RU2517979C1 - Optical solar sensor - Google Patents
Optical solar sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2517979C1 RU2517979C1 RU2013100461/28A RU2013100461A RU2517979C1 RU 2517979 C1 RU2517979 C1 RU 2517979C1 RU 2013100461/28 A RU2013100461/28 A RU 2013100461/28A RU 2013100461 A RU2013100461 A RU 2013100461A RU 2517979 C1 RU2517979 C1 RU 2517979C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- prism
- central
- solar sensor
- sensor according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к статическим прецизионным приборам ориентации по солнцу (ПОС), которые предназначены для использования в составе систем ориентации и автономной навигации космических аппаратов (КА).The invention relates to static precision solar orientation devices (PIC), which are intended for use as part of orientation systems and autonomous navigation of spacecraft (SC).
ПОС вырабатывает цифровые сигналы, пропорциональные отклонению направления на центр Солнца относительно приборной системы координат и, в паре с прибором ориентации по Земле, позволяет осуществлять трехосную стабилизацию космического аппарата по крену, тангажу и рысканью. Широкое использование ПОС в космической технике обусловлено тем, что в околоземном пространстве солнечное излучение имеет высокую интенсивность (133000 люкс) и достаточно малую расходимость потока излучения - до 32,5 минут.The POS generates digital signals proportional to the deviation of the direction to the center of the Sun relative to the instrumental coordinate system and, paired with the instrument of orientation on the Earth, allows for triaxial stabilization of the spacecraft by roll, pitch and yaw. The widespread use of PIC in space technology is due to the fact that in near-Earth space solar radiation has a high intensity (133,000 lux) and a fairly small divergence of the radiation flux up to 32.5 minutes.
Из уровня техники известны датчики положения источника излучения, выполненные на матричном фотоприемном устройстве (МФПУ), которые описаны в патентных источниках (US 4792245, МПК G01J 1/20, НПК 250/203, публ. 27.12.1988) /1/, (US 6853445, МПК G01J 1/20, НПК 35/121, публ. 02.08. 2005) /2/. Известные устройства обеспечивают контроль ориентации космического аппарата и содержат камеру, выполненную с входным окном в виде щели или щелей либо с входным окном, в котором установлен простейший оптический элемент, МФПУ, электронный блок, вырабатывающий сигнал, представляющий угол, под которым излучение падает на датчик. Известные датчики имеют ограниченное поле обзора, что связано с конструкцией входного окна и оптическими свойствами МФПУ, которое при больших углах (более 68°) теряет чувствительность. Применение МФПУ в ПОС статического типа по сравнению с предшествующими приборами позволяет избежать сложной конструкции прибора (уменьшение массы, габаритов, электропотребления), что чрезвычайно важно для приборов бортового базирования на КА.The prior art sensors of the position of the radiation source, made on a matrix photodetector (MFP), which are described in patent sources (US 4792245, IPC
Универсальный современный ПОС должен обладать комплексом характеристик:Universal modern PIC should have a set of characteristics:
- полусферическое поле зрения;- hemispherical field of view;
- минимальные габариты, масса, энергопотребление;- minimum dimensions, weight, power consumption;
- угломерная погрешность менее 1 угловой минуты по всему полю зрения.- goniometric error of less than 1 arc minute over the entire field of view.
Типичный прецизионный ПОС содержит широкопольный входной оптический элемент, кодовую маску на стеклянной пластине, фоточувствительный преобразователь с защитным стеклом, интерфейсную электронику, которая преобразовывает текущие сигналы в цифровые сигналы, поступающие к процессору контроля ориентации КА (US 6310336, НКИ 250/203.4, публ. 30.10.2001) /3/. В патенте отсутствует описание конструкции оптической системы датчика, но приводятся данные по точности измерения угловых координат Солнца, которую он обеспечивает - 0,1 градуса, что недостаточно для современных ПОС.A typical precision POS contains a wide-field input optical element, a code mask on a glass plate, a photosensitive transducer with a protective glass, and interface electronics that converts current signals into digital signals arriving at the KA orientation control processor (US 6310336, NKI 250 / 203.4, publ. 30.10 .2001) / 3 /. The patent does not describe the design of the optical system of the sensor, but provides data on the accuracy of measuring the angular coordinates of the Sun, which it provides - 0.1 degrees, which is not enough for modern PIC.
