[发明专利]一种太阳敏感器及其测量方法

说明书

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；