CN106066170B - 一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法 - Google Patents

一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法，属于航空航天技术领域，包括卫星主体，两个支架结构分别安装在卫星主体的一对顶角上，每个支架结构有三个相互垂直的面，每个支架结构的每个面都安装光电转换器，信号处理电路安装在卫星主体内部，信号处理电路由信号调理电路、温度检测器及处理器组成，每个光电转换器分别与对应的信号调理电路连接，信号调理电路与处理器连接，将电压信号输入至处理器，温度检测器与处理器连接，将卫星主体的温度信号输入至处理器。为了达到上述目的，本发明提供一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法，解决了现有技术中存在的问题，具有全视场、体积小、质量轻的优点。

Description

一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种基于光电转换器的太阳敏感器及其测量方法，尤其用于微纳卫星实现太阳矢量角的测量。
背景技术
姿态的实时确定是卫星进行高精度控制的前提和基础，而卫星在轨状态的观测需要获取参考天体的相对位置信息，太阳光具有高亮度、高信噪比、高平行度的特性，使其容易检测且太阳矢量角方向几乎与卫星轨道无关，所以卫星安装太阳矢量角传感器对其进行姿态检测具有重大意义。
目前，应用较为成熟的太阳矢量角传感器主要分为模拟式太阳矢量角传感器和数字式太阳矢量角传感器。
模拟式太阳矢量角传感器利用太阳能电池片的光电效应的线性特性，通过太阳能电池片的短路输出电流与光通量的线性关系，得出太阳矢量角方向。如中国专利号ZL201310317156.8，专利名称为“一种用于太阳方位角测量的粗太阳敏感器”，公告日2015年7月8日，公开了一种用于太阳方位角测量的太阳敏感器，包括主体结构、基座、电池组件、基准镜、电连接器和接地组件，主体结构为四棱锥台形状，四棱锥台的四个侧面和一个顶面上均安装电池组件，通过测量各电池的输出实现太阳方位角的测量，该太阳敏感器相比传统模拟太阳敏感器体积较小，质量较轻，视场较大。
数字式太阳矢量角传感器通过图像传感器采集太阳图像，通过数字图象处理获取太阳矢量角方向。如中国专利号ZL201410065241.4，专利名称为“太阳敏感器”，公告日2016年1月20日，公开了一种太阳敏感器，包括光线引入器，光线引入器具有多组视场定位孔和多组姿态更新孔，利用多组视场定位孔将太阳敏感器的总视场划分为多个分视场，利用多组姿态更新孔调整太阳敏感器的更新率放大因子；图像探测器，图像探测器位于光线引入器下方且与光线引入器间隔预定距离。该太阳敏感器实现了在大视场条件下提供角秒级的入射角测量精度。
综上所述，现有的模拟式太阳矢量角传感器和数字式太阳矢量角传感器通常体积较大，质量较重，且无法实现全视场，较大的占用了卫星的载荷；本领域中，在准确测量太阳矢量角前提下，结构越简单、质量越轻、体积越小越好。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于光电转换器的太阳敏感器，解决了现有技术中存在的问题，该太阳敏感器具有全视场、体积小、质量轻的优点。
本发明的另一目的是，提供一种基于光电转换器的太阳敏感器实时测量太阳矢量角的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于光电转换器的太阳敏感器，包括卫星主体，两个支架结构分别安装在卫星主体的一对顶角上，每个支架结构有三个相互垂直的面，每个支架结构的每个面都安装光电转换器，光电转换器至少为6个，保证卫星主体的6个面都有光电转换器；信号处理电路安装在卫星主体内部，信号处理电路由信号调理电路、温度检测器及处理器组成，信号调理电路、温度检测器设置6个或6个以上；每个光电转换器分别与对应的信号调理电路连接，信号调理电路包括电阻和运算放大器，通过电阻把光电转换器输出的电流信号转换为电压信号，再通过运算放大器放大；信号调理电路与处理器连接，将电压信号输入至处理器，温度检测器与处理器连接，将卫星主体的6个面的温度信号输入至处理器。
本发明的特征还在于，进一步的，支架结构的每个面与卫星主体的表面相贴合。
进一步的，光电转换器的型号为S10604-200CT。
进一步的，运算放大器的型号为TLC271。
进一步的，处理器采用型号为STM32F103的单片机。