Задача получения полусферического поля зрения 180°×180° была решена в оптическом солнечном датчике (US 5914483, МПК G01J 1/20, НПК 250/203.4, публ. 22. 06.1999) /4/, который содержит цилиндрическую линзу с двумя входными и выходными щелями, защитные линзы, фотоприемную линейку и блок обработки информации. Линейная координата, соответствующая определенному углу падения излучения, образуется в фотоприемной линейке при вращении КА, поэтому известный солнечный датчик не может быть использован в стабилизированных КА.The problem of obtaining a hemispherical field of view of 180 ° × 180 ° was solved in an optical solar sensor (US 5914483, IPC
Известен датчик угловой координаты Солнца в системе координат КА (RU 2244263 C1, МПК 7 G01C 21/24, G01J 1/20, публ. 10.011.2005) /5/, который содержит оптический спектральный фильтр, щелевую маску, многоэлементный фоточувствительный приемник, состоящий из элементарных фоточувствительных фотоприемников, расположенных друг за другом на кривой второго порядка, что позволяет исключить тригонометрические вычисления и расширить поле зрения. Данный датчик не технологичен в исполнении и не нашел практического применения.A known sensor of the angular coordinate of the Sun in the spacecraft coordinate system (RU 2244263 C1, IPC 7 G01C 21/24, G01J 1/20, publ. 10.011.2005) / 5 /, which contains an optical spectral filter, a slit mask, a multi-element photosensitive receiver, consisting from elementary photosensitive photodetectors located one after another on a second-order curve, which allows to exclude trigonometric calculations and expand the field of view. This sensor is not technologically advanced and has not found practical application.
Солнечный датчик (SU 1779932, 5 МПК G01C 21/24, публ. 07.12.92) /6/ для расширения поля зрения имеет сложную диафрагму, выполненную в виде сферического круга, на котором расположены дифракционные отверстия, соединенные с фотоприемным устройством оптическими волокнами. В связи с технологической сложностью выполнения известный датчик также не нашел практического применения.The solar sensor (
О проблемах реализации широкоугольных объективов сообщается в обзорной статье (А.Я.Гебгарт. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. © 2010 г., ОАО НПП «Геофизика - Космос», Москва. «Оптический журнал», 77, 9, 2010, 05.05.2010) /7/ 111, в которой проводится анализ существующих особоширокоугольных объективов с угловым полем порядка 180° для статических приборов ориентации космических аппаратов на Солнце и по Земле и формулируются требования к объективам для таких высокоточных приборов. Рассматриваются особенности проектирования этих объективов. Приводятся и анализируются схемы разработанных четырехлинзовых объективов, которые имеют практически одинаковую разрешающую способность датчика по всему полю зрения. Средний угловой размер пикселя датчика Солнца с использованием широкоугольного объектива составляет порядка 11 угловых минут при формате матрицы 1024×1024 элементов. С таким угловым размером пикселя очень сложно получить точность определения угловых координат менее 1 угловой минуты.The problems of implementing wide-angle lenses are reported in a review article (A.Ya. Gebgart. Design Features of Some Types of Extra-Wide-Angle Lenses. © 2010, OAO Geophysics-Cosmos, Moscow. Optical Journal, 77, 9, 2010, 05.05 .2010) / 7/111, which analyzes existing especially wide-angle lenses with an angular field of the order of 180 ° for static devices for orienting spacecraft on the Sun and the Earth and formulates lens requirements for such high-precision devices. Design features of these lenses are considered. The schemes of the developed four-lens lenses, which have almost the same sensor resolution over the entire field of view, are given and analyzed. The average angular pixel size of the Sun sensor using a wide-angle lens is about 11 angular minutes with a matrix format of 1024 × 1024 elements. With such an angular pixel size, it is very difficult to obtain an accuracy of determining the angular coordinates of less than 1 arc minute.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по назначению, достигаемому результату и большинству совпадающих существенных признаков является датчик углового положения солнца (RU 2308005 C1, 6 МПК G01C 21/24, G01J 1/20, дата публ. 10.10.2007) /8/, принимаемый за прототип настоящего изобретения. Датчик содержит оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива, состоящего из входной и выходной плоско-выпуклых линз, между которыми размещена диафрагма (кодовая маска), в отверстии которой расположен оптический элемент. Светофильтр расположен перед МФПУ, который соединен с входом блока обработки информации и вычисления угловых координат. Оптический элемент, установленный в отверстии диафрагмы, и соотношение коэффициентов преломления обеспечивают поступление сигнала от источника излучения на МФПУ в пределах полусферы поля зрения без больших потерь светового потока за счет исключения эффекта полного внутреннего отражения, а использование МФПУ плоского типа делает прибор дешевым и технологичным.The closest analogue of the claimed invention for its intended purpose, the result achieved and the majority of coinciding essential features is the sensor of the angular position of the sun (RU 2308005 C1, 6 IPC G01C 21/24, G01J 1/20, date of publication. 10.10.2007) / 8 /, taken as prototype of the present invention. The sensor contains an optical system made in the form of a wide-angle lens, consisting of an input and output flat-convex lenses, between which there is a diaphragm (code mask), in the hole of which an optical element is located. The filter is located in front of the MFP, which is connected to the input of the information processing unit and calculates the angular coordinates. The optical element installed in the aperture opening and the ratio of refractive indices ensure the signal from the radiation source to the MFP within the hemisphere of the field of view without large losses of light flux due to the elimination of the effect of total internal reflection, and the use of a flat MFP makes the device cheap and technological.
