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太陽敏感器原理與技術(shù)發(fā)展淺析

出處：何麗，胡以華 發(fā)布于：2007-04-18 15:09:48

一、概述
太陽敏感器是在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一類敏感器，所有的衛(wèi)星上都配備有太陽敏感器。太陽敏感器通過測(cè)量太陽相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的位置來確定衛(wèi)星的姿態(tài)。選擇太陽作為參考目標(biāo)是因?yàn)樘栆曉趫A盤的角半徑幾乎和航天器軌道無關(guān)并且很小，因此，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，可以把太陽近似看作點(diǎn)光源。這樣就簡(jiǎn)化了敏感器設(shè)計(jì)和姿態(tài)確定算法。并且，太陽的高亮度、高信噪比使得檢測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)[1]。
太陽敏感器除了能夠?yàn)樾l(wèi)星提供姿態(tài)信息以外，還可以用來保護(hù)靈敏度很高的儀器，如星敏感器。
二、太陽敏感器的構(gòu)成
太陽敏感器的構(gòu)成主要包括三個(gè)方面：光學(xué)頭部、傳感器部分和信號(hào)處理部分[2]。光學(xué)頭部可以采用狹縫、小孔、透鏡、棱鏡等方式；傳感器部分可以采用光電池、CMOS器件、碼盤、光柵、光電二極管、線陣CCD、面陣CCD、APS、SMART等各種器件；信號(hào)處理部分方案可采用分離電子元器件、單片機(jī)、可編程邏輯器件等。

三、各種太陽敏感器工作原理與特點(diǎn)
太陽敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模擬式和數(shù)字式幾種。
1、“0-1”式太陽敏感器
“0-1” 式太陽敏感器又稱太陽發(fā)現(xiàn)探測(cè)器，即只要有太陽就能產(chǎn)生輸出信號(hào)，可以用來保護(hù)儀器，使航天器或實(shí)驗(yàn)儀器定位。它的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，敏感器上面開一個(gè)狹縫，底面貼光電池，當(dāng)衛(wèi)星搜索太陽時(shí)，一旦太陽進(jìn)入該探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)，則光電池就產(chǎn)生一個(gè)階躍響應(yīng)，說明發(fā)現(xiàn)了太陽。持續(xù)的階躍信號(hào)指示太陽位于敏感器視場(chǎng)內(nèi)。
一般來說，衛(wèi)星的粗定姿是由“0-1”式的太陽敏感器來完成的，主要用來捕獲太陽，判斷太陽是否出現(xiàn)在視場(chǎng)中。“0-1”式的太陽敏感器要能夠全天球覆蓋，且所有敏感器同時(shí)工作。這種敏感器雖然實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但是比較容易受到外來光源的干擾。例如，此球反射的太陽光信號(hào)、太陽帆板反射的太陽光等都容易對(duì)這種敏感器形成干擾。因此，敏感器的濾波器能夠?yàn)V掉偶爾出現(xiàn)的電脈沖。
2、模擬式太陽敏感器
模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測(cè)器，常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號(hào)強(qiáng)度與太陽光的入射角度有關(guān)，其關(guān)系式為
                               （1）
其中，Iθ—太陽光束與光電池法線方向的夾角。0—光電池的短路電流；
模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天球工作的，其視場(chǎng)一般在20°~30°左右，在1°左右，它判斷出現(xiàn)太陽信號(hào)的閾值以不高于太陽信號(hào)的80%（一般為50%）為門限。如圖1所示。
這樣的對(duì)于通信衛(wèi)星還可以，但對(duì)于對(duì)地觀測(cè)的衛(wèi)星來說，太低，因此，目前的通信衛(wèi)星主要依賴這種模擬式的太陽敏感器。
3、數(shù)字式太陽敏感器
    模擬式太陽敏感器的實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，但是其卻難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)日益提高的要求，并且，模擬式太陽敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干擾使對(duì)姿態(tài)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，數(shù)字式太陽敏感器得到了很大的發(fā)展。并且，數(shù)字式太陽敏感器能夠滿足越來越高的重量輕、功耗低、高、模塊化等要求。
數(shù)字式太陽敏感器是通過計(jì)算太陽光線在探測(cè)器上相對(duì)中心的位置的偏差來計(jì)算太陽光的角度的敏感器，主要有CCD和APS兩種，其中CCD太陽敏感器包括線列CCD數(shù)字式太陽敏感器和面陣CCD式太陽敏感器，而APS數(shù)字式太陽敏感器則以面陣為主。目前應(yīng)用CCD的數(shù)字式太陽敏感器產(chǎn)品較多。
數(shù)字式的太陽敏感器的視場(chǎng)一般在±60°左右，其能夠達(dá)到≤0.05°。其原理多是采用太陽光通過狹縫照射在CCD探測(cè)器上，通過計(jì)算太陽成像偏離CCD中心的位置來計(jì)算太陽光的夾角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可見光波段。
雖然數(shù)字式太陽敏感器的視場(chǎng)很大，但真正用到的只是其中的一小段，在實(shí)際工作中它只對(duì)靠近光軸的主要區(qū)域重點(diǎn)探測(cè)，遠(yuǎn)離光軸的兩側(cè)只在較少時(shí)候進(jìn)行探測(cè)；另外，為了避免被太陽能電池帆板等反射的太陽光干擾，太陽敏感器對(duì)偶然出現(xiàn)的較強(qiáng)信號(hào)也會(huì)將其濾除；，數(shù)字式太陽敏感器一般在CCD的前面要加濾光片，用來衰減太陽光強(qiáng)，使其不至于工作在飽和狀態(tài)。

