CN106908067A - 一种太阳敏感器及确定太阳矢量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳敏感器，包括光阑、基体、电池基座、太阳电池、导引线路、处理器和滤波片，其中：光阑与基体结合成，形成一个腔体；光阑的通光孔为正四棱柱型通孔，通孔上下沿均为正方形；电池基座固定于基体位于腔体内的表面，太阳电池安装在电池基座上，太阳电池上表面平整，且上表面正对通光孔，用于接收太阳光。利用太阳光透过通光孔照射太阳电池，太阳电池的四块感光区块分别产生电荷，电荷通过线路1、线路2、线路3和4形成电流，处理器对电流进行处理，通过本文所述算法计算出太阳矢量。

Description

一种太阳敏感器及确定太阳矢量的方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体地，涉及一种太阳敏感器及确定太阳矢量的方法。

背景技术

卫星上通常利用诸如红外地平仪、磁强计、太阳敏感器等自主设备获取环境信息，产生电流信号，电流信号经过信号处理电路处理后，处理结果输入星载计算机，星载计算机利用特定的算法得到卫星自身的方位信息。

其中，太阳敏感器是卫星上主要的姿态敏感器之一，功能是利用太阳光照射感光材料，将入射光转化为电流信号，通过对电流信号的处理和计算，确定入射光的方向或其逆向，即太阳矢量，作为卫星确定方位和姿态的重要输入参量。

由于机械加工精度、电流测量精度、安装精度、算法误差的限制，对于特定结构的太阳敏感器，除需确定精准可靠的算法外，还应依据算法对加工精度和安装精度做出有效指导。

发明内容

本发明申请文件公开了一种太阳敏感器的结构。

太阳敏感器包括光阑、基体、电池基座、太阳电池、导引线路、处理器和滤波片，其中：

光阑与基体结合成一体，形成一个腔体；

光阑的通光孔为正四棱柱型通孔，通孔上下沿均为正方形；

基体位于腔体内的表面固定电池基座，太阳电池安装在电池基座上，太阳电池上表面平整，且上表面正对通光孔，用于接收太阳光；

太阳电池上表面所在的平面与通光孔上下沿所在的两个平面均平行；

太阳电池上表面所在的平面的一条法线经过通光孔的中心点，定为中心法线，中心法线与太阳电池上表面的交点定为分割点；

以经过中心法线且分别平行于通光孔两个垂直侧面的两个平面将太阳电池分成四块相互绝缘的感光区块，以逆时针方向分别标号为感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4；

感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4分别与导引线路105的线路1、线路2、线路3、线路4相连；

导引线路穿过基体的通孔，输出电流到处理器，处理器内含运算电路或器件，可处理电流信号，最终的结果可传输到星载计算机；

滤波片的上下表面平行，紧贴于通光孔外侧，用于阻挡空间高能粒子。

本发明的优点在于处于通光孔附近的光阑壁可以较厚，这样在算法精度提高的同时，对材料刚度和加工精度的要求降低。

本文件还公开了利用上述结构的太阳敏感器确定太阳矢量的方法。

设通光孔上沿正方形边长为a，通光孔深度为h，通光孔中心点到太阳电池上表面的距离为H；

以上述分割点为原点，太阳电池上表面所在的平面为X-Y平面，分割点指向通光孔中心点的方向为Z轴方向建立空间直角坐标系，使得感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4的上表面分别处于X-Y平面的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限；

利用太阳光透过通光孔照射太阳电池，太阳电池的四块感光区块分别产生电荷，电荷通过线路1、线路2、线路3和4形成电流，电流大小分别为i₁、i₂、i₃和i₄,，处理器对电流进行处理，通过如下算法计算出在上述坐标系下的太阳矢量：

其中，

在上述表达式中，x、y由如下表达式确定：

在加工精度足够高时，上述算法可以比较精确地计算出太阳矢量。本文也对实施的过程中可能产生的误差做出了分析，以供公众参考。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中的太阳敏感器外形示意图

