一種基于光電轉換器的太陽敏感器及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光電轉換器的太陽敏感器及其測量方法，屬于航空航天技術領域，包括衛星主體，兩個支架結構分別安裝在衛星主體的一對頂角上，每個支架結構有三個相互垂直的面，每個支架結構的每個面都安裝光電轉換器，信號處理電路安裝在衛星主體內部，信號處理電路由信號調理電路、溫度檢測器及處理器組成，每個光電轉換器分別與對應的信號調理電路連接，信號調理電路與處理器連接，將電壓信號輸入至處理器，溫度檢測器與處理器連接，將衛星主體的溫度信號輸入至處理器。為了達到上述目的，本發明提供一種基于光電轉換器的太陽敏感器及其測量方法，解決了現有技術中存在的問題，具有全視場、體積小、質量輕的優點。
【專利說明】
一種基于光電轉換器的太陽敏感器及其測量方法
技術領域
[0001]本發明屬于航空航天技術領域，涉及一種基于光電轉換器的太陽敏感器及其測量方法，尤其用于微納衛星實現太陽矢量角的測量。
【背景技術】
[0002]姿態的實時確定是衛星進行高精度控制的前提和基礎，而衛星在軌狀態的觀測需要獲取參考天體的相對位置信息，太陽光具有高亮度、高信噪比、高平行度的特性，使其容易檢測且太陽矢量角方向幾乎與衛星軌道無關，所以衛星安裝太陽矢量角傳感器對其進行姿態檢測具有重大意義。
[0003]目前，應用較為成熟的太陽矢量角傳感器主要分為模擬式太陽矢量角傳感器和數字式太陽矢量角傳感器。
[0004]模擬式太陽矢量角傳感器利用太陽能電池片的光電效應的線性特性，通過太陽能電池片的短路輸出電流與光通量的線性關系，得出太陽矢量角方向。如中國專利號ZL201310317156.8，專利名稱為“一種用于太陽方位角測量的粗太陽敏感器”，公告日2015年7月8日，公開了一種用于太陽方位角測量的太陽敏感器，包括主體結構、基座、電池組件、基準鏡、電連接器和接地組件，主體結構為四棱錐臺形狀，四棱錐臺的四個側面和一個頂面上均安裝電池組件，通過測量各電池的輸出實現太陽方位角的測量，該太陽敏感器相比傳統模擬太陽敏感器體積較小，質量較輕，視場較大。
[0005]數字式太陽矢量角傳感器通過圖像傳感器采集太陽圖像，通過數字圖象處理獲取太陽矢量角方向。如中國專利號ZL201410065241.4，專利名稱為“太陽敏感器”，公告日2016年I月20日，公開了一種太陽敏感器，包括光線引入器，光線引入器具有多組視場定位孔和多組姿態更新孔，利用多組視場定位孔將太陽敏感器的總視場劃分為多個分視場，利用多組姿態更新孔調整太陽敏感器的更新率放大因子；圖像探測器，圖像探測器位于光線引入器下方且與光線引入器間隔預定距離。該太陽敏感器實現了在大視場條件下提供角秒級的入射角測量精度。
[0006]綜上所述，現有的模擬式太陽矢量角傳感器和數字式太陽矢量角傳感器通常體積較大，質量較重，且無法實現全視場，較大的占用了衛星的載荷;本領域中，在準確測量太陽矢量角前提下，結構越簡單、質量越輕、體積越小越好。
【發明內容】
[0007]為了達到上述目的，本發明提供一種基于光電轉換器的太陽敏感器，解決了現有技術中存在的問題，該太陽敏感器具有全視場、體積小、質量輕的優點。
[0008]本發明的另一目的是，提供一種基于光電轉換器的太陽敏感器實時測量太陽矢量角的方法。
[0009]本發明所采用的技術方案是，一種基于光電轉換器的太陽敏感器，包括衛星主體，兩個支架結構分別安裝在衛星主體的一對頂角上，每個支架結構有三個相互垂直的面，每個支架結構的每個面都安裝光電轉換器，光電轉換器至少為6個，保證衛星主體的6個面都有光電轉換器;信號處理電路安裝在衛星主體內部，信號處理電路由信號調理電路、溫度檢測器及處理器組成，信號調理電路、溫度檢測器設置6個或6個以上;每個光電轉換器分別與對應的信號調理電路連接，信號調理電路包括電阻和運算放大器，通過電阻把光電轉換器輸出的電流信號轉換為電壓信號，再通過運算放大器放大;信號調理電路與處理器連接，將電壓信號輸入至處理器，溫度檢測器與處理器連接，將衛星主體的6個面的溫度信號輸入至處理器。
[0010]本發明的特征還在于，進一步的，支架結構的每個面與衛星主體的表面相貼合。[0011 ] 進一步的，光電轉換器的型號為S10604-200CT。
[0012]進一步的，運算放大器的型號為TLC271。
[0013]進一步的，處理器采用型號為STM32F103的單片機。
[0014]進一步的，溫度檢測器采用型號為18B20的數字溫度傳感器。
[0015]進一步的，每個光電轉換器與對應的信號調理電路、對應的溫度檢測器組成一個模組，至少6個相同的模組分別與處理器相連。
[0016]—種基于光電轉換器的太陽敏感器實時測量太陽矢量角的方法，具體按照以下步驟進行:
[0017]步驟I，通過處理器獲取所有光電轉換器的輸出，通過溫度檢測器測量六個光電轉換器的溫度，根據溫度對所有光電轉換器的輸出進行溫度補償；
