基于FPGA和PCIe总线的电子星模拟器设计

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摘要∶为了实现卫星姿轨控地面半物理仿真试验，设计了基于FPGA和PCle总线的电子星模拟器，图像分辨率支持1024*1024;图像位宽支持12bit;电子星模拟器图像处理卡基干FPGA的硬件结构，与上位机界面软件通过PCe总线交互数据，采用LVDS（low voltage differential signaling）信号收发星图数据;地面动力学按照10ms 周期将四元数通过以太网发送给电子星模拟器，电子星模拟器将生成的电子星图通过LVDS传输给星敏感器，通过地面实时仿真验证系统验证，电子星模的输出与目标值误差小于0.07%，闭环测试中星敏采集到准确的星图，显示了电子星模拟器的可行性，在卫星姿轨控地面半物理仿真试验中具有良好的推广性。

/ ^1 J5 k+ q4 Z随着近期"嫦娥"系列月球探测器、中国空间站核心舱、"天舟"系列货运飞船、"神舟"系列载人飞船的陆续成功发射，证明中国航天技术水平走在了国际前列。航天事业的步伐不断的前进，对卫星执行任务的要求越发复杂、任务完成精度越高。为了完成更为精确地姿态确定，星敏感器作为目前使用最广泛、测量精度最高的天体敏感器，可以为飞行器提供精确的三轴姿态信息。
星敏感器自身存储有全天区的导航星图，在工作过程中，通过其光学系统拍摄所对应的天球上的恒星，得到观测星图，将观测星图与导航星图进行特征匹配，从而得出卫星本体的坐标系的姿态。姿态确定的输入信息是姿态敏感器的测量数据，输出是卫星的三轴姿态参数。
为满足高精度的姿态测量要求，国内外的卫星控制系统都采用高精度星敏感器进行姿态测量。如国外的微型 X 射线太阳光谱仪卫星，三轴姿态控制精度为0.004 2°、0.0117°和0.006°，姿态测量精度为0.00183°/s、0.007 3°/s 和0.001 05°/s。国内的资源三号卫星，控制系统稳定度达到 5×10-4°/s，惯性姿态测量精度达到了0.005°。电子星空模拟器是与星敏感器配套的地面测试设备。它可根据输入的惯性姿态数据，实时生成与该姿态对应的星图，按照接口时序向星敏感器线路盒输出，使星 敏感器线路获得所需的电子图像，从而达到实时动态模拟在轨星敏工作过程。
, P9 U- z& t. D$ `) W6 M文献主要介绍了高精度静态星模拟器的组成、工作原理，完成了光学系统设计以及星点板设计。文献【8】设计了一种基于长焦距高成像质量准直光学系统的甚高精度动态星模拟器。文献主要设计的是基于CCD的星图模拟器，上述文献均是侧重于光学系统的研制。文献【11】 设计了一款电子星空模拟器，但是主要侧重于星图生成研究，未对硬件原理做介绍。本文主要从电子星模拟器的软硬件组成进行了详细的设计，通过LVDS将电子图像作为星敏感器的输入，参与控制系统联试，验证了星敏感器在轨工作性能。
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/ ]3 Y, M" D: c! c0 u8 C) }1、系统原理与组成
' H4 s* M& B( }作为应用最为普遍和关键的星敏感器地面标定设备，星模拟器的主要任务是，在实验室里生成静态或者动态星图。按照使用用途将星模拟器分为静态星模拟器、动态星模拟器和电子星模拟器。
8 k9 l" m% Q( M7 |2 ]$ Z) Y静态星模拟器产生一幅固定天区的星图，不能测试星敏感器的动态性能，也不能参与闭路测试。静态星模拟器主要用来考察星敏感器的光路和电路性能。
/ B3 S# H  z* I% d% v动态星模拟器用于星敏感器动态性能的测试和标定，可以考察星敏感器动态光学和电性能。动态星模拟器需要实时更新显示星表中的星图，对星图质量具有较高要求，具有光学系统，要求安装精度高，成本较高。
电子星模拟器产生星敏感器线路所需的电子图像。电子星模拟器没有复杂的光学系统，电子图像传送至星敏感器的CPU板，供CPU 板软件处理，从而达到实时动态模拟在轨星敏工作过程的目的，验证星敏感器的在轨工作性能。电子星模拟器具有成本较低，无安装要求，精度较高的优点。
0 M% |3 R: ]$ I$ n( r+ h电子星模拟器由控制计算机及相关连接电缆组成，其工作原理如图1所示。电子星模拟器由高性能 PC机、图像处理板、硬件底层驱动程序 （FPGA 程序、硬件驱动程序等）和人机交互界面软件等组成。电子星模拟器控制计算机不仅可以自动生成星图，也可以接收动力学计算机的输入指令生成星图，因此要求电子星模拟器控制计算机与动力学计算机间的通讯协议应简单、直接。
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地面动力学按照10ms仿真周期计算出惯性四元数，并通过以太网将四元数发送给电子星模拟器，电子星模拟器根据输入的四元数，查找星图表，实时生成与该姿态对应的星图，并将该星图转换为电子图像通过LVDS电缆输出。星敏的采样周期为200ms，可见电子星模拟器输出的姿态频率远高于星敏采样频率，同时电子星模拟器可设置不同工况下电子星模拟器产生星图。电子星模拟器图像分辨率支持1024*1024；图像位宽支持12bit；能够同时完成帧频10Hz的图像上传及采集。
2、电子星模拟器硬件设计
电子星模拟器包括测试计算机、LVDS图像卡和对应测试电缆组成。其中，电子星模拟器接受指令并按照指令生成图像，通过LVDS图像卡提供给星敏感器，也可以通过LVDS图像卡接收来自星敏感器发来的图像并存储。电子星模拟器总体结构如图2所示。

4 @2 l/ @: T8 F) O电子星模拟器具体功能要求如下∶
/ G/ ^2 G' Z5 S9 s/ {  |1）采用PC机扩展卡的形式，可选用PCI/PCIe 接口扩展卡;
8 W4 C- C- ]* c8 J2）图像为1 024×1024×12 bit;
( U/ E# |: N! P8 f3）支持同时激励2台星敏感器;
& ~7 z% M, r8 l/ r3 {4）能够同时完成帧频10 Hz的图像上传及采集;
/ }3 o+ T) m# a5 k3 G- R# J+ A5）要求板卡支持最大带宽同时读写不低于 20 Mbps;
6）要求板卡支持LVDS发送与接收;
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