四、國外太陽敏感器的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著衛(wèi)星對(duì)姿態(tài)控制要求的日益提高以及小衛(wèi)星、皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的發(fā)展，太陽敏感器逐漸向著小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，并且要求其具有大視場(chǎng)、高和高可靠性，數(shù)字式太陽敏感器是能夠滿足這些要求的，因此，數(shù)字式太陽敏感器必將成為太陽敏感器的發(fā)展趨勢(shì)，世界各國也越來越注重?cái)?shù)字式太陽敏感器的發(fā)展。由原來的線陣CCD發(fā)展成面陣CCD，再發(fā)展到現(xiàn)在的APS面陣的數(shù)字式太陽敏感器，其越來越高，體積越來越小，質(zhì)量越來越輕，壽命也越來越長(zhǎng)。目前CCD太陽敏感器已經(jīng)在國外廣泛使用。
1、俄羅斯
俄羅斯地球物理協(xié)會(huì)研制開發(fā)太陽敏感器已經(jīng)有四十年的歷史，圖2所示為其研制的一款CCD太陽敏感器，其主要技術(shù)指標(biāo)為[3]0.28kg；尺寸：70mm×70mm×50mm；視場(chǎng)：92°×92°；測(cè)角誤差均方根值：12”；功耗：0.6W。：質(zhì)量：
 2、意大利
意大利伽利略公司研制的使用2048元長(zhǎng)線列探測(cè)器的太陽敏感器（圖3）在ITALSA-I中獲得了良好的效果，其主要技術(shù)指標(biāo)為[3]170mm×94mm×85mm；電子學(xué)尺寸為：204mm×152mm×121mm；重量：光學(xué)頭部為0.98kg×2，電子學(xué)質(zhì)量為:2.8kg×2；：系統(tǒng)誤差：0.06°，隨機(jī)誤差：0.005°； 功耗：光學(xué)頭部1.5W/軸，電子學(xué)3W/軸。：光學(xué)頭部尺寸：
3、荷蘭
圖4所示為荷蘭TNO-TPD公司研制的太陽敏感器。該敏感器中采用了線列陣CCD器件，在光學(xué)部分設(shè)置了一個(gè)與線列陣器件垂直的狹縫，由此來進(jìn)行太陽方位角的測(cè)量。共兩個(gè)模塊完成X,Y坐標(biāo)的測(cè)量。直接測(cè)量達(dá)到0.10°，使用查找表進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，可達(dá)到0.02°。該敏感器采用整機(jī)備份的冗余設(shè)計(jì)方案。
另外，該公司為滿足小衛(wèi)星以及皮衛(wèi)星的需求，研制的以APS為探測(cè)器元件的高數(shù)字式太陽敏感器，視場(chǎng)為128°×128°，質(zhì)量小于250g，可以達(dá)到0.02°[4]。
4、美國
圖5為美國GoodRich公司生產(chǎn)的型號(hào)為13-517的太陽敏感器。該太陽敏感器由另一款13-515太陽敏感模塊構(gòu)成，可由多個(gè)13-515型號(hào)太陽敏感器組成，用來滿足特殊航天飛行的要求,具有128°×168°的視場(chǎng)，誤差<0.3°，體積為5.1×2.4×1.9in.，功耗為0.3W，壽命為15年。
5、日本
圖6所示為日本Astro公司研制的太陽敏感器，該敏感器已在多次飛行任務(wù)中成功使用，具有視場(chǎng)大、功耗低、高的特點(diǎn)。其性能參數(shù)如表1所示[5]。
五、太陽敏感器的發(fā)展趨勢(shì)分析
從各種敏感器的性能參數(shù)分析以及其敏感器構(gòu)成的情況可以看出，太陽敏感器正在向著小型化、高、高穩(wěn)定性、低功耗、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，其探測(cè)器元件由光電池逐漸向CCD、APS等面陣探測(cè)器發(fā)展，這將促進(jìn)太陽敏感器的高度集成化和模塊化。
此外，單一種類的敏感器已不能滿足衛(wèi)星高以及高穩(wěn)定性的要求，例如太陽敏感器在衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)無法工作，因此，目前的姿態(tài)控制系統(tǒng)多采用多種敏感器的組合方式，用來提高姿態(tài)控制的和穩(wěn)定性。例如，使用星敏感器作為主要定姿裝置，則將高太陽敏感器和紅外地球敏感器作為備份；若采用高太陽敏感器和紅外地球敏感器作為主要定姿裝置，則將星敏感器作為備份。各種敏感器互為備份，甚至還有一些組合模式的敏感器的出現(xiàn)，為航天器的姿態(tài)控制提供穩(wěn)定的保障。

  
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