CN101598546A - 一种基于aps技术的太阳光入射角测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于APS技术的太阳光入射角测量方法及装置，其特征在于：本发明的测量方法通过将在实验室中模拟得到的数据进行拟合，得到关于太阳光入射角正切值的多项式方程的参数，并将其预置在存储设备中，在本发明的装置的实际操作中，只需将实时采集的有关数据代入方程中，即可得到太阳光入射角的正切值并计算出太阳光入射角，因此本发明的测量方法具有计算量小和使用简便的特点。本发明的装置包括感光探测器、光线引入器和感光探测器与光线引入器之间的腔体；其中感光探测器包括保护玻璃、充气腔体和感光像素，保护玻璃、充气腔体和感光像素封装在感光探测器内部。本发明的太阳光入射角测量方法和装置可广泛用于航天器上姿态测量控制系统。

Description

一种基于APS技术的太阳光入射角测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种姿态传感器领域，特别是关于一种用于航天器上姿态测量控制系统的基于APS技术的太阳光入射角测量方法及装置。

背景技术

太阳敏感器是航天器上进行姿态测量的重要器件，现在已经广泛应用于航天领域，包括航天飞机、地球卫星和深空探测器等。近年来，随着航天任务的要求，对航天器相对于太阳的姿态测量精度和测量可靠性要求越来越高，尤其是需要高精度成像的系统，如侦查卫星、资源和天文观测卫星、通信卫星。高精度的太阳光入射角度测量可以实现航天器太阳帆板的准确对日，以保证卫星的最大能量获取。同时，基于太阳光入射角度测量的对日稳定模式也是绝大多数卫星的一种初始模式和安全模式。

传统的模拟式太阳敏感器的光敏探测元件采用基于光伏特性的太阳能电池片，且模拟量输出，精度比较低，抗干扰性也不强，不能满足航天器姿态控制的大视场和高精度的要求。随着电耦合器件(Charge Couple Device，CCD)技术的发展，CCD图像传感器的数字式太阳敏感器在航天工程中得到了广泛应用。这种太阳敏感器相对于模拟式太阳敏感器具有精度高和抗干扰能力强的特点，在一些特定场合可以代替星敏感器应用。

如图1所示，在数字式太阳敏感器的分析中，通常将太阳敏感器的成像模型近似为小孔成像模型，以太阳敏感器在太阳光零度角的中心点为坐标中心O(x₀，y₀)在图像传感器1平面上建立坐标系xoy，以垂直于图像传感器1方向为z坐标。某一时刻t，太阳光经过太阳敏感器的光线引入器2在图像传感器1上成像，得到唯一的成像点坐标(x_t，y_t)。同时假定太阳敏感器的焦距为f，则得到太阳的惯性矢量v_t在太阳敏感器的坐标系内矢量w_t为：

$w_t=\frac{1}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-(x_t-x_0)\\ -(y_t-y_0)\\ f\end{array}\right]$

将t时刻的x轴太阳光入射角α_t和y轴太阳光入射角β_t分别表示为：

${\mathrm{\α}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{-(x_t-x_0)}{f}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\β}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{-(y_t-y_0)}{f}\right)---\left(2\right)$

方程(1)和方程(2)中，f、x₀、y₀为系统常数，因此x轴和y轴太阳光入射角(α_t，β_t)的精度主要决定于(x_t，y_t)的计算精度。现有的面阵太阳敏感器的图像传感器1通常采用CCD技术或者主动成像元(Actel Pixels Sensor，APS)技术。这类图像传感器1在感光像素前端通常会带有一层保护玻璃，防止环境污染或者像素受到破坏。由于玻璃介质的折射率与空气或者真空相差较大，太阳光经过保护玻璃折射后在图像传感器1上的成像点位置坐标(x_t，y_t)与入射角的关系不再满足方程(1)和方程(2)。因此如果仍然按照方程(1)和方程(2)进行计算太阳光入射角的计算，则计算精度会随着角度大笑的增加呈明显下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可消除图像传感器上因设置保护玻璃而导致的光学误差的基于APS技术的太阳光入射角测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于APS技术的太阳光入射角测量方法，其步骤包括：1)在实验室中模拟真实运行环境，调整实验装置，使太阳敏感器与太阳模拟器处在一条直线上；2)使所述太阳模拟器发出的模拟太阳光线垂直照射在所述太阳敏感器上，同时记录太阳成像点的零点坐标(x₀，y₀)；3)改变所述模拟太阳光线的入射角，每隔1°记录一次所述模拟太阳光线入射角θ_n和与之对应的太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)，其中n＝1，…，m-1，m为记录次数；4)根据所述太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)和零点坐标(x₀，y₀)，计算成像位置 $l_n=\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2};$ 5)采用多项式拟合的方法对tanθ_n与l_n进行拟合，则μ次多项式为： $\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_{\mathrm{\μ}}{l}_n^{\mathrm{\μ}}+a_{\mathrm{\μ}-1}{l}_n^{\mathrm{\μ}-1}+\·\·\·+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1$

