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太陽敏感器(sun sensor)是在航空領域應用最廣泛的一類敏感器,所有的衛星上都配備有太陽敏感器。通過敏感太陽矢量的方位來確定太陽矢量在星體坐標中的方位,從而獲取航天器相對於太陽方位信息的光學姿態敏感器。

太陽敏感器(sun sensor)是在航空領域應用最廣泛的一類敏感器,所有的衛星上都配備有太陽敏感器。通過敏感太陽矢量的方位來確定太陽矢量在星體坐標中的方位,從而獲取航天器相對於太陽方位信息的光學姿態敏感器。選擇太陽作為參考目標是因為太陽視在圓盤的角半徑幾乎和航天器軌道無關並且很小,因此,對大多數應用而言,可以把太陽近似看作點光源。這樣就簡化了敏感器設計和姿態確定演算法。並且,太陽的高亮度、高信噪比使得檢測比較容易實現。

太陽敏感器太陽敏感器

太陽敏感器適用於對航天器的軌道控制和姿態控制;保護靈敏度很高的儀器,如星敏感器、地球敏感器正常工作;提供星上姿態控制基準信號,以及用於對航天器太陽帆板定位。

1 太陽敏感器 -太陽敏感器的基本構造

太陽敏感器的構成主要包括三個方面:光學頭部、感測器部分和信號處理部分。光學探頭包括光學系統和探測器件,它利用光電轉換功能實時獲取星體相對太陽的姿態角度信息。光學頭部可以採用狹縫、小孔、透鏡、稜鏡等方式;感測器部分可以採用光電池、CMOS器件、碼盤、光柵、光電二極體、線陣CCD、面陣CCD、APS、SMART等各種器件;信號處理部分方案可採用分離電子元器件、單片機、可編程邏輯器件等。

2 太陽敏感器 -太陽敏感器的基本分類

通常,太陽敏感器可分為3類:

  (1)模擬式太陽敏感器。它產生的輸出信號是星體相對太陽矢量方位(太陽角)的連續函數;

  (2)太陽出現敏感器(0-1式太陽敏感器)。它以數字信號1或0表示太陽是否位於敏感器的視場內;

  (3)數字式太陽敏感器。它能提供離散的編碼輸出信號,其輸出值是被測太陽角的函數。該敏感器的特點是:視場大、精度高、壽命和可靠性有很強的優勢,己廣泛應用於各種型號的航天器上。

3 太陽敏感器 -各種太陽敏感器工作原理與特點

太陽敏感器按照其工作的方式可以分成「0-1」式、模擬式和數字式幾種。

「0-1」式太陽敏感器

「0-1」 式太陽敏感器又稱太陽發現探測器,即只要有太陽就能產生輸出信號,可以用來保護儀器,使航天器或實驗儀器定位。它的結構也比較簡單,敏感器上面開一個狹縫,底面貼光電池,當衛星搜索太陽時,一旦太陽進入該探測器視場內,則光電池就產生一個階躍響應,說明發現了太陽。持續的階躍信號指示太陽位於敏感器視場內。 一般來說,衛星的粗定姿是由「0-1」式的太陽敏感器來完成的,主要用來捕獲太陽,判斷太陽是否出現在視場中。「0-1」式的太陽敏感器要能夠全天球覆蓋,且所有敏感器同時工作。這種敏感器雖然實現起來比較簡單,但是比較容易受到外來光源的干擾。例如,此球反射的太陽光信號、太陽帆板反射的太陽光等都容易對這種敏感器形成干擾。因此,敏感器的濾波器能夠濾掉偶爾出現的電脈衝。

模擬式太陽敏感器

模擬式太陽敏感器又稱為餘弦檢測器,常使用光電池作為其感測器件,它的輸出信號強度與太陽光的入射角度有關,其關係式為:其中,Iθ—太陽光束與光電池法線方向的夾角。0—光電池的短路電流; 模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天球工作的,其視場一般在20°~30°左右,精度在1°左右,它判斷出現太陽信號的閾值以不高於太陽信號的80%(一般為50%)為門限。如圖1所示。 這樣的精度對於通信衛星還可以,但對於對地觀測的衛星來說,精度太低,因此,目前的通信衛星主要依賴這種模擬式的太陽敏感器。

