CN106840172B - 模拟式太阳敏感器及其安装结构和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟式太阳敏感器及其安装结构和测量方法，本发明公开的模拟式太阳敏感器包括：光阑、电池片；光阑与电池片正对；所述电池片的面积与光阑的面积相同。

Description

模拟式太阳敏感器及其安装结构和测量方法

技术领域

本发明属于航天器姿态测量技术领域，涉及一种新型的模拟式太阳敏感器视场结构设计，以及实现全天区太阳矢量测量的太阳敏感器布局方法。

背景技术

太阳敏感器是航天器姿态测量领域最常用的姿态敏感器之一，它通过敏感太阳光照情况，确定太阳的方向信息，再与其它矢量信息融合，解算出卫星的姿态信息。

模拟式太阳敏感器是应用最普遍的一种太阳敏感器，其基本结构及原理如图1所示。模拟太阳敏感器主要由光阑13和电池片12组成；电池片12和光阑13都是正方形，电池片12的边长为为光阑宽度的两倍。太阳光从上层的正方形光阑照射到下层的电池片上，形成与光阑面积一样的正方形光斑，根据电池片四个象限输出电流的大小解算出光斑的位置，再结合光阑与电池片的距离解算出太阳光的入射角，从而获得太阳矢量。

模拟式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，但其视场结构和工作原理决定了其在实际使用时，必然会存在如下两个问题：

1)易受各类反射光干扰，影响精度

模拟式太阳敏感器视场示意图如图2所示。正常情况下，太阳光进入有效视场，形成的光斑在电池片上移动，反应太阳光入射角变化，但由于传统模拟式太阳敏感器电池片的尺寸较大，会产生较大的无效视场，外部反射光进入无效视场后形成外部反射光干扰，必然会影响测量精度；此外，杂散光照射在光阑内部侧壁上，也会产成内部反射干扰，进一步照射在电池片上，同样会影响测量精度。

2)易受航天器表面部件的遮挡，影响使用

模拟太阳敏感器通常通过多个测量面组合的方式形成全天区视场(不考虑遮挡，航天器六个面分别配置六个测量面即可)，以满足航天器全天区姿态捕获的定姿需求。但由于模拟式太阳敏感器为光学测量部件，要求整个视场内无遮挡物，但现代航天器通常配置两翼太阳帆板，两翼帆板必然会进入相应方向的模拟太阳敏感器测量面的视场，影响其测量精度，甚至导致其测量数据错误。

为解决上述两个问题，传统的解决方法是减小太阳敏感器的视场以减小各类反射光的干扰，同时配置额外的敏感器来补偿帆板遮挡面的太阳矢量测量，增大了系统设计的复杂度和成本。

对于模拟式太阳敏感器，如何降低其受各类反射光的干扰，同时解决其受帆板遮挡的问题，提高其测量精度和可用性，需要一种新的研究思路和解决方法。

发明内容

本发明解决的问题是现有模拟式太阳敏感器用于航天器姿态测量时受各类反射光干扰较大，并且会受帆板遮挡；为解决所述问题，本发明提供一种新型的模拟式太阳敏感器及其安装结构和测量方法。

本发明提供的模拟式太阳敏感器包括：光阑、电池片；光阑与电池片正对；所述电池片的面积与光阑的面积相同。

进一步，还包括电池片安装面，所述电池片安装面的宽度是光阑宽度的两倍；所述电池片安装面为太阳敏感器内部与光阑正对的底面。

本发明还提供航天器上太阳敏感器安装结构，所述太阳敏感器本发明所提供的模拟式太阳敏感器，包括：第一探头、第二探头、安装于所述第一探头的第一至第三模拟式太阳敏感器，安装于第二探头的第四至第六模拟式太阳敏感器；所述第一至第三模拟式太阳敏感器的测量面相互正交；所述第四至第六模拟式太阳敏感器的测量面相互正交。