所述μ次多项式展开后如下：

$\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^{\mathrm{\μ}}& l_1^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_1^2& l_1^1\\ l_2^{\mathrm{\μ}}& l_2^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{m-2}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-2}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-2}^2& l_{m-2}^1\\ l_{m-1}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-1}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-1}^2& l_{m-1}^1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\μ}}\\ a_{\mathrm{\μ}-1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_2\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\tan {\mathrm{\θ}}_1\\ \tan {\mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{m-2}\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{m-1}\end{array}\right]$

令： $L=\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^{\mathrm{\μ}}& l_1^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_1^2& l_1^1\\ l_2^{\mathrm{\μ}}& l_2^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{m-2}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-2}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-2}^2& l_{m-2}^1\\ l_{m-1}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-1}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-1}^2& l_{m-1}^1\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\μ}}\\ a_{\mathrm{\μ}-1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_2\\ a_1\end{array}\right],\tan \mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}\tan {\mathrm{\θ}}_1\\ \tan {\mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{m-2}\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{m-1}\end{array}\right]$

则可通过拟合方法，来拟合系数 $A=\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}};$ 6)将所述系数A和所述零点坐标(x₀，y₀)存储于处理器中作为预置参数；7)在使用状态时，任意时刻t测量的成像点位置坐标为(x_t，y_t)，结合所述零点坐标(x₀，y₀)，计算当前成像点位置 $l=\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2},$ 通过方程tanθ_t＝a_μl^μ+a_μ-1l^μ-1+…+a₂l²+a₁l¹，得到当前太阳光入射角θ_t的正切值tanθ_t；8)计算出两轴太阳光入射角α_t，β_t：

${\mathrm{\α}}_t=\arctan \frac{-(x_t-x_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$

。

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{-(y_t-y_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$

一种基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：它包括感光探测器、光线引入器和所述感光探测器与所述光线引入器之间的腔体；其中所述感光探测器包括保护玻璃、充气腔体和感光像素，所述保护玻璃、充气腔体和感光像素封装在所述感光探测器内部；所述光线引入器包括基底和多个透光孔；所述基底为透光玻璃，所述透光玻璃的一面上设置光线遮挡层；所述光线遮挡层上设置多个透光孔。

所述充气腔体中充有空气或氮气。

所述光线遮挡层为厚度不超过50nm的金属膜。

在安装所述装置时，将所述基底中设置光线遮挡层的一面朝向所述感光探测器方向。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的测量方法采用了高精度数据拟合，在一定程度上消除了CCD或者APS保护玻璃对系统精度的影响，提高了系统的精度，在大视场情形下的效果尤为显著。2、本发明的太阳光入射角测量方法通过分析太阳光入射角与保护玻璃的厚度、玻璃折射率、气体折射率以及空间位置距离之间的关系，从而通过拟合的方法得到关于太阳光入射角正切值的多项式方程。3、本发明的测量方法通过将在实验室中模拟得到的数据进行拟合，得到关于太阳光入射角正切值的多项式方程的参数，并将其预置在存储设备中，在本发明的装置的实际操作中，只需将实时采集的有关数据代入方程中，即可得到太阳光入射角的正切值并计算出太阳光入射角，因此本发明的测量方法具有计算量小和使用简便的特点。4、本发明由于采用了消除保护玻璃对太阳入射角测量干扰的测量方法，因此在进行太阳光入射角的测量时可直接采用普通APS感光探测器或者CCD，而不需要对APS感光探测器的保护玻璃进行拆除，可以保证与拆除保护玻璃的APS或CCD太阳光入射角的测量装置大致相同精度，而且工艺简单、实现方便，可靠性更高。本发明的太阳光入射角测量方法和装置可广泛用于航天器上姿态测量控制系统。

