一种太阳敏感器及其测量方法.pdf

本发明公开了一种太阳敏感器及其测量方法，涉及卫星等飞行器位置与太阳之间的姿态敏感器的装置及其测量方法。该装置包括光路引入器、光敏传感器和信号处理器。光路引入器由基准光纤和导入光纤组成，基准光纤置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在其圆轨迹上均匀分布2～2n对导入光纤，n为2、4或8，每对导入光纤包括2根光纤，它们按圆心呈对称分布，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈15～60°的夹角；光敏传感器由与光纤数相同的光电传感元件组成，每根光纤的输出端与一个光电传感元件相对接。它具有高精度分辨率、体积小、重量轻、结构简单、价格低廉，且适用于航天环境的特点，推广应用前景广阔。

1.  一种太阳敏感器，它包括光路引入器、光敏传感器和信号处理器，其特征在于：所述的光路引入器包括基准光纤(1)和导入光纤(2)，基准光纤置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在圆轨迹上均匀分布2～2n对导入光纤，n为2、4或8，每对导入光纤包括2根光纤，它们按圆心呈对称分布，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈15～60°的夹角；所述的光敏传感器由与光纤数相同的光电传感元件(4)组成，每根光纤的输出端与一个光电传感元件相对接。

2.  根据权利要求1所述的一种太阳敏感器，其特征在于：所述的光电传感元件为光电池。

3.  根据权利要求1所述的一种太阳敏感器，其特征在于：所述的信号处理器包括电信号放大器(6)、模/数转换器(7)、数据处理器和数据通讯接口。

4.  根据权利要求1所述的一种太阳敏感器，其特征在于：所述的基准光纤的受光面上安装遮光罩。

5.  根据权利要求1所述的一种太阳敏感器，其特征在于：所述的导入光纤的受光面上设有透光膜。

6.  一种太阳敏感器测量太阳与其相对位置的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)平行光线通过光路引入器的基准光纤和导入光纤端面，按cos θ的分量进入光纤，得到入射光信号；所述的θ角为光纤端面法线与平行光线的入射夹角，θ＜90°；所述的光路引入器，包括基准光纤和导入光纤，基准光纤置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在其圆轨迹上均匀分布2～2n对导入光纤，n为2、4或8，每对导入光纤包括2根光纤，它们按圆心呈对称分布，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈15～60°的夹角；
(2)得到的上述入射光信号经光敏传感器转换成模拟电信号；
(3)由信号放大器进行信号放大处理，再经A/D转换为数字信号；
(4)分别将每对导入光纤得到的光信号进行差分处理，依据基准光纤得到的光信号，按余弦定理进行计算处理，得到太阳与太阳敏感器的空间矢量夹角，即太阳与太阳敏感器的相对位置。

