CN105403217B - 一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其底面作为安装基面，并以截角五角化六十面体为结构基础，选用半个截角五角化六十面体作为太阳电池片的安装体，所有安装的太阳能电池片组成太阳电池片阵列，该敏感器还包括电流采集模块、电流管理模块、能量存储模块、计算模块、以及与计算模块相连接的无线通信模块，电流采集模块与上述太阳电池片阵列相连接，无线通信模块将计算模块计算的太阳矢量结果传输给卫星本体的无线接收设备。本发明为未来微小卫星提供高可靠、低成本的姿态测量敏感器，为微小卫星的模块化设计和即插即用提供技术支撑，从而实现微小卫星的快速集成和组装。
Description
技术领域：
本发明涉及一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其属于敏感器技术领域。
背景技术：
太阳敏感器是在航天领域应用最广泛的一类敏感器，几乎所有微小卫星上都配备有太阳敏感器。通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标系中的方位。目前，太阳敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模拟式和数字式三种。“0-1”式太阳敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。例如，地球反射的太阳光、太阳帆板反射的太阳光等都容易对其敏感器产生干扰。模拟式太阳敏感器视场一般在20°～30°左右，精度在1°左右。模拟式太阳敏感器的实现原理简单，但是其精度却难以满足卫星姿态控制系统对姿态确定精度日益提高的要求，并且，模拟式太阳敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干扰使对姿态测量的结果产生误差。数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。数字式太阳敏感器的精度和视场都能满足现今航天器的姿态控制要求，但是价格昂贵，不适合批量化以及成本高微小卫星使用。因此，研制一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，使其具有成本低、可靠性高、宽视场、高精度、自供电以及即插即用等优势，对未来微小卫星的发展具有很重要的意义。
发明内容：
本发明提供一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其目的是为了克服现今市场上主流太阳敏感器各自的缺点，整合它们的优点，将太阳敏感器的大视场，低成本和相对高精度的特点相结合；此外，为了实现星上无电缆化并降低星上能源的要求，设计了太阳敏感器的自供电系统，最终实现太阳敏感器的模块化，做到即插即用，从而简化卫星设计要求，降低微小卫星成本。
本发明采用如下技术方案：一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其底面作为安装基面，其以截角五角化六十面体为结构基础，选用半个截角五角化六十面体作为太阳电池片的安装体，所有安装的太阳能电池片组成太阳电池片阵列，该太阳敏感器还包括电流采集模块、电流管理模块、能量存储模块、计算模块、以及与计算模块相连接的无线通信模块，其中电流采集模块与上述太阳电池片阵列相连接，无线通信模块将计算模块计算的太阳矢量结果传输给卫星本体的无线接收设备。
进一步地，太阳电池片阵列由五边形和六边形太阳能电池片构成。
进一步地，能量存储模块由电感和电容组成，电流来源为受光照的太阳能电池片，其为太阳敏感器提供电能并将多余的电能储存起来。
进一步地，计算模块采用的算法为模糊锥算法和最小二乘拟合算法，通过将电流采集电路所采集到的电流信息转化为相应太阳电池片法线方向和太阳光线方向的夹角信息，并由模糊锥算法计算出太阳矢量的大致分布范围，采用最小二乘法确定出太阳矢量的精确方向。
进一步地，无线通信模块由ARM处理器和sim900A无线模块共同组成，所述ARM处理器根据采集的太阳电池片的电流信息计算太阳矢量并由sim900A模块发送给卫星本体接收部分，无线通信遵守TCP/IP通信协议。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的太阳敏感器可靠性高、成本低；
(2)本发明的太阳敏感器视场大、精度高；
(3)本发明的太阳敏感器采用无缆化，安装方便，集成简单，可满足未来微小卫星模块化以及即插即用的设计需求。
附图说明：
图1为太阳敏感器结构外形示意图。
图2为太阳敏感器工作原理示意图。
图3为太阳敏感器电路原理图。
图4为太阳敏感器太阳矢量计算流程图。
具体实施方式：
本发明面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器的底面作为安装基面，其采取截角五角化六十面体为结构基础，采用截角五角化六十面体模型，具有视场广，精度高的特点，视场为120度，精度小于0.2度，选用半个截角五角化六十面体作为太阳电池片的安装体，所有安装的太阳能电池片组成太阳电池片阵列。本发明面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器还包括电流采集模块、电流管理模块、能量存储模块、计算模块、以及与计算模块相连接的无线通信模块，其中电流采集模块与上述太阳电池片阵列相连接，无线通信模块将计算模块计算的太阳矢量结果传输给卫星本体的无线接收设备。
