CN103234511B - 小型长寿命编码式太阳敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小型长寿命编码式太阳敏感器，采用光机电一体化结构，采用小型化光学测量系统，采用以FPGA为核心的高集成度信号处理电路，采用挠性连接方式，通过标准串行通讯接口与星上计算机进行数据交换，具体包括第一光学测量组件、第二光学测量组件，光学基准镜、安装板、模拟板、数字板、壳体、第一接插件、第二接插件、接地桩和后盖，两个光学测量组件正交安装在安装板上部，光学测量组件包括进行了小型化设计的柱面镜、码盘、集成光电池等，模拟板与数字板安装在壳体内部，该敏感器采用光机电一体化结构设计，实现产品的小型化，大大降低了产品重量，并且延长了产品寿命。

Description

小型长寿命编码式太阳敏感器

技术领域

本发明属于姿态敏感器领域，涉及小型长寿命编码式太阳敏感器，可以用于各类航天器姿态测量与姿态控制。

背景技术

太阳敏感器是各类航天器姿控分系统的重要部件，用于测量太阳相对于敏感器的入射角度。国内从事太阳敏感器专业研究、制造的单位包括五院502所、八院803所等，近年来许多高校也进入到这个领域，如北京航空航天大学、清华大学、浙江大学等。

按功能分类，目前星上采用的太阳敏感器大致分3类：

姿态测量太阳敏感器：该类敏感器通常具有高于0.05°的测量精度，视场范围在±50°～±64°之间，如502所的编码式太阳敏感器；

帆板最大能量接收方向测量太阳敏感器；该类敏感器一般具有±2°左右的测量精度，视场范围在±20°～±45°之间，如502所的模拟式太阳敏感器；

全姿态捕获太阳敏感器：一般具有2π立体角的视场范围，对测量精度不做要求，如502所的0-1式太阳敏感器。

编码式太阳敏感器，一般采用分体式结构，信号处理一般采用中小规模集成电路或以微处理器为核心的信号处理方法。缺点1是体积重量较大，一般卫星采用的太阳敏感器配置方式为4组编码式太阳敏感器探头+1台信号处理线路盒，总重量约为7kg。缺点2是空间环境适应能力特别是抗紫外线辐照能力还有不足，影响了产品的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小型长寿命编码式太阳敏感器，该敏感器采用光机电一体化结构设计，实现产品的小型化，大大降低了产品重量，并且延长了产品寿命。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

小型长寿命编码式太阳敏感器，包括第一光学测量组件、第二光学测量组件，光学基准镜、安装板、模拟板、数字板、壳体、第一接插件、第二接插件、第一支撑柱、第二支撑柱、接地桩和后盖，其中第一光学测量组件、第二光学测量组件安装于安装板之上，且第一光学测量组件与第二光学测量组件在安装板上垂直放置，壳体一端与安装板连接，另一端与后盖连接，形成一个封闭空间，第一接插件、第二接插件与接地桩设置在后盖上，模拟板、数字板、第一支撑柱、第二支撑柱安装在封闭壳体内部，模拟板通过第一支撑柱固定在安装板上，数字板通过第二支撑柱紧固在第一支撑柱上，模拟板、数字板之间的信号传输通过挠性板实现，第一插件通过挠性板与数字板连接，第二接插件通过挠性板与模拟板连接。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，第一光学测量组件包括机体、上盖、柱面镜、码盘、集成硅光电池和焊线板，其中上盖安装在机体上部，码盘、集成硅光电池和焊线板位于机体内部，码盘上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜粘接在码盘上表面，集成硅光电池粘接在码盘下表面，并保证柱面镜的中心光缝与码盘的中心光缝对准，码盘的n条码盘图案与集成硅光电池的n路电池一一对准，集成硅光电池通过引出线焊接到焊线板上，焊线板通过引出线束连接到模拟板上，其中n为正整数，n≥1。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，第二光学测量组件包括机体、上盖、柱面镜、码盘、集成硅光电池和焊线板，其中上盖安装在机体上部，码盘、集成硅光电池和焊线板位于机体内部，码盘上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜粘接在码盘上表面，集成硅光电池粘接在码盘下表面，并保证柱面镜中心光缝与码盘中心光缝对准，码盘的n条码盘图案与集成硅光电池的n路电池一一对准，集成硅光电池通过引出线焊接到焊线板上，焊线板通过引出线束连接到模拟板上，其中n为正整数，n≥1。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，柱面镜形状为玻璃圆柱体的一半，柱面镜的三个平面镀金属膜，在其中长方形平面中心光刻透光狭缝形成中心光缝；所述码盘形状为长方体玻璃，六个表面均镀金属膜，上表面沿长边方向于中心处光刻一透光狭缝形成中心光缝。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，码盘、柱面镜采用光学石英玻璃材料。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，壳体、后盖、安装板材料为铝合金，第一支撑柱、第二支撑柱材料为钛合金，接地桩为黄铜。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，位于后盖四角的四只连接螺钉将后盖、壳体串联并固定在安装板上。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，模拟板包括电流/电压转换模块、模拟开关和信号放大模块，其中电流/电压转换模块接收来自光学测量组件的电流信号，转换为电压信号输出给模拟开关，通过模拟开关将并行电压信号转换为串行电压信号，信号放大模块将串行电压信号放大后输出给数字板上的AD。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，数字板包括AD、FPGA处理电路、上电复位模块、时钟模块和通讯接口，其中AD将来自模拟板的模拟串行电压信号转换为数字信号，并输出给FPGA进行数据处理，并将处理后的数据通过通讯接口向外输出，上电复位模块为FPGA正常工作提供初始条件，时钟模块为FPGA提供时钟。

