国产元器件在星敏感器的应用设计和验证测试_王燕清.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2021-01-15；修回日期：2021-04-06 文章编号：2097-1974(2023)01-0059-07 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230112 国产元器件在星敏感器的应用设计和验证测试 王燕清，吴永康，沈 杰，马英超，李新鹏（上海航天控制技术研究所，上海，201109）摘要：受到国际环境影响，选用高性能的进口元器件存在禁运风险，元器件中国自主研制可控需求日益迫切。在宇航领域，国产元器件应用验证生态环境薄弱，需通过核心电子器件在卫星体系中的验证与应用，发现器件性能和应用方法的问题，检验核心电子器件的先进性和不同应用条件下的可用性。根据核心电子器件在星敏感器中的验证与应用要求，实现了多种核心电子器件在星敏感器中的全面集成应用，星敏感器核心电子器件自主保障率达到100%，加速了核心电子器件成果推广和航天装备的自主可控。关键词：国产元器件；自主可控；星敏感器；应用设计 中图分类号：V44 文献标识码：A The Application Design and Test of Star Sensor Based on Domestic Components Wang Yan-qing,Wu Yong-kang,Shen Jie,Ma Ying-chao,Li Xin-peng(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology,Shanghai,201109)Abstract:Affected by the international environment,the import components with high performance are at risk of embargo,and the domestic autonomous control of components is increasingly urgent.In aerospace field,the ecological environment that application of domestic components is weak,verification and application of core electronic components in satellite system is needed to find the problem existed in performance and application method,testing the advanced nature of core devices and availability under different conditions.According to the verification and application requirements of core electronic devices in star sensor,the integrated application of various core electronic devices in star sensor is realized.The independent guarantee rate of core electronic devices of star sensor reaches 100%,accelerating the promotion of core electronic devices and autonomous control of space equipment.Key words:domestic components;independent control;star Sensor;apply design 0 引 言 星敏感器是一种高度自主的姿态敏感器，通过探测器对星空成像，测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，并利用已知恒星的精确位置来确定卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态，已经成为卫星上必不可少的姿态敏感器1,2。星敏感器电子学系统设计建立在CPU 和 FPGA 的处理平台基础之上，主要由探测器模块、电源模块、接口模块、数字信号处理模块构成，元器件种类较多且核心器件基本来自进口3。考虑到国际形势和战略意义，需要尽可能采用国产元器件来替代进口器件4。国产元器件在星敏感器的验证与应用可以检验核心电子器件的先进性和不同应用条件下的可用性，加速核心电子器件成果推广和航天装备的自主可控5。本文通过对星敏感器电路国产化设计，实现核心电子器件自主国产化率达到 100%。围绕国产核心电子器件设计监测电路和相应的测试软件，实时监测电子器件的功能性能参数，通过数据分析实现应用效果评价。1 星敏感器电路原理和组成 星敏感器以恒星作为姿态测量的参考源，输出其在惯性参考系中的指向6。探测器完成光电转换，将星像转变成视频电信号输出；时序信号发生器与驱动器给出控制 APS 或 CCD 探测器和视频信号处理器的工作时序7。输出的数字图像传送到数字信号处理器进行判星、单星定位、星识别、星敏感器姿态角和航天器姿态角的计算等处理工作，给出惯性坐标系下的姿态四元数8,9。星敏感器的电路系统主要由探测器模块、电源模块、驱动模块、数字信号处理模块、接口模块等组成，涉及模拟电源、数字逻辑、图像处理、通信交互等领域9。星敏感器电路系统围绕国产电子器件开展设计，导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 60 采用处理器 BM3803 作为信息处理的主控制器，被测器件挂在处理器上，通过处理器的操作直接或间接地对被测器件进行状态监测，并对各个被测国产元器件（处理器自身也作为被测国产元器件）的工作状态进行汇总管理，进行数据打包，并将数据包通过挂在处理器上的总线接口（1553B 总线接口）发送给测试计算机10。