一种模拟式太阳敏感器及其设计方法与流程

1.本发明涉及卫星技术领域。更具体地，涉及一种模拟式太阳敏感器及其设计方法。


背景技术：

2.太阳敏感器作为一种较早应用于航天器的姿态测量部件，联合红外地球敏感器、磁强计等部件可以实现卫星的姿态确定。太阳敏感器通过光电转换原理实现太阳矢量在太阳敏感器坐标系的两个方位角的测量，从而给出卫星与太阳间的矢量信息。太阳敏感器分为模拟式和数字式两种，模拟式太阳敏感器一般采用光电池作为敏感元件，相对于采用ccd和aps作为光敏元件的数字式太阳敏感器，虽然精度降低，但是结构、电路和算法的要求也大大简化，且在质量、体积、功耗上优势明显，非常适合中低精度的应用需求，但是如何快速的根据实际需求快速确定模拟式太阳敏感器探头结构参数、探头输出信号特性、处理电路参数成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的第一个实施例提供一种模拟式太阳敏感器的设计方法，所述太阳敏感器包括探头和与探头相连的处理电路，所述探头包括光敏电池板和位于其上的光线引入装置，光线引入装置上形成有入射孔，
4.所述设计方法包括：
5.s1：设置太阳敏感器的视场角fov、所述光线引入装置到光敏电池板的间距以及入射孔的边长；
6.s2：计算光敏电池板输出电流最大值和最小电流变化率；
7.s3：根据所述光敏电池板输出电流最大值和最小电流变化率设置处理电路的负载电阻器的阻值、放大倍数和ad芯片位数。
8.在一个具体实施例中，所述太阳敏感器的视场角fov、所述光敏电池板与所述光线引入装置的垂直距离h以及入射孔的边长d的关系为：
[0009][0010]
在一个具体实施例中，所述s2包括：
[0011]
获取太阳光入射角步长δa；
[0012]
利用所述太阳光入射角步长δa均分视场[-α, α]，得到2α/δa 1组入射角度，以及在[0,2π]内以步长δa逐步旋转，得到2π/δa组入射光线，其中，α为太阳光线与入射孔中心o2与其在光敏电池板上垂直投影o1的连线的夹角；
[0013]
在模拟式太阳敏感器视场[-α, α]内遍历(2α/δa 1)*2π/δa组入射光，获取每组入射光对应的入射角度下所述光敏电池板的输出电流，并计算出光敏电池板输出电流最大值i
max
、最小值i
min
和最小电流变化率δi。
[0014]
在一个具体实施例中，所述光敏电池板包括逆时针排列的第一光敏电池区、第二
光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区，所述光敏电池板各区的输出电流为
[0015][0016]
其中，i0为所述光敏电池板的响应率，m为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的水平距离，n为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的垂直距离，
[0017][0018]
其中，β为太阳光线绕入射孔中心o2与太阳光线在光敏电池板上垂直投影o1的连线的旋转角，b为任意两个相邻光敏电池区之间的距离。
[0019]
在一个具体实施例中，所述s3包括：
[0020]
设置所述负载电阻器的阻值满足
[0021]
r*i
max
＜v
l1
[0022]
其中，v
l1
为在温度t1(℃)时所述光敏电池板临界光生电压，
[0023]vl1
＝v
l0
s
t
(t
1-t0)
[0024]
其中，v
l0
为在温度t0(℃)时所述光敏电池板的临界光生电压，s
t
为光生电压的温漂，
[0025]
设置所述处理电路包括的信号调理电路的放大倍数k为
[0026]
k＝vi/r*i
max
[0027]
其中，所述vi为ad采样电路的接口电压，
[0028]
设置所述处理电路包括的ad采样电路的ad芯片位数n满足：
[0029]vi
/2
n-1
＜δi*r*k。
[0030]
本发明的第二个实施例提供一种模拟式太阳敏感器，包括探头和处理电路，
[0031]
所述探头包括壳体、光线引入装置、基板和光敏电池板，其中，所述壳体与所述光线引入装置形成一个腔体，在所述腔体内部的表面上安装所述光敏电池板，
[0032]
所述光敏电池板包括逆时针设置的第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区，四个光敏电池区面积相同。
[0033]
通过所述光线引入装置的太阳光线在光敏电池板上形成投影，根据所述第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区的输出电流，计算太阳光线的两轴矢量角：