在上述小型长寿命编码式太阳敏感器中，FPGA处理电路包括粗码角度处理模块，细码角度处理模块、，监视码处理模块，粗细码同步模块，数据打包模块，片选、地址、AD转换时钟产生模块和串口控制模块，其中AD转换后的粗码数字量进入粗码角度处理模块计算出粗码角度数据；AD转换后的细码数字量进入细码角度处理模块计算出细码角度数据；AD转换后的视场监视码由视场监视码处理模块计算得出太阳是否在敏感器视场之内的标志量；粗码角度数据和细码角度数据通过粗细码同步模块进行同步；数据打包模块将同步后的角度数据和视场标识按照通讯协议规定的数据格式进行打包后通过串口控制模块输出给通讯接口；片选、地址、AD转换时钟产生模块产生模拟开关的片选信号、地址译码信号和AD的工作时钟信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明相对于传统太阳敏感器，在不改变其测量原理的条件下，根据目前的光学加工工艺水平，对敏感器结构进行了创新设计，两个光学测量组件正交排布，数字板、模拟板位于壳体内部，通过将光学测量系统、信号处理电路集成在同一机体内部，实现产品的一体化设计，实现产品的小型化，大大降低了产品重量；

（2）本发明对光学测量组件结构进行了创新设计，实现了柱面镜、码盘、集成硅光电池等的结构小型化，尺寸缩小了50%，形成了小型化的光学测量组件，例如在保证衍射效应不会对测量精度产生影响的前提下，可以将光缝宽度由0.1mm缩小到0.07mm，即单位角度在码盘上形成的光斑面积减小，码盘尺寸由60mm×38mm缩小为41mm×27mm，相应的集成硅光电池尺寸由37.5mm×33mm缩小到29mm×21mm；

（3）本发明在小型长寿命太阳敏感器设计中采用FPGA实现角度计算、时序电路、串行通讯控制等功能，大幅度提高了产品的集成度，进一步实现了产品小型化；

（4）本发明模拟板、数字板之间的信号传输通过挠性板连接，第一插件通过挠性板与数字板连接，第二接插件通过挠性板与模拟板连接，便于实现产品的小型化。

附图说明

图1为本发明小型长寿命太阳敏感器外形图1；

图2为本发明小型长寿命太阳敏感器外形图2；

图3为本发明小型长寿命太阳敏感器剖视图；

图4为本发明小型长寿命太阳敏感器测角原理示意图；

图5为本发明小型长寿命太阳敏感器光学组件示意图；

图6为本发明小型长寿命太阳敏感器信号处理电路原理框图；

图7为本发明柱面镜、码盘和集成硅光电池位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明小型长寿命太阳敏感器外形图1，图2为本发明小型长寿命太阳敏感器外形图2，本发明小型长寿命太阳敏感器包括第一光学测量组件1、第二光学测量组件2，光学基准镜3、安装板4、壳体10、第一接插件7、第二接插件8、接地桩9和后盖12，壳体10内部还有模拟板5、数字板6、第一支撑柱11和第二支撑柱40，如图3所示为本发明小型长寿命太阳敏感器剖视图。

第一光学测量组件1、第二光学测量组件2安装于安装板4之上，且第一光学测量组件1与第二光学测量组件2在安装板4上垂直放置（正交排布），壳体10一端与安装板4连接，另一端与后盖12连接，形成一个封闭空间，即位于后盖10四角的四只连接螺钉将后盖12、壳体10串联并固定在安装板4上。

