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太阳敏感器

太阳敏感器(sun sensor)是在航天领域应用最广泛的一类敏感器,所有的卫星上都配备有太阳敏感器。通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位,从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。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航天器轨道无关并且很小,因此,对大多数应用而言,可以把太阳近似看作点光源;另外,太阳光源很强,从而使敏感器结构简单,其功率要求也很小;太阳敏感器的视场很大,可以从几分×几分到128°×128°,而分辨率可以从几度到几角秒。

太阳敏感器适用于对航天器的轨道控制和姿态控制;保护灵敏度很高的仪器,如星敏感器、地球敏感器正常工作;提供星上姿态控制基准信号,以及用于对航天器太阳帆板定位。

太阳敏感器的构成主要包括三个方面:光学头部、传感器部分和信号处理部分。光学探头包括光学系统和探测器件,它利用光电转换功能实时获取星体相对太阳的姿态角度信息。光学头部可以采用狭缝、小孔、透镜、棱镜等方式;传感器部分可以采用光电池、CMOS器件、码盘、光栅、光电二极管、线阵CCD、面阵CCD、APS、SMART等各种器件;信号处理部分方案可采用分离电子元器件、单片机、可编程逻辑器件等。

通常,太阳敏感器可分为3类:

(1)模拟式太阳敏感器。它产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位(太阳角)的连续函数;

(2)太阳出现敏感器(0-1式太阳敏感器)。它以数字信号1或0表示太阳是否位于敏感器的视场内;

(3)数字式太阳敏感器。它能提供离散的编码输出信号,其输出值是被测太阳角的函数。该敏感器的特点是:视场大、精度高、寿命和可靠性有很强的优势,己广泛应用于各种型号的航天器上。

太阳敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模拟式和数字式几种。

“0-1” 式太阳敏感器又称太阳发现探测器,即只要有太阳就能产生输出信号,可以用来保护仪器,使航天器或实验仪器定位。它的结构也比较简单,敏感器上面开一个狭缝,底面贴光电池,当卫星搜索太阳时,一旦太阳进入该探测器视场内,则光电池就产生一个阶跃响应,说明发现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。 一般来说,卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的,主要用来捕获太阳,判断太阳是否出现在视场中。“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖,且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单,但是比较容易受到外来光源的干扰。例如,此球反射的太阳光信号、太阳帆板反射的太阳光等都容易对这种敏感器形成干扰。因此,敏感器的滤波器能够滤掉偶尔出现的电脉冲。

模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器,常使用光电池作为其传感器件,它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关,其关系式为:其中,Iθ太阳光束与光电池法线方向的夹角。0光电池的短路电流; 模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的,其视场一般在20°~30°左右,精度在1°左右,它判断出现太阳信号的阈值以不高于太阳信号的80%(一般为50%)为门限。如图1所示。 这样的精度对于通信卫星还可以,但对于对地观测的卫星来说,精度太低,因此,目前的通信卫星主要依赖这种模拟式的太阳敏感器。

模拟式太阳敏感器的实现原理简单,但是其精度却难以满足卫星姿态控制系统日益提高的要求,并且,模拟式太阳敏感器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,因此,数字式太阳敏感器得到了很大的发展。并且,数字式太阳敏感器能够满足越来越高的重量轻、功耗低、精度高、模块化等要求。 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,主要有CCD和APS两种,其中CCD太阳敏感器包括线列CCD数字式太阳敏感器和面阵CCD式太阳敏感器,而APS数字式太阳敏感器则以面阵为主。目前应用CCD的数字式太阳敏感器产品较多。 数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右,其精度能够达到≤0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上,通过计算太阳成像偏离CCD中心的位置来计算太阳光的夹角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可见光波段。 虽然数字式太阳敏感器的视场很大,但真正用到的只是其中的一小段,在实际工作中它只对靠近光轴的主要区域重点探测,远离光轴的两侧只在较少时候进行探测;另外,为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰,太阳敏感器对偶然出现的较强信号也会将其滤除;最后,数字式太阳敏感器一般在CCD的前面要加滤光片,用来衰减太阳光强,使其不至于工作在饱和状态。

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。由原来的线阵CCD发展成面阵CCD,再发展到现在的APS面阵的数字式太阳敏感器,其精度越来越高,体积越来越小,质量越来越轻,寿命也越来越长。目前CCD太阳敏感器已经在国外广泛使用。

俄罗斯

俄罗斯地球物理协会研制开发太阳敏感器已经有四十年的历史,其研制的一款CCD太阳敏感器,其主要技术指标为质量:0.28kg;尺寸:70mm×70mm×50mm;视场:92°×92°;测角误差均方根值:12”;功耗:0.6W。

意大利

意大利伽利略公司研制的使用2048元长线列探测器的太阳敏感器。在ITALSA-I中获得了良好的效果,其主要技术指标为光学头部尺寸:170mm×94mm×85mm;电子学尺寸为:204mm×152mm×121mm;重量:光学头部为0.98kg×2,电子学质量为:2.8kg×2;精度:系统误差:0.06°,随机误差:0.005°; 功耗:光学头部1.5W/轴,电子学3W/轴。

荷兰

荷兰TNO-TPD公司研制的太阳敏感器。该敏感器中采用了线列阵CCD器件,在光学部分设置了一个与线列阵器件垂直的狭缝,由此来进行太阳方位角的测量。共两个模块完成X,Y坐标的测量。直接测量精度达到0.10°,使用查找表进行数据校正,精度可达到0.02°。该敏感器采用整机备份的冗余设计方案。 另外,该公司为满足小卫星以及皮卫星的需求,研制的以APS为探测器元件的高精度数字式太阳敏感器,视场为128°×128°,质量小于250g,精度可以达到0.02°。

美国

美国GoodRich公司生产的型号为13-517的太阳敏感器。该太阳敏感器由另一款13-515太阳敏感模块构成,可由多个13-515型号太阳敏感器组成,用来满足特殊航天飞行的要求,具有128°×168°的视场,误差<0.3°,体积为5.1×2.4×1.9in.,功耗为0.3W,寿命为15年。 5、日本 图6所示为日本Astro公司研制的太阳敏感器,该敏感器已在多次飞行任务中成功使用,具有视场大、功耗低、精度高的特点。

从各种敏感器的性能参数分析以及其敏感器构成的情况可以看出,太阳敏感器正在向着小型化、高精度、高稳定性、低功耗、长寿命的方向发展,其探测器元件由光电池逐渐向CCD、APS等面阵探测器发展,这将促进太阳敏感器的高度集成化和模块化。 此外,单一种类的敏感器已不能满足卫星高精度以及高稳定性的要求,例如太阳敏感器在卫星进入地球阴影区时无法工作,因此,目前的姿态控制系统多采用多种敏感器的组合方式,用来提高姿态控制的精度和稳定性。例如,使用星敏感器作为主要定姿装置,则将高精度太阳敏感器和红外地球敏感器作为备份;若采用高精度太阳敏感器和红外地球敏感器作为主要定姿装置,则将星敏感器作为备份。各种敏感器互为备份,甚至还有一些组合模式的敏感器的出现,为航天器的姿态控制提供稳定的保障。


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