CN102607565A - 消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，太阳敏感器应用于中低轨道航天器时可能会受到地球反射光的干扰，影响测量精度。本发明首先在保证太阳敏感器可用性的前提下，通过将太阳敏感器倾斜固定角度安装，消除了太阳敏感器有效视场内的反射光干扰；再在保证有效视场不受遮挡的前提下，通过安装遮光挡板的方式，消除了太阳敏感器无效视场内的放射光干扰，最终解决了太阳敏感器受地球反射光干扰的问题。本发明通过设计组合体安装支架，将太阳敏感器倾斜安装平台和遮光挡板融为一体，降低了设计和装配的复杂程度。本发明提出的消除地球反射光干扰的方法简单有效，实现成本低，便于工程实现。

Description

消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法

技术领域

本发明属于航天器姿态测量技术领域，涉及一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，尤其涉及一种模拟式太阳敏感器消除地球反射光干扰的方法。

背景技术

太阳敏感器是航天器姿态控制系统中最常用的姿态敏感器之一，它通过敏感太阳光照情况，可获得航天器本体系中的太阳矢量，从而确定太阳的方向，实现航天器的对太阳的指向，保证能源供应；若与其它姿态敏感器相结合，还可确定航天器的三轴姿态，实现航天器三轴姿态的调整。

太阳敏感器原理简单，可靠性高，而且具有质量轻、功耗小、成本低等特点，因此，广泛应用于各类中低精度航天器姿态确定系统中，在高精度航天器中，太阳敏感器也经常作为标准配置，用于初始姿态捕获阶段和安全模式的姿态确定。

太阳敏感器具备诸多优点，但其在实际使用时，特别是应用于低轨道航天器时，容易受到各类反射光的干扰(如航天器体表的反射光，地球反射光等)，影响其测量精度。对于航天器体表的反射光干扰，可通过合理布局，反射面黑化处理等方式，消除太阳敏感器视场中的干扰信号。而对于地球反射光干扰，无法对地球表面进行处理，只能通过缩小太阳敏感器视场或安装遮光罩的方式进行处理，但两种处理方式均会大幅降低太阳敏感器的可用性。

因此，对于太阳敏感器，特别是应用于低轨道航天器的太阳敏感器，要消除地球反射光的干扰，提高其测量精度，又不降低其可用性，迫切需要一种新的研究思路和解决方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，以达到既能提高太阳敏感器的测量精度，又不影响其可用性的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，所述方法包括以下步骤：1)提供一用于安装太阳敏感器的安装支架，并在所述安装支架上设置一具有预设倾角的倾斜安装面；2)将所述太阳敏感器装设至所述安装支架的倾斜安装面，以使所述太阳敏感器的探头顺应所述预设倾角呈倾斜状态，使所述探头的测量窗口法线偏离地球一侧；3)提供一预设尺寸的遮光挡板，将其安装在所述安装支架一端，使所述遮光挡板位于所述太阳敏感器测量窗口靠地球的一侧，以遮挡所述太阳敏感器无效视场内来自地球的反射光。

于本发明方法的步骤1)及步骤2)中，所述预设倾角为θ，则θ满足如下条件：

α-θ＜γ；以及

式中，α为所述太阳敏感器有效半视场角，γ为所述太阳敏感器到地球切线与轨道面法线夹角，

表示姿态控制系统可接受的所述太阳敏感器有效视场下边缘与轨道面法线夹角的最大值。

于本发明方法的步骤3)中，所述遮光挡板位于所述太阳敏感器下方，并与所述太阳敏感器的电池片呈垂直状态，且所述遮光挡板与所述电池片的中心之间具有预设间距。所述遮光挡板与所述电池片的中心之间的预设间距为X，遮光挡板高度为Y，遮光挡板宽度为L，则所述预设间距X与遮光挡板高度Y的计算公式为：

