空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研制

空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研制 空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研 制 第32卷第3期 2005年3月 光电工程 ElectronicEngi Vo1.32,No.3 March,2005 文章编号:1003—501X(2005)03-'0001--04 空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研制 温卫斌,李怀峰,孙才红,金声震 (中国科学院国家天文台,北京100012) 摘要:太阳导行镜(SGT)是空间太阳望远镜(ssT燠态控~,1ejACt&术之一.针对SST姿态控制系 统高速高精度的导行成功研制了太阳导行镜样机,该样机采用折射望远镜成像,光学口径 60mm,焦距810mm,视场1oxlo.SGT样机首次将APS器件应用于空间太阳导行,利用有源像 素传感器(APs)行像素可提取的特性,以DSP作为数据处理器,快速提取日像边缘并完成日心坐 标计算.利用SGT样机对太阳的周日运动进行了观测,数据分析明,SGT样机测量精度达到 了1.5"(3c『),数据更新率优于30Hz,满足SST姿控系统的要求. 关键词:空间太阳望远镜;太阳导行镜;有源像素传感器;原理样机 中图分类号:V448.22文献标识码:A DevelopmentoftheSunGuideTelescopeprototypeforSpaceSolar Telescope WENWei-bin,LIHuai-feng,SUNCal-hong,JSheng-zhen (NationalAstronomicalObservatories,theChineseAcademyofSciences,Belting100012,China) Abstract:TheSunGuideTelescope(SGT)isacriticalpartforcontrollingtheattitudeoftheSpace SolarTelescope(SST).TheprototypeofSGT(SunGuideTelescope)issuccessfullydevelopedforthe demandofhighaccuracyandhighspeedofAttitudeandOrbitControlSystem(AOCS)oftheSST.The prototypeimagesbyarefractingtelescopewithopticalaperture,focallengthandfieldofview60mm, 810mmandoxl.,respectively.TheSGTprototypeisfirstlyappliedtotheActivePixelSensor(APS) asasunguidesensorinthespace.BasedonthecharacteristicofrowpixelselectionofAPS,withDSP asCPU,solaredgeextractionandcomputationofheliocentriccoordinatesathighspeedarerealized. ThroughexperimentofdiumalmotiondeterminationoftheSun,theguideabilityofSGTisverified withameasuringaccuracy1.5"(30)andtheupdatingrateofattitudedataisfasterthan30Hz.The prototypeofSGTmeetsthedemandofAOCSofSST. Keywords:Spacesolartelescopes;Sunguidetelescopes;Activepixelsensor;Elementaryprotype 引言 中国科学院国家天文台准备研制的空间太阳望远镜(SST)的主光学望远镜口径lm, 极限分辨率达到 0.1",高精度观测对卫星姿态控制系统提出了非常高的要求.SST姿态控制采用三 轴稳定星上自主控制, 根据观测需要要求对日面指向精度(偏航和俯仰)土6",稳定度3"Is【l】.SST的姿态控制系统(AOCS)要求姿态 敏感器对日指向测量精度1.5"(3cr),数据更新率>30Hz【l】.