进一步，第一探头和第二探头分别形成180°的半天球视场；第一探头的视场边缘与航天器一个帆板平行，第二探头的视场边缘与航天器另一个帆板平行。

进一步，每个测量面的视场为±45°。

进一步，所述第一探头和第二探头分别安装于航天器的两个对角位置，且沿航天器帆板方向倾斜45°安装。

进一步，所述电池片包括等分的四个象限。

本发明还提供所提供的航天器上太阳敏感器安装结构的测量方法，包括：

步骤一、测量六个模拟式太阳敏感器测量面的输出电流，并以输出电流最大的测量面为有效测量面；

步骤二、根据有效测量面的四个象限的四路电流输出，计算光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置；

步骤三、结合光阑距电池片的高度，计算太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量；

步骤四、结合太阳敏感器的安装矩阵，计算卫星本体系中的太阳矢量。

进一步，所述步骤一包括：以电池片的中心为原点，建立直角坐标系，将电池片分为位于第一象限至第四象限的四个部分，所述四个部分面积相等，分别测量所述四个部分的输出电流，并求和得到电池片的输出电流。

进一步，光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置为(x，y)，

a为电池片的边长，i₁～i₄为电池片四个象限输出的电流值。

进一步，太阳矢量的计算公式为：S_m＝[-k×x/H_xy -k×y/H_xy 1]^T，式中，S_m为太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量，H_xy为光阑到电池片的距离，k为电池片玻璃保护盖片的折射修正系数。

本发明的优点包括：

电池片的尺寸与光阑尺寸相同，有效减小了无效视场的范围，从而减小了外部反射光干扰和内部反射干扰，提高了测量精度；

进一步，本发明提供航天器上太阳敏感器安装结构所采用的太阳敏感器测量精度高，并且通过优化安装结构，避免了帆板遮挡测量面造成的测量误差，提高测量精度，实现了全天区视场的太阳矢量测量。

附图说明

图1为现有的模拟式太阳敏感器的结构示意图；

图2为现有的模拟式太阳敏感器的测量原理示意图；

图3为本发明实施例提供的模拟式太阳敏感器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的模拟式太阳敏感器测量原理示意图；

图5为本发明实施例提供的航天器上太阳敏感器在第一探头的安装结构示意图；

图6为本发明实施例提供的航天器上太阳敏感器安装结构视场布局示意图；

图7为本发明实施例提供的航天器上太阳敏感器安装结构在航天器上的安装示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

如图3所示，本发明提供的模拟式太阳敏感器包括：光阑23、电池片22；光阑23与电池片22正对；所述电池片22的面积与光阑23的面积相同。

继续参考图3，本发明提供的模拟式太阳敏感器还包括电池片安装面，电池片安装面和光阑都为正方形，所述电池片安装面的宽度是光阑宽度的两倍，继承以往太阳敏感器结构，保持电池片安装面尺寸与以往电池片尺寸一致，减小内部反射光干扰；所述电池片安装面为太阳敏感器内部与光阑正对的底面。在其他实施例中，电池片安装面和光阑也可以为其他形状，比如圆形，所述电池片安装面的直径是光阑直径的两倍。

对比图2和图4，可以看出，想比较于现有的模拟式太阳敏感器，本发明实施例提供的模拟式太阳敏感器的有效视场不变，无效视场减小，外部反射光干扰和内部反射干扰明显降低，提高测量精度。

结合参考图5至图7，本发明还提供航天器上太阳敏感器安装结构，所述太阳敏感器本发明所提供的模拟式太阳敏感器，包括：第一探头32、第二探头33、安装于所述第一探头32的第一至第三模拟式太阳敏感器，安装于第二探头33的第四至第六模拟式太阳敏感器；所述第一模拟式太阳敏感器的测量面10、第二模拟式太阳敏感器的测量面20、第三模拟式太阳敏感器的测量面30相互正交；所述第四至第六模拟式太阳敏感器的测量面相互正交。

