CN101586954B - 一种自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器 - Google Patents
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Abstract
一种自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器，包括探测器、指令缝、测量缝、电路处理子系统，其中探测器由四个光电码盘组成两组正交光电码盘组，包括两个垂直光电码盘和两个水平光电码盘；指令缝与测量缝垂直，垂直于测量缝的太阳光线透过测量缝照射到光电码盘上，光电池感光后输出电压信号，该信号经过电路处理子系统的放大、比较、量化、匹配处理即可获得太阳矢量方向与卫星自旋轴方向的夹角。本发明实现了一种视场大、精度高、体积小、结构简单的数字式太阳敏感器，对自旋稳定微纳卫星实现高精度太阳角测量具有重要的实践意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自旋稳定微纳卫星、以光电码盘为探测器的数字式太阳敏感器，适用于自旋稳定微纳卫星的姿态确定。
背景技术
太阳的高亮度和高信噪比使得太阳捕获比较容易实现，不论是三轴稳定卫星，还是自旋稳定卫星，都将太阳敏感器作为姿态确定的主要器件之一。随着卫星小型化研究的开展以及航天器姿态控制精度的日益提高，传统的模拟式太阳敏感器在体积、质量和功耗上均无法满足要求。特别地，自旋稳定卫星在速率阻尼模式后(起旋之前)，卫星的自旋速率只有2°/s，此时“V”型狭缝式太阳敏感器不能确定卫星的姿态。因此微型化、高精度的数字式太阳敏感器逐渐成为国内外科研机构的研究热点。高精度的太阳敏感器大多以CCD、CMOS、光电码盘为探测器，但CCD、CMOS器件的动态性能较差，工程上，以CCD、CMOS为探测器的太阳敏感器在高速旋转卫星上的应用技术还不成熟。本发明采用动态性能好的光电池粘结于光刻格雷码之下，从而构成光电码盘作为探测器，其光电码盘的正交设计扩大了敏感器的视场，敏感器外壳的斜面设计为量测临界太阳角度90°、180°提供了可能。
国内用于自旋稳定卫星的数字码盘式太阳敏感器采用细分码位的办法，其视场可达128°，精度可达0.05°，但其电路设计复杂，码道的细分处理也比较繁琐，且其视场不能达到全方位角度测量。国外自旋稳定卫星用太阳敏感器以光电码盘作为探测器，如美国NASA于2006年发射的3颗微小卫星(Space Technology-5，ST-5)，3颗ST-5微小卫星都是自旋速率为120°/s的自旋稳定卫星，它们所用的太阳敏感器是微型自旋卫星用太阳敏感器(Miniature Spinning Sun Sensor，MSSS)。MSSS是一款比较先进的太阳敏感器，该敏感器以光电码盘作为探测器，其体积为6.5×5.2×5.1cm3，视场为±89.95°，精度高于0.5°。其内部结构未见相关文献。数字码盘式太阳敏感器的精度和视场相互制约，其传统设计难以满足微纳卫星高精度、全方位角度测量、小体积的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小体积、低成本、高精度、全方位测量角度的自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器数字码盘式太阳敏感器。
本发明的技术解决方案是：一种用于自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器包括敏感器外壳、探测器、测量缝、指令缝和电路处理子系统；其中探测器由四个光电码盘组成两组正交光电码盘组，包括前垂直光电码盘、后垂直光电码盘、前水平光电码盘、后水平光电码盘和电路处理子系统；敏感器外壳为长方体，敏感器外壳上表面的前后棱带有两个斜面；测量缝刻缝于敏感器外壳的两个斜面上，且平行于敏感器外壳的上表面；指令缝刻于敏感器外壳上表面的右侧，且垂直于测量缝；前垂直光电码盘和后垂直光电码盘垂直于敏感器外壳的上表面安装，且平行于测量缝，前垂直光电码盘和后垂直光电码盘的上端面固连于敏感器外壳的上表面，左端面固连于敏感器外壳的左表面，右端面固连于敏感器外壳的右表面，置于敏感器的中部；前水平光电码盘和后水平光电码盘垂直于前垂直光电码盘和后垂直光电码盘安装，前水平光电码盘的前端面固连于敏感器外壳的前表面，后水平光电码盘的后端面固连于敏感器外壳的后表面，前水平光电码盘的后端面、后水平光电码盘的前端面和前垂直光电码盘的下端面、后垂直光电码盘的下端面固连；电路处理子系统的上半部分紧挨着前水平光电码盘和后水平光电码盘的下表面，垂直于测量缝的太阳光线透过测量缝照射到探测器后输出电压信号，该电压信号经过电路处理子系统的放大、比较、量化、匹配处理即可获得太阳矢量方向与卫星自旋轴方向的夹角。