若采用现有的精太阳敏感器导行,视场大,分辨 率低,远远达不到SST的对日指向测量精度.SST需要使用测量精度高处理速度快的太阳导行敏感器.太 阳导行镜(sGT)利用APS行像素可提取的特性高速实现指向姿态测量,这种导行方式区别于目前国内外空 间和地面太阳望远镜应用的光电池四象限导行方法口】,对太阳的导行精度和导行能力有了巨大的提高. 收藕日期:2004-07-12.收到修改藕日期:2004-11-18 基金聩目:国家863高新技术 作者简介:'温卫斌(1974一).男(汉族),福建龙岩人.博士,主要从事空间电子学方面的研究.E--mail: 2光电工程第32卷第3期 1太阳导行镜的系统组成 SGT是通过实时获取太阳全日面信息来识别日心在导行镜视场中的坐标位置.SGT系统主要包括两个 独立部件:望远镜系统和图像采集处理单元(局部终端单元LTU). 1.1望远镜系统 SGT的光学部件主要由三块物镜组成,物镜组的口 径60mm,焦距为810mm,设计视场角1.×1..望远镜 结构部件包括物镜室,镜筒,露罩,导行镜支架和调焦 对中部件(见图1).物镜室用于安装主要光学系统器件; 镜筒内壁进行了粗糙化和发黑,以降低由于太阳入射光 在筒壁反射产生的杂光;望远镜后端有调焦和对中机构 图1太阳导行镜结构示意图 Fig.1Thestructul~ofSGT 以调整图像传感器靶面位置使其位于成像焦面并保证APS坐标与望远镜的坐标一致,调焦余量为?5mm, 在x.y方向上的对中余量为+2mm;露罩作用在于保护物镜室;支架是用来将导行镜安转固定在星体上, 两个支架间的距离可以根据需要调整. 1.2图像采集处理单元 导行镜图像采集处理单元主要包括APS,数据处 理中心,中央控制电路,二次电源及接口等电路(见图 2). 1)APSSGT采用了Fillfactory公司的STAR1000 APS.单像元尺寸15pm,面阵像素数为 1024x1024,ADC为10位.SGT样机的APS图 像采集模块是专门针对导行算法设计,侧重实现 图2太阳导行镜图像采集处理单元框图 Fig.2TheimageacquisitionandprocessingunitofSGT 同时兼顾对全像素行的采集功能. 了硬件多行像素数据的高速采集, 2)中央控制电路LTU中央控制电路包括了时序控制电路,积分控制电路,总线控制电路等.中央控制 电路采用大规模集成电路芯片FPGA,极大地简化了电路设计,提高系统的速度,且便于编程修改和 容错设计. 3)数据处理单元导行镜对数据的处理速度要求很高,LTU的数据处理单元采用DSP作为处理芯片.DSP 采用TI公司的TMS320C30,时钟频率是33MHz.导行镜正常工作时,DSP主要完成图像采集,数据 提取,姿态计算和数据的输入输出.SGT的DSP采集时间10ms,数据处理时间20ms,总数据更新时 间30ms,数据更新率33Hz,高于设计要求. 4)二次电源二次电源为LTU提供+l2V~I+5V电源,同时可以避免AOCS系统电源 的干扰,保护LTU 内部免受过流冲击等影响. 5)通信接I:1导行镜的电路盒与控制计算机(AOCC)接121采用的是国内设计的航天级接121,通信方式采 用RS232串行通信. 2太阳导行镜软件系统 SGT软件系统包括以下四个模块: 1)APS数据采集模块:通过APS采集的太阳图像数据经过A/D转换后,存放到数据缓存里,作为姿态 计算的原始数据. 2)姿态数据计算模块:该模块完成太阳指向姿态超差判断,图像数据的噪声判断,并通过指向算法完成 太阳指向的俯仰和偏差姿态偏差的计算.这个模块根据姿态判断方式的不同分成两种工作模式,导行镜全 视场测量模式一主要进行太阳是否进入视场,超差判别以及初始太阳中心的位置的计算;窗口测量模式一 主要完成姿态偏差计算,并对姿态数据进行判断以确定是否进行模式切换,包括意外情况的紧急处理. 2005年3月温卫斌等:空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研制3 3)系统控制模块:主要完成系统的自检,APS积分时间控制,同步时钟的控制等,该模块的功能主要由 FPGA完成. 4)串行通信模块:按照RS一232接收姿态控制系统的控制命令,自检命令并发送自检结果和太阳的 指向姿态数据.这个模块控制导行镜系统的调度,何时启动系统工作何时发送数据都由这个模块完成. 2.1太阳导行镜导行原理 太阳经过导行望远镜成像到APS的靶面视场内,利用APS行像素可单独提取的特 性进行日像多条扫 描线提取,通过分析扫描线的信息能够获得日像边缘在图像传感器上的位置信息,利用日像边缘信息可以 确定日心距离靶面的中心的位置偏差. 