图2为本发明的一个实施例中的太阳敏感器结构示意图

图3为本发明的一个实施例中的太阳电池受光示意图

图4为一个没有盖的立方体盒子的透光情况示意图

图5为本发明的一个实施例中的太阳电池感光情况示意图

图6为太阳电池片底面有偏角的状态示意图

图7为期望位置与实际安装位置的坐标转换关系示意图

图8为太阳视角使受光边缘扩大示意图

图9为电池受光面积增大（阴影部分）示意图

图10为太阳电池增加防护玻片示意图

图11为光路偏差示意图

图12为经过分析得出的本算法下更合适的防护玻片安装位置示意图

图13为一次函数拟合误差关系图

图14为二次函数拟合误差关系图

图15为转台旋转方式示意图

图16为表1：忽略h值所得角度误差

图17为表2：通光孔边长a 0.005mm时方向余弦角的变化

图18为表3：高度H 0.01mm时方向余弦角的变化

图19为表4：高度h0.005mm时方向余弦角的变化

图20为表5：太阳电池片绕ｚ轴旋转0.02时方向余弦角α的变化

图21为表6：太阳电池片绕ｚ轴旋转0.02°时方向余弦角β的变化

图22为表7：太阳电池中心点P偏移产生的误差（θ=0°）

图23为表8：太阳电池中心点P偏移产生的误差（θ=45°）

图24为表9：太阳电池中心点P偏移产生的误差（θ=90°）

图25为表10：太阳角对方向余弦的影响

图26为表11：增加玻片引入的算法误差

具体实施方式

下面将结合附图，对根据本发明内容实现的实施例进行介绍，以便本领域的技术人员能够精确和深入地理解本发明的技术特征，并参考实施例实现本发明的装置和方法，并在本发明的基础上实现各种变形和改进。

参见图1所示的太阳敏感器外形示意图和附图2所示的结构示意图，太阳敏感器包括光阑101、基体102、电池基座103、太阳电池104、导引线路105、处理器106，、滤波片107。

其中：

光阑101与基体102结合成一体，形成一个腔体；

光阑101的通光孔108为正四棱柱型通孔，通孔上下沿均为正方形；

基体102位于腔体内的表面固定电池基座103，太阳电池104安装在电池基座103上，太阳电池104上表面平整，且上表面正对通光孔，用于接收太阳光；

太阳电池104上表面所在的平面与通光孔108上下沿所在的两个平面均平行；

太阳电池104上表面所在的平面的一条法线经过通光孔108的中心点，定为中心法线，中心法线与太阳电池104上表面的交点定为分割点；

以经过中心法线且分别平行于通光孔108两个垂直侧面的两个平面将太阳电池104分成四块相互绝缘的感光区块，以逆时针方向分别标号为感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4；

感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4分别与导引线路105的线路1、线路2、线路3、线路4相连；

导引线路105穿过基体102的通孔，输出电流到处理器106，处理器106内含运算电路或器件，可处理电流信号，最终的结果可传输到星载计算机；

滤波片的上下表面平行，紧贴于通光孔外侧，通过镀膜等工艺处理，可用于阻挡空间高能粒子。

需要补充说明的是：

上述太阳电池104的上表面，意指产生光电效应的一个等效面，在本领域技术人员能理解的情况下，本文所述的指代方位的“上”只是指代一个相对的方位，当太阳敏感器的基体102水平放置，且光阑101安装在高于基体的方位时，所述的“上”和通常意思的“上”一致；

太阳电池104上表面均匀，在同样光照强度下，单位面积可产生同等数量的电荷，所述同等数量是指在误差允许的范围内相对意义上的同等数量；

将太阳电池分成四块相互绝缘的感光区块，可通过刻蚀的工艺，太阳电池刻蚀成四块相互绝缘的感光区块是为了减少不同电池组合带来的误差，当然， 等效地，由四块参数相同的太阳电池紧凑安装，可替代上述太阳电池的四块感光区块；

较佳的，太阳电池上表面为正方形，以中心对称的方式刻蚀成四块绝缘的感光区块；

基体可固定于卫星本体上。

本发明还提供一种利用上述太阳敏感器确定太阳矢量的方法。

设通光孔108上沿正方形边长为a，通光孔108深度为h，通光孔108中心点到太阳电池104上表面的距离为H；

以上述分割点为原点，太阳电池104上表面所在的平面为X-Y平面，分割点指向通光孔108中心点的方向为Z轴方向建立空间直角坐标系，使得感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4的上表面分别处于X-Y平面的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，设太阳矢量（逆光向）与X、Y、Z轴的夹角分别为α、β、γ；

利用太阳光透过通光孔108照射太阳电池104，太阳电池104的四块感光区块分别产生电荷，电荷通过线路1、线路2、线路3和4形成电流，电流大小分别为i₁、i₂、i₃和i₄，处理器106对电流进行处理。通过如下算法计算出在上述坐标系下的太阳矢量：

