黃 欣，王 立，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京l00080）

嫦娥一號衛(wèi)星紫外月球敏感器

黃 欣，王 立，盧 欣

（北京控制工程研究所，北京l00080）

探月工程是我國航天領(lǐng)域的又一項重大工程項目，嫦娥一號衛(wèi)星是探月工程的第一步。嫦娥一號衛(wèi)星首次采用了一種全新的光學(xué)姿態(tài)敏感器——紫外月球敏感器，實現(xiàn)在衛(wèi)星環(huán)月飛行期間的姿態(tài)測量任務(wù)。紫外月球敏感器是一種以月球為姿態(tài)參考源的大視場成像式光學(xué)姿態(tài)敏感器，本文介紹其工作原理、功能與組成以及在軌飛行試驗的相關(guān)情況。

紫外月球敏感器；嫦娥一號衛(wèi)星；姿態(tài)測量

1 引 言

探月工程是繼載人航天工程之后我國航天領(lǐng)域又一重大項目。嫦娥一號衛(wèi)星是這項重大工程的第一步。以往我國發(fā)射的衛(wèi)星，都是環(huán)繞地球飛行的，而嫦娥一號衛(wèi)星除了要完成從地球到月球的奔月之旅，更多的時間要環(huán)繞月球軌道飛行。由于飛行任務(wù)的特殊性，要求嫦娥衛(wèi)星具有某些不同于以往衛(wèi)星的新功能。為實現(xiàn)這些新功能，保證飛行任務(wù)順利完成，對一些關(guān)鍵技術(shù)進行了重點攻關(guān)，其中之一就是紫外月球敏感器。

2 測量原理

嫦娥一號衛(wèi)星攜帶多種科學(xué)探測儀器執(zhí)行月球科學(xué)探測任務(wù)。為最大限度地發(fā)揮各種科學(xué)儀器的功效，就必須很好地控制衛(wèi)星在繞月飛行時的姿態(tài)。衛(wèi)星平臺需要實時測量俯仰和滾動方向的姿態(tài)偏差并及時加以修正，以確保探測儀器始終處于最佳工作狀態(tài)。

對于地球衛(wèi)星來說，測量俯仰和滾動姿態(tài)角的任務(wù)通常是由紅外地球敏感器完成。地球大氣在l4～l6μm波長范圍內(nèi)的紅外輻射十分穩(wěn)定，無論晝夜以及氣象條件如何，地球大氣的紅外輻射帶始終呈現(xiàn)為一個完整、穩(wěn)定的圓盤。因此利用掃描的方法探測地球大氣紅外輻射帶內(nèi)外熱輻射值的陡變，可以獲得地球地平信息，經(jīng)過進一步的技術(shù)處理可得到地心垂線方向，即可計算出俯仰方向或滾動方向的姿態(tài)偏角，如圖l-a所示[l]。

月球的情況則截然不同。一方面，月球上沒有大氣層，不具有類似地球大氣那樣穩(wěn)定的紅外輻射帶；另一方面，隨陽光照射角及觀察方向的不同，月球會呈現(xiàn)圓缺不同的月相。由于在近月空間可探測的月球輻射區(qū)并不呈現(xiàn)一個完整的圓盤，若用掃描式敏感器掃描月面可能出現(xiàn)以下兩種不利情況：第一種，掃描線完全經(jīng)過月影區(qū)，由于輻射太弱，這時候儀器不能測量出姿態(tài)；第二種，掃描線既掃到了月影區(qū)，也掃到了月面陽照區(qū)。當掃描線經(jīng)過其間的晨昏分界線時，由于這里輻射強度存在陡變，難以與月面邊緣的輻射陡變相區(qū)分，因此儀器有可能輸出錯誤姿態(tài)角。如圖l-b、c所示。這兩種情況都不是飛行任務(wù)所能忍受的，因此在探月衛(wèi)星上不宜使用基于掃描方案的月球敏感器。

可行的解決方案是設(shè)計一種成像式光學(xué)敏感器，在獲取測量對象的影像之后，通過圖像處理技術(shù)，可準確檢測出月面真實邊緣并有效剔除晨昏分界線的影響，最終實現(xiàn)姿態(tài)測量目標。

在此思想下研制了紫外月球敏感器，其工作原理是：首先由敏感器拍攝一幅月球圖像，然后由敏感器內(nèi)部的算法軟件提取月球圓盤邊緣信息，再利用在明亮月球圓盤和黑暗太空背景之間的亮度反差，檢測出月球圓盤的真實邊緣，并與晨昏分界線相區(qū)分；接著逐一為各邊緣點建立對應(yīng)空間矢量；最后根據(jù)這些空間矢量集合，擬合出月心矢量在敏感器測量坐標系中的坐標，進而求解出俯仰角和滾動角。

