空间太阳望远镜太阳导行镜原理样机的研制

　　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。