Однако использование в конструкции датчика-прототипа элементов фокусирующей оптики в виде входной и выходной плоско-выпуклых линз при попадании на них солнечного излучения высокой интенсивности, характерной для околоземного пространства, может привести к фокусированию излучения и выходу из строя МФПУ, что снижает надежность датчика. Поэтому при конструировании ПОС желательно избегать использования фокусирующей оптики.However, the use of focusing optics elements in the form of an input and output plane-convex lenses in the design of a prototype sensor when a high-intensity solar radiation is incident on them, which is typical for near-Earth space, can lead to radiation focusing and failure of the MFP, which reduces the reliability of the sensor. Therefore, when designing a PIC, it is desirable to avoid the use of focusing optics.
На приведенной оптической схеме датчика неверно показано наличие преломления луча, проходящего через центр кривизны выходной линзы.The optical scheme of the sensor incorrectly shows the presence of refraction of the beam passing through the center of curvature of the output lens.
Недостатки датчика-прототипа состоят в недостаточно высокой точности определения угловых координат Солнца, что обусловлено:The disadvantages of the prototype sensor are not high enough accuracy in determining the angular coordinates of the Sun, which is due to:
- неравномерностью распределения разрешающей способности датчика по всему полю зрения 180°×180°;- uneven distribution of the resolution of the sensor throughout the field of view 180 ° × 180 °;
- нелинейностью зависимости смещения изображения кодовой маски на МФПУ от угловых координат Солнца, что приводит также к снижению разрешающей способности датчика.- nonlinearity of the dependence of the displacement of the image of the code mask on the MFP on the angular coordinates of the Sun, which also leads to a decrease in the resolution of the sensor.
Оптическая система известного датчика обладает неустранимой кривизной поля, что приводит к значительному изменению размера изображения диафрагмы (кодовой маски) от центра к краю поля зрения.The optical system of the known sensor has an irreparable field curvature, which leads to a significant change in the size of the image of the diaphragm (code mask) from the center to the edge of the field of view.
Нелинейность зависимости смещения светового излучения, прошедшего через оптическую систему от угла падения, обусловлена тем, что световое излучение проходит через окно диафрагмы в центре кривизны выходной линзы, поэтому на выходе линзы не преломляется и величина смещения излучения определяется по формуле: Δ=H·tgU′, где H - расстояние от центра кривизны выходной линзы до плоскости чувствительных площадок МФПУ, U′ - угол наклона излучения при выходе из выходной линзы. При этом средний угловой размер пикселя при формате матрицы 1024×1024 элемента составляет порядка 10 угловых минут, из-за нелинейности на краю поля зрения угловой размер пикселя составляет 3-4 угловых минуты, а в центре поля зрения 30-40 угловых минут.The nonlinearity of the dependence of the displacement of the light radiation transmitted through the optical system on the angle of incidence is due to the fact that the light radiation passes through the diaphragm window in the center of curvature of the output lens, therefore, it is not refracted at the output of the lens and the amount of radiation displacement is determined by the formula: Δ = H · tgU ′ , where H is the distance from the center of curvature of the output lens to the plane of the sensitive areas of the MFP, U ′ is the angle of inclination of the radiation when exiting the output lens. In this case, the average angular pixel size with a matrix format of 1024 × 1024 elements is about 10 angular minutes, due to non-linearity at the edge of the field of view, the angular pixel size is 3-4 angular minutes, and in the center of the field of view 30-40 angular minutes.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение точности определения угловых координат Солнца менее 1 угловой минуты по всему полю зрения 190°×190° за счет повышения разрешающей способности датчика, а также обеспечения равномерности распределения разрешающей способности датчика по всему полю зрения за счет исключения нелинейной зависимости смещения изображения кодовой маски на МФПУ от угла падения светового излучения.The problem solved by the present invention is to increase the accuracy of determining the angular coordinates of the Sun in less than 1 arc minute over the entire field of view 190 ° × 190 ° by increasing the resolution of the sensor, as well as ensuring uniform distribution of resolution of the sensor throughout the field of view by eliminating non-linear dependence image mask code offsets on the MFP from the angle of incidence of light radiation.
Указанные технические результаты достигаются тем, что оптический солнечный датчик содержит последовательно расположенные широкопольный входной оптический элемент, выполненный из радиационно-стойкого стекла, кодовую маску, светофильтр, защитное стекло и МФПУ, выход которого подключен к блоку обработки информации и вычисления угловых координат.These technical results are achieved by the fact that the optical solar sensor contains a sequentially wide-field input optical element made of radiation-resistant glass, a code mask, a light filter, a protective glass and an MFP, the output of which is connected to the information processing unit and calculates the angular coordinates.
