[发明专利]用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微小卫星姿态确定领域，具体涉及一种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法。

背景技术

微小卫星以其研制周期短、成本低、灵活性强，越来越受到各航天研究机构的重视。卫星姿态确定系统是微小卫星的重要组成部分，姿态敏感器是卫星姿态确定系统的关键组件，常见的如陀螺仪、磁强计、红外地球探测器、太阳敏感器和星敏感器等。对于微小卫星研制，陀螺由于其漂移随时间积累，测量误差大，一般较少采用，红外地球探测器和星敏感器由于功耗、成本过高，计算复杂，也少有采用。太阳敏感器与其他几类姿态敏感器相比，具有设计简单、功耗低及体积小等优点，是一种十分常用的姿态敏感器。

太阳敏感器是一种通过测量太阳光线与卫星某一体轴之间的夹角，从而确定太阳在敏感器本体坐标系的位置，然后通过坐标矩阵变换得到太阳在卫星本体坐标系中的位置，最终在卫星的姿控系统中求得卫星在空间的方位的敏感器。太阳敏感器通常分为模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器两类：模拟式太阳敏感器多采用光电池作为光敏原件，利用其输出电流的大小来判断太阳光的入射角度，视场一般在20°～30°左右；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角度的敏感器，主要基于两类图像传感器，一类是CCD图像传感器，一类是CMOS(全称为“互补金属氧化物半导体”，Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。基于图像传感器的数字式太阳敏感器的视场一般在±60°左右。

尽管太阳敏感器具有许多优点，并且已经被广泛应用于卫星的姿态确定，但由于器件和光学系统的限制，在视场上仍存在着一些不足，通常至少需要在卫星上安装三个太阳敏感器来实现全方位的太阳角度测量。对于微小卫星而言，敏感器数量上的增加会加重其功耗上的负担。因此在微小卫星上采用少量太阳敏感器实现整个视场的捕获具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、重量轻、功耗低、成本低、结构简单的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，包括用于采集全景光学图像的全景图像式太阳敏感器和用于计算输出三轴太阳矢量信息的信号处理单元，所述全景图像式太阳敏感器的输出端与信号处理单元相连，所述全视场太阳敏感装置还包括用于在所述全景图像式太阳敏感器成像的太阳光斑位于测量盲区时采集太阳敏感信息的四片式差动太阳敏感器，所述四片式差动太阳敏感器包括顶部开设有透光方孔的遮光罩，所述遮光罩内设有四片相互接触并处于同一平面上的太阳能电池片，所述太阳能电池片为正方形，所述透光方孔设于四片太阳能电池片的正上方，所述太阳能电池片的输出端与信号处理单元相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述太阳能电池片的上表面到透光方孔之间的间距h满足h＝L/tanα，其中L为太阳能电池片边长的一半，α为四片式差动太阳敏感器的视场大小，α为大于或者等于所述全景图像式太阳敏感器的测量盲区的角度值。

所述信号处理单元包括数字信号处理器、模数转换器、运算放大电路和程序存储模块和外部接口模块，所述数字信号处理器分别与模数转换器、程序存储模块、外部接口模块相连，所述模数转换器通过运算放大电路与太阳能电池片相连。

所述数字信号处理器包括DMA控制器和两个并行分布的图像缓冲区，所述图像缓冲区分布通过DMA控制器与全景图像式太阳敏感器相连。

所述全景图像式太阳敏感器包括相互连接的全景环形光学镜头和图像传感器，所述全景环形光学镜头的后端贴有滤光膜，所述图像传感器的输出端与信号处理单元相连，所述图像传感器为CMOS图像传感器。

本发明还提供一种基于上述用于微小卫星的全视场太阳敏感装置的全视场太阳敏感方法，其实施步骤如下：

1)所述信号处理单元通过全景图像式太阳敏感器获取图像数据；

2)所述信号处理单元对图像数据进行二值化转换；

3)所述信号处理单元对二值化转换后的图像数据求解太阳光斑中心位置；

4)所述信号处理单元判断太阳光斑中心位置是否位于全景图像式太阳敏感器的测量盲区内，如果太阳光斑位置位于测量盲区外则根据

α＝arctan〔Y_s/X_s〕、β＝R/f、