RU192954U1 - Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun - Google Patents
Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun Download PDFInfo
- Publication number
- RU192954U1 RU192954U1 RU2019120776U RU2019120776U RU192954U1 RU 192954 U1 RU192954 U1 RU 192954U1 RU 2019120776 U RU2019120776 U RU 2019120776U RU 2019120776 U RU2019120776 U RU 2019120776U RU 192954 U1 RU192954 U1 RU 192954U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diaphragm
- sun
- sensor
- hole
- utility
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/24—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for cosmonautical navigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области космической навигации и предназначена для обеспечения сверхмалых космических аппаратов информацией об их ориентации относительно Солнца. Высокоточный датчик Солнца конструктивно состоит из блока оптической системы (оптическое защитное стекло и диафрагма с точечным микроотверстием), матричного фотоприемника на основе КМОП матрицы, блока обработки изображения и интерфейсного блока. Технический результат полезной модели заключается в увеличение угла обзора и повышении устойчивости диафрагмы с точечным отверстием к механическим деформациям ее плоскости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to the field of space navigation and is intended to provide ultra-small spacecraft with information about their orientation relative to the Sun. The high-precision Sun sensor constructively consists of an optical system unit (optical protective glass and aperture with a pinhole), a photodetector based on a CMOS sensor, an image processing unit and an interface unit. The technical result of the utility model is to increase the viewing angle and increase the stability of the diaphragm with a point hole to mechanical deformations of its plane. 2 s.p. f-ly, 3 ill.
Description
Полезная модель относится к области космической навигации и предназначена для обеспечения сверхмалых космических аппаратов информацией об их ориентации относительно Солнца.The utility model relates to the field of space navigation and is intended to provide ultra-small spacecraft with information about their orientation relative to the Sun.
Назначение солнечного датчика - измерение двух углов направления на Солнце, азимутального угла в плоскости поверхности, на которой установлен датчик и полярного угла падения солнечного света относительно нормали к этой поверхности. Ключевыми требованиями, предъявляемыми к подобным детектирующим устройствам, являются угол обзора датчика и точность определения положения Солнца относительно корпуса космического аппарата. На сегодняшний день известно несколько конструкторских решений малогабаритного датчика Солнца. Наиболее распространенное конструкторское решение датчиков основано на принципе действия камеры-обскуры.The purpose of the solar sensor is to measure two angles of direction to the Sun, the azimuthal angle in the plane of the surface on which the sensor is mounted, and the polar angle of incidence of sunlight relative to the normal to this surface. The key requirements for such detecting devices are the viewing angle of the sensor and the accuracy of determining the position of the Sun relative to the body of the spacecraft. To date, several design decisions are known for a small-sized solar sensor. The most common sensor design solution is based on the principle of a pinhole camera.
Из уровня техники известны устройства регистрации положения Солнца, описанные в следующих источниках: статьи Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites [1], A CMOS Image Sensor with Row and Column Profiling Means [2].The prior art devices for recording the position of the Sun are described in the following sources: articles Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites [1], A CMOS Image Sensor with Row and Column Profiling Means [2].
Описанные устройства содержат оптическую систему, матричное фотоприемное устройство, вычислительное устройство, исполнительный блок, устройства работают по принципу камеры-обскуры.The described devices contain an optical system, a matrix photodetector, a computing device, an executive unit, the devices operate on the principle of a pinhole camera.
В представленных технических решениях изображение формируется на матричном фотоприемнике с использованием диафрагмы разной толщины и формы микроотверстия. В каждом описанном варианте используются диафрагмы, изготовленные из монолитной пластины, фиксированной (определенной) толщины и имеющие одно микроотверстие цилиндрической формы. Размер микроотверстия для датчиков Солнца с точностью ориентации не хуже 0,5° варьируется от 10 мкм до 100 мкм и влияет на желаемый угол обзора. В таблице 1 представлены основные характеристики высокоточных датчиков Солнца, - описанных в статьях [1] и [2].In the presented technical solutions, the image is formed on a matrix photodetector using a diaphragm of different thicknesses and the shape of a micro-hole. In each described embodiment, diaphragms are used, made of a monolithic plate, of a fixed (certain) thickness and having one micro-hole of cylindrical shape. The size of the micro-hole for solar sensors with an orientation accuracy of no worse than 0.5 ° varies from 10 μm to 100 μm and affects the desired viewing angle. Table 1 presents the main characteristics of high-precision sensors of the Sun, described in articles [1] and [2].