3 姿態(tài)測量方案的實現(xiàn)

3.1 紫外月球敏感器的功能與組成

為完成姿態(tài)測量任務(wù)，紫外月球敏感器需具備兩項主要功能：圖像獲取和圖像處理。這兩項功能分別由紫外月球敏感器頭部（簡稱UVSH）與紫外月球敏感器線路（UVSE）完成。

UVSH負責(zé)拍攝圖像并將視頻信號傳送到UVSE。UVSH主要由光機結(jié)構(gòu)與電子線路兩大部分組成。光機結(jié)構(gòu)部分包括紫外物鏡、平面反射鏡組件、反射鏡支架、電控箱箱體和調(diào)焦組件等。電子線路由CCD時序電路、驅(qū)動電路、視頻處理電路、接口電路與二次電源等組成。

UVSE具有月球圖像處理及姿態(tài)計算、UVSH參數(shù)控制、與控制計算機（GNCC）進行數(shù)據(jù)交換以及向數(shù)傳通道傳送圖像數(shù)據(jù)等功能。UVSE主要包含了圖像采集電路、DSP處理器電路、接口電路、二次電源和機箱。UVSH與UVSE的功能組成如圖2所示。

圖l 掃描方案的比較

圖2 紫外月球敏感器功能組成示意圖

3.2 紫外月球敏感器的技術(shù)設(shè)計

3.2.l 光學(xué)系統(tǒng)

嫦娥一號衛(wèi)星軌道高度為200km，此時月球圓盤的視張角為l27.48°。由于紫外月球敏感器是成像式敏感器而非掃描系統(tǒng)，所以如對整個月球圓盤成像則其光學(xué)系統(tǒng)的視場角應(yīng)大于月球視張角。要實現(xiàn)如此大的視場角，同時又要保證良好的成像質(zhì)量，光學(xué)設(shè)計和加工的難度都非常大。

圖3 紫外月球敏感器視場分布與所成圖像

考慮到僅月球邊緣部分對姿態(tài)測量任務(wù)有貢獻，而月球中心區(qū)沒有貢獻，故紫外月球敏感器的光學(xué)系統(tǒng)采用組合式系統(tǒng)：在紫外物鏡的物方光路中加入平面反射鏡組，對敏感器物方視場進行分割和偏移。在平面反射鏡組件的作用下，紫外月球敏感器的方形視場被分解為8個互不重疊的子視場投射到月球圓盤邊緣附近區(qū)域，如圖3所示。通過采取這一措施，使視場為70°的紫外物鏡可以實現(xiàn)對l l0°～l50°空間范圍的探測。

3.2.2 高速大容量的數(shù)據(jù)處理器

由于必須實時處理大量圖像信息并完成高精度快速浮點運算，因此選擇高速數(shù)字信號處理器DSP作為圖像數(shù)據(jù)處理CPU。這種處理器的最大指令執(zhí)行速度為l6MIPS，最大浮點處理速度為32MFLOPS，最高浮點運算精度為40bit。它在滿足型號降額要求的同時，還為軟件算法提供了高速高精度的硬件平臺。

由于紫外月球敏感器軟件復(fù)雜，裝訂參數(shù)多，需處理的數(shù)據(jù)量大，設(shè)計中采用了大容量存儲器結(jié)構(gòu)，可以滿足處理紫外圖像的特殊需求。研制中解決了在一塊電路板上DSP外圍配置大量存儲器芯片帶來的總線隔離驅(qū)動問題，有效地減小了印制板尺寸，并降低了電路功耗。

設(shè)計中采用了DSP與RS422總線和l553B總線的標準接口，使用FPGA小型化技術(shù)，使得軟件編程更為簡便。

3.2.3 算法及軟件

由于光學(xué)系統(tǒng)組合視場的特殊性、月球成像目標陰晴圓缺的特點和處理算法魯棒性要求等因素，使得紫外月球敏感器數(shù)據(jù)處理算法面臨很多難點。

l）紫外敏感器圖像整合技術(shù)

紫外月球敏感器的環(huán)形視場由空間上互不相連的8個子視場組成，因此呈現(xiàn)在CCD上的月像邊緣信息表現(xiàn)為8條獨立的雙曲線線段。必須對這些曲線信息進行有效地整合，才能保證敏感器測量精度。為解決圖像整合問題，研究出了圖像整合方法，將原來8個子月像轉(zhuǎn)化為一個完整月像，在此基礎(chǔ)上進行姿態(tài)與視半徑確定，從而大幅度地提高了姿態(tài)測量精度。