附图说明

图1是不含有保护玻璃的太阳敏感器成像示意图

图2是本发明含有保护玻璃的太阳敏感器成像示意图

图3是本发明APS太阳敏感器成像示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图2所示，本发明的APS太阳敏感器包括感光探测器1、光线引入器2和感光探测器1与光线引入器2之间的腔体3。其中感光探测器1包括保护玻璃11、充气腔体12和感光像素13，保护玻璃11、充气腔体12和感光像素13封装在感光探测器1内部，作为一个整体使用。充气腔体12中充有空气或氮气。光线引入器2包括基底21和多个透光孔22。基底21为1mm厚度的透光玻璃，透光玻璃的一面上均匀镀有厚度不超过50nm的金属膜作为光线遮挡层23。金属膜为可刻蚀的金属，如金或铬等材料。在光线遮挡层23的指定位置上进行刻蚀，形成多个透光孔22。

如图2所示，在安装本发明的太阳敏感器时，必须将光线引入器2的基底21中镀有光线遮挡层23的一面朝向感光探测器1方向，以减少基底21的透光玻璃折射对系统测量精度的影响。根据平行光入射原理，当太阳光线入射到基底21无光线遮挡层23的一面时，假设太阳光入射角为θ，在基底21中的第一出射角为θ₁。由于基底21的透光玻璃上下表面是平行的，因此太阳光线穿过透光孔22的第二出射角θ₂亦为太阳光线的入射角θ。综上所述，太阳光入射角θ的计算与光线引入器2的基底厚度h₁无关。在感光探测器1中，保护玻璃11与感光像素13之间的充气腔体12内为空气或者氮气等保护性气体，太阳光线穿过充气腔体12后，到达感光像素13表面成像。太阳敏感器的原理就是通过太阳光线到达感光像素13的位置l来计算太阳光入射角θ。

在感光探测器1与光线引入器2之间的腔体高度为h₂，腔体高度h₂的大小与感光探测器1的感光像素13区域和太阳敏感器的视场角有关。当本发明的太阳敏感器在地面上使用时，感光探测器1与光线引入器2之间的腔体3中介质为空气；当在卫星轨道上使用时，感光探测器1与光线引入器2之间的腔体3为真空。由于在地面标定时感光探测器1与光线引入器2的外部介质也是空气，故腔体高度h₂无论是在轨使用还是地面标定，对系统都没有影响。

当感光探测器1与光线引入器2之间的腔体3为空气或真空时，太阳光线穿过腔体3到达感光探测器1的保护玻璃11表面。由于保护玻璃11的折射率与空气或真空相差很大，因此保护玻璃厚度h₃和玻璃折射率n₁对整个太阳敏感器系统的影响是不可忽略的。当太阳光入射角θ较大时，保护玻璃厚度h₃和玻璃折射率n₁的影响尤为明显。在本发明的实施例中，感光探测器1采用的型号为Star1000，其玻璃折射率n₁为1.4586，保护玻璃厚度h₃为1mm。由于充气腔体12中充有保护性气体，根据保护性气体的不同，其气体折射率n₂也不同。假设太阳光线进入保护玻璃11时的第三出射角为θ₃，太阳光线进入充气腔体12的第四出射角为θ₄；充气腔体高度为h₄。

综上所述，太阳光线到达感光像素13的成像位置l与不仅与太阳光入射角θ有关，还与腔体3的腔体高度h₂、保护玻璃厚度h₃和玻璃折射率n₁、充气腔体高度h₄和气体折射率n₂有关，则可以得到成像位置l的方程如下：

l＝h₂tanθ₂+h₃tanθ₃+h₄tanθ₄；    (3)

根据折射定律，有：

θ₂＝θ

$n_1=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin {\mathrm{\θ}}_3}---\left(4\right)$

$n_2=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin {\mathrm{\θ}}_4}---\left(5\right)$

将方程(4)，(5)代入到方程(3)，得到成像位置l的方程如下：

$l=h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_1}\right)\right)+h_4\tan \left(\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\right)---\left(6\right)$

