太陽(yáng)敏感器原理與技術(shù)發(fā)展淺析

一、概述

太陽(yáng)敏感器是在航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)敏感器，所有的衛(wèi)星上都配備有太陽(yáng)敏感器。太陽(yáng)敏感器通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)相對(duì)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的位置來(lái)確定衛(wèi)星的姿態(tài)。選擇太陽(yáng)作為參考目標(biāo)是因?yàn)樘?yáng)視在圓盤(pán)的角半徑幾乎和航天器軌道無(wú)關(guān)并且很小，因此，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，可以把太陽(yáng)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(yáng)的高亮度、高信噪比使得檢測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)^[1]。

太陽(yáng)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(lái)保護(hù)靈敏度很高的儀器，如星敏感器。

二、太陽(yáng)敏感器的構(gòu)成

太陽(yáng)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(pán)、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(yáng)敏感器工作原理與特點(diǎn)

太陽(yáng)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(yáng)敏感器

“0-1” 式太陽(yáng)敏感器又稱(chēng)太陽(yáng)發(fā)現(xiàn)探測(cè)器，即只要有太陽(yáng)就能產(chǎn)生輸出信號(hào)，可以用來(lái)保護(hù)儀器，使航天器或?qū)嶒?yàn)儀器定位。它的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，敏感器上面開(kāi)一個(gè)狹縫，底面貼光電池，當(dāng)衛(wèi)星搜索太陽(yáng)時(shí)，一旦太陽(yáng)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(shuō)明發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)。持續(xù)的階躍信號(hào)指示太陽(yáng)位于敏感器視場(chǎng)內(nèi)。

一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星的粗定姿是由“0-1”式的太陽(yáng)敏感器來(lái)完成的，主要用來(lái)捕獲太陽(yáng)，判斷太陽(yáng)是否出現(xiàn)在視場(chǎng)中。“0-1”式的太陽(yáng)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(lái)比較簡(jiǎn)單，但是比較容易受到外來(lái)光源的干擾。例如，此球反射的太陽(yáng)光信號(hào)、太陽(yáng)帆板反射的太陽(yáng)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(yáng)敏感器

模擬式太陽(yáng)敏感器又稱(chēng)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(yáng)光的入射角度有關(guān)，其關(guān)系式為

（1）

其中，Iθ—太陽(yáng)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(yáng)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，精度在1°左右，它判斷出現(xiàn)太陽(yáng)信號(hào)的閾值以不高于太陽(yáng)信號(hào)的80%（一般為50%）為門(mén)限。如圖1所示。

這樣的精度對(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(lái)說(shuō)，精度太低，因此，目前的通信衛(wèi)星主要依賴這種模擬式的太陽(yáng)敏感器。

3、數(shù)字式太陽(yáng)敏感器

模擬式太陽(yáng)敏感器的實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，但是其精度卻難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)日益提高的要求，并且，模擬式太陽(yáng)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(yáng)敏感器得到了很大的發(fā)展。并且，數(shù)字式太陽(yáng)敏感器能夠滿足越來(lái)越高的重量輕、功耗低、精度高、模塊化等要求。

數(shù)字式太陽(yáng)敏感器是通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)光線在探測(cè)器上相對(duì)中心的位置的偏差來(lái)計(jì)算太陽(yáng)光的角度的敏感器，主要有CCD和APS兩種，其中CCD太陽(yáng)敏感器包括線列CCD數(shù)字式太陽(yáng)敏感器和面陣CCD式太陽(yáng)敏感器，而APS數(shù)字式太陽(yáng)敏感器則以面陣為主。目前應(yīng)用CCD的數(shù)字式太陽(yáng)敏感器產(chǎn)品較多。

數(shù)字式的太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)一般在±60°左右，其精度能夠達(dá)到≤0.05°。其原理多是采用太陽(yáng)光通過(guò)狹縫照射在CCD探測(cè)器上，通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)成像偏離CCD中心的位置來(lái)計(jì)算太陽(yáng)光的夾角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可見(jiàn)光波段。