其中前垂直光电码盘由测量码道、全开码道、指令码道和光电池组成，测量码道为光刻格雷码图案的码道，位于前垂直光电码盘的左边，共十个码道；全开码道是无格雷码图案，整个码道均透明，紧挨着测量码道，并位于测量码道的右侧；指令码道是无格雷码图案，整个码道均透明，位于整个光电码盘的右边，与全开码道不接邻，且比全开码道窄；光电池粘结于测量码道、全开码道、指令码道的下面，用于相应码道上太阳光线的感应，输出电压信号。
后垂直光电码盘、前水平光电码盘、后水平光电码盘和前垂直光电码盘的光刻工艺完全相同。
电路处理子系统包括第一比较器、跟随器、放大器、第二比较器和单片机；第一比较器连接测量码道光电池的输出接口和跟随器的分压接口，用于比较测量码道的光电池输出电压和全开码道光电池输出的电压；跟随器连接全开码道的光电池输出接口，用于输出全开码道的电压原始值；放大器连接于指令码道的光电池输出接口；第二比较器连接放大器，输出指令信号给单片机；单片机对经过放大和比较后的光电池信号进行量化、匹配输出太阳角。
其中敏感器外壳为铝合金材料，还可以为镁合金、钛合金、铍等材料。
本发明的原理是：作为探测器的光电码盘由光电池粘结于测量码道、全开码道和指令码道之下构成，测量码道、全开码道和指令码道光刻成如图2所示的格雷码图案。当太阳光线垂直照射测量缝时，通过测量缝的光线在测量码道和全开码道上形成一条窄的光区，光区内透明码道下面的光电池会有电压输出；当测量码道光电池的输出电压大于全开码道光电池输出电压的一半时，此码道的输出处理为“1”，反之处理为“0”；太阳光线垂直于测量缝的判断由指令缝实现，当太阳光线垂直照射测量缝时，光线平行于指令缝，此时通过指令缝照射到指令码道上的太阳光线最多，指令码道的光电池输出电压达到最大，超过比较器预设值的固定门限值，比较器输出指令信号给电路处理子系统，电路处理子系统开始处理测量码道和全开码道光电池输出的电压，再通过匹配得到太阳角信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中光电码盘采用正交设计，很好的利用了敏感器空间，在不影响太阳敏感器精度的前提下，减小了太阳敏感器的体积；
(2)本发明利用了传统模拟式敏感器常用的光电池作为探测器，其动态特性很高，与CCD、CMOS相比，光电池的成本较低；
(3)本发明利用多个光电码盘组成探测器，使得自旋稳定卫星用数字式太阳敏感器的视场和精度都大大提高，其设计精度达0.06°，可达到国外先进水平；自旋卫星自旋轴与太阳矢量的夹角范围为±90°，本发明设计的敏感器视场达±90°，可全方位测量太阳角；
(4)另外，本发明四片码盘可以光刻成同样的格雷码图案，不同光电码盘输出的相同序列代表不同的太阳角信息，光电码盘的区分由全开码道的信号实现，在没有增加电路设计复杂性的情况下，大大简化了光刻工艺的难度。
附图说明
图1为本发明的数字式太阳敏感器的结构示意图；
图2为本发明的测角原理图；
图3为本发明的光电码盘正交设计示意图；
图4为本发明的电路处理子系统结构组成框图；
图5为本发明的电路处理子系统结构组成电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由敏感器外壳1、测量缝2、指令缝3、前垂直光电码盘4、后垂直光电码盘5、前水平光电码盘6、后水平光电码盘7、电路处理子系统8。