式中，h为所述太阳敏感器光栅到底面电池片的距离，a为光栅边长，γ为所述太阳敏感器到地球切线与轨道面法线夹角，θ为太阳敏感器倾斜安装的预设倾角；以及

所述遮光挡板的宽度L的计算公式为：

式中，β′为所述太阳敏感器对角线方向的无效视场边缘与电池片的夹角，m为所述遮光挡板需遮挡的横向最外侧反射光与所述电池片下边缘交点到该电池片的距离。

在本发明方法应用的安装支架及遮光挡板中，所述安装支架的倾斜安装面为中部镂空结构，镂空部位的周边具有多个用于固定所述太阳敏感器底部的固定孔。所述安装支架为铝合金材质，除所述倾斜安装面表面之外的部分均经本色阳极化处理。所述遮光挡板包括挡板本体、将所述挡板本体安装在所述安装支架一端的遮光挡板抬高块以及紧固件。所述挡板本体为钣金成型的铝合金材质，其朝向所述太阳敏感器的探头的一面涂布黑漆，朝向地球的一侧涂白漆。所述遮光挡板抬高块为玻璃纤维材质，所述挡板本体与遮光挡板抬高块由该紧固件固定连接。

如上所述，本发明的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，具有以下有益效果：

可完全消除地球反射光的干扰，提高太阳敏感器的测量精度，同时不会对太阳敏感器的可用性造成明显影响；本发明提出的消除反射光干扰的方法仅通过一个组合体安装支架即可实现，方法简单有效，实现成本低，便于工程实现，而且，本发明提出的技术方案已成功应用于型号卫星中，在轨数据显示，通过本发明成功消除了地球反射光的干扰，提高了太阳敏感器的测量精度，从而提高了姿控系统的控制性能。

附图说明

图1a显示为太阳敏感器结构示意图。

图1b显示为太阳敏感器的测量原理示意图。

图2显示为太阳敏感器视场示意图。

图3显示为太阳敏感器受地球反射光干扰示意图。

图4显示为应用本发明的方法的太阳敏感器消除反射光干扰示意图。

图5显示为应用本发明的方法的太阳敏感器遮光挡板宽度示意图。

图6显示为应用本发明的方法的组合体安装支架结构示意图。

图7显示为消除地球反射光干扰实际效果比对示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，以下将针对一种应用于晨昏轨道对地指向卫星的模拟式太阳敏感器为典型实例，结合附图详细说明本发明的优选实施例。

于本实例中，太阳敏感器的基本结构如图1a所示，太阳敏感器的测量原理如图1b所示。太阳敏感器由探头和处理电路(未标号)组成，其探头主要由顶面正方形光栅G和底面电池片B组成，所述底面电池片B划分为4个象限，如图1b所示中x轴及y轴划分的四个象限Q1、Q2、Q3、以及Q4，太阳光(如图1b所示箭头S)通过光栅G照射在电池片B上，形成固定大小的光斑F，处理电路根据电池片B各象限光斑F大小确定太阳矢量的方向。

于本实例中，所述太阳敏感器的视场是一个四面锥体，分为纵向视场和横向视场，两方向状态一致，均由有效视场和无效视场组成，如图2所示，有效视场E内入射的太阳光S形成的光斑分布在电池片4个象限上，可用来解算太阳矢量，而无效视场U内入射的太阳光S形成的光斑只分布在个别象限上，无法用来解算太阳矢量，但无论是有效视场E还是无效视场U内入射的干扰光均会使太阳敏感器产生相应的输出信号，导致测量精度下降或出现错误。图2中a为光栅边长，h为光栅G与电池片B的间距，β为所述太阳敏感器对角线方向的无效视场U边缘与电池片B的夹角。

如图3所示，对于晨昏轨道，为获得最长时间的可用性，太阳敏感器通常采用竖直安装的方式直接安装在卫星上(如图中M所示的安装面)，测量面对着太阳方向。

定义轨道高度为H，地球半径为R，太阳敏感器到地球D的切线T与轨道面法线N夹角为γ，根据几何关系，则：

定义所述太阳敏感器有效半视场角为α，若卫星轨道高度H较低，α较大，使得γ＜α，则地球反射光R必然会进入太阳敏感器的纵向视场，图3中，β为所述太阳敏感器对角线方向的无效视场U边缘与电池片B的夹角，垂线M表示为太阳敏感器的电池片B的安装面。

