天 领域，包括航天飞机、地球卫星和深空探测器等。近年来，随着航天任务的要求， 对航天器相对于太阳的姿态测量精度和测量可靠性的要求越来越高，尤其是需要 高精度成像的系统，包括侦查卫星、资源和天文观测卫星以及通信卫星。高精度 的太阳光入射角度测量可以实现航天器太阳帆板的准确对日，以保证卫星的最大 能量获取。同时，基于太阳光入射角度测量的对日稳定模式也是绝大多数卫星的 一种初始模式和安全模式。传统的模拟式太阳敏感器的光敏探测元件采用基于光伏特性的太阳能电池 片，模拟量输出，且精度比较低，抗干扰性也不强，不能满足航天器姿态控制的 大视场和高精度的要求。随着CCD技术的发展，基于线阵CCD的数字式太阳敏 感器也已经出现，并逐渐在航天工程上使用，其精度相对于模拟式太阳敏感器有 了一定的提高。如图1所示，在数字式太阳敏感器分析中， 一般认为太阳敏感器的成像模型 为小孔成像模型，即某一时刻"太阳光经过太阳敏感器的光引入器在探测器上成像，得到唯一的成像点坐标(x,，;0。同时假定太阳敏感器的焦距为/，这样得到太阳的惯性矢量K在太阳敏感器坐标系内矢量为W，其中-&) +( 。) +/(x。,y。)为太阳敏感器在太阳光零度角的中心点。在通常情况下，我们将"寸刻的x轴太阳光入射角",和y轴太阳光入射角/ ,分 别表示为 ( = tan—/(1)'^^1] (2)V 7 J在上式中/、 x。、 A为系统常数，因此两轴太阳光入射角(",，A)的精度主要决 定于(x,， y,)的计算精度。现有的数字式太阳敏感器一般采用单孔或者单缝式的光 线引入器，在感光探测器上只会获得一个像点(x,,;;,)，太阳敏感器的精度仅取决 于单孔的计算精度。当小孔受到干扰时被空间物质堵塞，或者小孔的形貌发生任 何变化，均会导致太阳敏感器的精度快速下降，甚至导致太阳敏感器失效。而且 当图像传感器由于空间辐照等环境问题导致少量像素损坏时，单孔式太阳敏感器 的成像点若出现在损坏区域时，也会导致其不能够正常工作。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种可解决由单孔的计算精度失准而导 致的整个太阳敏感器不能正常工作问题的高精度APS太阳敏感器。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案 一种高精度APS太阳敏感器， 其特征在于它包括光引入器、图像传感器、接口电路和计算机；所述光引入器 的窗口由抗辐照石英玻璃基底和太阳光线遮挡层依次排列组成，所述太阳光线遮 挡层包括排列成pxp矩阵的透光孔；所述图像传感器具有较大面阵，并可进行窗 口曝光和随机读取；所述接口电路将所述图像传感器输出的图像信息输入所述计 算机中进行计算。所述图像传感器为APS CMOS图像传感器。一种高精度APS太阳敏感器的实现方法，它包括以下步骤1) 获取标准模板图像在实验室中模拟真实运行环境，使模拟太阳光垂直射入太阳敏感器的光引入 器，此时图像传感器采集到的图像作为标准模板图像；所述标准模板图像包括一 个pxp成像点矩阵；根据所述标准模板图像的成像点的像素的灰度值，计算所述 标准模板图像的成像点矩阵的质心位置(&,jg ;2) 真实环境中成像点矩阵图像的局部读取a)第一次启动太阳敏感器时，对所述图像传感器采集到的图像进行遍历查找， 记录初始像素读取时成像点矩阵中心位置(^y,); b)在所述初始像素读取后，根 据上一次确定的成像点矩阵中心位置g,力)确定当前时刻^太阳敏感器更新时的 成像点预测区域，记录各成像点预测区域的中心位置(x"^)， A^l,…,px户；c) 根据所述各成像点预测区域的中心位置(A，;O ，对每个成像点预测区域进行局部 成像和图像读出，提取所述当前时刻^的成像点预测区域图像；3) 成像点矩阵图像相关运算和相关结果质心运算i)对所述成像点预测区域图像的每个成像点的像素的灰度值与所述标准模板图像的每个成像点的像素的灰度值，进行相关运算，得到相关矩阵；ii)对所述相 关矩阵进行质心运算，得到成像点的质心0^，/。