第一接插件7、第二接插件8与接地桩9设置在后盖12上，模拟板5、数字板6、第一支撑柱11、第二支撑柱40安装在封闭壳体10内部，模拟板5通过第一支撑柱11固定在安装板4上，数字板6通过第二支撑柱40紧固在第一支撑柱11上，模拟板5、数字板6之间的信号传输通过挠性板连接，第一插件7通过挠性线路板与数字板6连接，第二接插件8通过挠性线路板与模拟板5连接。壳体10、后盖12、安装板4材料为铝合金（例如采用铝合金LY12BCZYu），第一支撑柱11、第二支撑柱40材料为钛合金，接地桩9为黄铜。

如图3所示，第一光学测量组件1包括机体13、上盖14、柱面镜15、码盘16、集成硅光电池17和焊线板18，其中上盖14安装在机体13上部，码盘16、集成硅光电池17和焊线板18位于机体13内部，码盘16上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池17设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜15采用透明硅橡胶37粘接在码盘16上表面，集成硅光电池17采用透明硅橡胶38粘接在码盘16下表面，并保证柱面镜15中心光缝与码盘16中心光缝对准，码盘16的n条码盘图案与集成硅光电池17的n路电池一一对准，集成硅光电池17通过引出线焊接到焊线板18上，焊线板18通过引出线束连接到模拟板5上。如图7所示为本发明柱面镜、码盘和集成硅光电池位置关系图。

如图5所示为本发明小型长寿命太阳敏感器光学组件示意图，柱面镜15形状为玻璃圆柱体的一半，柱面镜15的三个平面镀金属膜，在其中长方形平面中心光刻透光狭缝形成中心光缝；码盘16形状为长方体玻璃，六个表面均镀金属膜，上表面沿长边方向于中心处光刻一透光狭缝形成中心光缝。

本实施例中柱面镜为一半径为4.12mm的玻璃圆柱体的一半，柱面镜的三个平面镀金属膜，在长方形平面中心光刻透光狭缝。码盘16为一块长41mm、宽27mm、高4.12mm的长方体玻璃，六面镀金属膜、上表面中心沿长边方向于中心处光刻一透光狭缝，下表面按照图5所示图形光刻码盘。码盘16、柱面镜15采用光学石英玻璃材料，例如采用ZS-1石英玻璃，ZS-1石英玻璃具有耐辐照性能，可以保证敏感器的使用寿命。本实施例中码盘16上形成14条码盘图案，集成硅光电池17包含14路电池，各路电池之间绝缘，14条码盘图案与14路电池一一对准。

码盘16下表面光刻的码盘图案如图5所示，从上到下依次为第二监视码24、第二粗码31、第四粗码25、第六粗码32、第四细码26、第三细码33、全开码27、第二细码34、第一细码28、第八粗码28、第七粗码35、第五粗码29、第三粗码36、第一粗码30、第一监视码37。

其中第八粗码28和第一细码28共用。粗码按照格雷码编码，4路细码的编码形式一致，它们之间依次错开。全开码是一条全视场都透明的码道，其信号的一半作为粗码的自动门限值。视场监视码位于码盘图案的两侧，分别为一条全视场透明的码。

图5中太阳光线通过柱面镜15中心的狭缝23入射到明暗相间的码盘16上，明窗口光线可以透过，暗窗口光线被遮挡。光线透过明窗口照射到光电池，电池有电流输出；未被照到的电池没有电流输出。输出的粗码电流信号以格雷码编码形式输出，最小当量为0.5°；细码输出电流在2°范围内满足余弦规律，通过对4道细码电流值的解算可以确定敏感器的精度；全开码在全视场范围内有电流输出，用于为粗码信号提供比较门槛；监视码在视场范围内有电流输出，用于确定敏感器视场的边界。

同理如图3所示，第二光学测量组件2的结构、原理、连接关系与第一光学测量组件1完全相同，仅简要描述。第二光学测量组件2包括机体13’、上盖14’、柱面镜15’、码盘16’、集成硅光电池17’和焊线板18’，其中上盖14’安装在机体13’上部，码盘16’、集成硅光电池17’和焊线板18’位于机体13’内部，码盘16’上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池17’设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜15’采用透明硅橡胶粘接在码盘16’上表面，集成硅光电池17’采用透明硅橡胶粘接在码盘16’下表面，并保证柱面镜15’中心光缝与码盘16’中心光缝对准，码盘16’的n条码盘图案与集成硅光电池17’的n路电池一一对准，集成硅光电池17’通过引出线焊接到焊线板18’上，焊线板18’通过引出线束连接到模拟板5上。

