CN102135435A - 一种数字太阳敏感器的误差修正方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种数字太阳敏感器的误差修正方法，第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值与实际测量值的比例修正系数，第二步，建立迭代方程，第三步，迭代计算修正误差，迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度的值，即可求得第一步中的修正系数，最后利用对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值；本发明还提供了一种基于本方法的数字太阳敏感器，能够快速准确修正误差，其分辨率可以达到0.02°，两轴视场角均可达到120°，大大降低了功耗并提高了数据刷新率，降低了成本，实现了在大视场角的范围内的高精度太阳角测量。

Description

一种数字太阳敏感器的误差修正方法及装置

技术领域

本发明属于姿态传感器领域，涉及到航天器上姿态测量控制***，尤其涉及一种数字太阳敏感器的误差修正迭代方法及装置。

背景技术

太阳敏感器的基本功能，是获取太阳矢量在与太阳敏感器相固联的星体坐标系中的方位信息，主要用于空间飞行器的姿态测量、姿态确定与姿态控制。此外，它还用于太阳望远镜一类有效载荷与太阳帆板的定向控制、星敏感器与红外地平仪的太阳保护控制、产生开关和时标信号、确定自旋卫星的相位基准、测定卫星自旋转速等等。

近年来，随着卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星的发展，太阳敏感器逐渐向着小型化、模块化、标准化、长寿命的方向发展，并且要求其具有大视场、高精度和高可靠性，数字式太阳敏感器是能够满足这些要求的首选，因此，数字式太阳敏感器必将成为太阳敏感器的发展趋势，世界各国也越来越注重数字式太阳敏感器的发展。

数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器。如图1、图2所示，单缝式数字太阳敏感器的基本原理，是当太阳光线从不同角度入射时，在图像传感器阵列上得到一个狭缝的投影，即一个亮斑，通过质心算法求得亮斑的几何中心坐标x_c与太阳角θ之间的关系是：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{x_c}{h}$

但是与此同时，图像传感器由于保护玻璃层的存在，始终存在测量误差，而且随着视场角的增大，光线折射会导致误差随之增大，而且该误差与测量角度呈非线性关系、没有解析解，这对于高精度的数字太阳敏感器的设计、应用产生了消极的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种数字太阳敏感器的误差修正迭代方法，其能够快速准确地修正误差，提高了太阳敏感器的精度，且大大降低了成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种数字太阳敏感器的误差修正方法，包括以下步骤，

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

第二步，建立迭代方程，

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度θ的值，即可求得第一步中的修正系数k，最后利用k对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值l′；

在所述的各个公式中，θ为入射太阳角，n₁为真空的折射率，n₂玻璃的折射率，n₃为空气的折射率，h为光引入器到CCD感光面的竖直距离，h₁为光引入器的厚度，h₂为光引入器到CCD保护玻璃层上表面的竖直距离，h₃为CCD保护玻璃层的厚度，h₄为CCD保护玻璃层下表面到CCD感光面的竖直距离，l为实际光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，可以通过测量得到，l′为假设没有CCD保护玻璃层时候光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，即理论测量值。

一种数字太阳敏感器，包括光引入器1，光线通过光引入器1后照射到CCD图像传感器2上，还包括控制模块3，控制模块3实现对所述CCD图像传感器2的驱动及曝光时间自动调节，然后将CCD图像传感器2输出的像素灰度值进行AD采样和存储，控制模块3还集成了上述的步骤，可以提取亮斑质心，实现误差修正。

所述光引入器1包括一玻璃，在所述的玻璃上镀一层金属铬，然后在其上光刻出一个狭缝，该狭缝由三条单狭缝组成，其中第一单狭缝与第二单狭缝平行等长方向一致且起始端连线垂直于第一单狭缝，第三单狭缝将第一单狭缝的起始端与第二单狭缝的终端连接起来，或者第三单狭缝将第二单狭缝的起始端与第一单狭缝的终端连接起来，即狭缝整体呈N形。

所述镀金属铬的厚度为100nm。

所述CCD图像传感器2为线阵CCD图像传感器。

所述控制模块3为单片机。

所述单片机为C8051F021。

所述控制模块3通过接口电路与上位机进行通信，输出修正后的值。

所述上位机指个人计算机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明所述方法收敛速度快，能够快速准确修正误差。

2)本发明所述装置利用线阵CCD图像传感器通过光线引入器上N形狭缝形成多个投影点，根据投影点之间不同的移动距离，实现了任意时刻两轴太阳角的测量，大大降低了功耗并提高了数据刷新率，降低了成本。