为消除地球反射光对太阳敏感器的干扰，本发明提供一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，如图4至图7所示，首先，提供一用于安装太阳敏感器的安装支架11，并在所述安装支架11上设置一具有预设倾角θ的倾斜安装面111，然后，将所述太阳敏感器装设至所述安装支架11的倾斜安装面111，以使所述太阳敏感器的探头顺应所述预设倾角θ呈倾斜状态，使所述探头的测量窗口法线(如图4所示的N’)偏离地球D一侧，接着，提供一预设尺寸的遮光挡板12，将其安装在所述安装支架11一端，使所述遮光挡板12位于所述太阳敏感器测量窗口靠地球D的一侧，以遮挡所述太阳敏感器无效视场U’内来自地球的反射光。

具体地，是将所述太阳敏感器探头采用倾斜角度的安装方式，即如图4所示，本发明方法中的太阳敏感器的安装面为M’传统方法中的太阳敏感器的安装面为M，则M’与M之间的夹角即为所述的预设倾角θ(需要说明的是该预设倾角θ为太阳敏感器探头的倾斜角度，亦为后述的安装支架中倾斜安装面与其底面的夹角)，消除太阳敏感器有效视场E’内地球反射光R’的干扰。

在设计倾斜安装面111的预设倾角θ时，所述预设倾角θ的大小根据轨道高度、太阳敏感器视场和一年内太阳光照角确定，根据图4，θ需满足如下两个条件：

具体地，所述预设倾角为θ，则θ满足如下条件：

(1)α-θ＜γ；以及

式中，α为所述太阳敏感器有效半视场角，γ为所述太阳敏感器到地球切线T’与轨道面法线N”的夹角，

表示姿态控制系统可接受的所述太阳敏感器有效视场下边缘与轨道面法线夹角N”的最大值，由卫星所在轨道太阳光照情况确定。

满足上述条件(1)，可使得太阳敏感器的有效视场与地球无交点，有效视场内不受地球反射光干扰。

满足上述条件(2)，可使得在卫星在轨运行大部分时间内，实际太阳矢量一直处于太阳敏感器的有效视场内，保证太阳敏感器的可用性。

在满足条件(1)和条件(2)的前提下，预设倾角θ的取值尽可能大，从而减少太阳敏感器无效视场与地球表面的交集，降低步骤二中遮光挡板的设计难度。

在太阳敏感器倾斜安装的基础上，设计遮光挡板12，消除太阳敏感器无效视场U’内的地球反射光R’干扰。

如图4所示，所述遮光挡板12位于所述太阳敏感器下方，并与所述太阳敏感器的电池片B呈垂直状态，且所述遮光挡板12与所述电池片B的中心之间具有预设间距X，遮光挡板12顶端位于太阳敏感器到地球切线T’与太阳敏感器有效视场下边缘相交处(图4中点O处，此处为临界点，通过增大X，使遮光挡板顶端位于点O右下方无效视场内也能满足要求)，定义遮光挡板12高度为Y，遮光挡板12宽度为L，则根据几何关系，确定遮光挡板12安装位置X与高度Y的计算公式为：

式中，h为太阳敏感器光栅到底面电池片的距离，a为光栅边长。

再确定遮光挡板12的宽度L，太阳敏感器的全视场是一个四面锥体，遮光挡板12不仅要遮挡住所有纵向入射的反射光，还需考虑斜照入射的地球反射光，如图5所示，根据几何关系，确定遮光挡板12宽度L的计算公式为：

式中，式中，β′为所述太阳敏感器对角线方向的无效视场边缘与电池片的夹角，m为所述遮光挡板需遮挡的横向最外侧反射光与所述电池片下边缘交点到该电池片的距离。

在本发明方法的具体实施中，所述安装支架11与遮光挡板12组合成组合体安装支架，其作用有：用于倾斜安装太阳敏感器并保证足够的安装精度；具备遮光挡板12，能有效地阻挡地球仿照；此外还需具备隔热功能，满足卫星热设计的要求。