，进而通过加权均一值滤波得到成 像点矩阵的相对质心^jO; iii)根据所述成像点矩阵中心位置(5，X)和所述成像 点矩阵的相对质心k，X)，得到当前时刻^成像点矩阵的质心精确位置X, = Xj + xc4) 计算太阳光入射角根据所述成像点矩阵的质心精确位置(x"少t)和所述成像点矩阵的质心位置 P。,y。)，计算当前时刻Z太阳光相对于所述太阳敏感器的入射角"t, A :=tan一'乂))、 ,=tan—1-幻)其中，/为所述太阳敏感器的更新频率。 所述步骤l)中，根据所述标准模板图像的成像点的像素的灰度值，通过加权 均值滤波算法，计算所述标准模板图像的成像点矩阵的质心位置^。,歹。;)。所述步骤a)中，对所述图像按照隔行隔列像素进行遍历査找。所述步骤ii)中，当存在成像点丢失的情况时，则丢失的成像点对应的所述加权均值滤波的权重系数为o。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术的太阳敏感器的光引入器由于包含排列成矩阵的多个透光孔，因此可产生比单孔太阳敏感器更多 的成像点，同时本专利技术的太阳敏感器对各成像点经过图像相关运算和相关结果质 心运算，并对相关矩阵质心进行加权均值滤波，精确度较之单个成像点方法提高数倍。2、由于本专利技术采用APS CMOS图像传感器作为感光探测器，具有窗口曝 光和随机读取的能力，不但可避免大面阵图像传感器的读出时间和处理时间过长 的问题，还有效地利用了图像传感器的资源，提高了图像采集和处理电路的工作 效率。3、由于本专利技术的光引入器有多个透光孔，且小孔之间具有较大间距，因此 可有效避免图像传感器上部分像素损坏等噪声影响，提高太阳敏感器的可靠性和 稳定性。本专利技术的高精度APS太阳敏感器可广泛用于航天器上姿态测量控制系统。 附图说明图1是本专利技术单孔式太阳敏感器的工作示意图6图2是本专利技术多孔式APS太阳敏感器结构示意图图3是本专利技术模拟太阳光的入射角为零时实验室获得的6x6太阳成像点矩阵图像图4是本专利技术模拟太阳光的入射角为零时实验室获得的5x5像素太阳成像点图像图5是本专利技术当前太阳成像点与模板相关运算示意图 图6是本专利技术当前太阳成像点与模板相关运算结果图 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本技术进行详细的描述。如图2所示，本专利技术的主动像元传感器(APS， Actel Pixels Sensor)太阳敏感 器是多孔阵列式，它包括光引入器l，图像传感器2、接口电路(图中未示出)和 计算机(图中未示出)。其中光引入器l的窗口由抗辐照石英玻璃基底和太阳光线 遮挡层依次排列组成，太阳光线遮挡层包括排列成矩阵的pxp^/t个透光孔，用于 产生光斑阵列图像。图像传感器2为与光引入器1具有一定距离的APS CMOS图 像传感器2，其具有较大面阵，并可进行窗口曝光和随机读取，用于输出光斑阵列 图像的各像素灰度值，并且每个像素具有至少60dB的动态范围。接口电路用于将 图像传感器2输出的图像信息输入太阳敏感器的计算机中进行计算。当太阳光线 以不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度ＡＰＳ太阳敏感器，其特征在于：它包括光引入器、图像传感器、接口电路和计算机；所述光引入器的窗口由抗辐照石英玻璃基底和太阳光线遮挡层依次排列组成，所述太阳光线遮挡层包括排列成ｐ×ｐ矩阵的透光孔；所述图像传感器具有较大面阵，并可进行窗口曝光和随机读取；所述接口电路将所述图像传感器输出的图像信息输入所述计算机中进行计算。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邢飞，尤政，张高飞，孙剑，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]