RU155683U1 - Измеритель угловых координат солнца - Google Patents

Abstract

Измеритель угловых координат Солнца, содержащий корпус с посадочным местом, внутри которого размещены широкоугольный объектив, матричное фотоприёмное устройство (МФПУ), блок обработки информации и вычисления угловых координат и блок питания, отличающийся тем, что широкоугольный объектив выполнен в виде двух основных компонентов, первый из которых - отрицательный, увеличивающий угловое поле, второй - положительный, предназначенный для формирования действительного изображения, при этом корпус и МФПУ снабжены температурными датчиками, выходами подключёнными к входам соответствующих схем опроса температурных датчиков, выходы схем опроса температурных датчиков соединены с соответствующими входами блока обработки информации и вычисления угловых координат, соответствующими выходами подключённого к входам управления МФПУ, а соответствующими входами - к выходам МФПУ, через которые осуществляется вывод информации о пятне изображения Солнца на фоточувствительной плоскости МФПУ.

Description

Заявленная полезная модель относится к космической технике, а именно, к оптико-электронным приборам (ОЭП) ориентации - датчикам направления на Солнце, формирующим информацию об угловых координатах отклонения линии визирования измерителя от направления на Солнце, которые могут быть использованы в составе систем ориентации и стабилизации пространственного положения космических аппаратов (КА).

Широко известны сканирующие точные измерители угловых координат Солнца. Например, техническое решение, описанное в книге В.И. Федосеева, М.П. Колосова «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов», изд. Москва, Логос, 2007 г., стр. 192-194. Суть этого решения состоит в том, что щелевым V-образным растром осуществляется сканирование пространства, и синхронно с ним формируются точные кадровые метки угла поворота. Полученные кодовые отсчеты по известным формулам пересчитываются в углы азимута и возвышения в приборной системе координат. Прибор, построенный на основе этого принципа, содержит вращающийся оптический блок, состоящий из двух щелевых диафрагм, нанесенных на цилиндрические линзы, концентричные двум диафрагмам на оптических элементах со сферическими отражающими поверхностями. Эти элементы установлены на входе цилиндрического световода, выход которого выполнен в виде конуса и оптически совмещен с неподвижным фотоприемным устройством (ФПУ). Информация с ФПУ и датчика угла поворота поступает в электронный блок. Все вышеуказанные технические средства установлены в корпусе, снабженном посадочным местом. Прибор формирует информацию об угловом положении Солнца в приборной системе координат, связанной с его посадочной плоскостью. При этом многие функции по обработке информации выполняются программно в микропроцессорной вычислительной системе, входящей в состав прибора.

Также известен солнечный датчик, описанный в заявке FR №2116830, кл. G01C 21/00, публ. 1975 г. Согласно изобретению, датчик включает непрозрачную сферическую диафрагму с круглым отверстием, чашу в форме сферического колпачка, вогнутой поверхностью обращенной в сторону вышеуказанного отверстия, сопряженного посредством оптико-волоконных элементов с чувствительной поверхностью неподвижного ФПУ. Упомянутая чаша установлена на опоре с возможностью вращения внутри корпуса относительно его продольной оси, а ФПУ расположено со стороны выпуклой поверхности чаши и соединено с блоком обработки сигнала и блоком вычисления координат Солнца.

К недостатку указанных датчиков следует отнести применение подвижных элементов, что приводит к снижению их надежности и к технологическим сложностям при изготовлении датчиков. Несмотря на то, что сканирующие приборы достигли высокой степени совершенства, в том числе, по точности, надежности и долговечности, получение высоких значений вышеуказанных параметров сопряжено с большими трудозатратами на изготовление прецизионных оптических и механических узлов.

Известны приборы ориентации на Солнце, лишенные указанных недостатков. Это приборы ориентации статического типа, использующие в качестве фоточувствительного элемента матричные ФПУ (МФПУ) и содержащие высокопроизводительные средства цифровой обработки, формирующие выходную информацию. Примером такого статического солнечного датчика является изобретение, описанное в патенте RU №2308005, кл. G01C 21/24, публ. 10.10.2007, принятое за прототип. Этот датчик углового положения Солнца содержит широкоугольный объектив, представляющий собой входную и выходную плосковыпуклые линзы, с расположенной между ними диафрагмой, МФПУ и блок обработки информации и вычисления угловых координат, при этом в отверстии диафрагмы размещен оптический элемент, а коэффициенты преломления входной плосковыпуклой линзы n₁ оптического элемента n₂ и выходной плосковыпуклой линзы n₃ выбраны исходя из соотношения n₁<n₂<n₃. Перед матричным фотоприемным устройством установлен светофильтр, а отверстие диафрагмы размещено соосно с оптической осью в центре кривизны выходной плосковыпуклой линзы, выполненной в виде полусферы.