根据上述要求设计组合体安装支架，将其分解和细化为4个互为关联的主要尺寸链：具有倾斜安装面111的安装支架11、遮光挡板12、遮光挡板抬高块122和紧固件123组成，如图6所示，应用的安装支架11的倾斜安装面111为中部镂空结构，镂空部位112的周边具有多个用于固定所述太阳敏感器底部的固定孔113。所述安装支架11为铝合金材质，除所述倾斜安装面111表面之外的部分均经本色阳极化处理。所述遮光挡板12包括挡板本体121、将所述挡板本体121安装在所述安装支架11一端的遮光挡板抬高块122以及紧固件123。所述挡板本体121为钣金成型的铝合金材质，其朝向所述太阳敏感器的探头的一面涂布黑漆，朝向地球的一侧涂白漆。所述遮光挡板抬高块122为玻璃纤维材质，所述挡板本体121与遮光挡板抬高块122由该紧固件123固定连接。

如图6所示，安装支架11的倾斜安装面111与其底面114夹角为θ，用于实现太阳敏感器探头的倾斜θ角度安装；所述遮光挡板12底部在太阳敏感器电池片平面内，所述遮光挡板12到太阳敏感器安装平面距离为X，遮光挡板高度为Y，宽度为L。

安装支架11的材料为锻造铝合金，具有密度低、比强度和比模量高、易机械加工和经济成本少等特点；本色阳极化表面处理(倾斜安装面除外)，起到良好的抗腐蚀作用。零件采用数控机床加工，统一基准面，一次加工成型，保证了较高的尺寸精度及形位公差。倾斜安装面中间镂空部位112，一则可以插拔太阳敏感器的电连接器和电缆走线，再则可以减轻重量。

遮光挡板12的材料为防锈铝合金，属薄壁结构，采用钣金成型，左右两侧折边124与根部折边125结合处采用焊接的方式进行封闭，提高了的整体刚度。遮光挡板正面涂黑漆，可消除遮光挡板12上形成的反射光对视场的干扰；背面涂白漆，白漆的太阳吸收率较小，可以减少热量的吸收；白漆的红外发射率较高，增强了散热效果。

遮光挡板12抬高块采用玻璃纤维材质，可以起到良好的隔热效果，消除遮光挡板表面积较大造成的漏热问题。

遮光挡板12与遮光板抬高块122通过紧固件123(例如为螺丝)固定，提高整体刚度，遮光挡板根部不易变形，还便于部件装配，通过调整紧固件123的方式，对遮光挡板12的位置进行微调，保证遮光挡板的尺寸精度要求。

为进步阐述本发明的原理及功效，以下将针对具体型号卫星，进一步描述本发明的具体实施方式，并请一并参阅图4至图7，例如卫星轨道为晨昏轨道，轨道高度H为790km，取地球半径为6378km，经计算，太阳敏感器到地球切线与轨道面法线夹角γ＝27°。太阳敏感器光栅边长a＝10mm，光栅到底面电池片高度h＝3.22mm，经计算，太阳敏感器半视场角α＝57°。

根据本发明技术方案，通过如下步骤消除地球反射光干扰。

步骤一，将太阳敏感器探头倾斜θ角度安装，消除太阳敏感器有效视场内地球反射光干扰。θ应满足：

(1)57°-θ＜27°；以及

表示姿态控制系统可接受的太阳敏感器有效视场下边缘与轨道面法线夹角的最大值。

选取θ＝34°，可完全消除太阳敏感器有效视场内地球反射光的干扰，同时减少了无效视场与地球表面的交集，削弱了无效视场内地球反射光的干扰。此时根据条件(2)有

经论证，与传统的直接竖直安装相比，每年太阳敏感器每轨会出现无效状态的天数仅增加了约20天，每轨出现无效状态的最长时间仅增加了6分钟，可满足姿控系统的需要。

步骤二，根据θ＝34°，设计遮光挡板，消除太阳敏感器无效视场内的地球反射光干扰。

将遮光挡板安装在太阳敏感器下方，垂直于太阳敏感器的电池片，遮光挡板底部距电池片中心距离为X，遮光挡板高度为Y，遮光挡板宽度为L。

解出：X≈61.8mm，Y≈39.8mm，

代入宽度L计算公式：

解出遮光挡板的宽度：L≈124.2mm

根据θ＝34°和遮光挡板的安装位置、尺寸设计组合体安装支架。根据太阳敏感器的结构尺寸和步骤二结果设计组合体安装支架，组合体安装支架结构如图6所示，将其分解和细化为4个互为关联的主要尺寸链：具有倾斜安装面的安装支架、遮光挡板、遮光挡板抬高块和紧固件组成。