2.2日像边缘的确定算法 太阳的中心坐标是通过APS扫描线上日像边缘信息计算得到的.为了消除太阳边缘昏暗效应以及随机 噪声造成的日像边缘的不确定性影响,本文采用图像处理的方法对太阳原始图像边缘进行提取细化.SGT 采用的滤波模型如下G[f(x,),)】=If(x,),)一,+1,圳-Iffx,y)-f(x,Y+1)I(1) 通过对日像的边缘提取,日像边缘可以限制在5—10个像素范围以内,但是远远达不到系统的精度要 求,必须将边缘细化.本文采用的重心法进行细化,计算公式如下 W:Enf(n)/E,(,1)(2) 2.3太阳中心偏差计算方法 假设太阳图像是一个理想的圆面,APS上两条穿过日像的扫 描线AB,CD的原始图像数据通过边缘确定算法可以得到,即可以 得到A,B,c,D四个点的x向坐标值和AB,CD的弦长(如图3 所示).设D点为太阳中心,o点为太阳中心线上与两条完全平行线 AB,CD等距离的点.已知AB,CD的间距为,AB,CD的象素 长度2Zl,2f2.设D点距AB,CD的距离分别为Yl,Y2,oo'的距离 为?.通过计算可以得到偏差 ?=(z-l~)12s(3) 由上式可以得到太阳中心与两条扫描线的距离 ?,--" IB 式{I ? f ---- I JI f1f C\ ??l_——.|叫 图3日心偏差计算示意图 Fig.3Sketchf.ortheheliocentricdeviation ),l=sl2一A,Y2=s/2+A【4) AB或CD在日像边缘上的点的y向坐标是已知的,以AB或CD作为基线,由偏差 Yl或与基线比 较后就能得到日心Y向坐标.对于x向坐标,由边缘坐标与半弦宽就能够确定. 3太阳导行镜实际精度测定 SGT精度测定的方法是将导行镜固定在户外平地上,连续测量太阳在导行镜视场 中移动的中心坐标, 由DSP控制等间隔采集图像.由于SGT视场限制(1~x1.),进行一次测量的时间是 非常短的(<2rain),太 阳的周日运动在这 么短的时间内近似 为直线运动,分别 表现在y方向 上的直线变化.为 了得到日心偏差曲 线,采用最/j~--乘 法求出两个方向的 线性回归曲线改正 太阳自行得到偏差 0.8 0.6 0.4 0.2 :{0 - 0.2 - 0.4 - 0.6 -o.8 A , 3.544.55(xlo4) Timehrls 08642? 24 LnC 4光电工程第32卷第3期 数据(图4).通过计算得到改正太阳自行后的日心测量误差为 3ox=2.23".3oy=3.1l" 上述结果与 AOCS要求有一定 的差距.分析图4 可以发现,目前的 数据中含有大量噪 声信号,包括各种 随机噪声和准周期 噪声,这些噪声严 重干扰了导行镜的 观测精度.产生噪 声主要原因有:太 0?6 O?4 0.2 一 薹0 . 2 ? 4 . 6 .8 0壶511.522.533.544.55【×104) Tim~tlll$ 00.511.522.533.544.55(xl Tirnehm 图5滤波后日心坐标曲线 Fig.5Heliocentriccoordinatesafterfiltering 阳导行镜是高精度,高灵敏度的测量设备,目前的观测地基和观测支架的不稳定影响了观测数据,大气的 视宁度高速变化和日像边缘湍流直接导致了SGT采集到的图像含有高频噪声,电路部分存在一定的电子 噪声.由于噪声模型无法确定,本文采用一阶低通滤波改正高频噪引,滤波模型如下 f(x1)=kf(x1.1)+(1一七)(5) 为保持信号原有特性,本文选择k值为0.6,经过滤波处理后的日像中心坐标曲线见图5.分析图5的 数据得到最后的日像中心坐标的测量偏差为3Ox'=1.55",3oy'=1.78". 实验结果基本上达到了预先的设计指标. 4结论 作为一种全新的太阳导行敏感器,SGT首次采用了高抗辐射能力APS传感器作为 空间太阳导行敏感器 的成像器件,运用了新的行扫描导行方法,基于DSP和FPGA的硬件设计成功研制 了太阳导行镜样机,并 通过了航天科技集团有关部门验收.SGT具有可靠性高,高速高精度等特点,对太 阳自行的初步测量实验 证明该系统在有大气影响情况下测量精度达到了1.5"(3cr),数据更新率优于30Hz. 参考文献: [11中国科学院因家天文台.空间太阳望远镜A.相研究tR].北京:中固科学院 固家天文台,1996.3-2. 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