К недостаткам прототипа следует отнести: первое - аберрации объектива, например, кривизну поля, в результате чего форма и размер пятна рассеяния значительно меняются от центра к краю поля, что приводит к существенной неравномерности освещенности в плоскости изображения; второе - отсутствие телецентрического хода лучей, приводящее к смещению энергетических центров изображений при дефокусировке МФПУ. Все это влияет на определение положения энергетического центра источника, ухудшая энергетические и точностные характеристики измерителя. Уменьшение изменения пятна рассеяния по полю за счет уменьшения входного зрачка приводит к увеличению влияния дефектов стекла (пузыри, свили и т.д.) на прохождение в нем пучка лучей от Солнца. К тому же термодеформация конструкции датчика, вызванная ее нагревом и охлаждением в процессе эксплуатации, делает датчик чувствительным к дефокусировкам МФПУ.

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является создание малогабаритного прибора ориентации по Солнцу, обеспечивающего сочетание большого поля обзора в режиме поиска и высокой точности в режиме измерений в широком температурном диапазоне.

Данная задача решается за счет того, что в измерителе угловых координат Солнца, содержащем корпус с посадочным местом, внутри которого размещены широкоугольный объектив, МФПУ, блок обработки информации и вычисления угловых координат и блок питания, широкоугольный объектив выполнен в виде двух основных компонентов, первый из которых - отрицательный, увеличивающий угловое поле, второй - положительный, предназначенный для формирования действительного изображения, при этом корпус и МФПУ снабжены температурными датчиками, выходами подключенными к входам соответствующих схем опроса температурных датчиков, выходы схем опроса температурных датчиков соединены с соответствующими входами блока обработки информации и вычисления угловых координат, соответствующими выходами подключенного к входам управления МФПУ, а соответствующими входами - к выходам МФПУ, через которые осуществляется вывод информации о пятне изображения Солнца на фоточувствительной плоскости МФПУ.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности определения угловых координат отклонения линии визирования измерителя в пределах углового поля порядка 2ω=180° в широком температурном диапазоне.

Данный результат достигается вышеуказанной совокупностью признаков, при которой широкоугольный объектив выполнен из двух основных компонентов - отрицательных менисков и положительных линз, обеспечивающих в совокупности требуемое качество изображения и оптимальные массогабаритные характеристики. Введение в устройство температурных датчиков, расположенных на конструктивных элементах полезной модели, обуславливает компенсацию дополнительных погрешностей измерения, возникающих при изменении геометрических (радиусов оптических элементов, величин воздушных промежутков между компонентами объектива и МФПУ, децентрировки объектива и МФПУ, изменении геометрии чувствительных элементов МФПУ и т.п.) и энергетических (чувствительности МФПУ, влияния фоновых засветок, шумов и т.д.) параметров измерителя из-за температурных деформаций его конструктивных элементов при нагреве или охлаждении их во время эксплуатации.

Указанные признаки (причины) влияют на получение результата (следствия) в силу таких свойств объектива, как:

- минимальное изменение освещенности в плоскости изображения,

- практическое постоянство кружка рассеяния по полю зрения, обеспечивающее высокую заданную точность определения энергетического центра Солнца в пределах углового поля 2ω=180°,

- обеспечение телецентрического хода лучей, уменьшающее влияния дефокусировки МФПУ на положение энергетических центров изображения Солнца по полю, а также за счет постоянного учета термодеформации.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой полезной модели.

На фиг. 2 представлен широкоугольный объектив для прибора ориентации на Солнце.

На фиг. 1 раскрыт состав средств измерителя угловых координат Солнца - ОЭП, выдающего в систему управления КА информацию о положении вектора направления на центр Солнца в системе координат, связанной с посадочным местом прибора, где

1 - корпус устройства с посадочным местом (на чертеже не показано), внутри которого размещены:

2 - широкоугольный объектив, предназначенный для формирования изображения источника излучения в плоскости светочувствительных элементов МФПУ (чувствительных площадок);

3 - МФПУ с функциями накопления оптического сигнала, считывания аналоговой информации с последующей оцифровкой на внутреннем 10-разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и передачей сигнала в нижеуказанный блок обработки информации и вычисления координат;

4 - термодатчик, установленный на корпусе МФПУ;

5 - термодатчик, установленный на корпусе измерителя;

6, 7 - схемы опроса термодатчиков, предназначенные для преобразования сигналов с термодатчиков 4 и 5 в цифровой вид, преобразованный цифровой сигнал далее поступает в блок обработки информации и вычисления координат;

8 - упомянутый выше блок обработки информации и вычисления координат, осуществляющий управление аппаратными средствами измерителя и обеспечивающий информационный обмен с системами КА;

9 - блок питания, преобразующий напряжение бортового источника питания во вторичные напряжения.

Функция преобразования аналоговых сигналов с МФПУ 3 и термодатчиков 4 и 5 в цифровой вид может быть решена на основе единого АЦП с входным мультиплексором.