太阳敏感器电池片中心距离太阳敏感器安装面距离为32mm，根据步骤二结果，确认遮光挡板具体尺寸为：挡板底部距太阳敏感器安装面距离X′＝29.8mm，挡板高度Y＝39.8mm，挡板宽度L＝124.2mm。

本实施例已成功应用于型号卫星，在轨数据表明，未消除地球反射光干扰前，太阳敏感器测得的太阳矢量与理论太阳矢量的夹角最大达到了4.5°(如图7中虚线所示)。采用本发明所提出的倾斜安装配合遮光挡板的安装方式后，太阳敏感器测得的太阳矢量与理论太阳矢量的夹角保持在1.5°(如图7中实线所示)，有效消除了地球反射光的干扰。

综上所述，本发明的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，可完全消除地球反射光的干扰，提高太阳敏感器的测量精度，同时不会对太阳敏感器的可用性造成明显影响；本发明提出的消除反射光干扰的方法仅通过一个组合体安装支架即可实现，方法简单有效，实现成本低，便于工程实现，而且，本发明提出的技术方案已成功应用于型号卫星中，在轨数据显示，通过本发明成功消除了地球反射光的干扰，提高了太阳敏感器的测量精度，从而提高了姿控系统的控制性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)提供一用于安装太阳敏感器的安装支架，并在所述安装支架上设置一具有预设倾角的倾斜安装面；

2)将所述太阳敏感器装设至所述安装支架的倾斜安装面，以使所述太阳敏感器的探头顺应所述预设倾角呈倾斜状态，使所述探头的测量窗口法线偏离地球一侧；

3)提供一预设尺寸的遮光挡板，将其安装在所述安装支架一端，使所述遮光挡板位于所述太阳敏感器测量窗口靠地球的一侧，以遮挡所述太阳敏感器无效视场内来自地球的反射光。

2.根据权利要求1所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：于所述步骤1)及步骤2)中，所述预设倾角为θ，则θ满足如下条件：

α-θ＜γ；以及

式中，α为所述太阳敏感器有效半视场角，γ为所述太阳敏感器到地球切线与轨道面法线夹角，

表示姿态控制系统可接受的所述太阳敏感器有效视场下边缘与轨道面法线夹角的最大值。

3.根据权利要求1所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：于所述步骤3)中，所述遮光挡板位于所述太阳敏感器下方，并与所述太阳敏感器的电池片呈垂直状态，且所述遮光挡板与所述电池片的中心之间具有预设间距。

4.根据权利要求3所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：于所述步骤3)中，所述遮光挡板与所述电池片的中心之间的预设间距为X，遮光挡板高度为Y，遮光挡板宽度为L，则所述预设间距X与遮光挡板高度Y的计算公式为：

式中，h为所述太阳敏感器光栅到底面电池片的距离，a为光栅边长，γ为所述太阳敏感器到地球切线与轨道面法线夹角，θ为太阳敏感器倾斜安装的预设倾角；以及

所述遮光挡板的宽度L的计算公式为：

式中，β′为所述太阳敏感器对角线方向的无效视场边缘与电池片的夹角，m为所述遮光挡板需遮挡的横向最外侧反射光与所述电池片下边缘交点到该电池片的距离。

5.根据权利要求1所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：所述安装支架的倾斜安装面为中部镂空结构，镂空部位的周边具有多个用于固定所述太阳敏感器底部的固定孔。

6.根据权利要求5所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：所述安装支架为铝合金材质，除所述倾斜安装面表面之外的部分均经本色阳极化处理。

7.根据权利要求1所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：所述遮光挡板包括挡板本体、将所述挡板本体安装在所述安装支架一端的遮光挡板抬高块以及紧固件。

8.根据权利要求7所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：所述挡板本体为钣金成型的铝合金材质，其朝向所述太阳敏感器的探头的一面涂布黑漆，朝向地球的一侧涂白漆。

9.根据权利要求7所述的消除太阳敏感器受地球反射光干扰的方法，其特征在于：所述遮光挡板抬高块为玻璃纤维材质，所述挡板本体与遮光挡板抬高块由该紧固件固定连接。

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