Согласно изобретению широкопольный входной оптический элемент выполнен в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы, боковые грани которой под заданным углом β имеют наклон к вертикальной оси составного моноблока, который содержит соединенные между собой оптическим клеем центральную призму в форме четырехугольной усеченной правильной пирамиды, вершина которой обращена вниз и имеет заданный угол α при ее вершине, боковые грани которой имеют поглощающее покрытие, четыре боковые одинаковые призмы - в форме четырехугольных неправильных пирамид, одна из граней каждой призмы имеет зеркальное покрытие и этой гранью соединена с соответствующей ей поглощающей гранью центральной призмы, составной моноблок опирается на поверхность кодовой маски, в которой выполнены центральный идентификационный маркер, совмещенный с вертикальной осью симметрии центральной призмы, и четыре идентификационных маркера, симметрично расположенные вокруг центрального идентификационного маркера для идентификации светового излучения от каждой из боковых призм, а светофильтр содержит две выполненные из оптических цветных стекол пластины, установленные одна на другую.According to the invention, the wide-field input optical element is made in the form of a composite monoblock and has the shape of a quadrangular prism, the side faces of which at a given angle β have a slope to the vertical axis of the composite monoblock, which contains a central prism connected by optical glue in the form of a quadrangular truncated regular pyramid, the apex of which facing down and has a predetermined angle α at its apex, the side faces of which have an absorbing coating, four identical identical prisms in the shape of a quadrilateral of irregular pyramids, one of the faces of each prism has a mirror coating and this face is connected to the corresponding absorbing face of the central prism, the composite monoblock rests on the surface of the code mask, in which the central identification marker is combined with the vertical axis of symmetry of the central prism, and four identification markers symmetrically located around the central identification marker for identifying light radiation from each of the side prisms, and a light filter contains two made of optical colored glass plate mounted on one another.
В предпочтительном варианте выполнения оптический солнечный датчик имеет следующие отличия:In a preferred embodiment, the optical solar sensor has the following differences:
- угол α при вершине центральной призмы составляет 66°;- the angle α at the apex of the central prism is 66 °;
- угол β наклона боковых граней составного моноблока к вертикальной оси составляет 10°;- the angle β of the inclination of the side faces of the composite monoblock to the vertical axis is 10 °;
- кодовая маска выполнена на стеклянной подложке, на поверхности которой вакуумным напылением нанесен непрозрачный слой хрома, в котором методом фотолитографии выполнены пять прозрачных идентификационных маркеров;- the code mask is made on a glass substrate, on the surface of which an opaque chromium layer is deposited by vacuum deposition, in which five transparent identification markers are made by photolithography;
- идентификационные маркеры кодовой маски выполнены в форме четырехугольных окон, различающихся по форме и размерам;- identification markers of the code mask are made in the form of quadrangular windows that differ in shape and size;
- светофильтр выделяет область светового излучения со средней длиной волны λср=650 нм;- the light filter selects the region of light radiation with an average wavelength λav = 650 nm;
- верхняя пластина светофильтра выполнена из красного оптического стекла;- the upper plate of the filter is made of red optical glass;
- нижняя пластина светофильтра выполнена из сине-зеленого оптического стекла;- the bottom plate of the filter is made of blue-green optical glass;
- зеркальное покрытие боковой призмы нанесено вакуумным напылением алюминия и имеет защитную пленку кварца;- the mirror coating of the side prism is applied by vacuum deposition of aluminum and has a protective film of quartz;
- в качестве поглощающего покрытия боковых граней центральной призмы использована черная глубокоматовая эмаль.- As an absorbent coating of the side faces of the central prism, black deep-mat enamel was used.
Оптический солнечный датчик в отличие от прототипа позволяет получить не одно, а составное поле зрения, которое формируют пять призм составного моноблока и для каждого поля зрения используются все элементы МФПУ, что позволяет увеличить разрешающую способность датчика во всем поле зрения более чем в 2,5 раза по сравнению с прототипом. Использование стеклянных светофильтров с показателем преломления порядка 1,5 обеспечивает линейную зависимость величины смещения падающего светового излучения относительно кодовой маски в диапазоне углов падения излучения до 65°.An optical solar sensor, in contrast to the prototype, allows to obtain not one but a composite field of view, which is formed by five prisms of a composite monoblock and for all field of view all the elements of the MFP are used, which allows to increase the resolution of the sensor in the entire field of view by more than 2.5 times compared to the prototype. The use of glass filters with a refractive index of about 1.5 provides a linear dependence of the magnitude of the displacement of the incident light radiation relative to the code mask in the range of angles of incidence of radiation up to 65 °.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
На фиг.1 приведен чертеж оптического солнечного датчика, поперечное сечение.Figure 1 shows a drawing of an optical solar sensor, cross section.