3)本发明所述装置分辨率可达到0.02°，两轴视场角可达到120°，实现了在大视场角的范围内的高精度太阳角测量。

4)本发明所述方法可广泛用于数字式太阳敏感器，对太阳敏感器的精度有很大提高。

附图说明

图1是单缝数字太阳敏感器原理示意图，x轴代表线阵CCD像素距离中心像素的距离，z轴代表线阵CCD所在平面的垂直方向距离，h代表光线引入器与CCD的距离，x轴下方的栅格表示成像序列，x_c指亮斑的几何中心坐标，θ指入射太阳角。

图2是单缝数字太阳敏感器光强分布图，其中x轴代表线阵CCD像素距离中心像素的距离，y轴代表光强大小，图中的曲线代表光照强度，x_c指亮斑的几何中心坐标。

图3是本发明所述方法的误差模型图，其中θ指入射太阳角，θ₂指太阳光从真空入射到光引入器玻璃掩模板后的折射角，θ₁指太阳光从光引入器玻璃掩模板入射到真空的折射角，θ₁＝θ，θ₃指太阳光从真空入射到CCD玻璃保护层后的折射角，θ₄指太阳光从CCD玻璃保护层入射到空气后的折射角，h₁为光引入器的厚度，h₂为光引入器到CCD保护玻璃层上表面的竖直距离，h₃为CCD保护玻璃层的厚度，h₄为CCD保护玻璃层下表面到CCD感光面的竖直距离。

图4是本发明的装置结构原理示意图，1为光引入器，2为CCD图像传感器，3为控制模块，4为控制模块与CCD接口，5为控制模块与上位机接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

为了更好地描述和理解本发明的方法，建立如图3所示的模型，太阳光从真空环境经玻璃掩模板上光刻出的缝隙照射进玻璃掩模板与CCD玻璃保护层中间的真空中，然后再经由CCD玻璃保护层后照射到置于空气中的CCD感光器的感光面上，假设θ为入射太阳角，n₁为真空的折射率，n₂玻璃的折射率，n₃为空气的折射率，h为光引入器到CCD感光面的竖直距离，h₁为光引入器的厚度，h₂为光引入器到CCD保护玻璃层上表面的竖直距离，h₃为CCD保护玻璃层的厚度，h₄为CCD保护玻璃层下表面到CCD感光面的竖直距离，l为实际光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，可以通过测量得到，l′为假设没有CCD保护玻璃层时候光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，即理论测量值，然后，通过以下步骤来修正数字太阳敏感器的误差：

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

第二步，根据图3，通过几何关系，建立迭代方程，

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度θ的值，即可求得第一步中的修正系数k，最后利用k对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值l′。

为加快收敛速度，可以先对入射太阳角的测量值先进行初步修正，迭代的初始角度选择初步修正后的值，所述的初步修正是将测量值乘以k₀，k₀指的是估算角度误差修正系数，k₀＝1.067。

为实现上述方法，本发明还提供了一种数字太阳敏感器，其原理示意图如图4，包括光引入器1，光线通过光引入器1后照射到CCD图像传感器2上，还包括控制模块3，控制模块3实现对所述CCD图像传感器2的驱动及曝光时间自动调节，然后将CCD图像传感器2输出的像素灰度值进行AD采样和存储，控制模块3中还集成了以下步骤：

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

第二步，根据图3，通过几何关系，建立迭代方程，

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度θ的值，即可求得第一步中的修正系数k，最后利用k对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值l′。

其中，控制模块3可选择单片机。

在具体的实施例中，控制模块3选择C8051F021单片机，CCD图像传感器2为线阵图像传感器，在光引入器1的玻璃上镀上一层金属铬，然后在其上光刻出一个狭缝，该狭缝由三条单狭缝组成，其中第一单狭缝与第二单狭缝平行等长方向一致且起始端连线垂直于第一单狭缝，第三单狭缝将第一单狭缝的起始端与第二单狭缝的终端连接起来，或者第三单狭缝将第二单狭缝的起始端与第一单狭缝的终端连接起来，即狭缝整体呈N形。金属铬的厚度为100nm，单片机通过控制模块与CCD接口4获取数据，然后通过控制模块与上位机接口5将修正后的结果传输到上位机，即个人计算机。