本实施例在保证衍射效应不会对测量精度产生影响的前提下，可以将光缝宽度由0.1mm缩小到0.07mm，即单位角度在码盘上形成的光斑面积减小，码盘尺寸由60mm×38mm缩小为41mm×27mm，相应的集成硅光电池尺寸由37.5mm×33mm缩小到29mm×21mm。

如图6所示为本发明小型长寿命太阳敏感器信号处理电路原理框图，信号处理电路在模拟板5与数字板6上实现。图中模拟板5包括并行的电流/电压转换模块、模拟开关和信号放大模块，其中电流/电压转换模块接收来自焊线板18、18’的电流信号（两个电流/电压转换模块分别接收第一光学测量组件的14路电流信号、第二光学测量组件的14路电流信号），转换为电压信号输出给模拟开关，通过模拟开关将并行电压信号转换为串行电压信号，信号放大模块将串行电压信号放大后输出给数字板6上的AD。

数字板6包括AD、FPGA处理电路、上电复位模块、时钟模块和通讯接口，其中AD将来自模拟板5的模拟串行电压信号转换为数字信号，并输出给FPGA进行数据处理，并将处理后的数据通过通讯接口向外输出，上电复位模块为FPGA正常工作提供初始条件，时钟模块为FPGA提供时钟。

FPGA处理电路包括粗码角度处理模块，细码角度处理模块、，监视码处理模块，粗细码同步模块，数据打包模块，片选、地址、AD转换时钟产生模块和串口控制模块。

本实施例中AD转换后的粗码数字量进入粗码角度处理模块计算出当量为0.5°，范围为±62°的角度数据；AD转换后的细码数字量进入细码角度处理模块计算出当量为1/256°，范围为0-2°的角度数据；AD转换后的视场监视码由视场监视码处理模块计算得出太阳是否在敏感器视场之内的标志量；粗码角度数据和细码角度数据通过粗细码同步模块进行同步得出当量为1/256°，范围为±62°的角度数据。数据打包模块将同步后的角度数据和视场标识按照通讯协议规定的数据格式进行打包后通过串口控制模块输出给RS422通讯接口。片选、地址、AD转换时钟产生模块产生模拟开关的片选信号、地址译码信号和AD的工作时钟信号。

如图4所示为本发明小型长寿命太阳敏感器测角原理示意图，图4中OXYZ是太阳敏感器坐标系。OZ轴垂直码盘平面，在OXY平面上平行OY排列14道码，柱面镜中心线平行OX。太阳敏感器测量太阳光线OS在OYZ平面上的投影与OZ轴之间的夹角α（习惯上称为测量角），而OS在OXZ平面上的投影与OZ轴的夹角β（称为进光角）。所以使用一个太阳敏感器可以测量太阳光线与卫星某一根轴的夹角。如果将两个太阳敏感器垂直安装，一个测量α，另一个测量β，则α、β便完全确定了太阳光线OS与卫星坐标系之间的关系。

本发明采用光机电一体化结构，采用小型化光学测量系统设计，采用以FPGA为核心的高集成度信号处理电路，采用挠性连接方式，通过标准串行通讯接口与星上计算机进行数据交换。光学测量系统、信号处理电路集成在同一机体内部，实现产品的一体化设计。光学测量系统采用了小型化设计的柱面镜、码盘、光电池组件等光学零组件。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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的公知技术。

Claims (8)

1.小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：包括第一光学测量组件(1)、第二光学测量组件(2)，光学基准镜(3)、安装板(4)、模拟板(5)、数字板(6)、壳体(10)、第一接插件(7)、第二接插件(8)、第一支撑柱(11)、第二支撑柱(40)、接地桩(9)和后盖(12)，其中第一光学测量组件(1)、第二光学测量组件(2)安装于安装板(4)之上，且第一光学测量组件(1)与第二光学测量组件(2)在安装板(4)上垂直放置，壳体(10)一端与安装板(4)连接，另一端与后盖(12)连接，形成一个封闭空间，第一接插件(7)、第二接插件(8)与接地桩(9)设置在后盖(12)上，模拟板(5)、数字板(6)、第一支撑柱(11)、第二支撑柱(40)安装在封闭壳体(10)内部，模拟板(5)通过第一支撑柱(11)固定在安装板(4)上，数字板(6)通过第二支撑柱(40)紧固在第一支撑柱(11)上，模拟板(5)、数字板(6)之间的信号传输通过挠性板实现，第一接插件(7)通过挠性板与数字板(6)连接，第二接插件(8)通过挠性板与模拟板(5)连接；