其中，

在上述表达式中，x、y由如下表达式确定：

需要说明的是，上述算法的限制条件包括：

通光孔108上沿正方形的内部被太阳光均匀布满；

太阳光在太阳电池104的四块感光区块均有照射；

通过通孔108的太阳光均入射到太阳电池上表面，不超出太阳电池104的边缘。

如下对太阳矢量的计算方法做详细说明。

参见图3所示的太阳电池受光示意图，光阑通光孔AC'为正四棱柱，设中心为点O。太阳电池感光面α以点P为中心分割成的四块全等的正方形区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，直线OP为电池感光面α和光阑通光孔上表面AC、下表面AC'的公共法线。设AB=AD=a，OP=H,AA'=h，平行光通过光阑入射，在太阳电池面上形成的光斑大小由a、H、h确定。

一束平行光以如图3所示方向入射，使得Ⅰ区域的受光面积最大。设点A、点C'在太阳电池感光面的投影分别为点A"、点，则太阳电池的受光部分为图中以为对角线的矩形区域。这个区域是正方形区域和正方形区域的交叠部分，其中正方形和正方形分别为光阑上、下表面沿太阳矢量方向在太阳电池感光面上的投影。

建立直角坐标系：OX、OY轴分别与AB、AD平行，OZ与OX、OY成右手系。α、β、γ分别为太阳矢量和OX、OY、OZ所成的角。则太阳矢量（逆光向）可表示为：

为得到，我们先计算光阑厚度对光斑的影响。图4表示一个没有盖的盒子，各面均不透光，盒子内部形状为高度H的正六面体，平行光束以方向入射，盒子底面一般不能全被光线照射到，而是形成图4中所示的阴影。光阑的情况与此类似。

如图5所示，正方形、分别为光阑上、下表面沿方向在太阳电池面的投影，左下角L形状的阴影表示光阑侧壁对下表面透光的阻挡而形成的阴影，右上角倒L形状的阴影表示光阑侧壁对上表面透光的阻挡而形成的阴影，两块阴影全等。平行光通过光阑在底面形成的光斑为图5中的矩形。经过光阑中心，作平行于光阑上、下表面的截面（中截面）。作光阑中截面沿方向在太阳电池面的投影，如图5中正方形为所示，设中截面中心O沿方向在太阳电池面的投影为点O'。易知矩形的中心也为点O'。

在太阳电池感光面上建立平面直角坐标系，坐标系原点选为电池感光面中心P，如图5所示。设O'坐标为{x,y,0}。在太阳电池正常工作情况下，如果Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区域输出电流分别为i₁、i₂、i₃和i₄，则各区域有效的感光面积分别为ki₁、ki₂、ki₃和ki₄，其中k为比例常数，对计算结果没有影响。因此各区域面积比与输出电流比值相等。由几何关系可以得到：

将(2)、(3)带入(1)，得到

可以合并为一个计算式：

类似得，可以得到y的计算式：

将x，y代入太阳矢量方向余弦计算公式：

即可得到太阳矢量。

应先期对a、H、h作精确测量。实际使用中，首先应根据输出电流i₁、i₂、i₃和i₄的大小，判断太阳电池片四个区域是否工作正常，如果工作正常，即利用i₁、i₂、i₃和i₄计算太阳矢量。

下面对各类可能的误差做出分析，以便本领域技术人员根据相关结论，控制加工和安装精度。

设定卫星使用的模拟太阳敏感器主要几何参数为：＝10mm，＝3.465mm，=0.2mm。下面分析仪器加工误差对结果的影响。考虑到数据的可读性，分析中主要给出三个方向余弦角、、的误差。

【一】首先考虑忽略h的可能性。令h=0，，用（4）式计算所得的角度值 与实际值的差别如表1所示（单位为度）。可见带来的误差比较大，h在计算式中不能忽略。在传统的算法中，将光阑壁厚加工成很薄，在算法中不考虑厚道h带来的影响，而在本算法中，h的取值范围可大幅扩大二不对结果造成影响，这样对光阑的材料加工要求可以降低。

【二】仪器加工（测量）误差对结果的影响。

（1）a、H和h加工（测量）精度。

为简化分析，令y=0，则有＝，＝，令＝t，则

用表示a没有误差时通过方向余弦式式计算得到的方向余弦角，表示a长度增加0.005mm时计算所得的方向余弦角，表示a长度减少0.005mm时计算所得的方向余弦角。表2中对相应数据作出对比，表中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分别表示对应的，，，，。