敏感器外壳1为铝合金材料的长方体，长方体上表面的前后棱上加工出两个斜面，斜面与上表面的夹角为30度，斜面的长等于敏感器外壳1的宽，斜面的中心到敏感器外壳1上表面的距离为1mm，这种结构的设计使得敏感器敏感45°、90°、135°和180°的太阳角成为可能，对扩大敏感器视场、全方位测量太阳角度的起着重要的作用；测量缝2刻缝于敏感器外壳1的斜面上，且平行于敏感器外壳1的上表面，测量缝2的中心到敏感器外壳1上表面的距离为1mm；指令缝3刻于敏感器外壳上表面的右侧，且垂直于测量缝2；前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5垂直于敏感器外壳1的上表面，前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5上端面与敏感器外壳1的上表面，即KMJH面固连，前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5的左端面、右端面分别与敏感器外壳1的左表面ABCD、右表面，即FJHG面固连，且平行于测量缝2，位于敏感器的中部，前垂直光电码盘4输出的码序列对应135°～180°的太阳角，后垂直光电码盘5输出的码序列对应0～45°的太阳角；前水平光电码盘6和后水平光电码盘7垂直于前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5安装，前水平光电码盘6的后端面、后水平光电码盘7的前端面与前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5的下端面固连，前水平光电码盘6的前端面和后水平光电码盘7的后端面分别固连于敏感器外壳1的前、后表面上，前水平光电码盘6输出的码序列对应90°～135°的太阳角，后水平光电码盘7输出的码序列对应45°～90°的太阳角；电路处理子系统8的上半部分紧挨着前水平光电码盘6和后水平光电码盘7的下表面。
如图2所示，本发明的前垂直光电码盘4由测量码道11、全开码道12、指令码道13和光电池14组成。前垂直光电码盘4光刻为格雷码形式，格雷码盘的变化规律是经过测量缝的光线连续变化时，格雷码仅变化一位，从而避免了出现误码。测量码道11为光刻格雷码图案的码道，位于前垂直光电码盘4的左边，共十个码道，十个码道大小相等，且光刻均匀；全开码道12是无格雷码图案，整个码道均透明，紧挨着测量码道11，并位于测量码道11的右侧，与测量码道11的每一条码道尺寸相等；指令码道13是无格雷码图案，整个码道均透明，位于整个前垂直光电码盘4的右边，与全开码道12不接邻，其长度与全开码道12的码道长度相同，比全开码道12窄；光电池14粘结于测量码道11、全开码道12、指令码道13的下面。在这种设计下，当太阳光线垂直照射测量缝2时，通过测量缝2的光线在测量码道11和全开码道12上形成一条窄的光区，光区内透明码道下面的光电池会有电压输出；当测量码道11光电池的输出电压大于全开码道12光电池输出电压的一半时，此码道的输出处理为“1”，反之处理为“0”；太阳光线垂直于测量缝2的判断由指令缝3实现，当太阳光线垂直照射测量缝2时，光线平行于指令缝3，此时通过指令缝3照射到指令码道13上的太阳光线最多，指令码道13的光电池输出电压达到最大，超过第二比较器84预设值的固定门限值，第二比较器84输出指令信号给单片机，单片机测量码道11和全开码道12和光电池14输出的电压，通过匹配得到太阳角信息。本发明中所有光电码盘的测角原理均同上所述。所有码盘设计参数如表1所示：
表1码盘的参数
| 每片光电码盘的码道个数 | 10(测量码)+1(指令码)+1(全开码道)＝12 |
| 格雷码个数 | 210＝1024 |
| 码元宽度 | 10μm |
| 视场±90°，测量缝与光电池的距 离 | 10.24mm |
| 最小透明区面积 | 3mm×10μm |
| 指令缝、测量缝宽 | ＜10μm |
单片机存储格雷码及其对应的太阳角。根据格雷码的排列顺序、码盘的码元宽度10μm、测量缝与光电池的距离10.24mm，从“1111111111”序列到“0000000000”序列中，输出对应的太阳角为 其中，n代表第n个序列。即设“1111111111”为第1个序列，“1111111110”为第2个序列，“1111111100”为第3个序列，依此类推，“0000000000”为第1024个序列。前垂直光电码盘4输出的太阳角为(135°+α)，后垂直光电码盘5输出的太阳角为α，前水平光电码盘6输出的太阳角为(90°+α)，后水平光电码盘7输出的太阳角为(45°+α)。当n和输出码序列的光电码盘确定时，即可确定当前的太阳角。光电码盘输出序列与太阳角的部分对应关系如表2所示：
表2光电码盘输出序列与太阳角的部分对应关系
| 输出太阳角的光电码盘 | 太阳角序列 | 太阳角(度) |