如图4所示，根据平行光成像原理，在视场角范围内，太阳光线在图像敏感器2上始终成三个像，随着入射太阳角的变化，中心狭缝成像亮斑质心的位置变化与两侧边缘狭缝成像亮斑质心的位置变化呈现不同的变化趋势，这一特性是能够利用线阵CCD实现两轴太阳角测量的基础。假设y₁为中心狭缝投影在CCD阵列上移动的距离，Δy为边缘倾斜狭缝投影在CCD阵列上移动的距离，可以得到两轴太阳角的正切计算式为：

$\tan \mathrm{\μ}=\frac{y_1}{h}$

$\tan v=\frac{\mathrm{\Δy}-y_1}{h\tan \mathrm{\δ}}$

在获取亮斑质心坐标过程中利用质心算法对所述CCD亮斑坐标进行计算，实现亚像元的分辨，质心算法计算式如下：

$y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2}{2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}$

$x_c=\frac{1}{2}+\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i\×y_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}$

其中，x_c为质心的像素值，y_c为质心的灰度值，x_i为获取的CCD上亮斑范围内的像素值，y_i为获取的CCD上亮斑范围内的像素对应的灰度值。

本实施例的CCD数字太阳敏感器实现航天器姿态测量步骤如下：

1)获取所需像素零点

在实验室中模拟真实运行环境，使模拟太阳光垂直射入太阳敏感器的光线引入器，此时图像传感器采集到的像素坐标作为像素零点坐标；选取中心狭缝的零点坐标和一侧边缘倾斜狭缝的零点坐标作为坐标基准；得到的每个亮斑图像大致如图2所示的峰值图像，利用质心算法计算零点质心坐标

其中表示中心狭缝零点坐标，表示边缘倾斜狭缝零点坐标；

2)获取实时成像点坐标

太阳敏感器实时工作时，对图像传感器采集到的初始图像进行遍历查找，记录满足阈值要求的像素坐标与灰度值，得到实时亮斑图像，并对各个亮斑图像运用质心算法计算实时质心坐标(x_t，y_t)；

3)计算太阳光入射角的测量值

根据太阳敏感器实时质心精确位置(x_t，y_t)，和零点质心坐标计算当前时刻太阳光相对于太阳敏感器的入射角α_t，β_t：

${\mathrm{\α}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0}{h}\right)$

${\mathrm{\β}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{(y_t-{\stackrel{\‾}{y}}_0)-(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}{h\tan \mathrm{\δ}}\right)$

其中，h为光线引入器到CCD感光面的竖直距离，δ为中心狭缝与边缘狭缝的夹角，以下取为45°进行计算，

上述步骤计算出的两轴太阳角，由于存在CCD保护玻璃层的折射，造成太阳敏感器的精度下降，而且在太阳角较大的情况下会有较大的测量误差。本发明基于上述问题，分析折射误差产生的基本结构，在单片机上集成本发明所述的修正方法步骤，具体如下：

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

考虑到将入射太阳角分解到两个方向，可以得到以下公式：

$k=\frac{{(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}^{\′}}{(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}=\frac{{((y_t-{\stackrel{\‾}{y}}_0)-(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0))}^{\′}}{((y_t-{\stackrel{\‾}{y}}_0)-(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0))}$

其中带有上标的数据表示理论值，将两个方向的测量值利用修正参数进行修正，得到修正后的角度公式为：

${\mathrm{\α}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0}{h}\right)$

${\mathrm{\β}}_t={\tan }^{-1}\left(\frac{(y_t-{\stackrel{\‾}{y}}_0)-(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}{h\tan \mathrm{\δ}}\right);$

第二步，建立迭代方程，

根据各个角度的空间几何关系，可以得到：

tan²θ＝tan²α_t+tan²β_t

可以得到迭代方程如下：

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

$l={(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}^2+{((y_t-{\stackrel{\‾}{y}}_0)-(x_t-{\stackrel{\‾}{x}}_0))}^2$

其中，可以将l视作通过实时测量得到的常数；

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择测量值并可以经过初步修正以加快收敛速度，利用初始值迭代计算，算法满足设定的收敛条件后便得到太阳光入射角θ的精确解，通过θ代入修正系数k的定义式可求得修正系数k，最后利用k对两轴太阳角进行修正计算，即可得到理论测量值l′。

