RU2244263C1

RU2244263C1 - Sun angular coordinate indicator

Info

Publication number: RU2244263C1
Application number: RU2003110933/28A
Authority: RU
Inventors: О.И. Ермаков (RU); О.И. Ермаков
Original assignee: Ермаков Олег Иванович
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2005-01-10

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: device has optical spectrum filter, slit mask, multi-element photo-sensitive detector, threshold elements, photo-detector register, counter, output register, clock pulse generator. Multi-element photo-sensitive detector consists of elementary photo-detectors placed behind one another along quadratic curve. Normal lines to sensitive areas of each elementary photo-detector and quadratic curve lie in same plane.

EFFECT: higher effectiveness and efficiency.

1 dwg

Description

Датчик предназначен для определения угловых координат светящегося ориентира и, в частности, для определения направления на Солнце в системе координат космического аппарата.The sensor is designed to determine the angular coordinates of the luminous landmark and, in particular, to determine the direction to the Sun in the coordinate system of the spacecraft.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику является датчик [1], состоящий из двух идентичных каналов, служащих для измерения угловых координат в двух взаимно ортогональных плоскостях. Каждый канал состоит из линейного прибора с зарядовой связью, над которым на заданном расстоянии на параллельной плоскости располагаются оптический ослабляющий фильтр, оптический полосовой фильтр и щелевая маска. Кроме того, в каждом канале имеются: генератор тактовых импульсов, усилитель сигналов прибора с зарядовой связью, пороговое устройство, счетчик импульсов, выходной регистр и устройство для запоминания признака присутствия Солнца. На выходе датчика формируется цифровой код, соответствующий порядковому номеру фоточувствительного элемента прибора с зарядовой связью, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных через щель в маске солнечными лучами.Closest to the technical nature of the claimed sensor is a sensor [1], consisting of two identical channels, used to measure angular coordinates in two mutually orthogonal planes. Each channel consists of a charge-coupled linear device over which an optical attenuation filter, an optical band-pass filter, and a slit mask are located at a given distance on a parallel plane. In addition, in each channel there are: a clock pulse generator, a signal amplifier of the device with charge coupling, a threshold device, a pulse counter, an output register and a device for remembering the sign of the presence of the Sun. At the output of the sensor, a digital code is generated corresponding to the serial number of the charge-sensitive photosensitive element of the device, which is the average in the group of photosensitive elements illuminated through the gap in the mask with sunlight.

Недостатком данного датчика является необходимость выполнения для нахождения угловых координат вычислений по формулеThe disadvantage of this sensor is the need to perform calculations to find the angular coordinates of the formula

α=arctg[x(n-(N+1)/2)/d],α = arctan [x (n- (N + 1) / 2) / d],

где α - угловая координата; d - расстояние от поверхности прибора с зарядовой связью до плоскости, на которой находится щелевая маска; х - шаг расположения фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных солнечными лучами, N - общее количество фоточувствительных элементов в приборе с зарядовой связью.where α is the angular coordinate; d is the distance from the surface of the charge-coupled device to the plane on which the slit mask is located; x is the location step of the photosensitive elements, n is the sequence number of the photosensitive element, which is the average in the group of photosensitive elements illuminated by sunlight, N is the total number of photosensitive elements in a charge-coupled device.

Другим недостатком является маленькая величина поля зрения - 66°(±33°), что обусловлено дискретностью прибора с зарядовой связью и точностью вычисления функции вида γ=arctg(x) для значений аргумента, больших 1.Another disadvantage is the small field of view - 66 ° (± 33 °), which is due to the discrete nature of the charge-coupled device and the accuracy of calculating a function of the form γ = arctan (x) for argument values greater than 1.

Целью изобретения является получение угловых координат без выполнения вычислительных операций и расширение поля зрения.The aim of the invention is to obtain angular coordinates without performing computational operations and expanding the field of view.

Указанная цель достигается тем, что заявляемый датчик содержит многоэлементный фоточувствительный приемник, причем фоточувствительные элементы располагаются не на прямой линии на плоскости, а на кривой, в частности на дуге окружности, вследствие чего угловая координата Солнца оказывается связанной с номером среднего освещенного элементарного фотоприемника через выражениеThis goal is achieved by the fact that the inventive sensor contains a multi-element photosensitive receiver, and the photosensitive elements are located not on a straight line on the plane, but on a curve, in particular on an arc of a circle, as a result of which the angular coordinate of the Sun is related to the number of the average lighted elementary photodetector through the expression

α=[n-(N+1)/2]γ,α = [n- (N + 1) / 2] γ,

где α - угловая координата; γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных солнечными лучами, N - общее количество фоточувствительных элементов в многоэлементном фотоприемнике. То есть имеет место линейная зависимость между угловой координатой и номером среднего фоточувствительного элемента.where α is the angular coordinate; γ is the angular step of the arrangement of photosensitive elements, n is the sequence number of the photosensitive element, which is the average in the group of photosensitive elements illuminated by sunlight, N is the total number of photosensitive elements in a multi-element photodetector. That is, there is a linear relationship between the angular coordinate and the number of the middle photosensitive element.