[0034][0035]
[0036]
在一个具体实施例中，所述光线引入装置包括入射孔，使得太阳光线照射在所述光敏电池板上。
[0037]
在一个具体实施例中，所述处理电路还包括：信号调理电路，用于对所述光敏电池板输出的四路电流信号进行滤波和放大、并转换为对应的四路电压信号后传输给ad采样电路；
[0038]
所述ad采样电路，用于对所述四路电压信号进行采样，并将对应的采样结果传输给所述计算装置；
[0039]
所述计算装置根据所述四路电流信号对应的采样结果计算太阳光的入射角。
[0040]
在一个具体实施例中，所述第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区尺寸相等，所述入射孔的尺寸不小于所述第一光敏电池。
[0041]
在一个具体实施例中，所述入射孔为正方形。
[0042]
本发明的有益效果如下：
[0043]
本发明提供了一种模拟式太阳敏感器及其设计方法，可以快速完成模拟式太阳敏感器探头结构参数、探头输出信号特性、处理电路参数的设计，通过该方法设计出的太阳模拟器通过太阳光入射在光敏电池上使得光敏电池产生四路电流信号，计算装置对四路电流信号进行处理和计算，能实现实时测量太阳光的入射角。其结构简单，功耗低，且体积较小、造价较低、精度较高。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1示出根据本发明一个实施例的模拟式太阳敏感器的结构示意图；
[0046]
图2示出根据本发明一个实施例的模拟式太阳敏感器的探头结构示意图；
[0047]
图3示出根据本发明一个实施例的模拟式太阳敏感器的光敏电池板结构示意图；
[0048]
图4示出根据本发明另一个实施例的模拟式太阳敏感器的结构示意图；
[0049]
图5示出根据本发明一个实施例的模拟式太阳敏感器的设计方法流程示意图；
[0050]
图6示出根据本发明一个实施例的模拟式太阳敏感器的各个光敏电池区的输出电流的示意图。
具体实施方式
[0051]
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0052]
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种模拟式太阳敏感器，包括探头1和处理电路2，如图2所示，所述探头1包括壳体10、光线引入装置20和光敏电池板30，其中，所述壳体10与所述光线引入装置20形成一个腔体，在所述腔体内部的表面上安装安装所述光敏电池板30，
[0053]
如图3所示，所述光敏电池板包括逆时针设置的第一光敏电池区s1、第二光敏电池
区s2、第三光敏电池区s3和第四光敏电池区s4，
[0054]
通过所述光线引入装置的太阳光线在光敏电池板上形成投影，根据所述第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区的输出电流，计算太阳光线的两轴矢量角，
[0055][0056][0057]
在本实施例中，图1是根据本发明一个实施例的太阳敏感器的原理图。如图3和图4所示，其中，x
ss
o2y
ss
代表光线引入器所在平面，坐标原点与光线引入器中心重合，x
ss
o1y
ss
代表光敏电池板所在平面，坐标原点与所述光敏电池板中心重合，上述两平面平行，z
ss
轴代表两平面垂直方向，所述第一光敏电池区s1位于x
ss
o1y
ss
坐标系的第一象限，第二光敏电池区s2位于x
ss
o1y
ss
坐标系的第二象限，第三光敏电池区s3位于x
ss
o1y
ss
坐标系的第三象限以及第四光敏电池区s4位于x
ss
o1y
ss
坐标系的第四象限，h代表光线引入器与光敏电池板的距离，α为太阳光线与入射孔中心o2与其在光敏电池板上垂直投影o1的连线的夹角，定义为视场角，β为太阳光线绕入射孔中心o2与太阳光线在光敏电池板上垂直投影o1的连线的旋转角(绕zss轴逆时针为正)，定义为旋转角，m为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的水平距离，n为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的垂直距离。
[0058]
另外，在本实施例中为了避免太阳敏感器受损，本实施例中的太阳敏感器壳体可以为机械壳体，该机械壳体包括光线引入装置的盖板、基体以及底盖，从而为内部结构(如光线引入装置和光敏电池板)提供尺寸约束并起保护作用，使太阳敏感器更加安全可靠。