| 前垂直光电码盘(4) | 1111111111 | 180 |
| 前垂直光电码盘(4) | 1111111110 | 179.9560546875 |
| 前垂直光电码盘(4) | 1111111100 | 179.912109375 |
| 前垂直光电码盘(4) | · · · · · · | · · · · · · |
| 前垂直光电码盘(4) | 0000000000 | 135 |
| 后垂直光电码盘(5) | 1111111111 | 0 |
| 后垂直光电码盘(5) | 1111111110 | 0.0439453125 |
| 后垂直光电码盘(5) | · · · · · · | · · · · · · |
| 后垂直光电码盘(5) | 0000000000 | 45 |
| 前水平光电码盘(6) | 1111111110 | 134.912109375 |
| 前水平光电码盘(6) | 1111111100 | 134.8681640625 |
| 前水平光电码盘(6) | · · · · · · | · · · · · · |
| 前水平光电码盘(6) | 0000000000 | 90.0439453125 |
| 后水平光电码盘(7) | 0000000000 | 45.0439453125 |
| 后水平光电码盘(7) | 0000000001 | 45.087890625 |
| 后水平光电码盘(7) | · · | · · |
| · · · · | · · · · | |
| 后水平光电码盘(7) | 1111111110 | 89.912109375 |
如图3所示，本发明的探测器由前垂直光电码盘4、后垂直光电码盘5、前水平光电码盘6和后水平光电码道7组成，其中前垂直光电码盘4和后垂直光电码盘5相对于敏感器垂直安装，前水平光电码盘6和后水平光电码道7相对于敏感器水平安装，从而组成两组正交安装光电码盘组。光电码盘下粘结的光电池14为条形光电池，为了保证不同码道的光电池输出互不干扰，光电池长度为测量码道11、全开码道12、指令码道13长度的1.01～1.1倍，光电池宽度为测量码道11、全开码道12、指令码道13宽度的0.9～0.99倍。指令缝3的长度是指令码道13长度的1.6～2倍，测量缝2的长度为测量码道11和全开码道12的宽度之和。
如图4、5所示，本发明的电路处理子系统8由第一比较器81、跟随器82、放大器83、第二比较器84和单片机组成，其中跟随器82连接全开码道12的光电池输出接口，用于输出全开码道12的电压原始值，跟随器82的输出接口有两个，一个输出接口连接单片机的输入接口，另一个输出接口的电压被分压后连接第一比较器81的输入接口；第一比较器81连接测量码道11的光电池的输出接口和跟随器82被分压的输出接口，用于比较测量码道11的光电池输出电压和全开码道12光电池输出电压的1/2；放大器83连接于指令码道13的光电池输出接口；第二比较器84连接放大器83，其输出接口连接单片机的输入接口，单片机内处理测量码道和全开码道光电池输出的电压，匹配得到太阳角信息。本发明实施例中的比较器为LM358型，跟随器LM124，放大器为LM124，单片机可选用MSP430系列的，如MSP430F135单片机。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (2)
1.一种自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器，其特征在于：包括敏感器外壳(1)、探测器、测量缝(2)、指令缝(3)和电路处理子系统(8)；其中探测器由四个光电码盘组成两组正交光电码盘组，包括前垂直光电码盘(4)、后垂直光电码盘(5)、前水平光电码盘(6)、后水平光电码盘(7)和电路处理子系统(8)；敏感器外壳(1)为长方体，敏感器外壳(1)上表面的前后棱带有两个斜面；测量缝(2)刻缝于敏感器外壳(1)的两个斜面上，且平行于敏感器外壳(1)的上表面；指令缝(3)刻于敏感器外壳(1)上表面的右侧，且垂直于测量缝(2)；前垂直光电码盘(4)和后垂直光电码盘(5)垂直于敏感器外壳(1)的上表面安装，且平行于测量缝(2)，前垂直光电码盘(4)和后垂直光电码盘(5)的上端面固连于敏感器外壳(1)的上表面，左端面固连于敏感器外壳(1)的左表面，右端面固连于敏感器外壳(1)的右表面，置于敏感器的