摘要：太阳导行镜(SGT)是空间太阳望远镜(SST)姿态控制的关键技术之一。针对 SST 姿态控制系统高速高精度的导行要求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 1°×1°。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，数据分析表明，SGT 样机测量精度达到了1.5″(3σ)，数据更新率优于 30Hz，满足 SST 姿控系统的要求。
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 1m，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)±6″，稳定度3″/s[1]。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″(3σ)，数据更新率>30Hz[1]。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[2-3],对太阳的导行精度和导行能力有了巨大的提高。
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) APS SGT 采用了 Fillfactory 公司的STAR1000APS 。 单像元尺寸15μm ， 面阵像素数为1024×1024，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，侧重实现了硬件多行像素数据的高速采集，同时兼顾对全像素行的采集功能。
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 +12V 和+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) 通信接口 导行镜的电路盒与控制计算机(AOCC)接口采用的是国内设计的航天级接口，通信方式采用标准 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—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—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。
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-232 协议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[4]，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
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
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 o′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s，AB、CD 的象素长度2l1、2l2。设 o′点距AB、CD 的距离分别为y1、y2，oo'的距离为△。通过计算可以得到偏差
由上式可以得到太阳中心与两条扫描线的距离
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y1或y2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°×1°)，进行一次测量的时间是非常短的(<2min)，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 X—Y 方向上的直线变化。为了得到日心偏差曲线，采用最小二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
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[5];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声[6]，滤波模型如下
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
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″ (3σ)，数据更新率优于 30Hz。
参考文献：
[1] 中国科学院国家天文台. 空间太阳望远镜 A-相研究报告[R].北京：中国科学院国家天文台，1996. 3-2.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences. SPACe Solar Telescope Phase A Study Report[R].Beijing：NAOC，1996.3-2.
[2] BRUNER M E，TARBELL T D. TRACE DESIGN NOTE 21 - Guide Telescope Field of View [R]. Palo Alto，CaliforNIa：Stanford-Lockheed Institute for Astrophysical and Space Research，1994.
[3] 胡柯良. 面阵 CCD 导行和嵌入式系统在高时空分辨率太阳磁场观测中的应用研究[D]. 北京：中国科学院，2004.10-13.HU Ke-liang. Research on the Application of Guide System with Area CCD Camera and Embedded System in High Temporaland Spatial Resolution Observation of Solar Magnetic Field[D]. Beijing：Chinese Academy of Sciences，2004.10-13.
[4] 林元章. 太阳物理导论[M]. 北京：科学出版社，2000.31-32.LING Yuan-zhang. Introduction of Solar Physics[M]. Beijing：Science Press，2000. 31-32.
[5] 黄佑然，许敖敖，唐玉华，等. 实测天体物理[M]. 北京：科学出版社，1984. 354-357.HUANG You-ran，XUE Ao-ao，TANG Yu-hua，et al. Astrophysics of Actual Measurement [M]. Beijing：Science Press，1984.354-357.
[6] HAYES Monson H. 数字信号处理[M].张建华，卓力，张延华. 北京：科学出版社，2003.12-13.HAYES Monson H. Schaum’s Outlines Digital Signal Processing [M]. ZHANG Jian-hua， ZHUO Li， ZHANG Yan-hua.Beijing：Science Press，2003. 12-13.
基金项目：国家863 高新技术
作者简介：温卫斌(1974-)，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：wwbolder@sst.bao.ac.cn