一种太阳敏感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种卫星等飞行器位置与太阳之间的姿态敏感器的装置及其测量方法，特别涉及一种采用多路导光光纤作为光线引入器的太阳敏感器及其位置测量方法。
背景技术
太阳敏感器在航空、航天领域是应用最广泛的一类定位传感器，飞机和卫星上都要配备太阳敏感器。通过测量太阳相对飞行器本体坐标系的位置来确定自身的姿态。选择太阳作为参考目标是因为太阳视在圆盘的角半径几乎和飞行器轨道无关，因此，对大多数应用而言，将太阳近似看作一个点光源可以简化了太阳敏感器设计和飞行器姿态确定算法。太阳敏感器除了能够为飞行器提供姿态信息以外，还可用来保护灵敏度很高的星敏感器。
目前，太阳敏感器按照其工作的方式，主要有以下三种：
1.“0-1”式太阳敏感器，其结构较为简单，在敏感器面上开一狭缝，下面安装光电池，当太阳进入敏感器视场，光电池产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。持续阶跃信号指示太阳故又称为太阳发现探测器。
2.模拟式太阳敏感器，又称为余弦检测器，使用光电池作为传感器件，光电池的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：
I(θ)＝I₀cosθ
其中：
θ为太阳光束与光电池法线方向的夹角；
I₀为太阳光束与光电池法线方向的夹角为零时的电流。
一般情况下，它的视场在20～30°左右，精度为1°左右，容易受到地球反射光等其它光源的干扰，使对姿态测量的结果产生误差。目前的通信卫星主要依赖模拟式的太阳敏感器。
3.数字式太阳敏感器，其具有重量轻、功耗低、精度高、模块化等优点。它是通过计算太阳光线在传感器上中心参考位置的偏差量来计算太阳光的角度的敏感器。目前，数字式太阳敏感器主要有CCD和有源像素传感器(APS)两种，CCD太阳敏感器又可以分为线阵CCD数字式太阳敏感器和面阵CCD式太阳敏感器，APS数字式太阳敏感器以面阵为主。CCD数字式太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。其探测原理是：太阳光通过狭缝投射在CCD传感器上，通过计算太阳光投射点偏离CCD参考位置来计算太阳光的夹角。工作波段多为0.4～1.1μm的可见光波段。文献“微型数字式太阳敏感器的原理实验”([J]清华大学学报(自然科学版)2005，Vol.45，No.2，186-189)公开了一种基于新型光线引入器和有源像素传感器(APS)CMOS图像传感器的微型数字式太阳敏感器，介绍了系统的工作原理、光线引入器的结构特点和APS CMOS图像传感器的特点，并进行了系统误差分析与实验，实验结果表明，该太阳敏感器的角度估算精度在±10°视场角内为0.16°。然而，由于在太空中宇宙高能粒子容易对CCD等光敏传感器的轰击造成损坏，因此，数字式太阳敏感器不能适用于航天环境。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种具有高精度分辨率、体积小、重量轻、结构简单，且适用于航天环境的太阳敏感器及其测量方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种太阳敏感器，它包括光路引入器、光敏传感器和信号处理器，所述的光路引入器包括基准光纤和导入光纤，基准光纤置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在其圆轨迹上均匀分布2～2n对导入光纤，n为2、4或8，每对导入光纤包括2根光纤，它们按圆心呈对称分布，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈15～60°的夹角；所述的光敏传感器由与光纤数相同的光电传感元件组成，每根光纤的输出端与一个光电传感元件相对接。
所述的光电传感元件为光电池。所述的信号处理器包括电信号放大器、模/数转换器、数据处理器和数据通讯接口。
所述的基准光纤的受光面上安装遮光罩。所述的导入光纤的受光面上设有透光膜。
一种太阳敏感器测量太阳与其相对位置的方法，包括如下步骤：
(1)平行光线通过光路引入器的基准光纤和导入光纤端面，按cosθ的分量进入光纤，得到入射光信号；所述的θ角为光纤端面法线与平行光线的入射夹角，θ＜90°；所述的光路引入器，包括基准光纤和导入光纤，基准光纤置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在其圆轨迹上均匀分布2～2n对导入光纤，n为2、4或8，每对导入光纤包括2根光纤，它们按圆心呈对称分布，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈15～60°的夹角；
(2)得到的上述入射光信号经光敏传感器转换成模拟电信号；
(3)由信号放大器进行信号放大处理，再经A/D转换为数字信号；
(4)分别将每对导入光纤得到的光信号进行差分处理，依据基准光纤得到的光信号，按余弦定理进行计算处理，得到太阳与太阳敏感器的空间矢量夹角，即太阳与太阳敏感器的相对位置。
与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.采用光纤作为光线引入器，可防止太空中宇宙高能粒子对光敏传感器的轰击损坏，适用于航天环境。
2.本发明所提供的太阳敏感器，兼顾大视场角和小视场角的探测，可获得高精度的分辨率。