通过以上步骤最终完成两轴太阳角的精确计算。

本发明的数字式太阳敏感器误差修正方法建立在牛顿迭代算法的基础上，利用二阶收敛，具有收敛速度快的特点，能够快速准确修正误差。结合该方法，本发明的N型数字太阳敏感器利用线阵CCD图像传感器与N字缝光线引入器实现两轴太阳角的测量，其分辨率可以达到0.02°，两轴视场角均可达到120°，大大降低了功耗并提高了数据刷新率，降低了成本，实现了在大视场角的范围内的高精度太阳角测量。本发明的误差修正算法可广泛用于数字式太阳敏感器，对太阳敏感器的精度有很大提高。

Claims (10)

1.一种数字太阳敏感器的误差修正方法，包括以下步骤，

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

第二步，建立迭代方程，

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度θ的值，即可求得第一步中的修正系数k，最后利用k对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值l′；

在所述的各个公式中，θ为入射太阳角，n₁为真空的折射率，n₂玻璃的折射率，n₃为空气的折射率，h为光引入器到CCD感光面的竖直距离，h₁为光引入器的厚度，h₂为光引入器到CCD保护玻璃层上表面的竖直距离，h₃为CCD保护玻璃层的厚度，h₄为CCD保护玻璃层下表面到CCD感光面的竖直距离，l为实际光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，可以通过测量得到，l′为假设没有CCD保护玻璃层时候光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，即理论测量值。

2.根据权利要求1所述的一种数字太阳敏感器的误差修正方法，其特征在于，将入射太阳角的测量值先进行初步修正，迭代的初始角度选择初步修正后的值，所述的初步修正是将测量值乘以k₀，k₀指的是估算角度误差修正系数，k₀＝1.067。

3.一种数字太阳敏感器，包括光引入器(1)，光线通过光引入器(1)后照射到CCD图像传感器(2)上，还包括控制模块(3)，控制模块(3)实现对所述CCD图像传感器(2)的驱动及曝光时间自动调节，然后将CCD图像传感器(2)输出的像素灰度值进行AD采样和存储，其特征在于，控制模块(3)集成有以下步骤，

第一步，确定光引入器在图像传感器上产生的光斑投影的中心与太阳光垂直入射时成像点距离的理论测量值l′与实际测量值l的比例修正系数k，

$k=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{h\tan \mathrm{\θ}}{h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)}>1$

第二步，建立迭代方程，

$h_2\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)+h_4\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_3}\right)-l=0$

第三步，迭代计算修正误差，取空气和真空的折射率均为1.0，利用牛顿迭代得到太阳角的迭代公式，

${\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k-\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中， $F\left(\mathrm{\θ}\right)=(h_2+h_4)\tan \mathrm{\θ}+h_3\tan \left(\arcsin \frac{n_1\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)-l$

$F^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{(h_2+h_4)}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}+h_3\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_2}\right)\·\sqrt{{n_2}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}$

迭代的初始角度选择入射太阳角的测量值，收敛后得到角度θ的值，即可求得第一步中的修正系数k，最后利用k对测量值根据第一步的公式进行修正，即可得到理论测量值l′；

在所述的各个公式中，θ为入射太阳角，n₁为真空的折射率，n₂玻璃的折射率，n₃为空气的折射率，h为光引入器到CCD感光面的竖直距离，h₁为光引入器的厚度，h₂为光引入器到CCD保护玻璃层上表面的竖直距离，h₃为CCD保护玻璃层的厚度，h₄为CCD保护玻璃层下表面到CCD感光面的竖直距离，l为实际光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，可以通过测量得到，l′为假设没有CCD保护玻璃层时候光斑中心距离太阳光垂直入射时成像点的距离，即理论测量值。

4.根据权利要求3所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述光引入器(1)采取的工艺是在玻璃上镀一层金属铬，然后在其上光刻出一个狭缝，该狭缝由三条单狭缝组成，其中第一单狭缝与第二单狭缝平行等长方向一致且起始端连线垂直于第一单狭缝，第三单狭缝将第一单狭缝的起始端与第二单狭缝的终端连接起来，或者第三单狭缝将第二单狭缝的起始端与第一单狭缝的终端连接起来，即狭缝整体呈N形。

5.根据权利要求4所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述镀金属铬的厚度为100nm。

6.根据权利要求3所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述CCD图像传感器(2)为线阵CCD图像传感器。

7.根据权利要求3所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述控制模块(3)为单片机。

8.根据权利要求7所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述单片机为C8051F021。

9.根据权利要求3所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述控制模块(3)通过接口电路与上位机进行通信，输出修正后的值。

10.根据权利要求9所述的一种数字太阳敏感器，其特征在于，所述上位机指个人计算机。

Images