当感光探测器1的型号选定以后，保护玻璃厚度h₃、充气腔体高度为h₄、玻璃折射率n₁和气体折射率n₂都相对确定下来，则设计太阳敏感器时仅有成像位置l、太阳光入射角θ和腔体高度h₂三个参数需要确定。成像位置l的最大值受制于感光探测器1的面阵大小，太阳光入射角θ的最大值受制于太阳敏感器的视场角。当太阳光入射角θ和成像位置l的最大值确定后，根据方程(6)，皆可确定腔体高度h₂的最大值。为了提高本发明太阳敏感器的精度，在太阳敏感器的设计时将h₂尽量取较大值。

当本发明的太阳敏感器设计完成后，其腔体高度h₂、保护玻璃厚度h₃、充气腔体高度为h₄、玻璃折射率n₁和气体折射率n₂都为固定不变的常数。则由方程(6)可知，太阳光在感光像素13上的成像位置l与太阳光入射角θ具有唯一的函数对应关系，根据方程(6)可以将太阳光入射角θ表示成成像位置l的函数，即：

tanθ＝f(l)       (7)

其中，f表示为方程(6)所表示函数的反函数。

如图3所示，以感光探测器1平面建立坐标系xoy，设x轴太阳角为α，y轴太阳角为β，测得当前太阳光成像点的坐标(x，y)，根据几何关系可知成像位置l：

$l=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}---\left(8\right)$

$\tan \mathrm{\θ}=\sqrt{{\left(\tan \mathrm{\α}\right)}^2+{\left(\tan \mathrm{\β}\right)}^2}=f\left(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}\right)---\left(9\right)$

将方程(8)和方程(9)带入到方程(7)中，可以得到如下关系：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{-(x-x_0)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}{l}$

$\tan \mathrm{\β}=\frac{-(y-y_0)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}{l}$

进而可以得出：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{-(x-x_0)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}}$ (10)

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{-(y-y_0)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}}$

方程(10)为感光探测器1带有保护玻璃11的x轴太阳角α和y轴太阳角β的计算方程。在得到感光探测器1上的太阳光成像点的坐标(x，y)的情况下，两轴太阳角的计算关键是实现函数 $\tan \mathrm{\θ}=f\left(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}\right).$ 结合方程(6)，可以得到此函数为一超越函数，无法采用解析式进行求解。在实际使用的情况下为了求解tanθ，在实验室内通过多项式拟合来实现函数 $\tan \mathrm{\θ}=f\left(\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}\right)$ 的解。

实验中为得到拟合函数的系数，使用到的主要设备包括两轴转台、太阳模拟器、电子经纬仪、标准立方棱镜、本发明的太阳敏感器、两轴微调台等。通过记录m+1个模拟太阳光入射角θ_n(n＝0，1，…，m)和与之对应的感光探测器1上太阳光成像点坐标(x_n，y_n)，n＝0，1，…，m。借助于现有的计算机软件，对数据tanθ_n和l_n进行多项式拟合，求得多项式系数。其中，假设多项式的最高次数次数为μ，则拟合多项式为：

$\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_{\mathrm{\μ}}{l}_n^{\mathrm{\μ}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\μ}-1}{l}_n^{\mathrm{\μ}-1}+\·\·\·+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1$

通过拟合，求得多项式系数为A＝[a_μ，…，a₂，a₁]^T。最后将多项式系数代入tanθ_t＝a_μl^μ+a_μ-1l^μ-1+…+a₂l²+a₁l¹中，即可求得当前的太阳光入射角正切值tanθ_t。

综上所述，本发明由于采用了消除保护玻璃对太阳入射角测量干扰的测量方法，因此在进行太阳光入射角的测量时可直接采用普通APS感光探测器或者CCD，而不需要对APS感光探测器的保护玻璃进行拆除。除可以保证与拆除保护玻璃的APS或CCD太阳光入射角的测量装置大致相同精度，且工艺简单、实现方便，可靠性更高。

本发明的实施例中，取θ＝0°…64°，共65组实验数据进行拟合，即m＝64；多项式的最高次数μ＝5，则拟合多项式为 $\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_5{l}_n^5+a_4{l}_n^4+a_3{l}_n^3+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1+a_0.$ 则在实验室中的拟合步骤如下：

1、本发明的太阳敏感器在实验室中模拟真实运行环境，通过调整电子经纬仪，使得太阳模拟器成像在电子经纬仪的中心位置，保证电子经纬仪与太阳模拟器共线。

2、遮挡太阳模拟器的光源，将标准立方棱镜放置在两轴转台上。打开电子经纬仪光源，调整两轴转台，使电子经纬仪光源照射到标准立方棱镜后，发射光线正好成像在电子经纬仪的中心，实现太阳模拟器与两轴转台的垂直。