所述模拟板(5)包括电流/电压转换模块、模拟开关和信号放大模块，其中电流/电压转换模块接收来自光学测量组件(1，2)的电流信号，转换为电压信号输出给模拟开关，通过模拟开关将并行电压信号转换为串行电压信号，信号放大模块将串行电压信号放大后输出给数字板(6)上的AD；

所述数字板(6)包括AD、FPGA处理电路、上电复位模块、时钟模块和通讯接口，其中AD将来自模拟板(5)的模拟串行电压信号转换为数字信号，并输出给FPGA处理电路进行数据处理，并将处理后的数据通过通讯接口向外输出，上电复位模块为FPGA处理电路正常工作提供初始条件，时钟模块为FPGA处理电路提供时钟。

2.根据权利要求1所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：所述第一光学测量组件(1)包括机体(13)、上盖(14)、柱面镜(15)、码盘(16)、集成硅光电池(17)和焊线板(18)，其中上盖(14)安装在机体 (13)上部，码盘(16)、集成硅光电池(17)和焊线板(18)位于机体(13)内部，码盘(16)上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池(17)设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜(15)粘接在码盘(16)上表面，集成硅光电池(17)粘接在码盘(16)下表面，并保证柱面镜(15)的中心光缝与码盘(16)的中心光缝对准，码盘(16)的n条码盘图案与集成硅光电池(17)的n路电池一一对准，集成硅光电池(17)通过引出线焊接到焊线板(18)上，焊线板(18)通过引出线束连接到模拟板(5)上，其中n为正整数，n≥1。

3.根据权利要求1所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：所述第二光学测量组件(2)包括机体(13’)、上盖(14’)、柱面镜(15’)、码盘(16’)、集成硅光电池(17’)和焊线板(18’)，其中上盖(14’)安装在机体(13’)上部，码盘(16’)、集成硅光电池(17’)和焊线板(18’)位于机体(13’)内部，码盘(16’)上表面设有中心光缝，下表面形成n条码盘图案，集成硅光电池(17’)设有n路彼此绝缘的电池，柱面镜(15’)粘接在码盘(16’)上表面，集成硅光电池(17’)粘接在码盘(16’)下表面，并保证柱面镜(15’)中心光缝与码盘(16’)中心光缝对准，码盘(16’)的n条码盘图案与集成硅光电池(17’)的n路电池一一对准，集成硅光电池(17’)通过引出线焊接到焊线板(18’)上，焊线板(18’)通过引出线束连接到模拟板(5)上，其中n为正整数，n≥1。

4.根据权利要求2或3所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：柱面镜(15、15’)形状为玻璃圆柱体的一半，柱面镜(15、15’)的三个平面镀金属膜，在其中长方形平面中心光刻透光狭缝形成中心光缝；所述码盘(16、16’)形状为长方体玻璃，六个表面均镀金属膜，上表面沿长边方向于中心处光刻一透光狭缝形成中心光缝。

5.根据权利要求2或3所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：码盘(16、16’)、柱面镜(15、15’)采用光学石英玻璃材料。

6.根据权利要求1所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：所述壳体(10)、后盖(12)、安装板(4)材料为铝合金，第一支撑柱(11)、第二支撑柱(40)材料为钛合金，接地桩(9)为黄铜。

7.根据权利要求1所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：位于后盖(12)四角的四只连接螺钉将后盖(12)、壳体(10)串联并固定在安装板(4)上。

8.根据权利要求1所述的小型长寿命编码式太阳敏感器，其特征在于：所述FPGA处理电路包括粗码角度处理模块，细码角度处理模块，监视码处理模块，粗细码同步模块，数据打包模块，片选、地址、AD转换时钟产生模块和串口控制模块，其中AD转换后的粗码数字量进入粗码角度处理模块计算出粗码角度数据；AD转换后的细码数字量进入细码角度处理模块计算出细码角度数据；AD转换后的视场监视码由视场监视码处理模块计算得出太阳是否在敏感器视场之内的标志量；粗码角度数据和细码角度数据通过粗细码同步模块进行同步；数据打包模块将同步后的角度数据和视场标识按照通讯协议规定的数据格式进行打包后通过串口控制模块输出给通讯接口；片选、地址、AD转换时钟产生模块产生模拟开关的片选信号、地址译码信号和AD的工作时钟信号。