如图6所示，每个测量面的视场为±45°，第一探头和第二探头分别形成180°的半天球视场，两个探头组合即可形成360°全天球视场；所述第一探头和第二探头分别安装于航天器的两个对角位置，且沿航天器帆板方向倾斜45°安装；第一探头的视场边缘与航天器一个帆板平行，第二探头的视场边缘与航天器另一个帆板平行，从而避免帆板进入视场范围，影响测量性能。

进一步，所述电池片包括等分的四个象限。

本发明实施例还提供所提供的航天器上太阳敏感器安装结构的测量方法，包括：

步骤一、测量六个模拟式太阳敏感器测量面的输出电流，并以输出电流最大的测量面为有效测量面；包括：分别以六个模拟式太阳敏感器的电池片的中心为原点，建立直角坐标系，将电池片分为位于第一象限至第四象限的四个部分，所述四个部分面积相等，分别测量所述四个部分的输出电流，并求和得到六个电池片的输出电流，以输出电流最大的电池片的测量面为有效测量面。

步骤二、根据有效测量面的四个象限的四路电流输出，计算光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置；光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置为(x，y)，

a为电池片的边长，i₁～i₄为电池片四个象限输出的电流值。

步骤三、结合光阑距电池片的高度，计算太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量；太阳矢量的计算公式为：S_m＝[-k×x/H_xy -k×y/H_xy 1]^T，式中，S_m为太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量，H_xy为光阑到电池片的距离，k为电池片玻璃保护盖片的折射修正系数。

步骤四、结合太阳敏感器的安装矩阵，计算卫星本体系中的太阳矢量S_b。S_b＝R_bmS_m，式中，R_bm为太阳敏感器的安装矩阵，根据处于有效状态的太阳敏感器的具体位置确定。

实例一

针对一类在航天器±X_b轴方向安装两翼帆板的卫星，本实例提供航天器上太阳敏感器安装结构采用本发明实施例所提供的模拟式太阳敏感器，上层正方形光阑的宽度为a，下层电池片安装面宽度为2a，而电池片宽度为a；建立直角坐标系，电池片位于四个象限的部分面积相等，安装在光阑的正下方，光阑与电池片的距离根据视场大小确定；将三个所述模拟式太阳敏感器正交安装集成在一个探头上，采样双探头倾斜安装。

单个探头上正交安装三个模拟式太阳敏感器(编号为太敏X，太敏Y和太敏Z)，每个太阳敏感器视场设计为±45°以内，三个太阳敏感器视场合并形成180°半球视场，单探头结构及合并视场示意图如图6所示。两探头的安装示意图如图7所示。将第一探头32通过安装支架倾斜45°安装在卫星的+Y_b面、+X_b面和-Z_b面的交点位置，使其太敏Y的光轴对着星体的-Zb轴，其太敏X和太敏Z的光轴分别倾斜45°指向星体的-X_b轴；将第二探头33通过安装支架倾斜45°安装在卫星的-Y_b面、+X_b面和-Z_b面的交点位置，使其太敏X的光轴分别对着星体的+Zb轴，其太敏Z和太敏Y的光轴分别倾斜45°指向星体的+X_b轴和-X_b轴，通过上述安装方式，单个探头180°视场的边缘正好与帆板方向平行，有效避免了帆板对太阳敏感器的干扰问题，两个探头组合，形成360°的全天区测量视场。

实例1提供所提供的航天器上太阳敏感器安装结构的测量方法包括：

步骤一，对两个探头共六个太阳敏感器测量面的输出电流分别取和，得到I_{sum_AX},I_{sum_AY},I_{sum_AZ},I_{sum_BX},I_{sum_BY},I_{sum_BZ},找出其中的最大值I_max，I_max对应的太阳敏感器为有效状态，对应的测量面为有效测量面。

步骤二，根据步骤一确定的有效太阳敏感器的输出电流，结合结构参数，计算光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置(横坐标x和纵坐标Y)，计算公式为：