3、将本发明的太阳敏感器固定在两轴微动台上，再将它们一起固定到两轴转台上。打开电子经纬仪光源，调整两轴微动台，使电子经纬仪光源照射到标准立方棱镜后，发射光线正好成像在电子经纬仪的中心，消除了太阳敏感器的安装误差，实现了太阳敏感器与太阳模拟器处在一条直线上。

4、去除太阳模拟器光源的遮挡，使得太阳模拟器发出的的模拟太阳光线垂直照射到太阳敏感器上，此时的模拟太阳光线入射角θ₀＝0。记录下此时太阳敏感器的感光探测器1上太阳成像的零点坐标(x₀，y₀)。

5、转动两轴转台，每隔1°记录一次模拟太阳光线入射角θ_n和与之对应的感光探测器1上太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)。直至记录模拟太阳光线入射角θ＝64°，共记录了64组θ_n、(x_n，y_n)数据，n＝1，…，64；总的记录次数为m＝65。

6、根据太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)和零点坐标(x₀，y₀)，计算成像位置 $l_n=\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2},$ 采用μ＝5次多项式拟合的方法对上述采集到的数据tanθ_n与l_n进行拟合，即 $\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_5{l}_n^5+a_4{l}_n^4+a_3{l}_n^3+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1+a_0.$ 显然，当l_n＝0时，tanθ_n＝0，故a₀＝0，因此，上述的未知系数中为a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，多项式为： $\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_5{l}_n^5+a_4{l}_n^4+a_3{l}_n^3+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1,$ n＝1，2，…64。

方程 $\tan {\mathrm{\θ}}_n=a_5{l}_n^5+a_4{l}_n^4+a_3{l}_n^3+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1$ 展开后如下：

$\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^5& l_1^4& l_1^3& l_1^2& l_1^1\\ l_2^5& l_2^4& l_2^3& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{63}^5& l_{63}^4& l_{63}^3& l_{63}^2& l_{63}^1\\ l_{64}^5& l_{64}^4& l_{64}^3& l_{64}^2& l_{64}^1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_5\\ a_4\\ a_3\\ a_2\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\tan {\mathrm{\θ}}_1\\ \tan {\mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{63}\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{64}\end{array}\right]$

令： $L=\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^5& l_1^4& l_1^3& l_1^2& l_1^1\\ l_2^5& l_2^4& l_2^3& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{63}^5& l_{63}^4& l_{63}^3& l_{63}^2& l_{63}^1\\ l_{64}^5& l_{64}^4& l_{64}^3& l_{64}^2& l_{64}^1\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{c}{a}_5\\ a_4\\ a_3\\ a_2\\ a_1\end{array}\right],\tan \mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}\tan {\mathrm{\θ}}_1\\ \tan {\mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{63}\\ \tan {\mathrm{\θ}}_{64}\end{array}\right]$

则可以通过最小二乘拟合的方法，直接通过现有的计算工具拟合得到多项式标定的5个系数A＝[a₅，a₄，a₃，a₂，a₁]^T：

$A=\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}}---\left(11\right)$

得到系数A后，在地面上将系数A以及零点坐标(x₀，y₀)存储到本发明太阳敏感器的嵌入式处理器中作为预置参数。

7、本发明的太阳敏感器在卫星上使用时，太阳光线通过光线引入器2在感光探测器1上成像。假定任意时刻t测量的成像点位置坐标为(x_t，y_t)，结合预置的零点坐标(x₀，y₀)，计算得到成像点位置 $l=\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}.$ 再通过tanθ_t＝a₅l⁵+a₄l⁴+a₃l³+a₂l²+a₁l，得到当前太阳光入射角θ_t的正切值tanθ_t。

8、在通过方程(9)和方程(10)进一步计算出两轴太阳光入射角α_t，β_t如下：

${\mathrm{\α}}_t=\arctan \frac{-(x_t-x_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$ (12)

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{-(y_t-y_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$

综上所述，本发明的用于航天器上姿态测量控制系统的，可消除图像传感器上因设置保护玻璃而导致的光学误差的基于APS技术的太阳光入射角测量方法即可完成。

Claims (6)