系统功能框图如图 1 所示。图1 星敏感器电路系统原理 Fig.1 Block Diagram of Principle of Star Sensor Electronic System 2 基于国产元器件的星敏感器电路设计 2.1 电源模块设计 电源系统是星敏感器运行工作的基础，电源系统要求能够适应外部恶劣环境，电源系统需为内部提供稳定可靠的电源。本文选用中国航天某所的 DC/DC 模块（LDCD/28(42)-5R-12F/SP（带法兰）实现将+42V（+28V）直流输入转换为星敏感器上电路所需要的二次电源。该电源模块作为被应用验证被监测的器件，同时为后端其他国产元器件提供二次电源，该芯片需要被监测的状态包括二次电源压、二次电源纹波两种参数，这两种参数的监测通过采用 ADC 对二次电源输出信号进行采集分析获得。图 2 为电源模块原理框图。北京升宇的线性调整器 RSW1201HRH 用来实现从+5V 到+3.3V、+2.5V、+1.8V、+1.5V 等电压的转换。线性调整器的输出电压和纹波这两种参数通过采用ADC 进行采集分析达到实时监测。国产DCDC模块与进口DCDC模块相比封装尺寸和电参数基本相同，抗辐照指标提升，在电路设计上，为了监测国产电源模块的电参数，供电电路设计增加检测电压信号和处理电路，CPU 软件设计增加采集和处理程序。J36A-9ZJB隔离DC-DCDC-DC3.3V/3A二次电源DC5V/2.4A一次电源DC42VCPU_IOPOWERAD采集AD采集AD采集二次电源DC5V电压采集&纹波采集CPU_IO电流采集CPU_CORECPU_CORE电流采集DC-DC1.8V/3ADC-DC1.5V/3ADC-DC1.23V/3APOWER 图2 电源模块原理 Fig.2 Block Diagram of Principle of Power System 表 1 为国产和进口电源模块性能指标对比。表1 国产和进口电源模块性能指标对比 Tab.1 The Character of Domestic and Foreign Power Components 性能指标 进口电源模块VPT公司 DVHF2805SF 国产电源模块 771 所LDCD/28(42)-5R-12F/SP电 参 数 指 标 输出功率 PO/W20 14.4 输入电压 VI/V 1550 1951 输出电流 IO/A 01.34 0.22.4 输出电压 Vo/V 4.955.05 输出纹波电压 VR/mV 40 100 封装尺寸/mm 50.8028.70（法兰）（平行缝焊）50.7528.70（法兰）（平行缝焊）抗 辐 照 指 标 抗总剂量辐射能力rad(Si)30K（S 级器件指标）100K 单粒子锁定（SEL）LET 阈值MeVcm2/mg 44 （S 级器件指标）75 2.2 处理器 BM3803 最小系统电路设计 处理器 BM3803 作为被测器件，运行相关测试程序，需要被监测的参数/功能包括：a）指令集功能：通过运行指令集测试程序进行测试，测试结果通过总线接口发送上传；b）整数/浮点处理运算功能：通过运行整数/浮点运算测试程序进行测试，测试结果通过总线接口发送上传；c）复位功能：通过 FPGA 给 BM3803 输入复位信号，并通过 FPGA 检测 BM3803 的“心跳输出信号”是否归零（心跳信号通过 GPIO 模拟输出），并在复位完成后恢复正常（注：处理器和 FPGA 均设计有心跳信号输出，FPGA 的心跳信号通过处理器进行检测，处理器输出的心跳信号由 FPGA 进行检测）；d）中断功能：验证电路主要针对 BM3803 的 GPIO输入中断进行监测，设置 BM3803 的某个 GPIO 作为 王燕清等 国产元器件在星敏感器的应用设计和验证测试 61第1期 输入，并使能其中断有效，通过 FPGA 给该 GPIO 管脚输入脉冲信号，查看 BM3803 是否正常产生中断，测试结果通过总线接口发送上传；e）存储器接口功能：通过挂接被监测的 SRAM、PROM 进行测试，通过运行程序，功能正常运行则认为其存储器接口功能正常，测试结果通过总线接口发送上传；f）处理器功耗监测：通过采用大功率精密电阻作为 BM3803 内核电源以及 IO 电源的电流采样电阻，同时通过 ADC 采集电流采样电阻两端的电压，进行电源电流监测，从而计算内核电源以及 IO 电源的功耗曲线；g）处理器动态性能监测：采用 FPGA 控制 ADC监测 BM3803 的 IO 口（只选 1 个管脚）、存储器控制信号（片选、读、写）的输入/输出的时序，包括信号的上升/下降沿时间、有效电平持续时间、有效电平电压值等。处理器 BM3803 的芯片功能框图如图 3 所示。图3 BM3803芯片功能 Fig.3 Function Diagram of CPU-BM3803 处理器 BM3803 最小系统电路主要涉及 BM3803外围的复位电路、时钟电路、串口电路，具体如图 4所示。BM3803FPGA晶振3.3V1.8V电平转换隔离动态性能监测GPIOSRAMPROM数据地址控制信号ADC电流监测 图4 BM3803最小系统功能 Fig.4 Block Diagram of Minimum System Based on BM3803 表 2 为国产和进口处理器性能指标对比。表2 国产和进口处理器性能指标对比 Tab.2 The Character of Domestic and Foreign CPU Components 性能指标 进口处理器ATMEL公司AT697F-KG-SV 国产处理器772 所 BM3803MG 电参数指标内核电源电压/V1.80.15 1.80.15 端口电源电压/V3.30.30 3.30.30 功耗/W 1（100MHz）1（70MHz