Фиг.2 - оптический солнечный датчик, сечение A-A.Figure 2 - optical solar sensor, section A-A.
Фиг.3 - оптический солнечный датчик, сечение Б-Б.Figure 3 - optical solar sensor, section bB.
Фиг.4 - кодовая маска, сечение B-B.4 is a code mask, section B-B.
Фиг.5 - оптический солнечный датчик, внешний вид, в аксонометрии.Figure 5 - optical solar sensor, appearance, in a perspective view.
Фиг.6 - развертка боковой призмы.6 is a scan of a side prism.
Фиг.7 - диаграмма полей зрения оптического солнечного датчика.7 is a field diagram of the optical solar sensor.
Фиг.8 - сравнительные графики зависимости величины смещения изображения Δ/H, (в относительных единицах) от угла падения U (в угловых градусах) падающего светового излучения, где H (в мм) - расстояние между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок МФПУ для заявляемого изобретения (график 1) и прототипа (график 2).Fig - comparative graphs of the dependence of the magnitude of the image shift Δ / H, (in relative units) on the angle of incidence U (in angular degrees) of the incident light radiation, where H (in mm) is the distance between the code mask and the surface of the sensitive MFP units for the claimed invention (graph 1) and prototype (graph 2).
Оптический солнечный датчик содержит широкопольный входной оптический элемент, выполненный в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы (фиг.5), боковые грани которой под заданным углом β имеют наклон к вертикальной оси составного моноблока (фиг.2). Составной моноблок (фиг.1-3) содержит соединенные между собой оптическим клеем центральную призму 1 в форме четырехугольной усеченной правильной пирамиды, вершина которой обращена вниз и имеет заданный угол α при ее вершине, боковые грани которой имеют поглощающее покрытие (на чертеже не показано), четыре боковые одинаковые призмы 2, 3, 4, 5 в форме четырехугольных неправильных пирамид, одна из граней каждой призмы имеет зеркальное покрытие (фиг.6) и этой гранью соединена с соответствующей поглощающей гранью центральной призмы 1. Зеркальное покрытие одной из граней каждой боковой призмы 2, 3, 4, 5 нанесено вакуумным напылением алюминия и имеет защитную пленку кварца. В качестве поглощающего покрытия боковых граней центральной призмы 1 использована черная глубокоматовая эмаль.The optical solar sensor contains a wide-field input optical element made in the form of a composite monoblock and has the shape of a quadrangular prism (figure 5), the side faces of which at a given angle β have an inclination to the vertical axis of the composite monoblock (figure 2). The composite monoblock (Figs. 1-3) contains a
Составной моноблок опирается на поверхность кодовой маски 6, которая установлена на светофильтре со средней длиной волны λср=650, который содержит верхнюю пластину 7 из красного оптического стекла и нижнюю пластину 8 из сине-зеленого оптического стекла, которая установлена на защитном стекле 9 МФПУ 10, выход которого выводами 11 подключен к блоку обработки информации и вычисления угловых координат (на чертеже не показаны).The composite candy bar rests on the surface of the
Кодовая маска 6 выполнена на стеклянной подложке, на поверхности которой вакуумным напылением нанесен непрозрачный слой хрома, в котором методом фотолитографии выполнены пять прозрачных идентификационных маркеров 12, 13, 14, 15, 16 (фиг.4), различающихся по форме и размерам. Центральный идентификационный маркер 12 совмещен с вертикальной осью симметрии центральной призмы 1 для идентификации светового излучения центральной призмы 1, а четыре идентификационных маркера 13, 14, 15, 16 симметрично расположены вокруг центрального идентификационного маркера 12 для идентификации светового излучения от каждой из боковых призм 2, 3, 4, 5, соответственно.The
В предпочтительном варианте выполнения идентификационные маркеры кодовой маски выполнены в форме прямоугольных окон, различающихся один от другого по форме и размерам, при этом четкие границы прямоугольных окон позволяют упростить процедуру их распознавания на МФПУ. Место расположения прямоугольных окон 13, 14, 15, 16 для входа светового излучения с выходов боковых призм 2, 3, 4, 5 выбрано из условия наибольшего приближения их к оси симметрии датчика, являющейся его осью чувствительности, с учетом технологических возможностей этого приближения.In a preferred embodiment, the identification mask of the code mask is made in the form of rectangular windows that differ from each other in shape and size, while the clear boundaries of the rectangular windows make it easier to recognize them on the MFP. The location of the
В конкретном примере выполнения оптического солнечного датчика угол α при вершине центральной призмы 1 составляет 66°; а угол β наклона боковых граней составного моноблока к вертикальной оси составляет 10°. Для расчета значений углов α и β исходя из заданной геометрии хода лучей для поля зрения датчика 190°×190° данного типа квадратной матрицы и изображения на матрице окна прямоугольной формы использована специально разработанная программа «Математическое моделирование алгоритмов обработки сигнала для статического прибора ориентации на Солнце».In a specific example of an optical solar sensor, the angle α at the apex of the