Формы диафрагм, применяемые в датчиках Солнца, влияют как на точность определения положения светового пятна, так и на угол обзора устройства.The shape of the diaphragms used in solar sensors affect both the accuracy of determining the position of the light spot and the viewing angle of the device.
Угловой обзор α датчика Солнца в первую очередь определяется габаритами микроотверстия (диаметр d и высота h). Так для достижения угла обзора α, микроотверстие в диафрагме должно иметь габаритные размеры, которые удовлетворяют неравенству . При α=120°, для значения диаметра микроотверстия 10 мкм и 50 мкм, значения высоты стенок (толщины диафрагмы) не должны превышать 5,7 мкм и 28,8 мкм соответственно. Стоит отметить, что из-за изменения формы светового пятна на регистрирующей матрицы при больших углах падения световых лучей относительно нормали солнечного датчика [2] необходимо дополнительно уменьшить расчетное значение h.The angular view α of the solar sensor is primarily determined by the dimensions of the micro-hole (diameter d and height h). So in order to achieve the viewing angle α, the micro-hole in the diaphragm must have overall dimensions that satisfy the inequality . At α = 120 °, for a micro-hole diameter of 10 μm and 50 μm, the wall heights (diaphragm thickness) should not exceed 5.7 μm and 28.8 μm, respectively. It should be noted that due to a change in the shape of the light spot on the recording matrix at large angles of incidence of light rays relative to the normal of the solar sensor [2], it is necessary to further reduce the calculated value of h.
Изготовление диафрагмы солнечного датчика толщиной менее 28 мкм является высокоточным и трудоемким процессом. Тонкая диафрагма может быть подвержена механическим деформациям во время температурных перепадов при работе солнечного датчика в условиях космоса, а также возможным деформациям при монтаже диафрагмы и вибронагрузках при выводе спутника на орбиту.The manufacture of a solar sensor diaphragm with a thickness of less than 28 microns is a highly accurate and time-consuming process. A thin diaphragm can be subject to mechanical deformations during temperature extremes during operation of the solar sensor in space conditions, as well as to possible deformations during the installation of the diaphragm and vibration loads when the satellite is put into orbit.
Деформация диафрагмы прямым образом влияет на формируемое изображение на матричном фотоэлементе. Для диафрагмы, имеющей одно микроотверстие, форма изображения на матричном фотоэлементе может изменяться под влиянием механических повреждений или температурных перепадов, что не позволяет обеспечить высокую точность регистрации угловых координат Солнца. В статье [2], показано, что наличие стенок микроотверстия влияет на формообразование светового пятна на матрице. При попадании прямых солнечных лучей под ненулевым углом, часть лучей не проходит через препятствие в виде стенок микроотверстия и, световое пятно меняет свою форму.The deformation of the diaphragm directly affects the image formed on the matrix photocell. For a diaphragm having one micro-hole, the image shape on the matrix photocell can change under the influence of mechanical damage or temperature differences, which does not allow for high accuracy of recording the angular coordinates of the Sun. In the article [2], it was shown that the presence of the micro-hole walls affects the shape of the light spot on the matrix. When direct sunlight enters at a non-zero angle, some of the rays do not pass through an obstacle in the form of walls of a micro-hole and the light spot changes its shape.