进一步的，温度检测器采用型号为18B20的数字温度传感器。
进一步的，每个光电转换器与对应的信号调理电路、对应的温度检测器组成一个模组，至少6个相同的模组分别与处理器相连。
一种基于光电转换器的太阳敏感器实时测量太阳矢量角的方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，通过处理器获取所有光电转换器的输出，通过温度检测器测量六个光电转换器的温度，根据温度对所有光电转换器的输出进行温度补偿；
步骤2，找出接收到太阳光的1个、2个或3个光电转换器，并记录接收到太阳光的光电转换器的数量；
步骤3，根据步骤2中所述光电转换器的数量和相应光电转换器的输出，利用光电转换器的输出与太阳光入射角之间的余弦函数关系，求得太阳矢量角。
本发明的有益效果是：本发明直接利用卫星主体，卫星主体的顶角上安装支架结构，每个支架结构有三个面，每个支架结构的每个面都安装光电转换器，构成太阳敏感器，实现了卫星主体的各表面都安装光电转换器，即具有全视场的优点，其次，光电转换器集中在卫星主体的顶角上，很大程度上节约了本发明的太阳敏感器的占用体积，本发明采用光电转换器测量太阳矢量角，具有全视场、小体积以及低质量的优点，可用于普通卫星、微纳卫星及皮卫星中。
本发明利用光电转换器的输出与给定辐照度的太阳光的入射角成余弦函数关系的特点，测量太阳矢量角，故而可以实现全视场测量。同时，与传统模拟式太阳敏感器相比，省去了占用较大体积质量的光线引入器。与数字式太阳敏感器相比，没有体积质量较大的镜头；故而本发明还具有小体积以及低质量的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中支架结构的放大图。
图3是本发明信号处理电路的结构示意图。
图4是本发明太阳敏感器在卫星上的太阳矢量角坐标系示意图。
图中，1.光电转换器，11.第一光电转换器，12.第二光电转换器，13.第三光电转换器，14.第四光电转换器，15.第五光电转换器，16.第六光电转换器，2.信号处理电路，3.卫星主体，4.支架结构，41.第一支架结构，42.第二支架结构，5.信号调理电路，6.温度检测器，7.处理器，8.模组，9.单片机。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明优选实施例的结构，如图1-3所示，支架结构4由第一支架结构41和第二支架结构42组成，光电转换器1由第一光电转换器11、第二光电转换器12、第三光电转换器13、第四光电转换器14、第五光电转换器15、第六光电转换器16组成；第一支架结构41和第二支架结构42分别安装在卫星主体3的一对顶角上，第一支架结构41的三个相互垂直面与卫星主体3的表面相贴合，第二支架结构42的三个相互垂直面与卫星主体3的表面相贴合，第一支架结构41的三个相互垂直的面上分别安装第一光电转换器11、第二光电转换器12、第三光电转换器13，第二支架结构42的三个相互垂直的面上分别安装第四光电转换器14、第五光电转换器15、第六光电转换器16；信号处理电路2安装在卫星主体3内部，信号处理电路2由信号调理电路5、温度检测器6及处理器7组成，信号调理电路5、温度检测器6分别设置6个，第一光电转换器11、第二光电转换器12、第三光电转换器13、第四光电转换器14、第五光电转换器15、第六光电转换器16分别与对应的信号调理电路5连接，信号调理电路5包括电阻和运算放大器，信号调理电路5通过电阻把对应的光电转换器1输出的电流信号转换为电压信号，再通过通用运算放大器TLC271放大；对应的信号调理电路5与处理器7连接，将电压信号输入至处理器7，温度检测器6与处理器7连接，将卫星主体3的6个面的温度信号输入至处理器7。
每个光电转换器1与对应的信号调理电路5、对应的温度检测器6组成一个模组8，6个相同的模组8分别与处理器7相连实现太阳矢量角的测量功能。
温度检测器6采用数字温度传感器18B20，电路简单，支持单总线；
处理器7采用具有低功耗功能的单片机9，单片机9的型号为STM32F103，具有72Mhz主频以及强大的硬件资源；
本发明的原理是：光电转换器1的输出与接收到的太阳光辐射通量成正比，接收到的太阳光辐射通量与太阳光矢量角成正比，利用这个特性就可以通过测量光电转换器1的输出获取太阳矢量角。
建立如图4所示太阳矢量角坐标系，本发明一种基于光电转换器的太阳敏感器实时测量太阳矢量角的方法，具体按照以下步骤进行：
由于光电转换器1的输出与太阳光入射角之间成余弦函数关系，一个光电转换器1可以获得一个圆锥面，实际的太阳矢量包含在所获得的圆锥面中。3个以上不共面的光电转换器1可以求得唯一太阳矢量。具体测量方法如下：