Оптический солнечный датчик функционирует следующим образом. Каждый элемент составного моноблока формирует свою часть поля зрения и каждое из полей зрения поступает на всю поверхность фоточувствительных площадок МФПУ 10, что приводит к уменьшению цены деления пикселя матрицы и повышению разрешающей способности датчика в 2,5 раза по сравнению с известными датчиками. Как показано на диаграмме общего поля зрения датчика (фиг.7) поле 17 сформировано центральной призмой 1 и составляет 100°, поля зрения 18, 19, 20, 21, сформированные каждой боковой призмой 2, 3, 4, 5, соответственно, составляют 50°×100°. Поля зрения центральной и боковых зон незначительно перекрываются друг с другом, что обеспечивает непрерывность ориентации при переходе из одной зоны в другую. Величина угла α при вершине центральной призмы 11 составляет 66°, что обеспечивает получение центрального поля зрения 17. Угол β наклона внешних граней боковых призм 2, 3, 4, 5 к вертикальной оси центральной усеченной правильной пирамиды 1 составляет 10°, что обеспечивает получение боковых полей зрения 18, 19, 20, 21. Формирование центральной зоны 17 поля зрения обеспечивается прохождением солнечного излучения через центральную призму 1 и идентификационный маркер 12, светофильтры 7 и 8, защитное стекло 9 и попаданием прошедшего излучения на поверхность фоточувствительных площадок МФПУ 10. Линейные координаты изображения маркера 12 однозначно связаны с угловыми координатами центра Солнца относительно системы координат солнечного датчика. По линейным координатам положения маркера блок обработки и вычисления угловых координат производит вычисления и выдачу значений угловых координат Солнца в цифровом виде.The optical solar sensor operates as follows. Each element of the composite monoblock forms its part of the field of view and each of the field of view enters the entire surface of the photosensitive areas of the
Световое излучение, попадая на одну из боковых граней составного моноблока, преломляется и отражается от зеркальной внутренней грани, проходит через соответствующий каждой боковой призме 2, 3, 4, 5 идентификационный маркер 13, 14, 15, 16 (фиг.4) кодовой маски 6 и проходит через стеклянные пластины 7 и 8 светофильтра, который ослабляет излучение Солнца и выделяет рабочую спектральную область с длиной волны λср=650 нм, что позволяет МФПУ 10 работать в его динамическом диапазоне. Поглощающее покрытие на боковой поверхности центральной призмы 1 позволяет устранить солнечные блики. Размещение стеклянных светофильтров 8, 9 с показателем преломления стекла порядка 1,5 после кодовой маски 6 устраняет присущую прототипу тангенциальную зависимость смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения U.Light radiation, incident on one of the side faces of a composite monoblock, is refracted and reflected from the mirror inner face, passes through the
На фиг.8 представлены сравнительные графики зависимости величины смещения изображения Δ/H (в относительных единицах) от угла падения U (в угловых градусах) падающего светового излучения, где H (в мм) - расстояние между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок матрицы, полученные расчетным путем для заявляемого изобретения (график 1) и прототипа (график 2). График 1 получен при регистрации светового излучения, прошедшего через среду с показателем преломления порядка 1,5 (стекло) толщиной Н, в мм. При этих условиях величина смещения изображения кодовой маски определяется по формуле:Fig. 8 shows comparative graphs of the dependence of the image displacement Δ / H (in relative units) on the incidence angle U (in angular degrees) of incident light radiation, where H (in mm) is the distance between the code mask and the surface of the sensitive areas of the matrix obtained by calculation for the claimed invention (graph 1) and prototype (graph 2).
где U - угол падения светового излучения на кодовую маску, в градусах.where U is the angle of incidence of light radiation on the code mask, in degrees.
График 2 получен при наличии зазора величиной P, в мм между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок МФПУ. Величина смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения определяется по формуле: Δ=P·tgU, где U - угол падения светового излучения на кодовую маску, в градусах.Figure 2 is obtained in the presence of a gap of P, in mm, between the code mask and the surface of the sensitive areas of the MFP. The amount of displacement of the image of the code mask from the angle of incidence of light radiation is determined by the formula: Δ = P · tgU, where U is the angle of incidence of light radiation on the code mask, in degrees.
Как следует из графиков (фиг.8), нелинейность зависимости смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения для изобретения (график 1) составляет не более 0,5%, а в то же время для прототипа наибольшая нелинейность такой зависимости при наличии зазора составляет более 20% для угла падения U=30°. Следовательно, снижение нелинейности зависимости смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения по сравнению с прототипом позволяет получить равномерное распределение разрешающей способности МФПУ по всей поверхности фоточувствительных площадок.As follows from the graphs (Fig. 8), the non-linearity of the dependence of the displacement of the image of the code mask on the angle of incidence of light radiation for the invention (graph 1) is not more than 0.5%, and at the same time, for the prototype, the greatest non-linearity of this dependence in the presence of a gap is more than 20% for the angle of incidence U = 30 °. Therefore, reducing the non-linearity of the dependence of the displacement of the image of the code mask on the angle of incidence of light radiation compared with the prototype allows to obtain a uniform distribution of the resolution of the MFP over the entire surface of the photosensitive sites.
Составное поле зрения датчика формируется пятью призмами и для каждого поля зрения используется вся поверхность фоточувствительных площадок матрицы, что приводит к повышению разрешающей способности более чем в 2,5 раза по сравнению с известными датчиками, за счет того, что угловой размер пикселя уменьшен и составляет 4 угловых минуты для матрицы формата 1024×1024 элементов по всему полю зрения 190°×190°.The composite field of view of the sensor is formed by five prisms and for each field of view the entire surface of the photosensitive areas of the matrix is used, which leads to an increase in resolution by more than 2.5 times compared to known sensors, due to the fact that the angular size of the pixel is reduced to 4 angular minutes for a matrix format of 1024 × 1024 elements over the entire field of view 190 ° × 190 °.
Технология изготовления оптического солнечного датчика представлена следующими операциями. Из оптического радиационно-стойкого стекла марки К208 формируют поверхности заданных форм и размеров, шлифуют и полируют до класса чистоты, при котором ширина царапин не должна превышать 0,004 мм. На поверхности заготовок, заданных конфигурацией конструкции составного моноблока, наносят зеркальное или поглощающее покрытие. Собирают полученные готовые элементы в составной моноблок путем склеивания боковых призм 2, 3, 4, 5 с поглощающими гранями центральной призмы 1 и другими двумя гранями между собой оптическим клеем типа ОК-72ФТ15 ГОСТ 1488-70. Основание изготовленного составного моноблока совмещают и склеивают под инструментальным микроскопом с кодовой маской 6 и склеенными стеклянными пластинами 7, 8 светофильтра. Изготовленную сборку закрепляют в корпусе или приклеивают на защитное стекло 9 МФПУ 10, выводы 11 которого запаивают в печатную плату. Оптический солнечный датчик помещают в корпус и устанавливают на посадочном месте снаружи КА.The manufacturing technology of the optical solar sensor is represented by the following operations. Surfaces of specified shapes and sizes are formed from optical radiation-resistant glass of the K208 brand, they are ground and polished to a cleanliness class in which the width of the scratches should not exceed 0.004 mm. On the surface of the workpieces specified by the configuration design of the composite monoblock, apply a mirror or absorbent coating. The resulting finished elements are assembled into a composite monoblock by gluing
Стадия готовности датчика к промышленному использованию: разработана эскизная документация и изготовлен макетный образец.Stage of readiness of the sensor for industrial use: preliminary documentation is developed and a prototype is made.
Расчетные технические характеристики оптического солнечного датчика:Estimated specifications for the optical solar sensor:
Поле зрения - 190°×190°;Field of view - 190 ° × 190 °;
Точность - не хуже 45 угловых секунд по всему полю зрения;Accuracy - not worse than 45 arc seconds across the entire field of view;
Габариты - порядка 120×130×70 мм;Dimensions - about 120 × 130 × 70 mm;
Вес - не более 0,8 кг.Weight - no more than 0.8 kg.
Источники информацииInformation sources
1. US 4792245, МПК G01J 1/20, НПК 250/203, публ. 27.12.1988.1. US 4792245,
2. US 6853445, МПК G01J 1/20, НПК 35/121, публ. 02.08. 2005.2. US 6853445,
3. US 6310336, НКИ 250/203.4, дата публ. 30.10.2001.3. US 6310336, NKI 250 / 203.4, date publ. 10/30/2001.
4. US 5914483, МПК G01J 1/20, НПК 250/203.4, публ. 22. 06.1999.4. US 5914483,
5. RU2244263 C1, МПК7 G01C 21/24, G01J 1/20, публ. 10.011.2005.5. RU2244263 C1,
6. SU 1779932, 5 МПК G01C 21/24, публ. 07.12.92.6.
7. А.Я. Гебгарт. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. © 2010 г. ОАО НПП «Геофизика-Космос», М., «Оптический журнал», 77, 9, 2010. 05.05.2010.7. A.Ya. Gebgart. Design features of some types of extra wide angle lenses. © 2010 NPP Geofizika-Cosmos, Moscow, Optical Journal, 77, 9, 2010. 05.05.2010.