2）月像邊緣的快速檢測算法

紫外月球敏感器需要處理的圖像尺寸為l024×l024，圖像數(shù)據(jù)量達到l M字節(jié)。若采用傳統(tǒng)的邊緣提取算法檢測月像邊緣信息，則運算量巨大，處理時間長，使姿態(tài)數(shù)據(jù)更新率不能滿足任務(wù)要求。為提高月像邊緣的檢測速度，開發(fā)了一種新的邊緣點快速提取算法，在保證姿態(tài)確定精度的前提下，提高了數(shù)據(jù)更新率。

3）晨昏分界線鑒別算法

由于月相的變化，在絕大多數(shù)時間內(nèi)紫外敏感器所拍攝的月球圖像邊緣包括了兩個部分：月球圓盤的真實邊緣與晨昏分界線。若把晨昏分界線也作為月球邊緣點進行月心矢量的擬合，必將帶來很大的姿態(tài)確定誤差，所以紫外敏感器信息處理軟件必須具備將晨昏分界線剔除的功能。為解決這一問題，建立了晨昏分界線與月球邊緣的信息模型并提出了剔除算法，在軌驗證非常有效。

4）姿態(tài)數(shù)據(jù)可用性判別方法

紫外月球敏感器的測量精度受成像質(zhì)量、干擾光強度、月面地形、觀測月相等因素的制約，這些因素對姿態(tài)的可信度及精度均有影響。為保證GNC系統(tǒng)能使用有效且精確的姿態(tài)信息，采用以品質(zhì)因數(shù)的形式表征當前姿態(tài)數(shù)據(jù)的精確程度與可信度的方法。這個措施為GNC系統(tǒng)正確使用紫外月球敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)提供了有效判據(jù)。

5）積分時間自主調(diào)節(jié)方法

受月面地形起伏、月面物質(zhì)特性、太陽仰角變化等因素的影響，紫外月球敏感器所探測到的月面亮度通常變化很大。為提高敏感器對探測目標的適應(yīng)性，在軟件中設(shè)置了自主調(diào)節(jié)光積分時間的功能。采用了隨不同地表與光照條件的積分自主調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)高質(zhì)量成像。

6）干擾光判別方法

在衛(wèi)星環(huán)月飛行期間，太陽、地球均有可能進入紫外月球敏感器視場并形成干擾。因此有效地鑒別外部干擾光是紫外月球敏感器進行有效姿態(tài)測量的重要前提。由于紫外月球敏感器屬于成像式敏感器，視場內(nèi)目標具有豐富的信息，因此軟件中采用了圖像分析的方法來監(jiān)視干擾光源是否出現(xiàn)。在地面及飛行試驗中都驗證了該判別算法的有效性。

3.2.4 CCD電路設(shè)計

受月面反射率、月面地形和太陽仰角的影響，紫外月球敏感器所觀測到的月面亮度變化范圍很大。這就要求敏感器能夠通過調(diào)整CCD的光積分時間將輸出的圖像灰度控制在一定范圍內(nèi)，以保證圖像處理軟件能夠正常工作。根據(jù)分析，CCD光積分時間的可調(diào)范圍應(yīng)為5～600ms。

紫外月球敏感器的成像器件采用的是E2V公司的CCD器件。這種器件沒有電子快門功能，光積分時間控制范圍也很有限。按照器件手冊提供的標準工作方式，CCD最小等效光積分時間約為80ms，遠遠超出最小光積分時間5ms的要求。

為解決光積分時間調(diào)整的難題，對E2V公司提供的標準時序進行了改進，加入了“勢阱深度動態(tài)控制”、“多余電荷導(dǎo)出”和“電荷傾倒”等手段，將最小等效光積分時間控制到5ms以內(nèi)，從而滿足了紫外月球敏感器工作需要。

3.2.5 敏感器的標定與測試

同其他光學(xué)姿態(tài)敏感器一樣，紫外月球敏感器在制造過程中不可避免地存在一定的系統(tǒng)誤差。在敏感器交付前，需要對這些系統(tǒng)誤差進行修正，以提高敏感器姿態(tài)測量精度。系統(tǒng)誤差的修正是通過敏感器標定實現(xiàn)的。

通常，光學(xué)系統(tǒng)視場越大其標定的誤差也越大。紫外月球敏感器視場角達到l50°，要在如此大的測量范圍內(nèi)保證標定精度，并且滿足標定函數(shù)形式簡單和運算速度快的要求，其難度極大。在紫外月球敏感器的標定試驗中，利用轉(zhuǎn)臺和平行光管進行測試，采用待定系數(shù)法構(gòu)造誤差校正模型，并根據(jù)最優(yōu)理論進行參數(shù)估計，最終獲得像點平面坐標與入射光矢量坐標之間的對應(yīng)函數(shù)。經(jīng)實測，紫外月球敏感器的像元標定精度優(yōu)于30″。