Устройство предлагаемого датчика в части фотоприемника и щелевой маски поясняется чертежом, где 1 - многоэлементный фотоприемник; 2 - один из элементарных фотоприемников; 3 - угловой шаг расположения элементарных фоточувствительных элементов; 4 - ось координат; 5 - щель в маске, 6 - угловая координата Солнца; 7 - Солнце.The device of the proposed sensor in terms of the photodetector and the slit mask is illustrated in the drawing, where 1 is a multi-element photodetector; 2 - one of the elementary photodetectors; 3 - the angular step of the arrangement of elementary photosensitive elements; 4 - coordinate axis; 5 - gap in the mask, 6 - angular coordinate of the Sun; 7 - The sun.

Датчик содержит также пороговые устройства, регистр фотоприемника, счетчик импульсов, выходной регистр, генератор тактовых импульсов.The sensor also contains threshold devices, a register of the photodetector, a pulse counter, an output register, a clock generator.

Работает датчик следующим образом. Солнечные лучи, прошедшие через щелевую маску, попадают на многоэлементный фоточувствительный приемник, где преобразовываются в электрический сигнал. Электрический сигнал с каждого элементарного фотоприемника поступает на пороговое устройство для преобразования в цифровой сигнал, который принимает значение логического нуля или единицы в зависимости от того, освещен фоточувствительный элемент или нет. Выходные сигналы пороговых устройств фиксируются в регистре фотоприемника, из которого считываются по команде последовательно и синхронно с тактовыми импульсами. Одновременно с началом вывода сигнала из регистра фотоприемника счетчик начинает считать тактовые импульсы. Как только на выходе регистра фотоприемника появляется сигнал, соответствующий освещенному элементарному фотоприемнику, счетчик начинает считать импульсы с частотой, в 2 раза меньшей, чем тактовая частота. После этого, как только на выходе регистра фотоприемника появится сигнал, соответствующий неосвещенному элементарному фотоприемнику, счетчик прекращает счет, а полученный на счетчике код запоминается в выходном регистре. Таким образом, определяется номер среднего освещенного элементарного фотоприемника и соответственно угловая координата Солнца.The sensor operates as follows. The sun's rays passing through the slit mask fall on a multi-element photosensitive receiver, where they are converted into an electrical signal. An electrical signal from each elementary photodetector is fed to a threshold device for conversion into a digital signal that takes a value of logical zero or unity depending on whether the photosensitive element is illuminated or not. The output signals of the threshold devices are fixed in the register of the photodetector, from which they are read out on a command sequentially and synchronously with clock pulses. Simultaneously with the beginning of the output of the signal from the register of the photodetector, the counter begins to count clock pulses. As soon as a signal corresponding to the illuminated elementary photodetector appears at the output of the register of the photodetector, the counter starts counting pulses with a frequency 2 times lower than the clock frequency. After that, as soon as a signal corresponding to an unlit elementary photodetector appears at the output of the register of the photodetector, the counter stops counting, and the code received at the counter is stored in the output register. Thus, the number of the average illuminated elementary photodetector and, accordingly, the angular coordinate of the Sun are determined.

Многоэлементный фотоприемник может быть изготовлен по планарной технологии из известных полупроводниковых материалов. Получение фоточувствительных элементов, лежащих на заданной кривой, производится за счет вырезания в пластине полупроводника отверстия заданного профиля с помощью лазера.A multi-element photodetector can be made according to planar technology from known semiconductor materials. Obtaining photosensitive elements lying on a given curve is performed by cutting out a hole in a semiconductor wafer of a given profile using a laser.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый датчик отличается от прототипа отсутствием необходимости вычисления значения функции вида arctg[x(n-(N+1)/2)/d].Comparative analysis with the prototype shows that the inventive sensor differs from the prototype in the absence of the need to calculate the value of a function of the form arctg [x (n- (N + 1) / 2) / d].

Отсутствие тригонометрических вычислений позволяет расширить поле зрения датчика и при использовании датчика на борту космического аппарата уменьшить время, необходимое для определения пространственной ориентации, что повышает надежность космического аппарата и уменьшает его энергопотребление.The absence of trigonometric calculations allows you to expand the field of view of the sensor and, when using the sensor on board the spacecraft, reduce the time required to determine the spatial orientation, which increases the reliability of the spacecraft and reduces its energy consumption.

Источник информацииSourse of information

1. Патент на изобретение США №4794245, НКИ 250/203R, 1988.1. US patent for the invention No. 4794245, NKI 250 / 203R, 1988.

Claims

The angular coordinate sensor of the Sun, containing an optical spectral filter, a slit mask, a multi-element photosensitive receiver, threshold elements, a register of a photodetector, a counter, an output register, a clock generator, characterized in that the multi-element photosensitive receiver consists of elementary photodetectors located one after another on a curve of the second order so that the normals to the sensitive areas of each elementary photodetector and the second-order curve lie in one plane STI