8. RU 2308005 С1, 6 МПК G01C 21/24, G01J 1/20, дата публ. 10.10.2007. - прототип.8. RU 2308005 C1, 6
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013100461/28A RU2517979C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Optical solar sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013100461/28A RU2517979C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Optical solar sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2517979C1 true RU2517979C1 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=51216249
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013100461/28A RU2517979C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Optical solar sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2517979C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2700363C1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-09-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Wide-field sun position sensor |
RU192954U1 (en) * | 2019-07-01 | 2019-10-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun |
RU193901U1 (en) * | 2019-08-28 | 2019-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | SENSOR VECTOR DIRECTIONS IN THE SUN |
CN117387560A (en) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 长光卫星技术股份有限公司 | Digital sun sensor, error calibration method and sun azimuth acquisition method |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2308005C1 (en) * | 2006-10-20 | 2007-10-10 | Юрий Аркадьевич Видецких | Sun attitude pickup |
CN101126930A (en) * | 2007-07-06 | 2008-02-20 | 中国科学院上海技术物理研究所 | Pyramid type optical head device for CCD sun sensor |
RU107373U1 (en) * | 2011-03-24 | 2011-08-10 | ОАО "Научно-производственное предприятие космического приборостроения "КВАНТ" (ОАО "НППКП "КВАНТ") | OPTICAL SOLAR SENSOR SYSTEM |
-
2013
- 2013-01-09 RU RU2013100461/28A patent/RU2517979C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2308005C1 (en) * | 2006-10-20 | 2007-10-10 | Юрий Аркадьевич Видецких | Sun attitude pickup |
CN101126930A (en) * | 2007-07-06 | 2008-02-20 | 中国科学院上海技术物理研究所 | Pyramid type optical head device for CCD sun sensor |
RU107373U1 (en) * | 2011-03-24 | 2011-08-10 | ОАО "Научно-производственное предприятие космического приборостроения "КВАНТ" (ОАО "НППКП "КВАНТ") | OPTICAL SOLAR SENSOR SYSTEM |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2700363C1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-09-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") | Wide-field sun position sensor |
RU192954U1 (en) * | 2019-07-01 | 2019-10-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Small-sized sensor of angular coordinates of the Sun |
RU193901U1 (en) * | 2019-08-28 | 2019-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | SENSOR VECTOR DIRECTIONS IN THE SUN |
CN117387560A (en) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 长光卫星技术股份有限公司 | Digital sun sensor, error calibration method and sun azimuth acquisition method |
CN117387560B (en) * | 2023-12-11 | 2024-03-08 | 长光卫星技术股份有限公司 | Digital sun sensor, error calibration method and sun azimuth acquisition method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7756319B2 (en) | Optical system for determining the angular position of a radiating point source and method of employing | |
JP2913984B2 (en) | Tilt angle measuring device | |
RU2517979C1 (en) | Optical solar sensor | |
GB2523841A (en) | Infrared sensor module | |
Li et al. | High-accuracy self-calibration for smart, optical orbiting payloads integrated with attitude and position determination | |
RU175758U1 (en) | Wide Field Solar Sensor | |
US3581099A (en) | Toric imaging lens for slot censors for satellites | |
CN103913234A (en) | Fourier transform infrared imaging spectrometer based on multistage micro-reflector | |
CN104006885A (en) | Spatio-temporal union modulation Fourier-transformation imaging spectrometer and manufacturing method | |
US11301666B2 (en) | Light collimating structure, manufacturing method thereof and optical fingerprint identification apparatus | |
RU85226U1 (en) | CORNER INSTRUMENT | |
CN1466695A (en) | System and method for using a holographic optical element in a wireless telecommunication system receiver | |
EP0762139A2 (en) | Optical device for the determination of the orientation of a solid | |
RU2308005C1 (en) | Sun attitude pickup | |
RU2471148C1 (en) | Device for controlling rotation of object | |
RU107373U1 (en) | OPTICAL SOLAR SENSOR SYSTEM | |
CN107907307B (en) | Wedge-shaped lens transmission wavefront measuring device and method | |
RU161625U1 (en) | COMBINED DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT FOR A CHANNEL OF A GEOMETRIC STANDARD OF AN ANGLE-MEASURING INSTRUMENT | |
Kolosov et al. | Variants of nonmisadjustable optical systems of turning-angle sensors based on a BR-180° prism and a photoelectric autocollimator | |
CN101598533A (en) | Curved surface bondline thickness full-field detection device and detection method thereof | |
JPH07504269A (en) | Laser intensity monitoring device using metal thin film mask | |
CN104483725A (en) | Grating exposure system adopting aspherical single lens as collimation structure | |
CN103175608B (en) | A kind of equal electro-optical device of ultraviolet source | |
RU193901U1 (en) | SENSOR VECTOR DIRECTIONS IN THE SUN | |
Kolosov et al. | Optical system of a miniature wide-angle solar sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160110 |