中部；前水平光电码盘(6)和后水平光电码盘(7)垂直于前垂直光电码盘(4)和后垂直光电码盘(5)安装，前水平光电码盘(6)的前端面固连于敏感器外壳(1)的前表面，后水平光电码盘(7)的后端面固连于敏感器外壳(1)的后表面，前水平光电码盘(6)的后端面、后水平光电码盘(7)的前端面和前垂直光电码盘(4)的下端面、后垂直光电码盘(5)的下端面固连；电路处理子系统(8)的上半部分紧挨着前水平光电码盘(6)和后水平光电码盘(7)的下表面，垂直于测量缝(2)的太阳光线透过测量缝(2)照射到探测器后输出电压信号，该电压信号经过电路处理子系统(8)的放大、比较、量化、匹配处理即可获得太阳矢量方向与卫星自旋轴方向的夹角；所述前垂直光电码盘(4)由测量码道(11)、全开码道(12)、指令码道(13)和光电池(14)组成，测量码道(11)为光刻格雷码图案的码道，位于前垂直光电码盘(4)的左边，共十个码道；全开码道(12)是无格雷码图案，整个码道均透明，紧邻测量码道(11)，并位于测量码道(11)的右侧；指令码道(13)是无格雷码图案，整个码道均透明，位于前垂直光电码盘(4)的右边，与全开码道(12)不接邻，且比全开码道(12)窄；光电池(14)粘结于测量码道(11)、全开码道(12)和指令码道(13)的下面，用于相应码道上太阳光线的感应，输出电压信号；所述后垂直光电码盘(5)、前水平光电码盘(6)、后水平光电码盘(7)和前垂直光电码盘(4)的光刻工艺完全相同；所述的电路处理子系统(8)包括第一比较器(81)、跟随器(82)、放大器(83)、第二比较器(84)和单片机；第一比较器(81)连接测量码道(11)光电池的输出接口和跟随器(82)的分压输出接口，用于比较测量码道(11)的光电池输出电压和全开码道(12)光电池输出的电压；跟随器(82)连接全开码道(12)的光电池输出接口，用于输出全开码道(12)的光电池输出的电压值；放大器(83)连接于指令码道(13)的光电池输出接口；第二比较器(84)连接放大器(83)，输出指令信号给单片机；单片机对经过放大和比较后的电压信号进行量化、匹配输出太阳角，其中太阳角的确定方法为：根据格雷码的排列顺序、码盘的码元宽度10μm、测量缝与光电池的距离10.24mm，从“1111111111”序列到“0000000000”序列中，输出对应的太阳角为
其中，n代表第n个序列，即设“1111111111”为第1个序列，“1111111110”为第2个序列，“1111111100”为第3个序列，依此类推，“0000000000”为第1024个序列；前垂直光电码盘(4)输出的太阳角为(135°+α)，后垂直光电码盘(5)输出的太阳角为α，前水平光电码盘(6)输出的太阳角为(90°+α)，后水平光电码盘(7)输出的太阳角为(45°+α)。
2.根据权利要求1所述的一种自旋稳定微纳卫星用数字式太阳敏感器，其特征在于：所述的敏感器外壳(1)为铝合金、镁合金、钛合金、或铍材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Quan Wei Inventor after: Guo Lei Inventor after: Cui Peiling Inventor after: Zhang Cui Inventor after: Yang Zhaohua Inventor before: Guo Lei Inventor before: Cui Peiling Inventor before: Zhang Cui Inventor before: Quan Wei Inventor before: Yang Zhaohua |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: GUO LEI CUI PEILING ZHANG CUI QUAN WEI YANG ZHAOHUA TO: QUAN WEI GUO LEI CUI PEILING ZHANG CUI YANG ZHAOHUA |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120725 Termination date: 20200527 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |