CN117387560B - 数字太阳敏感器及误差标定方法、太阳方位角的获取方法 - Google Patents

Abstract

数字太阳敏感器及误差标定方法、太阳方位角的获取方法,涉及卫星技术领域。解决现有数字太阳敏感器采用数字信号处理DSP带来的抗空间环境能力差、功耗高、数据更新率低和外围电路复杂的问题。数字太阳敏感器包括集成光学系统、质心采集电路和信号处理电路；集成光学系统用于收集太阳光线衍射的衍射斑能量；质心采集电路用于将接收到的衍射斑能量光电转换为四路电流信号；还用于将四路电压信号进行放大处理，并发送给信号处理电路；信号处理电路用于将接收到的四路电压信号进行处理计算，获得太阳光斑的质心和太阳矢量角度。本发明适用于商业航天领域微小卫星的姿态控制系统的姿态敏感部件技术领域。

Description

数字太阳敏感器及误差标定方法、太阳方位角的获取方法

技术领域

本发明涉及卫星技术领域。

背景技术

数字太阳敏作为卫星系统中的敏感部件，其可靠性和精度对整个卫星的性能具有直接影响，因此需要选择高可靠性、高精度、抗空间环境的控制器件。

但是现有数字太阳敏感器中的数字信号处理DSP或微控制器程序在静态随机存取存储器SRAM中运行会存在抗空间环境能力差、功耗高、数据更新率低、外围电路复杂。且且航天级数字信号处理DSP成本高，使整个太阳敏系统增加了功耗和成本。

发明内容

本发明解决现有数字太阳敏感器采用数字信号处理DSP带来的抗空间环境能力差、功耗高、数据更新率低和外围电路复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器，所述数字太阳敏感器包括集成光学系统、质心采集电路和信号处理电路；

所述集成光学系统包括光掩膜板和光敏位置传感器；

所述质心采集电路包括信号获取电路、信号转换电路；

所述光掩膜板用于将太阳光线衍射给所述光敏位置传感器；

所述光敏位置传感器用于收集衍射斑能量，并将所述衍射斑能量发送给所述信号获取电路；

所述信号获取电路用于将接收到的衍射斑能量光电转换为四路电流信号，并发送给所述信号转换电路；

所述信号转换电路用于将接收到的四路电流信号转换为四路电压信号，还用于将四路电压信号进行放大处理，并发送给所述信号处理电路；

所述信号处理电路用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，还用于将所述数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心和太阳矢量角度，还用于将所述太阳矢量角度发送给外部模块。

进一步，还有一种优选实施例，上述光掩膜板上设有小孔；所述小孔直径为0.1mm；

所述光掩膜板的厚度为0.0577mm。

进一步，还有一种优选实施例，上述信号转换电路包括运放处理电路；

所述运放处理电路用于将四路电压信号进行放大处理。

进一步，还有一种优选实施例，上述信号处理电路包括MCU电路和RS422通信接口电路；

所述MCU电路包括AD转换控制器、通信控制器和MCU控制器；

所述AD转换控制器用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，并发送给所述MCU控制器；

所述MCU控制器用于将接收到的数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心，并发送给所述通信控制器；

所述通信控制器用于与所述AD转换控制器数据交互，还用于将接收到的数据信息发送给所述RS422通信接口电路。

进一步地，还有一种优选实施例，上述数字太阳敏感器还包括电源电路；

所述电源电路用于为所述光敏位置传感器、质心采集电路、MCU电路和RS422通信接口口电路提供工作电源。

进一步地，还有一种优选实施例，上述数字太阳敏感器还包括电路盒和镜片盖；

所述光掩膜板通过所述镜片盖固定在所述电路盒上；

所述光敏位置传感器、质心采集电路和信号处理电路均设置在所述电路盒内，且所述光敏位置传感器的接收端与光掩膜板上的小孔相对应。

本发明还提供太阳方位角的获取方法，所述获取方法嵌入在上述任意一项所述的信号处理电路中，所述获取方法为：

A1、获取光敏位置传感器的有效光敏面长度L和光敏位置传感器上光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、/>；

A2、根据所述有效光敏面长度L和光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、/>，采用二维四边形光敏位置传感器输出电流公式计算出二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流；

A3、根据获得的光敏位置传感器四个电极输出电流，获得光斑中心的坐标F；

A4、根据所述光斑中心的坐标F分别计算出通过光心的光线在水平和垂直面内投影与坐标轴之间的夹角和/>；

A5、根据光线在水平内投影与坐标轴之间的夹角和光线在垂直面内投影与坐标轴之间的夹角/>，获得太阳的方位角矢量x和矢量y。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤A2中的二维四边形光敏位置传感器输出电流公式表示为：

；

；其中，/>、/>、/>和/>分别代表二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流。

本发明还提供数字太阳敏感器的误差标定方法，所述标定方法是基于上述任意一项所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器实现的，所述误差标定方法为：

S1、将数字太阳敏感器固定在精度二维转台上，将经纬仪安装在三脚架上，按照数字太阳敏感器、经纬仪和太阳模拟器的顺序进行摆放，同时保证太阳模拟器的出射光方向指向数字太阳敏感器；

S2、使经纬仪发出光束，调整数字太阳敏感器的位置，使得所述光束打到数字太阳敏感器的反射面上；

S3、通过经纬仪的目镜观察经反射回来的两个十字叉丝，微调数字太阳敏感器和太阳模拟器的位置直至两个十字叉丝完全重合；

S4、将经纬仪角度水平旋转180度，重复步骤S2-S3，并保证太阳模拟器与数字太阳敏感器在同一水平直线上；

S5、打开太阳模拟器对数字太阳敏感器的各项参数进行误差标定；

S6、分别定义数字太阳敏感器、精度二维转台和太阳模拟器的的坐标系；

S7、根据定义后的坐标系，确定待标定参数；

S8、根据确定后的标定参数对剩余参数进行标定，直至完成所有参数的标定。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S7中待标定参数包括光学掩膜透光孔中心在图像传感器成像面的投影点坐标、光学掩膜透光孔中心到图像传感器成像面的点坐标、光学掩膜透光孔中心到图像传感器成像面的距离、数字太阳敏感器与精度二维转台坐标系的安装矩阵和精度二维转台绕水平转轴和竖直转轴的角度。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器，采用集成光学系统收集太阳光线的衍射斑能量，采用质心采集电路对衍射斑能量进行A/D转换后进行放大处理，采用信号处理电路对放大处理的信号进行计算，获得太阳光斑的质心和太阳矢量角度；实现了商业微小卫星的姿轨系统的小型化、轻量化、低功耗化和极低成本化，并具有高精度和高兼容性，解决现有数字太阳敏感器采用数字信号处理DSP带来的抗空间环境能力差、功耗高、数据更新率低和外围电路复杂的问题。

2. 本发明提供的太阳方位角的获取方法，通过计算光斑质心的位置来准确确定光线的入射角度，从而实现系统的精准定位和导航。

3、本发明提供的数字太阳敏感器的误差标定方法，通过校正安装误差和系统误差，减小测量结果与真实值之间的偏差，从而提高太阳方位角的准确性。其次，误差标定方法能够增强系统的可靠性，通过降低误差对测量结果的影响，提高系统的稳定性和可靠性。此外，误差标定方法具有较强的适应性，可以适应不同环境和工况下的误差情况，通过多次标定和校正，使系统具有更好的适应性和准确性。

本发明适用于商业航天领域微小卫星的姿态控制系统的姿态敏感部件，还适用于军事、航空、航海和空间探测等领域。

附图说明

图1是实施方式一、四所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器的电气原理图；

图2是实施方式二所述的S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.4mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图；

图3是实施方式二所述的S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.2mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图；

图4是实施方式二所述的S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.12mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图；

图5是实施方式二所述的S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.1mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图；

图6是实施方式三所述的运放处理电路的电气原理图；

图7是实施方式四所述的数字太阳敏感器的信号流向图；

图8是实施方式四所述的RS422通信接口电路的电气原理图；

图9是实施方式四所述的MCU电路的电气原理图；

图10是实施方式五所述的数字太阳敏感器的模数隔离电气原理图；

图11是实施方式六所述的数字太阳敏感器的结构示意图；

图12是实施方式六所述的镜片盖的立体结构图；

图13是实施方式六所述的电路盒的立体结构图；

图14是实施方式六所述的盖板的立体结构图；

图15是实施方式七所述的MCU电路的运行流程图；

图16是实施方式九所述的标定设备校准示意图；

图17是实施方式九所述的对准前经纬仪目镜图像示意图；

图18是实施方式九所述的对准后经纬仪目镜图像示意图；

图19是实施方式九所述的数字太阳敏感器标定示意图；

图20是实施方式九所述的太阳角误差曲线图；

其中，1-盖板，2-电路盒，3-镜片盖，4-数字太阳敏感器，5-精度二维转台，6-经纬仪，7-三脚架，8-太阳模拟器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施方式一. 参见图1说明本实施方式，本实施方式提供用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器，所述数字太阳敏感器包括集成光学系统、质心采集电路和信号处理电路；

所述集成光学系统包括光掩膜板和光敏位置传感器；

所述质心采集电路包括信号获取电路、信号转换电路；

所述光掩膜板用于将太阳光线衍射给所述光敏位置传感器；

所述光敏位置传感器用于收集衍射斑能量，并将所述衍射斑能量发送给所述信号获取电路；

所述信号获取电路用于将接收到的衍射斑能量光电转换为四路电流信号，并发送给所述信号转换电路；

所述信号转换电路用于将接收到的四路电流信号转换为四路电压信号，还用于将四路电压信号进行放大处理，并发送给所述信号处理电路；

所述信号处理电路用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，还用于将所述数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心和太阳矢量角度，还用于将所述太阳矢量角度发送给外部模块。

本实施方式在实际应用时，如图1所示，采用光掩膜板与光敏位置传感器组成集成光学系统，其中，光敏位置传感器采用PSD探测器实现。太阳光线穿透光掩模板中心的透光圆孔后发生菲涅尔衍射，PSD探测器对衍射斑能量进行收集，通过计算光斑质心在PSD探测器的位置可计算太阳光线的入射倾角，从而确定姿态。质心采集电路由信号获取电路和信号转换电路组成，主要功能包括两个步骤：第一，通过PSD探测器完成对通过光掩模板中心的透光圆孔太阳光斑的光电转换，输出电流值；第二，完成电流到电压的转换。由于PSD探测器集成度较好，输入只需要一个电源引脚，其他为四个方位电流信号，方便实现了对目标感兴趣区域，即，太阳出现区域的感应。PSD探测器输出光电流为后续信号转换电路提供输入。如图1所示，数字太阳敏感器具备的主要功能包括：通信接口：1路422 ，1个起始位、8个数据位、1个停止位、无奇偶校验位，波特率57600，用于与上位机进行通讯。太阳光斑质心提取：利用太阳投影的光斑所产生的电流进行采集与处理，计算出光斑质心坐标。质心转换功能：利用光斑质心坐标求出太阳矢量角度。数字太阳敏感器的集成光学成像系统具有较高的测量精确性，通过PSD探测器上的信号处理，能提供可靠而精准的测量结果。它还表现出较强的抗干扰性，对于外部光线干扰相对较小，保证了系统的稳定性和可靠性。另外，数字太阳敏感器的集成光学成像系统的工作原理简单，不依赖其他传感器或设备，能够在较低的能耗下完成任务。数字太阳敏感器的光学成像主要基于小孔成像原理，在太阳的辐射能量满足探测器采样需求的前提下，通过约束通光孔径尺寸以保障系统精度，数字太阳敏感器的集成光学系统主要由光掩模板和PSD探测器组成，太阳光线穿透光掩模板中心后发生菲涅尔衍射，光电探测器对衍射斑能量进行收集，通过计算光斑质心在探测器的位置可计算光线入射倾角，从而确定姿态。

实施方式二. 参见图2至图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器中的光掩膜板作举例说明，所述光掩膜板上设有小孔；

所述小孔直径为0.1mm；

所述光掩膜板的厚度为0.0577mm。

本实施方式在实际应用时，在太阳的辐射能量满足PSD探测器采样需求的前提下，通过约束光掩膜板的通光孔径尺寸以保障系统精度。根据小孔衍射光斑直径越小，姿态测量精度越高，小孔在像面衍射光斑直径小于0.2mm时可以满足姿态测量精度需求。但是，衍射光斑直径过小时，入射的光能量较低，探测器输出信号信噪比较差，影响测量。因此，小孔直径应使衍射光斑直径为0.2mm左右。因此，需要确定的系统参数主要有：小孔直径、成像工作距离以及掩模板厚度。

小孔直径与探测器距离H、探测器像面尺寸以及半视场角a的关系如下：

H=(L/2)/tan(a)=L/3.464；（1）

光掩模板厚度Z与小孔直径d关系如下：

Z＜d/tan(a)=d/1.732；（2）

采用探测器型谱为S5990-01 PSD探测器，像面尺寸3.2mm，系统有效半视场角为60°，计算得到，S5990-01探测器掩模板与探测器距离为0.9238mm。

仿真得到不同直径的小孔以及不同太阳光线入射倾角衍射光能量分布。当S5990-01 PSD探测器，掩模板与探测器距离为0.9238mm；S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.4mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图，如图2所示；S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.2mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图，如图3所示；S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.12mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图，如图4所示；S5990-01 PSD探测器在光掩模板小孔直径为0.1mm时探测太阳光线入射倾角衍射光能量分布图，如图5所示。根据上述仿真结果可知，小孔直径越小，衍射光斑直径越小，同时随着太阳光线入射倾角增大，衍射光斑由圆形弥散成椭圆形且直径增大，因此，应以60°入射光线衍射光斑直径作为边界条件。

当小孔直径为0.12mm时，60°入射倾角衍射光斑最大直径为0.2mm，考虑到实际加工误差，实际加工小孔直径应略小于0.12mm，因此设定小孔直径为0.1mm，此时衍射光斑直径为0.12mm~0.18mm，满足要求。计算可得到掩模板厚度应小于0.1mm/tan（60°）=0.0577mm。应用时，选择小孔与探测器距离为2.3094mm的S5991-01 PSD探测器作为传感器芯片。

实施方式三. 参见图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器中的信号转换电路作举例说明，所述信号转换电路包括运放处理电路；

所述运放处理电路用于将四路电压信号进行放大处理。

本实施方式在实际应用时，如图6所示，通过利用运放处理电路将采集到的四路电流信号进行放大处理。

实施方式四. 参见图1、图7至图9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器中的信号处理电路作举例说明，所述信号处理电路包括MCU电路和RS422通信接口电路；

所述MCU电路包括AD转换控制器、通信控制器和MCU控制器；

所述AD转换控制器用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，并发送给所述MCU控制器；

所述MCU控制器用于将接收到的数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心，并发送给所述通信控制器；

所述通信控制器用于与所述AD转换控制器数据交互，还用于将接收到的数据信息发送给所述RS422通信接口电路。

本实施方式在实际应用时，如图1所示，信号处理电路包括MCU电路和RS422通信接口电路；其中，MCU电路包括AD转换控制器、通信控制器和MCU控制器；AD转换控制器用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，并发送给所述MCU控制器；所述MCU控制器用于将接收到的数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心，并发送给所述通信控制器；所述通信控制器用于与所述AD转换控制器数据交互，还用于将接收到的数据信息发送给所述RS422通信接口电路。其中，MCU控制器采用C8051F502单片机实现，如图7所示，数字太阳敏感器采用整星+5V供电，在轨常开机。设备内部芯片全部为5V供电。光信号经光电采集后输入至运放电路中，运放电路将接收的4路模拟信号放大处理后输入至C8051F502单片机中，然后通过RS422通信接口输出给上位机；其中，C8051F502单片机还带有复位芯片和温度采集，所述复位芯片用于对C8051F502单片机进行复位处理，所述温度采集用于对C8051F502单片机进行温度采集，防止温度过高造成损坏。如图8所示，数字太阳敏感器通过RS422通信接口电路接收和发送遥控和遥测数据，RS422通信接口电路采用MAX491芯片设计，RS422通信波特率为57600bps。如图9所示，MCU电路是数字太阳敏感器的控制与运算核心，在MCU电路的控制下，完成对PSD探测器的电压信号量采集、RS422通信控制、读取经过计算的质心坐标数据的功能；MCU电路接收到PSD探测器输出的四个电压数据后进行AD转换并等待质心算法函数的调用，经过计算后确定太阳光斑的质心。同时，MCU电路作为与姿态控制系统通信的RS422通信控制器，接受姿态控制系统命令与参数，返回太阳矢量角。MCU电路主要完成以下几个步骤：步骤1：PSD探测器电压信号量采集：在数字太阳敏感器中，PSD探测器输出电流信号，经过信号转换电路变成四路电压信号，进入MCU电路的AD（12bit）转换模块。步骤2：AD转换控制器：MCU把四路电压进行进行AD转换，并存入AD缓冲区内部寄存器里，等待算法函数进行调用。步骤3：数据缓存：将采集并转换后的数据缓存至MCU电路内部的ADC0H和ADCOL存储缓冲区，以便后续太阳光斑像的“质心”提取。步骤4：“质心”提取：根据太阳光斑质心定位算法，完成质心的有效提取。步骤5：RS422通信控制：实现与搭载RS422通信控制、完成数据交换。

实施方式五. 参见图10说明本实施方式，本实施方式是在实施方式四所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器的基础上增加电源电路；

所述数字太阳敏感器还包括电源电路；

所述电源电路用于为所述光敏位置传感器、质心采集电路、MCU电路和RS422通信接口口电路提供工作电源。

本实施方式在实际应用时，如图10所示，数字太阳敏感器电路中含有模拟电路和数字电路，为保证模拟电路采集数据准确，需要进行有效的数模隔离，因此，将模拟电路和数字电路进行电源隔离和地隔离，即，将模拟地与数字地之间采用磁珠进行分割。

实施方式六. 参见图11说明本实施方式，本实施方式是在实施方式五所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器的基础上增加电路盒2和镜片盖3；

所述光掩膜板通过所述镜片盖3固定在所述电路盒2上；

所述光敏位置传感器、质心采集电路和信号处理电路均设置在所述电路盒2内，且所述光敏位置传感器的接收端与光掩膜板上的小孔相对应。

本实施方式在实际应用时，增加镜片盖3、电路盒2和盖板1；如图12、图13和图14所示，电路盒2用于容纳带有光敏位置传感器、质心采集电路和信号处理电路的PCB电路板，其中，各PCB电路板采用4层电路板结构，其中第一层及第四层为信号层，第二层电路板为地层，第三层电路板为电源层，光敏位置传感器焊接在顶层中心。PCB侧边预留通孔飞线后焊接相应接插件，用于与上位机进行RS422通信及下载C8051单片机程序。各PCB电路板固定在电路盒2内，如图11所示，盖板1通过钛合金螺钉与电路盒2固定连接。电路盒2顶部设有两个用于与镜片盖3固定连接的螺纹孔，镜片盖3通过钛合金螺钉与电路盒2固定连接。镜片盖3用于固定光掩膜板。

实施方式七. 参见图15说明本实施方式，本实施方式提供太阳方位角的获取方法，所述获取方法嵌入在实施方式一至实施方式六任意一项所述的信号处理电路中，所述获取方法为：

A1、获取光敏位置传感器的有效光敏面长度L和光敏位置传感器上光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、/>；

A2、根据所述有效光敏面长度L和光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、/>，采用二维四边形光敏位置传感器输出电流公式计算出二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流；

A3、根据获得的光敏位置传感器四个电极输出电流，获得光斑中心的坐标F；

A4、根据所述光斑中心的坐标F分别计算出通过光心的光线在水平和垂直面内投影与坐标轴之间的夹角和/>；

A5、根据光线在水平内投影与坐标轴之间的夹角和光线在垂直面内投影与坐标轴之间的夹角/>，获得太阳的方位角矢量x和矢量y。

本实施方式在实际应用时，根据MCU电路功能模块的划分，主要分为四部分功能模块，如图15所示，初始化模块、光电流传输模块、质心计算模块、角度和坐标计算及输出模块和RS422通讯模块。根据MCU电路的运行，实现太阳方位角的获取，具体为：

步骤1：初始化模块主要是对寄存器赋初值。寄存器包括系统时钟配置寄存器，IO口功能寄存器，AD采集配置寄存器，串口配置寄存器，中断寄存器以及其他寄存器等。

步骤2：由于PSD探测器四个电极输出电流微弱。输出电流信号的调理电路有I/V转换电路和电压放大电路两个部分，当电压信号进入到MCU，对四个电压值通过质心算法的计算，然后把结果存储到指定的寄存器中，供后续计算矢量角度提供条件。

步骤3：二维四边形PSD有效光敏面长度L，PSD上光斑中心距PSD器件的集合中心距离（x，y）；根据二维四边形PSD输出电流公式测量四边形PSD四个电极输出电流，进而计算出光斑中心的坐标F（x，y），通过光心得光线在水平和垂直面内投影与坐标轴之间夹角，h为光掩膜板到光敏位置传感器的距离，获得太阳的方位角矢量x和矢量y。

其中，太阳的方位角矢量x为：；（3）

太阳的方位角矢量y为：。（4）

步骤4：调用内部RS422通讯模块，将得到的矢量x和矢量y发送至上位机。

本实施方式提供的太阳方位角的获取方法，通过计算光斑质心的位置来准确确定光线的入射角度，从而实现系统的精准定位和导航。通过计算光斑质心的位置来准确确定光线的入射角度，从而实现系统的精准定位和导航。其次，数字太阳敏感器的集成光学系统能够实时获取太阳方位角信息，快速响应太阳方向的变化。此外，数字太阳敏感器的集成光学成像系统具有较高的测量精确性，通过对光敏位置传感器上的信号处理，能提供可靠而精准的测量结果。它还表现出较强的抗干扰性，对于外部光线干扰相对较小，保证了系统的稳定性和可靠性。另外，数字太阳敏感器的集成光学成像系统的工作原理简单，不依赖其他传感器或设备，能够在较低的能耗下完成任务。数字太阳敏感器的光学成像主要基于小孔成像原理，在太阳的辐射能量满足探测器采样需求的前提下，通过约束通光孔径尺寸以保障系统精度，数字太阳敏感器主要由光掩模板和光电探测器组成，太阳光线穿透光掩模板中心后发生菲涅尔衍射，光电探测器对衍射斑能量进行收集，通过计算光斑质心在光敏位置传感器的位置可计算光线入射倾角，从而确定姿态。

实施方式八. 本实施方式是对实施方式七所述的太阳方位角的获取方法中步骤A2的二维四边形光敏位置传感器输出电流公式作举例说明，所述二维四边形光敏位置传感器输出电流公式表示为：

；（5）

；（6）

其中，、/>、/>和/>分别代表二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流。

实施方式九. 参见图16至图19说明本实施方式，本实施方式提供数字太阳敏感器的误差标定方法，所述标定方法是基于实施方式一至实施方式六任意一项所述的用于商业微小卫星的低成本数字太阳敏感器实现的，所述误差标定方法为：

S1、将数字太阳敏感器4固定在精度二维转台5上，将经纬仪6安装在三脚架7上，按照数字太阳敏感器4、经纬仪6和太阳模拟器8的顺序进行摆放，同时保证太阳模拟器8的出射光方向指向数字太阳敏感器4；

S2、使经纬仪6发出光束，调整数字太阳敏感器4的位置，使得所述光束打到数字太阳敏感器4的反射面上；

S3、通过经纬仪6的目镜观察经反射回来的两个十字叉丝，微调数字太阳敏感器4和太阳模拟器8的位置直至两个十字叉丝完全重合；

S4、将经纬仪6的角度水平旋转180度，重复步骤S2-S3，并保证太阳模拟器8与数字太阳敏感器4在同一水平直线上；

S5、打开太阳模拟器8对数字太阳敏感器4的各项参数进行误差标定；

S6、分别定义数字太阳敏感器4、精度二维转台5和太阳模拟器8的的坐标系；

S7、根据定义后的坐标系，确定待标定参数；

S8、根据确定后的标定参数对剩余参数进行标定，直至完成所有参数的标定。

本实施方式在实际应用时，数字太阳敏感器4安装测试后需进行误差标定。

步骤1：对标定设备进行校准，如图16所示，将数字太阳敏感器4借助机械工装安装在高精度二维转台5上，将经纬仪6安装在三脚架7上，并按照数字太阳敏感器4→经纬仪6→太阳模拟器8的顺序排列。同时太阳模拟器8出射光方向指向数字太阳敏感器4。

步骤2：使经纬仪6发出一束光，调整数字太阳敏感器4的位置，使光束打到数字太阳敏感器4的反射面上。

步骤3：通过经纬仪6的目镜可观察经反射回来的两个十字叉丝，如图17所示。

微调数字太阳敏感器4和太阳模拟器8的位置直至两个叉丝完全重合，如图18所示。

步骤4：将经纬仪6的角度水平旋转180°，重复步骤2-3。此时保证太阳模拟器8与数字太阳敏感器4在同一水平直线上，可进行误差标定，如图19所示。打开太阳模拟器8，基于非线性最小二乘原理对数字太阳敏感器4的各项参数进行标定。

设非线性模型为F(Zi,x)，x=(x1,x2,…,xn)T表示非线性模型中估计参数，z=(z1,z2,…,zP)T为自变量，y为因变量，Zi,Yi为观测值，i=1,2,…,m。则：

ri(x)=yi-F(zi,x),i=1,2,…,m(m≥n)；（7）

高斯—牛顿法从n个参数x1,x2…,xn的初始值开始,用b1(0),b2(0),…,bn(0)表示这些初始值,参数中的上标表示重复的次数,也可以是理论上的推测值,一旦求出初始值，对第i个观察值得到非线性模型的近似式。

；（8）

用矩阵表示这种近似模型有：

；（9）

其中，A(0)(x)为函数F(Zi,x)在x=b(0)处的雅克比矩阵。

，/>；

近似模型是一般线性模型的形式，所以用线性最小二乘法可以估计出参数向量β（0），从而得到非线性回归系数q(0)，即

；（10）

用q(0)求得修正的估计回归系数：

bk(0)=bk(1)+qk(0)；（11）

将bk(1)作为新的初始值，重复上述过程，知道相继的系数估计值之差b(s-1)-b(s)和相继的最小二乘判别式之差r(s-1)-r(s)可以忽略为止。这时用x表示最后的回归系数估计值。

对数字太阳敏感器进行标定时，需要使用的标定模型公式如公式12至公式11所示。其中，xi、yi是实测得到的投影点坐标，x0、y0是主点的理论值，、/>是计算根据实测数据计算得到的太阳角，/>是光学掩膜透光孔中心到图像传感器成像面的距离，/>是数字太阳敏感器与精度二维转台坐标系的安装矩阵，/>是精度二维转台绕X'和Y'轴转动的角度，/>是太阳光矢量在转台坐标系下的表示。

；（12）

；（13）

；（14）

；（15）

；（16）

；（17）/>

；（18）

；（19）

步骤5：定义坐标系，数字太阳敏感器4坐标系以图像传感器成像面的行列分别为X和Y轴，像素原点为坐标原点；精度二维转台坐标系以转台水平转别为X和Y轴，像素原点为坐标原点；转台坐标系以精度二维转台水平转轴和竖直转轴分别为X'和Y'轴，两转轴交点为坐标原点，两坐标系同为右手坐标系。

步骤6：确定待标定参数，光学掩膜透光孔中心在图像传感器成像面的投影点坐标，简称主点；透光孔中心到图像传感器成像面的距离，简称点坐标；透光孔中心到图像传感器成像面的距离，简称距离；数字太阳敏感器与精度二维转台坐标系的安装矩阵；转台绕X'和Y'轴转动的角度。

步骤7：然后标定其余参数，主点坐标和距离为已经量，联立上述公式（14）和（15）对剩余参数进行标定，至此完成所有参数的标定。

步骤8：最终根据实验数据计算得到的理论与实际的太阳角利用Matlab得到太阳角和的误差曲线，如图20所示。

本实施方式提供的数字太阳敏感器的误差标定方法，可以显著提高系统的测量精度，通过校正安装误差和系统误差，减小测量结果与真实值之间的偏差，从而提高太阳方位角的准确性。其次，误差标定方法能够增强系统的可靠性，通过降低误差对测量结果的影响，提高系统的稳定性和可靠性。此外，误差标定方法具有较强的适应性，可以适应不同环境和工况下的误差情况，通过多次标定和校正，使系统具有更好的适应性和准确性。其中，校正算法通过对测量数据进行处理和分析，计算出校正参数，减小误差并提高准确性。标定装置利用精密的光学仪器和角度测量装置，与参考标准进行比较和校准，确定系统的误差并进行相应的校正。多次标定和考虑环境因素可以提高系统的适应性和稳定性。

实施方式十. 本实施方式是对实施方式九所述的数字太阳敏感器的误差标定方法中步骤S7的待标定参数作举例说明，所述待标定参数包括光学掩膜透光孔中心在图像传感器成像面的投影点坐标、光学掩膜透光孔中心到图像传感器成像面的点坐标、光学掩膜透光孔中心到图像传感器成像面的距离、数字太阳敏感器与精度二维转台坐标系的安装矩阵和精度二维转台绕水平转轴和竖直转轴的角度。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.用于商业微小卫星的数字太阳敏感器，其特征在于，所述数字太阳敏感器包括集成光学系统、质心采集电路和信号处理电路；

所述集成光学系统包括光掩膜板和光敏位置传感器；

所述光掩膜板上设有小孔；

根据公式H=(L/2)/tan(a)=L/3.464和Z<d/tan(a)=d/1.732，获得小孔直径为0.1mm，光掩膜板的厚度为0.0577mm；

其中，H为小孔直径与探测器距离，L为探测器像面尺寸，a为半场视角，d为小孔直径，Z为光掩膜板的厚度；

所述光掩膜板用于通过所述小孔将太阳光线衍射给所述光敏位置传感器；

所述光敏位置传感器用于收集衍射斑能量，并将所述衍射斑能量发送给信号获取电路；

所述质心采集电路包括信号获取电路、信号转换电路；所述信号获取电路用于将接收到的衍射斑能量光电转换为四路电流信号，并发送给所述信号转换电路；

所述信号转换电路用于将接收到的四路电流信号转换为四路电压信号，还用于将四路电压信号进行放大处理，并发送给所述信号处理电路；

所述信号处理电路用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，还用于将所述数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心和太阳矢量角度，还用于将所述太阳矢量角度发送给外部模块。

2.根据权利要求1所述的用于商业微小卫星的数字太阳敏感器，其特征在于，所述信号转换电路包括运放处理电路；

所述运放处理电路用于将四路电压信号进行放大处理。

3.根据权利要求2所述的用于商业微小卫星的数字太阳敏感器，其特征在于，所述信号处理电路包括MCU电路和RS422通信接口电路；

所述MCU电路包括AD转换控制器、通信控制器和MCU控制器；

所述AD转换控制器用于将接收到的四路电压信号转换为数字信号，并发送给所述MCU控制器；

所述MCU控制器用于将接收到的数字信号进行计算，获得太阳光斑的质心，并发送给所述通信控制器；

所述通信控制器用于与所述AD转换控制器数据交互，还用于将接收到的数据信息发送给所述RS422通信接口电路。

4.根据权利要求3所述的用于商业微小卫星的数字太阳敏感器，其特征在于，所述数字太阳敏感器还包括电源电路；

所述电源电路用于为所述光敏位置传感器、质心采集电路、MCU电路和RS422通信接口口电路提供工作电源。

5.根据权利要求4所述的用于商业微小卫星的数字太阳敏感器，其特征在于，所述数字太阳敏感器还包括电路盒（2）和镜片盖（3）；

所述光掩膜板通过所述镜片盖（3）固定在所述电路盒（2）上；

所述光敏位置传感器、质心采集电路和信号处理电路均设置在所述电路盒（2）内，且所述光敏位置传感器的接收端与光掩膜板上的小孔相对应。

6.太阳方位角的获取方法，其特征在于，所述获取方法嵌入在权利要求1-5任意一项所述的信号处理电路中，所述获取方法为：

A1、获取光敏位置传感器的有效光敏面长度L和光敏位置传感器上光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、/>；

A2、根据所述有效光敏面长度L和光斑中心距光敏位置传感器的集合中心距离、，采用二维四边形光敏位置传感器输出电流公式计算出二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流；

A3、根据获得的光敏位置传感器四个电极输出电流，获得光斑中心的坐标F；

A4、根据所述光斑中心的坐标F分别计算出通过光心的光线在水平和垂直面内投影与坐标轴之间的夹角和/>；

A5、根据光线在水平内投影与坐标轴之间的夹角和光线在垂直面内投影与坐标轴之间的夹角/>，获得太阳的方位角矢量x和矢量y。

7.根据权利要求6所述的太阳方位角的获取方法，其特征在于，所述步骤A2中的二维四边形光敏位置传感器输出电流公式表示为：

；

；

其中，、/>、/>和/>分别代表二维四边形光敏位置传感器四个电极输出电流。