[0018]步驟2，找出接收到太陽光的I個、2個或3個光電轉換器，并記錄接收到太陽光的光電轉換器的數量；
[0019]步驟3，根據步驟2中所述光電轉換器的數量和相應光電轉換器的輸出，利用光電轉換器的輸出與太陽光入射角之間的余弦函數關系，求得太陽矢量角。
[0020]本發明的有益效果是:本發明直接利用衛星主體，衛星主體的頂角上安裝支架結構，每個支架結構有三個面，每個支架結構的每個面都安裝光電轉換器，構成太陽敏感器，實現了衛星主體的各表面都安裝光電轉換器，即具有全視場的優點，其次，光電轉換器集中在衛星主體的頂角上，很大程度上節約了本發明的太陽敏感器的占用體積，本發明采用光電轉換器測量太陽矢量角，具有全視場、小體積以及低質量的優點，可用于普通衛星、微納衛星及皮衛星中。
[0021]本發明利用光電轉換器的輸出與給定輻照度的太陽光的入射角成余弦函數關系的特點，測量太陽矢量角，故而可以實現全視場測量。同時，與傳統模擬式太陽敏感器相比，省去了占用較大體積質量的光線引入器。與數字式太陽敏感器相比，沒有體積質量較大的鏡頭;故而本發明還具有小體積以及低質量的優點。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是本發明的結構示意圖。
[0024]圖2是圖1中支架結構的放大圖。
[0025]圖3是本發明信號處理電路的結構示意圖。
[0026]圖4是本發明太陽敏感器在衛星上的太陽矢量角坐標系示意圖。
[0027]圖中，1.光電轉換器，11.第一光電轉換器，12.第二光電轉換器，13.第三光電轉換器，14.第四光電轉換器，15.第五光電轉換器，16.第六光電轉換器，2.信號處理電路，3.衛星主體，4.支架結構，41.第一支架結構，42.第二支架結構，5.信號調理電路，6.溫度檢測器，7.處理器，8.模組，9.單片機。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0029]本發明優選實施例的結構，如圖1-3所示，支架結構4由第一支架結構41和第二支架結構42組成，光電轉換器I由第一光電轉換器11、第二光電轉換器12、第三光電轉換器13、第四光電轉換器14、第五光電轉換器15、第六光電轉換器16組成;第一支架結構41和第二支架結構42分別安裝在衛星主體3的一對頂角上，第一支架結構41的三個相互垂直面與衛星主體3的表面相貼合，第二支架結構42的三個相互垂直面與衛星主體3的表面相貼合，第一支架結構41的三個相互垂直的面上分別安裝第一光電轉換器11、第二光電轉換器12、第三光電轉換器13，第二支架結構42的三個相互垂直的面上分別安裝第四光電轉換器14、第五光電轉換器15、第六光電轉換器16;信號處理電路2安裝在衛星主體3內部，信號處理電路2由信號調理電路5、溫度檢測器6及處理器7組成，信號調理電路5、溫度檢測器6分別設置6個，第一光電轉換器11、第二光電轉換器12、第三光電轉換器13、第四光電轉換器14、第五光電轉換器15、第六光電轉換器16分別與對應的信號調理電路5連接，信號調理電路5包括電阻和運算放大器，信號調理電路5通過電阻把對應的光電轉換器I輸出的電流信號轉換為電壓信號，再通過通用運算放大器TLC271放大;對應的信號調理電路5與處理器7連接，將電壓信號輸入至處理器7，溫度檢測器6與處理器7連接，將衛星主體3的6個面的溫度信號輸入至處理器7。
[0030]每個光電轉換器I與對應的信號調理電路5、對應的溫度檢測器6組成一個模組8，6個相同的模組8分別與處理器7相連實現太陽矢量角的測量功能。
[0031 ]溫度檢測器6采用數字溫度傳感器18B20，電路簡單，支持單總線；
[0032]處理器7采用具有低功耗功能的單片機9，單片機9的型號為STM32F103，具有72Mhz主頻以及強大的硬件資源；
[0033]本發明的原理是:光電轉換器I的輸出與接收到的太陽光輻射通量成正比，接收到的太陽光輻射通量與太陽光矢量角成正比，利用這個特性就可以通過測量光電轉換器I的輸出獲取太陽矢量角。
[0034]建立如圖4所示太陽矢量角坐標系，本發明一種基于光電轉換器的太陽敏感器實時測量太陽矢量角的方法，具體按照以下步驟進行:
[0035]由于光電轉換器I的輸出與太陽光入射角之間成余弦函數關系，一個光電轉換器I可以獲得一個圓錐面，實際的太陽矢量包含在所獲得的圓錐面中。3個以上不共面的光電轉換器I可以求得唯一太陽矢量。具體測量方法如下:
[0036]步驟I，通過處理器7獲取所有光電轉換器I的輸出，通過溫度檢測器6測量六個光電轉換器I的溫度，根據溫度對所有光電轉換器I的輸出進行溫度補償；
[0037]步驟2，找出接收到太陽光的I個、2個或3個光電轉換器I，并記錄接收到太陽光的光電轉換器I的數量；
[0038]步驟3，根據步驟2中光電轉換器I的數量和相應光電轉換器I輸出的值，利用光電轉換器I輸出的值與太陽光入射角之間成余弦函數關系的原理，求得太陽矢量角。