步骤1，通过处理器7获取所有光电转换器1的输出，通过温度检测器6测量六个光电转换器1的温度，根据温度对所有光电转换器1的输出进行温度补偿；
步骤2，找出接收到太阳光的1个、2个或3个光电转换器1，并记录接收到太阳光的光电转换器1的数量；
步骤3，根据步骤2中光电转换器1的数量和相应光电转换器1输出的值，利用光电转换器1输出的值与太阳光入射角之间成余弦函数关系的原理，求得太阳矢量角。
图4中，θx代表太阳矢量在XY平面的投影与X轴的夹角，θy代表太阳矢量在XY平面的投影与Y轴的夹角，θz代表太阳矢量在ZY平面的投影与Z轴的夹角。
本发明直接利用卫星主体3，卫星主体3的顶角上安装支架结构4，支架结构4有三个面，每个支架结构4的每个面上都安装光电转换器1，构成太阳敏感器，实现了卫星主体3的各表面都安装光电转换器1，即具有全视场的优点，其次，光电转换器1集中在卫星主体3的顶角上，很大程度上节约了本发明的太阳敏感器的占用体积。
本发明中采用的光电转换器1的型号为S10604-200CT，一枚元件的封装大小为长2mm×宽1.25mm×高0.8mm，支架结构4每面的面积只需满足安装一枚光电转换器，另外本发明无需传统模拟式太阳敏感器的光线引入结构，光线引入结构具有较大的体积和质量。同时数字式太阳敏感器由于采用数字图像技术，图像传感器需要镜组引入光线，镜组具有较大体积和质量。所以本发明提出的太阳敏感器的体积和质量远小于传统的模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，包括卫星主体(3)，两个支架结构(4)分别安装在卫星主体(3)的一对顶角上，每个支架结构(4)有三个相互垂直的面，每个支架结构(4)的每个面都安装光电转换器(1)，光电转换器(1)至少为6个，保证卫星主体(3)的6个面都有光电转换器(1)；信号处理电路(2)安装在卫星主体(3)内部，信号处理电路(2)由信号调理电路(5)、温度检测器(6)及处理器(7)组成，信号调理电路(5)、温度检测器(6)设置6个或6个以上；每个光电转换器(1)分别与对应的信号调理电路(5)连接，信号调理电路(5)包括电阻和运算放大器，通过电阻把光电转换器(1)输出的电流信号转换为电压信号，再通过运算放大器放大；信号调理电路(5)与处理器(7)连接，将电压信号输入至处理器(7)，温度检测器(6)与处理器(7)连接，将卫星主体(3)的6个面的温度信号输入至处理器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述支架结构(4)的每个面与卫星主体(3)的表面相贴合。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述光电转换器(1)的型号为S10604-200CT。
4.根据权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述运算放大器的型号为TLC271。
5.根据权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述处理器(7)采用型号为STM32F103的单片机(9)。
6.根据权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述温度检测器(6)采用型号为18B20的数字温度传感器。
7.根据权利要求1-6任何一项所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器，其特征在于，所述每个光电转换器(1)与对应的信号调理电路(5)和对应的温度检测器(6)组成一个模组(8)，至少6个相同的模组(8)分别与处理器(7)相连。
8.采用如权利要求1所述的一种基于光电转换器的太阳敏感器实时测量太阳矢量角的方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1，通过处理器(7)获取所有光电转换器(1)的输出，通过温度检测器(6)测量六个光电转换器(1)的温度，根据温度对所有光电转换器(1)的输出进行温度补偿；
步骤2，找出接收到太阳光的1个、2个或3个光电转换器(1)，并记录接收到太阳光的光电转换器(1)的数量；
步骤3，根据步骤2中所述光电转换器(1)的数量和相应光电转换器(1)的输出，利用光电转换器(1)的输出与太阳光入射角之间的余弦函数关系，求得太阳矢量角。
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