对H的分析与对a的分析类似：用表示H没有误差时通过公式计算得到的方向余弦角，表示H长度增加0.01mm时计算所得的方向余弦角，表示H长度减少0.01mm时计算所得的方向余弦角。表3中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分别表示对应的，，，，（单位为度）。

同样列出对h的数据分析：用表示h没有误差时通过公式计算得到的方向余弦角， 表示h长度增加0.02mm时计算所得的方向余弦角， 表示h长度减少0.02mm时计算所得的方向余弦角。表4中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分别表示对应的，，，，。

（2）电池面偏转。

固定Ｐ点，太阳电池面可能绕ｘ轴、ｙ轴或ｚ轴旋转。

对于绕ｘ轴、ｙ轴分别旋转，如图5所示二维示意图，太阳电池片从偏向，此时△∽△，/=/，偏转对结果没有影响。而如果两种旋转均存在，太阳电池四块感光区域受光面积之间的比例关系在太阳电池精确安装和有绕点的偏转两种情形下均对应相等，可见，在保证点位置正确的前提下，电池面绕ｘ轴，ｙ轴偏转对结论没有影响。

太阳电池绕ｚ轴旋转，将对结果产生一定的影响。设旋转角度为，由于此角度很小时，测量结果可近似认为是理论值旋转角而得到。旋转矩阵为：

实际测量结果与理论结果的关系为

对于，可得到误差数据如表5、表6示。

（3）P点偏移。

如前面定义，太阳电池中心为P。则P点偏移等效于坐标原点平移，设偏移量为r，偏移方向角为，根据（4）、（5）、（6）式，可得

假设偏移范围为r=0.01mm的圆。对于y=0，取不同的，可得出下所示的测量值与真实值的误差如表7、表8、表9所示。

【三】安装误差。

下面粗略地分析不同的的安装精度可能带来的最大测量角度误差。

设太阳敏感器精确的安装坐标系为，而实际安装有误差，所得安装轴、、分别偏离、、轴 、、角度， 构成坐标系为。坐标系绕过点的某一轴线（欧拉轴）旋转一定角度就可以转换到坐标系，如图7所示。

旋转角与、、存在下面的代数关系：

由于、、都很小，上式可近似为：

太阳敏感器是在坐标系中对矢量进行定量，定量所得的矢量值可以通过绕欧拉轴旋转角而得到真实的矢量值。在实际中，这一旋转角就是测角误差值的上确界。

对于，有=0.2449°。

【四】太阳角产生的影响。

以上分析都是基于太阳光线为平行光的假设，实际的太阳光线有一定张角，太阳电池的受光面积会稍大于平行光入射时的受光面积，如图8、图9所示。

图9中阴影部分表示受光面积增大的部分。下面只作粗略分析，假设光线照射到的位置光强均相等。对于一种特殊情形，设太阳中心与点O连线在yz平面内，则光斑关于x轴对称。设平行光从与yz平面平行且与z轴夹角为的方向入射，则x轴受光部分为线段，而对于主光轴与此平行光平行、张角为的太阳光，x轴的受光部分将变为线段（参见图8）。则

矩形光斑中心横坐标x的变化量为：

一般情况下，对于不同的角，可以得出对应的x，以及，求出后再逆推出。

可见，在这种情况下，太阳角带来的误差可以忽略。

【五】太阳电池增加防护玻片。

为减少空间粒子辐射对太阳电池片的影响，结构设计中增加了太阳电池的防护玻片，如图10所示。这时光路会发生偏移。对于玻片厚度为0.4mm、材料折射率为1.51的设计，用上文所述的计算公式计算将产生很大误差。

如图11所示，设平行光照射，经过光阑中心点O的光线经过玻璃片折射在太阳电池面形成点。如果没有玻片存在，则形成点。设实际光线与z轴夹角为，过O点光线在玻璃片上表面的的入射点为A，入射角，折射角为，公式计算所得光线与z轴夹角为。

由折射定律可得：

由几何关系可得：

表11列出了光线与z轴夹角的算法误差。

可见增加防护玻璃片后仍沿用正文中的计算方法计算太阳矢量将产生很大的算法误差。因此必须找到新的计算方法，或者调整机械设计。

一种有效的改进机械结构的方法是将玻片放置在光阑以外，如图12所示。在玻片足够平整的情况下，太阳矢量的算法不变。

对计算方法的调整也是可行的。为简化分析，下面用方位角和余仰角的信息表示太阳矢量，其中余仰角为太阳矢量和PZ轴的夹角(参见图11中的)，方位角为太阳矢量在PXY平面内投影和PX轴所成的角(参见参见图5中的）。