[0039]圖4中，θχ代表太陽矢量在XY平面的投影與X軸的夾角，表太陽矢量在XY平面的投影與Y軸的夾角，θζ代表太陽矢量在ZY平面的投影與Z軸的夾角。
[0040]本發明直接利用衛星主體3，衛星主體3的頂角上安裝支架結構4，支架結構4有三個面，每個支架結構4的每個面上都安裝光電轉換器I，構成太陽敏感器，實現了衛星主體3的各表面都安裝光電轉換器I，即具有全視場的優點，其次，光電轉換器I集中在衛星主體3的頂角上，很大程度上節約了本發明的太陽敏感器的占用體積。
[0041]本發明中采用的光電轉換器I的型號為S10604-200CT，一枚元件的封裝大小為長2mm X寬1.25mm X高0.8mm，支架結構4每面的面積只需滿足安裝一枚光電轉換器，另外本發明無需傳統模擬式太陽敏感器的光線引入結構，光線引入結構具有較大的體積和質量。同時數字式太陽敏感器由于采用數字圖像技術，圖像傳感器需要鏡組引入光線，鏡組具有較大體積和質量。所以本發明提出的太陽敏感器的體積和質量遠小于傳統的模擬式太陽敏感器和數字式太陽敏感器。
[0042]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0043]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，包括衛星主體(3)，兩個支架結構(4)分別安裝在衛星主體(3)的一對頂角上，每個支架結構(4)有三個相互垂直的面，每個支架結構(4)的每個面都安裝光電轉換器(I)，光電轉換器(I)至少為6個，保證衛星主體(3)的6個面都有光電轉換器(I);信號處理電路(2)安裝在衛星主體(3)內部，信號處理電路(2)由信號調理電路(5)、溫度檢測器(6)及處理器(7)組成，信號調理電路(5)、溫度檢測器(6)設置6個或6個以上;每個光電轉換器(I)分別與對應的信號調理電路(5)連接，信號調理電路(5)包括電阻和運算放大器，通過電阻把光電轉換器(I)輸出的電流信號轉換為電壓信號，再通過運算放大器放大；信號調理電路(5)與處理器(7)連接，將電壓信號輸入至處理器(7)，溫度檢測器(6)與處理器(7)連接，將衛星主體(3)的6個面的溫度信號輸入至處理器(7)。2.根據權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述支架結構(4)的每個面與衛星主體(3)的表面相貼合。3.根據權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述光電轉換器(I)的型號為S10604-200CT。4.根據權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述運算放大器的型號為TLC271。5.根據權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述處理器(7)采用型號為STM32F103的單片機(9)。6.根據權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述溫度檢測器(6)采用型號為18B20的數字溫度傳感器。7.根據權利要求1-6任何一項所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器，其特征在于，所述每個光電轉換器(I)與對應的信號調理電路(5)、對應的溫度檢測器(6)組成一個模組(8)，至少6個相同的模組(8)分別與處理器(7)相連。8.采用如權利要求1所述的一種基于光電轉換器的太陽敏感器實時測量太陽矢量角的方法，其特征在于，具體按照以下步驟進行: 步驟I，通過處理器(7)獲取所有光電轉換器(I)的輸出，通過溫度檢測器(6)測量六個光電轉換器(I)的溫度，根據溫度對所有光電轉換器(I)的輸出進行溫度補償； 步驟2，找出接收到太陽光的I個、2個或3個光電轉換器(I)，并記錄接收到太陽光的光電轉換器(I)的數量； 步驟3，根據步驟2中所述光電轉換器(I)的數量和相應光電轉換器(I)的輸出，利用光電轉換器(I)的輸出與太陽光入射角之間的余弦函數關系，求得太陽矢量角。
【文檔編號】G01C1/00GK106066170SQ201610349644
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610349644.0, CN 106066170 A, CN 106066170A, CN 201610349644, CN-A-106066170, CN106066170 A, CN106066170A, CN201610349644, CN201610349644.0
【發明人】呂曉洲, 陶冶博, 謝楷, 李小平, 包為民
【申請人】西安電子科技大學