Таким образом, к недостаткам выше упомянутых конструкторских решений датчиков Солнца можно отнести сложность и трудоемкость изготовления используемых в них диафрагм толщиной менее 28 мкм и их подверженность механическим и температурным деформациям.Thus, the disadvantages of the above-mentioned design solutions of the solar sensors include the complexity and complexity of manufacturing the diaphragms used in them with a thickness of less than 28 microns and their susceptibility to mechanical and thermal deformation.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является устройство, описанное в статье [2], содержащее оптическую систему с диафрагмой, матричное фотоприемное устройство, блок обработки и передачи данных.The closest to the claimed object in technical essence is the device described in article [2], containing an optical system with a diaphragm, a matrix photodetector, a processing unit and data transmission.
Недостатки данного устройства описаны выше.The disadvantages of this device are described above.
Раскрытие заявляемого технического решенияDisclosure of the claimed technical solution
Задачей заявляемой полезной модели является создание датчика, обеспечивающего регистрацию угловых координат Солнца в широком угловом поле обзора (не менее 120°) с высокой точностью (не хуже 0,1°).The objective of the claimed utility model is to create a sensor that records the angular coordinates of the Sun in a wide angular field of view (at least 120 °) with high accuracy (no worse than 0.1 °).
Технический результат полезной модели выражается в увеличении угла обзора, повышении жесткости конструкции диафрагмы и, как следствие, улучшение точности регистрации угловых координат положения Солнца за счет использования диафрагмы с отверстием специальной формы.The technical result of the utility model is expressed in increasing the viewing angle, increasing the rigidity of the diaphragm design and, as a result, improving the accuracy of recording the angular coordinates of the position of the Sun through the use of a diaphragm with a hole of a special shape.
Указанный результат заявляемого решения достигается тем, что в известном датчике регистрации угловых координат Солнца, содержащим оптическую систему с диафрагмой, матричное фотоприемное устройство, блок обработки и передачи данных, согласно заявляемой полезной модели (Фиг. 1), в оптической системе применяется диафрагма, которая имеет отверстие конической формы и многоуровневую толщину со ступенчатыми концентрическими обнижениями к центру отверстия. Обнижения выполнены относительно верхней части диафрагмы.The indicated result of the claimed solution is achieved by the fact that in the known sensor for recording the angular coordinates of the Sun, containing an optical system with a diaphragm, a matrix photodetector, a data processing and transmission unit, according to the claimed utility model (Fig. 1), the diaphragm is used in the optical system, which has the hole is conical in shape and has a multilevel thickness with stepped concentric depressions to the center of the hole. Lowering is made relative to the upper part of the diaphragm.
Конструкция диафрагмы, представленная на Фиг. 2 обеспечивает увеличенный угол обзора датчика, жесткость диафрагмы, минимизирует ее деформации во время перепадов температуры, и, как следствие, обеспечивает стабильность и точность производимых измерений угловых координат положения Солнца.The diaphragm design shown in FIG. 2 provides an increased viewing angle of the sensor, the stiffness of the diaphragm, minimizes its deformation during temperature changes, and, as a result, ensures stability and accuracy of measurements of the angular coordinates of the position of the Sun.
Предложенная конструкция также упрощает изготовление диафрагмы, обеспечивает ее многоразовый монтаж и демонтаж исключая непреднамеренные повреждения.The proposed design also simplifies the manufacture of the diaphragm, provides its reusable installation and dismantling eliminating unintentional damage.
Описание полезной модели поясняется Фиг. 1, 2 и 3.A description of the utility model is illustrated in FIG. 1, 2 and 3.
На фигурах:In the figures:
1 - корпус датчика,1 - sensor housing,
2 - регистрирующая фотоприемная матрица,2 - recording photodetector matrix,
3 - печатная плата, содержащая электронику (блок обработки и передачи данных),3 - printed circuit board containing electronics (processing unit and data transfer),
4 - диафрагма,4 - aperture
5 - коническое отверстие диафрагмы,5 - conical aperture of the diaphragm,
6 - ступенчатые обнижения,6 - step downs,
7 - защитное сапфировое стекло,7 - protective sapphire crystal,
8 - уплотнительная прокладка,8 - sealing gasket,
9 - стопорное кольцо,9 - a lock ring,
10 - посадочные отверстия для крепления к корпусу космического аппарата.10 - landing holes for attachment to the spacecraft body.