在图11中，点的坐标仍可沿用原公式计算。令=，利用下面的关系式

得到矢量的余仰角和方位角。

太阳矢量精确的余仰角、方位角关系如下：

一般情况下代入，关系式均化为超越方程，虽有唯一的与对应，但无法求出的解析式。可行的方法是用曲线拟合。

在0°~56°范围内，每隔0.005°取一个值，可计算出每个值对应的，再利用多项式拟合方法求出与的近似对应关系。经过计算，若为一次函数，即可使拟合偏差在为0°~30°内小于0.080°，在为0°~56°内小于0.172°；为二次函数可使拟合偏差在为0°~30°时小于0.035°，在为0°~56°时小于0.056°。

一次函数拟合公式为

=1.03464445365626+0.07906077767130

二次函数拟合公式为

=-0.00023387578414+1.04729824718707-0.03499128891733

拟合误差如图13、图14所示。

通过本文上述分析可知，在太阳敏感器没有安装太阳电池防护玻片时，测量误差的主要来源为安装矩阵误差、H的误差以及P点的偏移。除去安装误差以外，其他误差可控制在。

增加安装玻片后，同样可以得到比较精确的结果。计算方法为：

(1)首先计算光阑中心点在太阳电池面投影点的x、y坐标：

(2)根据坐标值求出太阳矢量方位角、虚余仰角：

(3)根据虚余仰角计算余仰角。如利用二阶拟合公式，则有

=-0.0002339+1.0473-0.035

余仰角和太阳矢量与PZ轴方向余弦角实际为同一个角度，故用同一字母标示。

(4)根据、的数值计算太阳矢量方向余弦式：

(5)安装测试时，转台转角a、b可通过如下方式计算：

转台初始方位坐标系为，太阳矢量方向沿转台轴。试验中，太阳矢量方向保持固定，转台转动步骤为：先绕轴顺时针转动角度，此时、轴分别转到、；再绕轴逆时针转动角度，此时、轴分别转到、。即转台方位坐标系转到，而太阳矢量仍沿方向。由几何关系得到

因此

。

综上，本文件公开了更为精确的太阳矢量计算方法，采用这种方法可以避免传统计算方法对光阑边缘厚度的限制，得到较精确的结果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，但显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种太阳敏感器,其特征在于，包括光阑、基体、电池基座、太阳电池、导引线路和处理器，其中：

光阑与基体结合成一体，形成一个腔体；

光阑的通光孔为正四棱柱型通孔，通孔上下沿均为正方形；

基体位于腔体内的表面固定电池基座，太阳电池安装在电池基座上，太阳电池上表面平整，且上表面正对通光孔，用于接收太阳光；

太阳电池上表面所在的平面与通光孔上下沿所在的两个平面均平行；

太阳电池上表面所在的平面的一条法线经过通光孔的中心点，定为中心法线，中心法线与太阳电池上表面的交点定为分割点；

以经过中心法线且分别平行于通光孔两个垂直侧面的两个平面将太阳电池分成四块相互绝缘的感光区块，以逆时针方向分别标号为感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4；

感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4分别与导引线路105的线路1、线路2、线路3、线路4相连；

导引线路穿过基体的通孔，输出电流到处理器，处理器内含运算电路或器件，可处理电流信号，最终的结果可传输到星载计算机。

2.一种利用太阳敏感器确定太阳矢量的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的太阳敏感器:

设通光孔上沿正方形边长为a，通光孔深度为h，通光孔中心点到太阳电池上表面的距离为H；

以所述分割点为原点，太阳电池上表面所在的平面为X-Y平面，分割点指向通光孔中心点的方向为Z轴方向建立空间直角坐标系，使得感光区块1、感光区块2、感光区块3、感光区块4的上表面分别处于X-Y平面的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限；

利用太阳光透过通光孔照射太阳电池，太阳电池的四块感光区块分别产生电荷，电荷通过线路1、线路2、线路3和4形成电流，电流大小分别为i₁、i₂、i₃和i₄,，处理器对电流进行处理，通过如下算法计算出在上述坐标系下的太阳矢量：

其中，

在上述表达式中，x、y由如下表达式确定：

。