式中，a为正方形光阑的边长，i₁，i₂，i₃和i₄为有效测量面的四个象限的输出电流大小。

步骤三，根据步骤二的结果，根据光阑中心点在电池片上的映射位置和光阑距电池片高度，计算太阳矢量的计算公式为：

S_m＝[-k×x/H_xy -k×y/H_xy 1]^T

式中，S_m为太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量，H为光阑到电池片的距离，k为电池片玻璃保护盖片的折射修正系数，根据玻璃盖片的折射率确定。

步骤四,根据步骤三确定的太阳敏感器坐标系中的太阳矢量S_m，结合该有效太阳敏感器的安装矩阵，计算卫星本体系中的太阳矢量S_b,计算公式为：

S_b＝R_bmS_m

式中，R_bm为太阳敏感器的安装矩阵，根据处于有效状态的太阳敏感器的具体位置确定。

在某型号中，光阑尺寸为10mmx10mm，电池片尺寸为10mmx10mm，电池片安装面尺寸为20mmx20mm，太阳敏感器有效视场设计为±45°，因此光阑到电池片的距离取为5mm；太阳从星体的-Z_b方向入射，必然有I_{sum_AY}为最大值，即第一探头的光轴方向沿Y方向的模拟式太阳敏感器处于有效状态，对应测量面为有效测量面。

第一探头的光轴方向沿Y方向的模拟式太阳敏感器的四路电流输出i₁，i₂，i₃和i₄，计算光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置(x,y)，计算公式为：

光阑中心点在电池片上的映射位置为(x,y),光阑距电池片高度H＝10mm，电池片玻璃盖片折射修正系数取1.042，计算太阳敏感器坐标系中的太阳矢量，计算公式为：

S_m＝[-104.2x -104.2y 1]^T

卫星本体系中的太阳矢量S_b为：

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.航天器上太阳敏感器安装结构，所述太阳敏感器包括包括：光阑、电池片；光阑与电池片正对；所述电池片的面积与光阑的面积相同，其特征在于，包括：第一探头、第二探头、安装于所述第一探头的第一至第三模拟式太阳敏感器，安装于第二探头的第四至第六模拟式太阳敏感器；所述第一至第三模拟式太阳敏感器的测量面相互正交；所述第四至第六模拟式太阳敏感器的测量面相互正交；第一探头和第二探头分别形成180°的半天球视场；第一探头的视场边缘与航天器一个帆板平行，第二探头的视场边缘与航天器另一个帆板平行。

2.依据权利要求1所述的航天器上太阳敏感器安装结构，其特征在于，每个测量面的视场为±45°。

3.依据权利要求1所述的航天器上太阳敏感器安装结构，其特征在于，所述第一探头和第二探头分别安装于航天器的两个对角位置，且沿航天器帆板方向倾斜45°安装。

4.依据权利要求1所述的航天器上太阳敏感器安装结构，其特征在于，所述电池片包括等分的四个象限。

5.权利要求1至4中任意一项所提供的航天器上太阳敏感器安装结构的测量方法，其特征在于，包括：

步骤一、测量六个模拟式太阳敏感器测量面的输出电流，并以输出电流最大的测量面为有效测量面；

步骤二、根据有效测量面的四个象限的四路电流输出，计算光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置；

步骤三、结合光阑距电池片的高度，计算太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量；

步骤四、结合太阳敏感器的安装矩阵，计算卫星本体系中的太阳矢量。

6.依据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤一包括：以电池片的中心为原点，建立直角坐标系，将电池片分为位于第一象限至第四象限的四个部分，所述四个部分面积相等，分别测量所述四个部分的输出电流，并求和得到电池片的输出电流。

7.依据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，光阑中心点沿太阳入射光方向映射在电池片上的位置为(x，y)，

a为电池片的边长，i₁～i₄为电池片四个象限输出的电流值。

8.依据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，太阳矢量的计算公式为：S_m＝[-k×x/H_xy -k×y/H_xy 1]^T，

式中，S_m为太阳敏感器坐标系中表示的太阳矢量，H_xy为光阑到电池片的距离，k为电池片玻璃保护盖片的折射修正系数。

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