為配合紫外月球敏感器的地面測試，研制了大型月球模擬器、精密三軸轉(zhuǎn)臺、小型月球模擬器和數(shù)據(jù)采集裝置等設(shè)備，構(gòu)成了紫外月球敏感器的地面測試系統(tǒng)。依托這套測試系統(tǒng)，完成了紫外敏感器單機在各種月相下的精度測試、處理時間測試、通信功能測試和圖像傳輸?shù)纫幌盗袦y試，以及紫外敏感器在GNC分系統(tǒng)和整星中的綜合測試。

4 飛行試驗

2007年l0月24日l8時05分，嫦娥一號衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。在經(jīng)歷了調(diào)相軌道飛行、地月轉(zhuǎn)移軌道飛行后，于11月7日成功地完成了第三次近月制動，順利進入了軌道高度為200km的環(huán)月軌道。

在衛(wèi)星由太陽定向模式轉(zhuǎn)入“星光環(huán)月”模式后，11月8日下午星上的兩臺紫外月球敏感器先后加電工作。之后對紫外月球敏感器進行了為期三天的在軌測試。遙測數(shù)據(jù)顯示，敏感器各項功能正常，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

11月27日起，連續(xù)進行了多次“紫外環(huán)月”飛行試驗。在此模式下，紫外月球敏感器輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù)被GNC分系統(tǒng)引入?yún)⑴c整星閉環(huán)姿態(tài)控制。圖4～7顯示在紫外環(huán)月期間紫外月球敏感器輸出的姿態(tài)角。

圖4 2007年11月27日2l：27至23：59紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

從圖5中可以看到，在某些時間段內(nèi)兩臺紫外月球敏感器的輸出角都出現(xiàn)了幅度超過±l°的異常波動。經(jīng)分析，此時太陽已進入敏感器外部擋光環(huán)的抑光錐以內(nèi)，陽光及局部艙壁反照光對敏感器的姿態(tài)測量造成了嚴重干擾。

圖5 2007年11月28日0：00至7：59紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)

根據(jù)遙測的數(shù)據(jù)引入標志，剔除了其中部分未被GNC采用的無效數(shù)據(jù)，這時敏感器輸出的姿態(tài)角如圖6所示。顯然，姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定度有了明顯改善。由此說明，敏感器準確地檢測到了外部干擾，并有效防止了不可信的姿態(tài)信息被控制系統(tǒng)使用。

在紫外環(huán)月飛行期間，嫦娥一號衛(wèi)星姿態(tài)平穩(wěn)。統(tǒng)計處的紫外環(huán)月模式下衛(wèi)星姿態(tài)角速度誤差和姿態(tài)角誤差分別如表l～2所示。

表1 紫外環(huán)月模式下衛(wèi)星姿態(tài)角速度誤差

表2 紫外環(huán)月模式姿態(tài)角誤差

除執(zhí)行姿態(tài)測量任務(wù)外，紫外月球敏感器還具有圖像拍攝和傳輸功能。圖8為11月26日、28日和29日由紫外月球敏感器拍攝到的6幅月球影像。

圖6 數(shù)據(jù)引入標志有效時紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

圖7 2007年l2月l日l：49至6：58紫外月球敏感器的輸出姿態(tài)角

圖8 紫外月球敏感器所拍攝月球影像

5 結(jié)束語

紫外月球敏感器是嫦娥一號衛(wèi)星重點攻關(guān)項目之一，同時也是我國第一個以月球為觀測目標的光學(xué)姿態(tài)敏感器，第一個大視場成像式敏感器，第一個工作在紫外譜段的光學(xué)敏感器。紫外月球敏感器在國際上也屬于首創(chuàng)。

嫦娥一號衛(wèi)星環(huán)月飛行期間的遙測數(shù)據(jù)顯示紫外月球敏感器在軌工作正常，實現(xiàn)了預(yù)期的功能和性能。

紫外月球敏感器的成功研制和應(yīng)用，實現(xiàn)了我國航天控制技術(shù)領(lǐng)域的又一重大突破。

[l]屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與控制[M].北京：宇航出版社，l998

An U1travio1et Lunar Sensor for CE-1 Spacecraft

HUANG Xin，WANG Li，LU Xin
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

CE-l，a lunar orbiting spacecraft，is part of the first phase of the chinese lunar exploration program.A novel optical sensor，ultraviolet（UV）lunar sensor，is employed in the CE-l satellite.The UV lunar sensor is a wide-field of view（FOV）optical sensor which operates in the orbit around moon and provides the GNC subsystem with the pitch and roll information.This paper introduces the information of the UV sensor，including the principle，functions and the results of flight tests.

ultraviolet lunar sensor；CE-l spacecraft；attitude determination

TN379

A

l674-l579（2008）0l-005l-05

2007-l2-09

黃欣（l97l-），男，北京人，高級工程師，研究方向為星敏感器及紫外敏感器（e-mail：huangx@bice.org.cn）。