1、一种基于APS技术的太阳光入射角测量方法，其步骤包括：

1)在实验室中模拟真实运行环境，调整实验装置，使太阳敏感器与太阳模拟器处在一条直线上；

2)使所述太阳模拟器发出的模拟太阳光线垂直照射在所述太阳敏感器上，同时记录太阳成像点的零点坐标(x₀，y₀)；

3)改变所述模拟太阳光线的入射角，每隔1°记录一次所述模拟太阳光线入射角θ_n和与之对应的太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)，其中n＝1，…，m-1，m为记录次数；

4)根据所述太阳光成像点的坐标(x_n，y_n)和零点坐标(x₀，y₀)，计算成像位置 $l_n=\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2};$

5)采用多项式拟合的方法对tanθ_n与l_n进行拟合，则μ次多项式为：

${\tan \mathrm{\θ}}_n=a_{\mathrm{\μ}}{l}_n^{\mathrm{\μ}}+a_{\mathrm{\μ}-1}{l}_n^{\mathrm{\μ}-1}+\·\·\·+a_2{l}_n^2+a_1{l}_n^1$

所述μ次多项式展开后如下：

$\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^{\mathrm{\μ}}& l_1^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_1^2& l_1^1\\ l_2^{\mathrm{\μ}}& l_2^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{m-2}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-2}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-2}^2& l_{m-2}^1\\ l_{m-1}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-1}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-1}^2& l_{m-1}^1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\μ}}\\ a_{\mathrm{\μ}-1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_2\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\tan \mathrm{\θ}}_1\\ {\tan \mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\tan \mathrm{\θ}}_{m-2}\\ {\tan \mathrm{\θ}}_{m-1}\end{array}\right]$

令： $L=\left[\begin{array}{ccccc}{l}_1^{\mathrm{\μ}}& l_1^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_1^2& l_1^1\\ l_2^{\mathrm{\μ}}& l_2^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_2^2& l_2^1\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ l_{m-2}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-2}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-2}^2& l_{m-2}^1\\ l_{m-1}^{\mathrm{\μ}}& l_{m-1}^{\mathrm{\μ}-1}& \·\·\·& l_{m-1}^2& l_{m-1}^1\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{\μ}}\\ a_{\mathrm{\μ}-1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_2\\ a_1\end{array}\right],$ $\tan \mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}{\tan \mathrm{\θ}}_1\\ {\tan \mathrm{\θ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\tan \mathrm{\θ}}_{m-2}\\ {\tan \mathrm{\θ}}_{m-1}\end{array}\right]$

则可通过拟合方法，来拟合系数

$A=\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}};$

6)将所述系数A和所述零点坐标(x₀，y₀)存储于处理器中作为预置参数；

7)在使用状态时，任意时刻t测量的成像点位置坐标为(x_t，y_t)，结合所述零点坐标(x₀，y₀)，计算当前成像点位置 $l=\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2},$ 通过方程tanθ_t＝a_μl^μ+a_μ-1l^μ-1+…+a₂l²+a₁l¹，得到当前太阳光入射角θ_t的正切值tanθ_t；

8)计算出两轴太阳光入射角α_t，β_t：

${\mathrm{\α}}_t=\arctan \frac{-(x_t-x_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$

。

${\mathrm{\β}}_t=\arctan \frac{-(y_t-y_0)\tan \left({\mathrm{\θ}}_t\right)}{\sqrt{{(x_t-x_0)}^2+{(y_t-y_0)}^2}}$

2、一种实现如权利要求1所述方法的基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：它包括感光探测器、光线引入器和所述感光探测器与所述光线引入器之间的腔体；其中所述感光探测器包括保护玻璃、充气腔体和感光像素，所述保护玻璃、充气腔体和感光像素封装在所述感光探测器内部；所述光线引入器包括基底和多个透光孔；所述基底为透光玻璃，所述透光玻璃的一面上设置光线遮挡层；所述光线遮挡层上设置多个透光孔。

3、如权利要求2所述的一种基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：所述充气腔体中充有空气或氮气。

4、如权利要求2所述的一种基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：所述光线遮挡层为厚度不超过50nm的金属膜。

5、如权利要求3所述的一种基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：所述光线遮挡层为厚度不超过50nm的金属膜。

6、如权利要求2或3或4或5所述的一种基于APS技术的太阳光入射角测量装置，其特征在于：在安装所述装置时，将所述基底中设置光线遮挡层的一面朝向所述感光探测器方向。

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