基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究

论文摘要

太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件,是在航天领域应用最广泛的一类敏感器。低功耗、轻质量以及高精度是对太阳敏感器的基本要求。由于传统的太阳敏感器采用CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合器件）作为图像传感器,需要复杂的外围时序电路和电源模块,使得太阳敏感器的质量、功耗难以进一步降低。随着卫星向着微小型、甚至纳卫星皮卫星方向的发展,国内外许多科研机构开展了将高端CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补型金属氧化物半导体）有源像素传感器应用于太阳敏感器的探索。本文提出了基于CMOS相机的数字式太阳敏感器的设计方案,方案主要由PAL（Panoramic Annular Len,全景环形镜头）、CMOS相机模组以及FPGA（FieldProgrammable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列）组成。其中浙江大学自行研制的全景环形光学镜头可在360°内一次凝视成像,具有景深大、图像处理全景化等特性,比一般镜头的视场更大。提出了基于全景环形镜头的太阳敏感器的姿态测量原理,先根据“灰度门限法”对全景图像进行二值化,找到图像的边界点,再运用改进的八邻域边界跟踪算法找到满足周长的太阳轮廓曲线,然后找到离探测器光敏面中心最远和最近的两个点,计算出太阳相对于卫星本体坐标系的位置。该算法能有效去除噪声和不封闭曲线,具有一定的应用价值。本文详细介绍了算法的分析设计过程,以及基于特定FPGA芯片的SoC（System on Chip,片上系统）体系结构实现方法。系统验证采用了内嵌PowerPC405的Xilinx Virtex-ⅡPro器件,其中主要姿态测量算法通过PowerPC核软件实现,数值计算和存储管理等采用FPGA可编程逻辑实现。另外,本文还在设计开发过程中使用Matlab和Verilog HDL混合仿真的方法对系统的设计模块和算法进行了验证。结果表明,本文的设计方案满足小型化、低功耗等微小卫星应用需求。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 微小卫星发展概况
• 1.3 太阳敏感器发展概况
• 1.3.1 太阳敏感器构成
• 1.3.2 各种太阳敏感器工作原理与特点
• 1.3.3 太阳敏感器国内外研究现状
• 1.3.4 太阳敏感器发展趋势
• 1.4 本文的背景和主要内容
• 2 基于CMOS相机的太阳敏感器系统的设计理论
• 2.1 图像处理相关概念
• 2.2 数字式太阳敏感器基本原理
• 2.3 全景环形镜头介绍
• 2.4 基于全景环形镜头的太阳敏感器姿态测量原理
• 2.4.1 全景环形镜头拍摄的太阳图像特点
• 2.4.2 姿态测量原理
• 2.4.3 系统需求
• 2.5 本章小结
• 3 太阳敏感器系统设计
• 3.1 太阳敏感器系统总体设计
• 3.1.1 功能需求分析
• 3.1.2 器件选择
• 3.1.3 系统实现框图
• 3.2 CMOS相机子系统设计
• 3.2.1 有效载荷系统介绍
• 3.2.2 CMOS相机子系统设计
• 3.2.3 CMOS相机子系统性能
• 3.3 本章小结
• 4 太阳敏感器系统硬件实现
• 4.1 FPGA具体实现
• 4.2 SCCB Ctrl模块的具体实现
• 4.2.1 SCCB总线介绍
• 4.2.2 重要寄存器说明
• 4.2.3 模块实现
• 4.2.4 仿真结果
• Ctrl模块的具体实现'>4.3 Image_Ctrl模块的具体实现
• 4.3.1 图像传感器输出格式（YUV422）及时序分析
• 4.3.2 重要寄存器说明
• 4.3.3 模块实现
• 4.3.4 仿真结果
• Detect模块的具体实现'>4.4 Edge_Detect模块的具体实现
• 4.4.1 模块实现
• 4.4.2 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 5 太阳敏感器系统软件实现
• 5.1 初始化
• 5.2 图像信号的采集
• 5.3 图像信号的处理
• 5.4 方案验证及结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简介