Оптическая схема широкоугольного объектива 2 в заявленном измерителе угловых координат Солнца выполнена, как показано на фиг. 2, где:

- первый компонент - два отрицательных мениска 10, 11;

- второй компонент - две положительные линзы 12, 13 с апертурной диафрагмой 14;

- узкополосный фильтр 15, предназначенный для использования в объективе прибора ориентации КА на Солнце, где интенсивность регистрируемого излучения избыточно высока. Наличие такого фильтра позволяет существенно упростить оптическую схему объектива за счет минимизации влияния хроматических аберраций.

Заявленное техническое решение работает следующим образом.

После подачи бортового напряжения на блок питания (9), он преобразует энергию во вторичные напряжения, необходимые для нормального функционирования аппаратных средств, измеритель начинает автоматический поиск Солнца в пределах поля обзора, представляющего собой полусферу (2ω=180°).

При наличии Солнца в поле обзора прибора объектив 2 формирует его изображение в плоскости фоточувствительных элементов МФПУ 3. По сигналам управления (СУ) из блока обработки информации и вычисления координат 8 МФПУ 3 осуществляет накопление оптического сигнала в течение заданного промежутка времени, преобразование накопленного оптического сигнала в аналоговый электрический, последующее его считывание, оцифровку и передачу сформированного цифрового сигнала (ЦС) в блок обработки информации и вычисление координат 8 для анализа информации. В случае если обнаруженный источник излучения идентифицируется как Солнце, устройство переводится в режим захвата, при этом блок обработки информации и вычисления координат 8 осуществляет обработку оцифрованной информации о пятне изображения Солнца, затем формирует и передает в системы КА выходную информацию о положении вектора направления на центр Солнца в системе координат, связанной с посадочным местом прибора.

С заданной периодичностью блок обработки информации и вычисления координат 8 осуществляет считывание информации со схем опроса термодатчиков 6, 7 и с учетом их показаний корректирует информацию о положении центра изображения Солнца в плоскости МФПУ 3, осуществляя таким образом компенсацию дополнительных погрешностей, вызванных термодеформациями конструкции, определяемых по изменениям температуры датчика. Для корректировки используются температурные паспортные параметры, полученные при температурной калибровке датчика во время настройки.

При температурной калибровке определяется зависимость изменения положения центров изображения Солнца в плоскости МФПУ 3 при изменении температуры МФПУ и/или корпуса 1 измерителя. Для этого измеритель помещается в термокамеру с входным окном, а внутри термокамеры устанавливаются несколько фиксированных значений температуры, охватывающих рабочий температурный диапазон измерителя. Для каждого фиксированного значения температуры внутри термокамеры измеряются с помощью термодатчиков 4 и 5 температуры МФПУ 3 и корпуса 1, а также измеряются положения энергетических центров изображения Солнца на плоскости МФПУ 3 для разных точек углового положения измерителя, после чего одним из общеизвестных численных методов (например, с помощью метода наименьших квадратов) получают зависимость изменения положения центров изображения Солнца в плоскости МФПУ 3 от температуры (относительно нормальных условий), которая описывается аналитическим выражением с паспортными параметрами (например, линейным полиномом).

Заявленное техническое решение может быть реализовано следующим образом:

- объектив 2 - линзовый с полем зрения не менее 180°, который, например, может быть выполнен, как описано в статье А.Я. Гебгарта «Особенности проектирования типов особоширокоугольных объективов», Оптический журнал, т. 11, №9, стр. 17, 2010 г.;

- МФПУ 3 - КМОП-матрица типа STAR-1000,

- реализация остальных блоков может быть выполнена с использованием общедоступных схемотехнических решений.

Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение точности определения угловых координат по сравнению с прототипом в пределах углового поля порядка 2ω=180° в широком температурном диапазоне. Кроме того, ее важнейшим преимуществом является отсутствие подвижных элементов и более высокая информативность, что способствует достижению прибором вышеуказанных достоинств, а также позволяет снизить массогабаритные параметры устройства и продлить срок его активного использования в составе бортового оборудования КА.

Claims (1)

1. Измеритель угловых координат Солнца, содержащий корпус с посадочным местом, внутри которого размещены широкоугольный объектив, матричное фотоприёмное устройство (МФПУ), блок обработки информации и вычисления угловых координат и блок питания, отличающийся тем, что широкоугольный объектив выполнен в виде двух основных компонентов, первый из которых - отрицательный, увеличивающий угловое поле, второй - положительный, предназначенный для формирования действительного изображения, при этом корпус и МФПУ снабжены температурными датчиками, выходами подключёнными к входам соответствующих схем опроса температурных датчиков, выходы схем опроса температурных датчиков соединены с соответствующими входами блока обработки информации и вычисления угловых координат, соответствующими выходами подключённого к входам управления МФПУ, а соответствующими входами - к выходам МФПУ, через которые осуществляется вывод информации о пятне изображения Солнца на фоточувствительной плоскости МФПУ.

   

Images