CCD星敏感器电路设计研究

论文摘要

航天器高精度姿态测量是实现航天器高精度姿态控制的首要条件。姿态测量是由姿态敏感器完成的,姿态敏感器可以是太阳敏感器、地球敏感器、月球敏感器、星敏感器、磁场计、陀螺等。其中星敏感器的测量精度最高,达到角秒级。星敏感器确定卫星姿态所依据的工作原理是:对视场内的恒星通过光学镜头成像到光电传感器的光敏面上,光电传感器将光能量转换为视频电模拟信号,经过放大和相关双采样处理,进行A/D转换变成灰度数据并采集到存储器中成为数字图像。对数字图像进行星点提取、星点坐标计算以及星对角距计算,再同存储器内的星对角距库进行比对实现天区识别,最后计算出星敏感器光轴在惯性空间的指向,并由此指向以及星敏感器在航天器上安装位置关系,计算出航天器的姿态数据。由于恒星间的位置关系经过天文精确测定,因此星敏感器具有很高的姿态测量精度。星敏感器除了精度高,还具有体积小、功耗低以及工作方式多样性(星跟踪、星扫描、星图仪)的综合优势,在西方国家得到了越来越广泛的应用。我国主要依靠地球敏感器、太阳敏感器、陀螺等来测量卫星等航天器的姿态,测量精度低。随着航天事业的发展,包括卫星在内的航天器的姿态控制精度要求越来越高,因此,近年来星敏感器成为国内航天器姿态敏感器的研究热点。根据星敏感器采用的光电传感器的不同,分为CCD星敏感器和CMOS APS星敏感器。CCD虽然需要复杂的驱动电路及视频信号处理电路,但在光电转换灵敏度高及信噪高方面具有明显的优势,因此目前多数的高精度星敏感器都采用CCD传感器。而CMOS传感器则具有集成度高、无需外围驱动电路和视频信号处理电路、单一电源供电及全数字化接口等优点,因此CMOS APS星敏感器是更加小型、功耗更低的星敏感器。本论文的研究对象是航天级CCD星敏感器,在借鉴国内外同类星敏感器的电路结构设计、以及通过冗余设计提高电路可靠性的经验,提出了双头热备份冗余、双处理器和电源冷备份冗余的星敏感器电路方案,实验和使用实践证明,采用该电路方案研制的星敏感器样机,兼具可靠性高和低功耗的特点。论文基于这一方案展开星敏感器电路设计的深入研究,包括以下内容:1.星敏感器的发展概况和未来发展趋势。2.星敏感器的电路构成,由光电敏感器及其信号处理电路、A/D转换电路以数字计算系统组成。3.CCD的驱动电路及视频信号的耦合、放大、CDS电路、A/D转换电路设计。4.DSP平台的构建及外围存储器系统设计。5.FPGA在星敏感器电路中的应用。6.异步串行通讯接口电路设计。7.电源电路设计。8.介绍了样机的室内静动态验证实验以及观星验证实验,给出了样机通过验证实验的结论。9.本文的结论和继续研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究星敏感器的意义
• 1.2 星敏感器的发展概况
• 1.3 国外星敏感器现状
• 1.4 国内星敏感器现状
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 星敏感器基本工作原理及基本电路结构
• 2.1 星敏感器的基本组成
• 2.2 星敏感器的工作原理
• 第三章 星敏感器电路设计技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 CCD头部电路设计技术研究
• 3.2.1 CCD芯片
• 3.2.2 CCD驱动电路设计
• 3.2.3 视频信号耦合及放大电路设计
• 3.2.4 相机头部电路构成
• 3.3 处理器电路设计技术研究
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 处理板的电路设计
• 3.3.2.1 视频信号处理电路
• 3.3.2.2 DSP平台构建
• 3.3.2.3 FPGA设计
• 3.3.2.4 RS-422异步串行通信接口设计
• 3.3.2.5 处理电路板设计
• 3.3.3 电源设计
• 3.3.4 处理器内部板间连接
• 3.4 接口设计
• 3.4.1 头部与处理器接口设计
• 3.4.2 处理器与星载计算机的RS422接口
• 3.4.3 处理器测试口RS422接口
• 3.4.5 一次电源及遥控遥测接口
• 第四章 星敏感器的验证实验
• 4.1 室内验证实验
• 4.1.1 室内静态验证实验
• 4.1.2 室内动态验证实验
• 4.2 外场观星实验
• 4.3 实验结论
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读工程硕士学位期间取得的成果及发表论文