[0059]
在一个具体实施例中，所述光线引入装置包括入射孔，使得太阳光线照射在所述光敏电池板上。
[0060]
在本实施例中，所述光线引入装置包括入射孔，其中，如图2所示，太阳敏感器的视场为fov，例如正方形入射孔尺寸为边长d，所述入射孔上可以覆盖窄带通型滤光层膜系，窄带通型滤光层膜系的带通范围优选为760nm。本实施例的窄带通型滤光层膜系优选采用硅基滤光片，是由硅与二氧化硅交替层叠而成的多层介质膜系。窄带通型滤光层膜系对760nm左右窄带光有较高透射率，并且可以减少地球反射光对太阳敏感器能量质心影响，提高精度。
[0061]
在一个具体实施例中，所述第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区尺寸相等，所述入射孔的尺寸不小于所述第一光敏电池，入射孔设计成正方形。
[0062]
在本实施例中，为使在视场边界时第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区仍有电流输出且电流大小差异明显，则可以将入射孔和光敏电池区均设计成正方形，且所述入射孔的尺寸d不小于所述第一光敏电池区尺寸a，一般取两者尺寸相同，即有d＝a。
[0063]
在本实施例中，为减小太阳光线通过入射孔后在光敏电池板上的投影随入射角不同而变形，则所述入射孔设计成正方形。
[0064]
在一个具体实施例中，所述太阳敏感器在所述腔体内部的表面上安装所述基板，在所述基板上安装所述光敏电池板，通过所述基板将光敏电池板产生的电流信号发生给所述处理电路。
[0065]
在一个具体实施例中，所述处理电路还包括：信号调理电路，用于对所述光敏电池板输出的四路电流信号进行滤波和放大、并转换为对应的四路电压信号后传输给ad采样电路；
[0066]
所述ad采样电路，用于对所述四路电压信号进行采样，并将对应的采样结果传输给所述计算装置；
[0067]
所述计算装置根据所述四路电流信号对应的采样结果计算太阳光的入射角。
[0068]
本实施例提供的太阳敏感器，其中光线引入装置与壳体一体化设计，以防止与结构热胀冷缩系数不一致。处理电路用接插件的方式与探头连接并采取相应的屏蔽措施，然后固定在太阳敏感器的电路板盒内。太阳敏感器的各组件的装配结构要保证设备各项技术指标的实现，还要保证结构简单可靠，满足航天力学环境(振动，冲击和加速度)及环境温度的要求。要求光线引入装置到光敏电池板的垂直距离在误差允许范围内保持不变，光线引入装置不能旋转移位，不能因振动，冲击，材料热胀冷缩特性等情况而破碎，且入射孔不会被挥发物质所污染堵塞。为方便在模拟式太阳敏感器试验和安装时不引入不确定因素，一般将光敏电池板、光线引入装置、壳体等固联在一起，然后再与卫星框架安装在一起，使得光敏电池板、光线引入装置、壳体及卫星之间不会产生相对位移，以便建立统一、稳定的坐标系。
[0069]
与上述实施例提供的敏感器相对应，如图5所示，本发明的一个实施例还提供一种模拟式太阳敏感器的设计方法，包括：
[0070]
s1：设置太阳敏感器的视场角fov、所述光线引入装置到光敏电池板的间距以及入射孔的边长；
[0071]
s2：设置光敏电池板输出电流最大值、最小值和最小电流变化率；
[0072]
s3：设置处理电路的负载电阻器的阻值、放大倍数和ad芯片位数。
[0073]
本实施例提供一种模拟式太阳敏感器的设计方法，可以快速完成模拟式太阳敏感器探头结构参数、探头输出信号特性、处理电路参数的确定，通过该方法设计出的太阳模拟器通过太阳光入射在光位置传感器上使得光位置传感器产生四路电流信号，计算装置对四路电流信号进行处理和计算，能实现实时测量太阳光的入射角。其结构简单，功耗低，且体积较小、造价较低、精度较高。
[0074]
在一个具体实施例中，所述模拟式太阳敏感器的设计方法具体包括：
[0075]
s1：设置太阳敏感器的视场角fov、所述光线引入装置到光敏电池板的间距以及入射孔的边长；
[0076]
在一个具体实施例中，所述太阳敏感器的视场角fov所述光敏电池板与所述光线引入装置的垂直距离h以及入射孔的边长d的关系为：
[0077][0078]
在一个具体示例中，该模拟式太阳敏感器半视场为
±
50
°
，即fov/2＝50
°
，光敏电池的光敏元素尺寸为5mm，即d＝a＝5mm，则：
[0079][0080]
设置该模拟式太阳敏感器探头中光线引入装置距光敏电池高度h＝2.10mm，入射孔为正方形，边长为5mm。