11 - падающие лучи света.11 - incident rays of light.
Описание устройстваDevice description
В корпусе 1 размещена регистрирующая фотоприемная матрица 2, припаянная к печатной плате 3, содержащей электронику для обработки данных от матрицы; над фотоприемной матрицей 2 в специальном отверстии корпуса размещены последовательно: диафрагма 4, представляющая собой пластину с коническим отверстием 5, ступенчатые обнижения 6 защитное сапфировое стекло 7, уплотнительная прокладка 8 и стопорное кольцо 9. Крепление устройства к космическому аппарату осуществляется через посадочные отверстия 10.In the
Диафрагма 4 со ступенчатыми обнижениями 6 подробно изображена на Фиг. 2. В геометрическом центре диафрагмы расположено микроотверстие 5, которое имеет форму конуса. Угол между образующими конуса ϕ определяется желаемым углом обзора α, при этом ϕ≥α, диаметр открытого отверстия составляет d.The
Количество обнижений зависит от максимальной Н и минимальной толщины диафрагмы h, устанавливаемых пользователем, и определяется формулой , где, r - высота одного обнижения. Диаметр области обнижения р устанавливается неравенством , где i порядковый номер обнижения.The number of reductions depends on the maximum N and the minimum aperture thickness h set by the user, and is determined by the formula , where, r is the height of one decrease. The diameter of the region of decrease in p is established by the inequality where i is the sequence number of the abatement.
Описание работы устройства.Description of the operation of the device.
Для получения изображения от Солнца применен принцип действия камеры-обскуры. Так, падающие лучи света 11, проходя сквозь микроотверстие 5 создают перевернутое изображение на поверхности регистрирующей фотоприемной матрицы. Сквозь отверстие проходят только те лучи, которые падают под углом к нормали не превышающем половину угла обзора α, определяемого конической формой отверстия и размерами областей обнижения диафрагмы 4.To obtain an image from the Sun, the principle of the pinhole camera is applied. So, the incident rays of
Пример конкретной реализации полезной модели.An example of a concrete implementation of a utility model.
В изготовленном опытном образце полезной модели диафрагма датчика Солнца выполнена из алюминия и имеет форму диска, размеры используемой диафрагмы: максимальная толщина 0,5 мм и диаметр 9,5 мм. Диафрагма имеет 5 обнижений, высота каждого из них составляет 94 мкм, минимальная толщина диафрагмы 30 мкм, диаметр открытого отверстия равен 80 мкм, угол между образующими конуса 140°.In the manufactured prototype of the utility model, the diaphragm of the Sun sensor is made of aluminum and has the shape of a disk, the dimensions of the diaphragm used are: maximum thickness 0.5 mm and diameter 9.5 mm. The diaphragm has 5 drops, the height of each of them is 94 μm, the minimum thickness of the diaphragm is 30 μm, the diameter of the open hole is 80 μm, the angle between the generatrices of the cone is 140 °.
Источники информацииInformation sources
1. A. Antonello, L. Olivieri, A. Francesconi, Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites, - Acta Astronautica, 2018, vol. 144, pp. 429-436.1. A. Antonello, L. Olivieri, A. Francesconi, Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites, - Acta Astronautica, 2018, vol. 144, pp. 429-436.