本发明面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器的电路部分包括电流采集电路、滤波放大电路、数据处理电路、无线通讯电路及能量储存电路。其中，电流采集电路和滤波放大电路属于电流采集模块；数据处理电路属于计算模块；无线通讯电路属于无线通信模块；能量存储电路属于能量存储模块。
太阳电池片阵列由价格相对低廉五边形和六边形太阳能电池片构成，从而降低太阳敏感器成本，实现大规模生产，运用多块太阳能电池片的协同测量来提高测算精度和视场。
太阳电池片的数量和大小将影响敏感器的性能。太能电池片数量越多，相邻太阳电池片之间的夹角越小，同时有效测量值就越多，在数据融合阶段即能获取更高精度的太阳矢量计算值；若敏感器结构大小固定，越多太阳电池片意味着太阳电池片的大小越小，这给微弱电流的采集带来了难度。权衡精度和工程实现复杂程度，最终选取的太阳敏感器结构如图1所示。该结构在半球体上截出多面形，用于安装太阳电池片。
能量存储模块由电感和电容组成，电流来源为受光照的太阳能电池片，作用是为太阳敏感器提供电能并将多余的电能储存起来，在受太空环境影响而导致太阳光不足的情况下对内部的无线通信模块进行供电，保证太阳敏感器正常工作。
计算模块采用的算法为模糊锥算法和最小二乘拟合算法，通过特定的对应关系将电流采集电路所采集到的电流信息转化为相应太阳电池片法线方向和太阳光线方向的夹角信息，接着由模糊锥算法计算出太阳矢量的大致分布范围，然后采用最小二乘确定出太阳矢量的精确方向。
无线通信模块由ARM处理器和sim900A无线模块共同组成，其中ARM处理器根据采集的太阳电池片的电流信息计算太阳矢量并由sim900A模块发送给卫星本体接收部分，无线通信遵守TCP/IP通信协议。
太阳敏感器的工作原理如图2所示。当太阳敏感器照射太阳光时，太阳电池片产生的电流经过电流管理模块分为两部分，一部分为ARM处理器(用于进行信号采集时序控制及对于采集到信号的计算，把太阳矢量信息发送给无线通信模块)供电，另外一部分多余电流由能量存储模块储存起来。而ARM处理器根据采集的电流大小按照图4所示的计算流程计算太阳矢量方向，并将计算结果通过sim900A无线模块发送给卫星本体接收设备。
电流采集以及电流管理模块的具体电路原理如图3所示。太阳电池片电流经五组八路模拟开关采集之后，经滤波电路滤除干扰和噪声，并由放大电路将弱小信号进行放大，最后经ADC转换器处理成ARM处理器可识别的数字信号。电流管理模块主要实现电流的分流控制以及充放电控制。
太阳矢量计算流程图如图4所示，首先，太阳电池片将太阳能转换成电流，单片机通过电流采集电路将所有电池片电流信息进行统计，利用太阳入射角与电流大小之间的关系将所有电流信息转化为角度信息，自动选取一组电池阵并确保其中心电池片太阳入射角最小，以此太阳电池片作为参考电池片。根据截角五角化六十面体的结构特征，可以根据角度信息将太阳矢量真实方向确定在一个60°×60°的角度范围之内。针对上述范围，进行精细网格划分，然后针对每一个网格进行联合概率计算，具体方法采样模糊锥算法，由组内的单个太阳能电池片的接收到的太阳光线入射角信息画出单模糊锥，其中模糊锥的建立使用的是正态分布概率模型，每一组高度角和方位角对应着一定的概率，组内的多个模糊锥连乘得出的联合概率最大的方向即为确定的太阳矢量方向。由于太阳电池片的测量噪声的存在，每个采样时刻所得出的太阳矢量方向不同，为了提高最终太阳矢量的计算精度，可以采用最小二乘等数据拟合手段对测量结果进行拟合，最终得出精确的太阳矢量方向。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其底面作为安装基面，其特征在于：其以截角五角化六十面体为结构基础，选用半个截角五角化六十面体作为太阳电池片的安装体，所有安装的太阳能电池片组成太阳电池片阵列，该太阳敏感器还包括电流采集模块、电流管理模块、能量存储模块、计算模块、以及与计算模块相连接的无线通信模块，其中电流采集模块与上述太阳电池片阵列相连接，无线通信模块将计算模块计算的太阳矢量结果传输给卫星本体的无线接收设备。
2.如权利要求1所述的面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其特征在于：太阳电池片阵列由五边形和六边形太阳能电池片构成。
3.如权利要求1所述的面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其特征在于：能量存储模块由电感和电容组成，电流来源为受光照的太阳能电池片，其为太阳敏感器提供电能并将多余的电能储存起来。
4.如权利要求1所述的面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其特征在于：计算模块采用的算法为模糊锥算法和最小二乘拟合算法，通过将电流采集模块所采集到的电流信息转化为相应太阳电池片法线方向和太阳光线方向的夹角信息，并由模糊锥算法计算出太阳矢量的大致分布范围，采用最小二乘法确定出太阳矢量的精确方向。
5.如权利要求1所述的面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，其特征在于：无线通信模块由ARM处理器和sim900A无线模块共同组成，所述ARM处理器根据采集的太阳电池片的电流信息计算太阳矢量并由sim900A模块发送给卫星本体接收部分，无线通信遵守TCP/IP通信协议。
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