雖然數(shù)字式太陽(yáng)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(yáng)能電池帆板等反射的太陽(yáng)光干擾，太陽(yáng)敏感器對(duì)偶然出現(xiàn)的較強(qiáng)信號(hào)也會(huì)將其濾除；最后，數(shù)字式太陽(yáng)敏感器一般在CCD的前面要加濾光片，用來(lái)衰減太陽(yáng)光強(qiáng)，使其不至于工作在飽和狀態(tài)。

四、國(guó)外太陽(yáng)敏感器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星對(duì)姿態(tài)控制精度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(yáng)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)、高精度和高可靠性，數(shù)字式太陽(yáng)敏感器是能夠滿足這些要求的首選，因此，數(shù)字式太陽(yáng)敏感器必將成為太陽(yáng)敏感器的發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)也越來(lái)越注重?cái)?shù)字式太陽(yáng)敏感器的發(fā)展。由原來(lái)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(yáng)敏感器，其精度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，質(zhì)量越來(lái)越輕，壽命也越來(lái)越長(zhǎng)。目前CCD太陽(yáng)敏感器已經(jīng)在國(guó)外廣泛使用。

1、俄羅斯

俄羅斯地球物理協(xié)會(huì)研制開(kāi)發(fā)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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；精度：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(yáng)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(lái)進(jìn)行太陽(yáng)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)量精度達(dá)到0.10°，使用查找表進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，精度可達(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)器元件的高精度數(shù)字式太陽(yáng)敏感器，視場(chǎng)為128°×128°，質(zhì)量小于250g，精度可以達(dá)到0.02°^[4]。

4、美國(guó)

圖5為美國(guó)GoodRich公司生產(chǎn)的型號(hào)為13-517的太陽(yáng)敏感器。該太陽(yáng)敏感器由另一款13-515太陽(yáng)敏感模塊構(gòu)成，可由多個(gè)13-515型號(hào)太陽(yáng)敏感器組成，用來(lái)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(yáng)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、精度高的特點(diǎn)。其性能參數(shù)如表1所示^[5]。

五、太陽(yáng)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(yáng)敏感器正在向著小型化、高精度、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(yáng)敏感器的高度集成化和模塊化。

此外，單一種類(lèi)的敏感器已不能滿足衛(wèi)星高精度以及高穩(wěn)定性的要求，例如太陽(yáng)敏感器在衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)無(wú)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(lái)提高姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定性。例如，使用星敏感器作為主要定姿裝置，則將高精度太陽(yáng)敏感器和紅外地球敏感器作為備份；若采用高精度太陽(yáng)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏南銀等. 航天測(cè)控系統(tǒng)[M]，北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002
[2] 席紅霞. 大視場(chǎng)、高精度數(shù)字式太陽(yáng)敏感器[J]，紅外，2003,(1)
[3]內(nèi)部資料[Z]，解放軍電子工程學(xué)院，2005-9-8
[4]Analog Sun Sensor Assembly[DB/OL]，http://www.goodrich.com
[5]DSS2 Digital Sun Sensor [DB/OL]，http://www.astro-r.co.jp

The Principium And Developing Direction Of The Sun Sensors

Abstract : The principium and structures of the sun sensors are showed in this paper, and the development status outside are introduced. At the end of the paper, the developing direction of the sun sensors is analyzed simply.

Keywords: sun sensor; the sun; satellites

作者簡(jiǎn)介：
工程學(xué)院博士，專(zhuān)業(yè)為信號(hào)與信息處理，研究方向是光學(xué)工程。
通信地址：安徽合肥解放軍電何麗，解放軍電子子工程學(xué)院航天室（230037）
聯(lián)系電話：0551-5767748
電子信箱：heli1734@163.com / heli1734@sohu.com
胡以華，解放軍電子工程學(xué)院科研部總工，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榧t外、光電、圖像處理、航天信息對(duì)抗等。聯(lián)系電話：0551-5767748（辦）。