2. N. Xie and A.J.P. Theuwissen, Low-power high-accuracy micro-digital sun sensor by means of a CMOS image sensor. - Journal of Electronic Imaging, 2013, vol. 22, No. 3, paper 033030.3.2. N. Xie and A.J.P. Theuwissen, Low-power high-accuracy micro-digital sun sensor by means of a CMOS image sensor. - Journal of Electronic Imaging, 2013, vol. 22, No. 3, paper 033030.3.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019120776U RU192954U1 (en) | 2019-07-01 | 2019-07-01 | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019120776U RU192954U1 (en) | 2019-07-01 | 2019-07-01 | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU192954U1 true RU192954U1 (en) | 2019-10-08 |
Family
ID=68162485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019120776U RU192954U1 (en) | 2019-07-01 | 2019-07-01 | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU192954U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791567C1 (en) * | 2022-06-02 | 2023-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") | Uv sun sensor |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517979C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-10 | ОАО "Научно-производственное предприятие космического приборостроения "КВАНТ" (ОАО "НПП КП "КВАНТ") | Optical solar sensor |
RU155683U1 (en) * | 2015-03-20 | 2015-10-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос") | SUN ANGULAR COORDINATE METER |
RU175758U1 (en) * | 2017-05-12 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос") | Wide Field Solar Sensor |
-
2019
- 2019-07-01 RU RU2019120776U patent/RU192954U1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517979C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-10 | ОАО "Научно-производственное предприятие космического приборостроения "КВАНТ" (ОАО "НПП КП "КВАНТ") | Optical solar sensor |
RU155683U1 (en) * | 2015-03-20 | 2015-10-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос") | SUN ANGULAR COORDINATE METER |
RU175758U1 (en) * | 2017-05-12 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос") | Wide Field Solar Sensor |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
статья "SUN SENSOR DESIGN AND TEST OF A MICRO SATELLITE " в журнале "JOURNAL OF MEASUREMENTS IN ENGINEERING", 09/2016. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791567C1 (en) * | 2022-06-02 | 2023-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") | Uv sun sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100570334C (en) | Infrared spectrometer and be applied to its elements combination and manufacturing system and method | |
WO2017202323A1 (en) | Photosensitive image element, image collector, fingerprint collection device, and display device | |
US20160146921A1 (en) | Solar position tracking accuracy measurement system based on optical lens | |
CN207472218U (en) | More parallelism of optical axis measuring systems | |
CN107402061B (en) | Resonant mode scanning mirror amplitude measurement system and method | |
CN107830821A (en) | More parallelism of optical axis measuring systems and method | |
CN101666640A (en) | Method and system for measuring two-dimensional attitude angle | |
CN101922932A (en) | Compensating device of pyramid prism coordinate measuring error | |
RU192954U1 (en) | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun | |
TW200916743A (en) | Spectroscopy device, spectroscopy apparatus and spectroscopy method | |
CN111256649B (en) | System and method for measuring light incidence angle based on conical lens | |
CN110887789A (en) | Optical detection system adopting continuous zoom magnification lens | |
JPS5841442B2 (en) | Heliostat tracking accuracy measurement sensor | |
CN113819998B (en) | Multidimensional angular vibration sensor based on two-dimensional single-layer grating structure | |
CN115901187A (en) | Device and method for testing thermal stability of optical axis of infrared sighting device | |
CN106323197B (en) | The big working distance autocollimation of portable array zeroing high-precision laser and method | |
RU155683U1 (en) | SUN ANGULAR COORDINATE METER | |
CN211206222U (en) | Optical detection system adopting continuous zoom magnification lens | |
CN104932083B (en) | A kind of large area array dynamic monitor and measurement camera optical system | |
CN114322850B (en) | Double-shaft different-focus photoelectric auto-collimator | |
CN113155285A (en) | Satellite-borne small-sized lightweight Dyson hyperspectral imager system | |
CN106225726B (en) | The big working distance autocollimation of array zeroing high-precision laser and method | |
CN106017441A (en) | Portable high-precision laser long-working distance auto-collimation apparatus and method thereof | |
CN111023988B (en) | Device and method for dynamically monitoring micro-change of magnetic vector and light vector installation matrix | |
CN109839514A (en) | A kind of high-precision optical accelerometer with from zeroing function |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC91 | Official registration of the transfer of exclusive right (utility model) |
Effective date: 20200603 |