[0081]
s2：计算光敏电池板输出电流最大值和最小电流变化率；
[0082]
在一个具体实施例中，所述s2包括：获取太阳光入射角步长δa；
[0083]
利用所述太阳光入射角步长δa均分视场[-α, α]，得到2α/δa 1组入射角度，以及在[0,2π]内以步长δa逐步旋转，得到2π/δa组入射光线，其中，α为太阳光线与入射孔中心o2与其在光敏电池板上垂直投影o1的连线的夹角；
[0084]
在模拟式太阳敏感器视场[-α, α]内遍历(2α/δa 1)*2π/δa组入射光，获取每组入射光对应的入射角度下所述光敏电池板的输出电流，所述光敏电池板的第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区的输出电流依次为
[0085][0086]
其中，i0为所述光敏电池板的响应率，m为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的水平距离，n为太阳光线在光敏电池上投影的中心点在距所述光敏电池板中心点o1的垂直距离，b为任意两个相邻光敏电池区之间的距离
[0087][0088]
其中，β为太阳光线绕入射孔中心o2与太阳光线在光敏电池板上垂直投影o1的连线的旋转角(旋转角)，
[0089]
即所述光敏电池板的第一光敏电池区、第二光敏电池区、第三光敏电池区和第四光敏电池区的输出电流依次为
[0090][0091]
从而计算出光敏电池板输出电流最大值i
max
、最小值i
min
和最小电流变化率δi。
[0092]
在一个具体示例中，该模拟式太阳敏感器四象限光敏电池的响应率i0＝0.34ma/mm2，取步长0.1
°
，则视场角α∈[-50
°
, 50
°
]，步长为0.1
°
，旋转角β∈[0
°
,360
°
]，步长为0.1
°
，可得3603600组入射光线，根据每组入射光线下的(α,β)计算出该入射角度下太阳敏感器探头各象限输出电流值i1、i2、i3、i4。以0.1
°
步长遍历
±
50
°
视场得到模拟式太阳敏感
器探头各光敏电池区输出电流值如图6所示，
[0093]
根据上述遍历得出的电流值后计算得到模拟式太阳敏感器探头输出电流最大值为4ma，输出电流最小值为0.1ma，最小电流变化率为4ua/
°
。
[0094]
s3：根据所述光敏电池板输出电流最大值和最小电流变化率设置处理电路的负载电阻器的阻值、放大倍数和ad芯片位数。
[0095]
在一个具体实施例中，所述s3包括：设置所述负载电阻器的阻值满足
[0096]
r*i
max
＜v
l1
[0097]
其中，v
l1
为在温度t1(℃)时所述光敏电池板临界光生电压，
[0098]vl1
＝v
l0
s
t
(t
1-t0)
[0099]
其中，v
l0
为在温度t0(℃)时所述光敏电池板的临界光生电压，s
t
为光生电压的温漂，
[0100]
设置所述处理电路包括的信号调理电路的放大倍数k为
[0101]
k＝vi/r*i
max
[0102]
其中，所述vi为ad采样电路的接口电压，
[0103]
设置ad采样电路的ad芯片位数n满足：
[0104]vi
/2
n-1
＜δi*r*k。
[0105]
在一个具体示例中，模拟式太阳敏感器的光敏电池在温度25℃时光敏电池临界光生电压约为300mv，该光生电压的温漂为-2.8mv/℃，在高温 90℃时其临界光生电压约为：
[0106]vl1
＝300-2.8
×
(90-25)＝118mv
[0107]
在视场范围内光敏电池板输出电流最大值为4ma，则负载电阻器应满足：
[0108]r×
4＜118，即r《30ω，则可以设置负载电阻器为10ω。
[0109]
ad采样电路的接口电压为5v，则设置信号调理电路的放大倍数为：
[0110][0111]
在视场范围内光敏电池板输出电流最小变化率为4ua/
°
，则可得：
[0112]
5/2
n-1
＜4
×
10-6
×
10
×
125，n＞11
[0113]
设置ad芯片位数为12位。
[0114]
本实施例提供的模拟式太阳敏感器的设计方法，可以快速完成模拟式太阳敏感器探头结构参数、探头输出信号特性、处理电路参数的确定，通过该方法设计出的太阳模拟器通过太阳光入射在光敏电池上使得光敏电池产生四路电流信号，计算装置对四路电流信号进行处理和计算，能实现实时测量太阳光的入射角。其结构简单，功耗低，且体积较小、造价较低、精度较高。
[0115]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。