數字式太陽敏感器

模擬式太陽敏感器的實現原理簡單,但是其精度卻難以滿足衛星姿態控制系統日益提高的要求,並且,模擬式太陽敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干擾使對姿態測量的結果產生誤差,因此,數字式太陽敏感器得到了很大的發展。並且,數字式太陽敏感器能夠滿足越來越高的重量輕、功耗低、精度高、模塊化等要求。 數字式太陽敏感器是通過計算太陽光線在探測器上相對中心的位置的偏差來計算太陽光的角度的敏感器,主要有CCD和APS兩種,其中CCD太陽敏感器包括線列CCD數字式太陽敏感器和面陣CCD式太陽敏感器,而APS數字式太陽敏感器則以面陣為主。目前應用CCD的數字式太陽敏感器產品較多。 數字式的太陽敏感器的視場一般在±60°左右,其精度能夠達到≤0.05°。其原理多是採用太陽光通過狹縫照射在CCD探測器上,通過計算太陽成像偏離CCD中心的位置來計算太陽光的夾角。其工作波段多採用0.4mm~1.1mm的可見光波段。 雖然數字式太陽敏感器的視場很大,但真正用到的只是其中的一小段,在實際工作中它只對靠近光軸的主要區域重點探測,遠離光軸的兩側只在較少時候進行探測;另外,為了避免被太陽能電池帆板等反射的太陽光干擾,太陽敏感器對偶然出現的較強信號也會將其濾除;最後,數字式太陽敏感器一般在CCD的前面要加濾光片,用來衰減太陽光強,使其不至於工作在飽和狀態。

4 太陽敏感器 -國外太陽敏感器的發展現狀

隨著衛星對姿態控制精度要求的日益提高以及小衛星、皮衛星等微小衛星的發展,太陽敏感器逐漸向著小型化、模塊化、標準化、長壽命的方向發展,並且要求其具有大視場、高精度和高可靠性,數字式太陽敏感器是能夠滿足這些要求的首選,因此,數字式太陽敏感器必將成為太陽敏感器的發展趨勢,世界各國也越來越注重數字式太陽敏感器的發展。由原來的線陣CCD發展成面陣CCD,再發展到現在的APS面陣的數字式太陽敏感器,其精度越來越高,體積越來越小,質量越來越輕,壽命也越來越長。目前CCD太陽敏感器已經在國外廣泛使用。

太陽敏感器太陽敏感器

俄羅斯
俄羅斯地球物理協會研製開發太陽敏感器已經有四十年的歷史,其研製的一款CCD太陽敏感器,其主要技術指標為質量:0.28kg;尺寸:70mm×70mm×50mm;視場:92°×92°;測角誤差均方根值:12」;功耗:0.6W。

義大利
義大利伽利略公司研製的使用2048元長線列探測器的太陽敏感器。在ITALSA-I中獲得了良好的效果,其主要技術指標為光學頭部尺寸:170mm×94mm×85mm;電子學尺寸為:204mm×152mm×121mm;重量:光學頭部為0.98kg×2,電子學質量為:2.8kg×2;精度:系統誤差:0.06°,隨機誤差:0.005°; 功耗:光學頭部1.5W/軸,電子學3W/軸。

荷蘭
荷蘭TNO-TPD公司研製的太陽敏感器。該敏感器中採用了線列陣CCD器件,在光學部分設置了一個與線列陣器件垂直的狹縫,由此來進行太陽方位角的測量。共兩個模塊完成X,Y坐標的測量。直接測量精度達到0.10°,使用查找表進行數據校正,精度可達到0.02°。該敏感器採用整機備份的冗餘設計方案。 另外,該公司為滿足小衛星以及皮衛星的需求,研製的以APS為探測器元件的高精度數字式太陽敏感器,視場為128°×128°,質量小於250g,精度可以達到0.02°。

美國
美國GoodRich公司生產的型號為13-517的太陽敏感器。該太陽敏感器由另一款13-515太陽敏感模塊構成,可由多個13-515型號太陽敏感器組成,用來滿足特殊航天飛行的要求,具有128°×168°的視場,誤差<0.3°,體積為5.1×2.4×1.9in.,功耗為0.3W,壽命為15年。 5、日本 圖6所示為日本Astro公司研製的太陽敏感器,該敏感器已在多次飛行任務中成功使用,具有視場大、功耗低、精度高的特點。

5 太陽敏感器 -太陽敏感器的發展趨勢分析

從各種敏感器的性能參數分析以及其敏感器構成的情況可以看出,太陽敏感器正在向著小型化、高精度、高穩定性、低功耗、長壽命的方向發展,其探測器元件由光電池逐漸向CCD、APS等面陣探測器發展,這將促進太陽敏感器的高度集成化和模塊化。 此外,單一種類的敏感器已不能滿足衛星高精度以及高穩定性的要求,例如太陽敏感器在衛星進入地球陰影區時無法工作,因此,目前的姿態控制系統多採用多種敏感器的組合方式,用來提高姿態控制的精度和穩定性。例如,使用星敏感器作為主要定姿裝置,則將高精度太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份;若採用高精度太陽敏感器和紅外地球敏感器作為主要定姿裝置,則將星敏感器作為備份。各種敏感器互為備份,甚至還有一些組合模式的敏感器的出現,為航天器的姿態控制提供穩定的保障。

6 太陽敏感器 -參考資料

國防科工委 

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