3.采用光电池作为光敏传感器，具有结构简单、体积较小、寿命长、重量轻、价格低廉的优点，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种太阳敏感器光路引入器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种太阳敏感器光路引入器的俯视图；
图3是本发明实施例提供的太阳敏感器信号处理器的原理示意图。
其中，1、基准光纤；2、导入光纤；3、光线引入器安装座；4、光敏传感元件；5、多路电子开关；6、信号放大器；7、模数转换器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例1：
本实施例提供一种太阳敏感器，它包括光路引入器、光敏传感器和信号处理器。
参见附图1和附图2，是本发明实施例提供的一种太阳敏感器光路引入器的结构示意图和俯视；基准光纤1置于光路引入器的中心，以基准光纤为圆心，在其圆轨迹上均匀分布4对(8根)导入光纤2，每对导入光纤有2根光纤组成，且该2根导入光纤关于圆心呈对称分布；在每对导入光纤与基准光纤的平面内，每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线呈60°的夹角，将它们固定在光线引入器安装座3上；每根光纤的输出端与一个光电传感元件4相对接，在本实施例中，选用光电池为光电传感元件。
参见附图3，它是本实施例提供的一种太阳敏感器信号处理器的原理示意图；太阳光线由多根光纤引入，光电池4接收后转换成电流信号，再经多路电子开关5和信号放大器6选通并放大。模数转换器7转换成数字信号，交数据处理器处理，通过控制和数据接口输出所测得的位置信号。
本发明可对称增设多对(2n对，n为4或8)导入光纤，提高测量精度。还可在每根光纤的受光面设置透光膜，提高太阳光的利用率。在基准光纤的受光面增加一个遮光罩(环)，以减少周边的杂光影响，提高测量的准确性。
本实施例提供的一种太阳敏感器，采用4对8根导入光纤2和1根中心基准光纤1组成光线引入器，经过9个光电池4作为光敏传感器转化为电信号，为了保证放大的参数一致性，采用了一个放大器电路，信号选通采用多路开关，放大后的信号经模数转换器转换成数值量，数据处理器将对4对8路导入光纤和1路基准光纤参考值进行差分运算，所获数据经过通讯接口送出。
按本实施例提供的一种太阳敏感器，用于测量太阳与该敏感器的相对位置，其测量原理是：太阳光以平行光的方式投射于地面，基准光纤导入太阳光的强弱参考值(I₀)，每一对导入光纤的端面法与基准光纤的端面法线的夹角(2α)为2(15～60°)，在本实施例中为120°，即与位于中心的基准光纤端面法线成60°(α)夹角，从每对导入光纤的另一端接收到的太阳光的能量按I(θ)＝I₀cosθ得到，θ为光纤端面法线与平行光线的入射夹角，θ＜90°。当太阳敏感器基准光纤的端面正对太阳时，由4对(8个)导入光纤另一端的光电池转换的电信号的差值为零。而当太阳敏感器的导入基准光纤的端面法线与太阳光成β(β＝α±θ，在本实施例中，β＝60°±θ)夹角时，从每对导入光纤光电池所获得太阳光转换的电信号的差值为：
Δ(θ)＝I_R(θ)-I_L(θ)
Δ(θ)＝I₀cos(α+β)-I₀cos(α-β)
其中，I_R为一对导入光纤中的1根光纤获得太阳光转换的电信号，I_L为该对导入光纤中的另1根光纤获得太阳光转换的电信号。
按上述公式，α是每根导入光纤的端面法线与基准光纤的端面法线的夹角，由所设计的太阳敏感器的结构决定，为已知量，I₀为中心的基准光纤光电池所得到的太阳光的强弱信号，为测量得到的已知量，ΔI(θ)是每对导入光纤光电池的电信号差值，经测量和计算可以得到，也为已知量，因此，最终可求出公式中的β，在求β值时，可按三角函数的逆运算方法，或建立一个经过标定的数指表，将所获得差分电信号的数值直接查表。
该夹角仅仅是太阳光在太阳敏感器坐标系统某一方向上(相对于某一对导入光纤)的一个偏移角。同理，求得太阳光在太阳敏感器坐标系统其它方向上(其它各对导入光纤)的另几个偏移角。再将各坐标上的偏移角进行矢量合成，获得太阳在太阳敏感器坐标系统偏移的夹角，这是一个三维空间的向量，为太阳与太阳敏感器的空间矢量夹角，即太阳与太阳敏感器的相对位置。
将太阳敏感器的光线引入器(多路光纤)安装于卫星等飞行器外表面，在太阳辐照区域，将输出多路光电敏感数据，通过每对导入光纤测得的差值，可得到卫星与太阳的偏差角度，只有当每对的差值等于零时，认为太阳射线与卫星等飞行器某一体轴坐标平面之间的夹角为零。数据处理器可按照ADC所转换得到的四个差分值，参考太阳光强度，计算出本地坐标平面与太阳的三维夹角。通常将夹角数据经通讯接口传送至卫星数据综合系统和飞机驾驶舱控制台，实现飞机的自动导航和位置定位。
由于光纤长度可以根据实际情况延长或缩短，可将光电池安放在卫星的较深部位，以防止宇宙中高能粒子的撞击而损坏。
本发明提供的太阳敏感器，可作为一种有广泛用途的自动跟踪太阳光照系统关键器件，利用取之不尽、用之不竭的太阳能来为人类的工农业生产和办公居住生活服务。例如：太阳发电(太阳能电池板组)，当太阳能电池板直面太阳时，可获取最大的光电转换效率。本装置输出的关于太阳夹角数据经过调整驱动装置，改变太阳能电池板的受光位置，保持与太阳移动轨迹相同步。同时，也可应用于运动物体相对位置的测量，如在甲物体安装有本发明所提供的太阳敏感器(此时可做为光敏感器)，乙物体发射一路光束，当甲物体上的敏感器接收到乙物体发射来的光束，可不断调整甲物体自身的姿态，直至甲、乙二物体夹角为零，调整对接到位。光敏传感器采用红外波段的敏感器件，发射光改用红外光可设计成红外型敏感器。