光学非线性补偿的模拟式两轴太阳敏感器设计法及敏感器 【技术领域】
一种光学非线性补偿的模拟式两轴太阳敏感器设计法及敏感器属于微小型卫星姿态测量与控制系统中太阳敏感器制造领域。背景技术
模拟式太阳敏感器由于其结构相对简单而测量精度相对较高，成为各种卫星和航天器上最常用和最主要的姿态测量敏感器件。目前广泛使用的模拟式两轴太阳敏感器，其原理如图1所示，太阳光(平行光)通过一个如图所示的方形透光狭缝后，其投影光斑被四象限光电敏感器接收，光电敏感器各个象限的输出信号与太阳光的入射角成非线性函数关系，使要么在很小的角度范围内获得近似线性的高精度测量，要么加大遮光板与四象限光电敏感器之间的距离，同时加大四象限光电敏感器的尺寸，以增加太阳敏感器的体积、重量和牺牲测量精度为代价以获得更大的测量范围。为了实现实际卫星系统提出的大测量范围和高测量精度要同时满足地要求，通常是把低精度(CSS)和高精度(FSS)两类敏感器组合使用，从而增大了整个卫星的体积和重量，也增加了其安装的复杂性和难度，这对于卫星系统，尤其是对于微型和纳型卫星系统将非常敏感。发明内容
本发明的目的在于提供一种可同时满足测量范围和测量精度要求的光学非线性补偿的模拟式两轴太阳敏感器设计方法，同时提出了一种体积小，重量轻、视角大、精度高的模拟式两轴太阳敏感器。本发明旨在从根本上修正输入光信号的非线性，以避开后续处理电路非线性补偿时存在的问题，从而把着眼点放在改变透光狭缝的形状上。如果能使透光狭缝单位长度上的通光量按照特定的规律非线性变化，这样当太阳光入射角连续变化时，狭缝的投影将在光电敏感器上产生的非线性位移量有可能与特殊设计的透光狭缝的通光量的非线性变化相互抵消，从而使敏感器最终的输出信号与太阳光入射角有很高的线性相关性。为此，必须从分析传统模拟式两轴太阳敏感器的原理着手，找出其入射角与输出信号呈非线性关系的规律来。当太阳光以一定入射角照射到太阳敏感器遮光板上时，它可以分解为Y、Z轴的平面上的俯仰角η和X、Z轴的平面上的方位角ξ两个分量，由于遮光板的对称中心与下方四象限光电敏感器的中心重合，所以太阳光通过遮光板上的透光狭缝所成的投影在四象限光电敏感器四个象限的分布是不均匀的，与太阳光入射角有关。根据图1，通过计算可得如下函数关系：ξ=-arctg(LhN);]]>η=-arctg(LhM);]]>其中：N=S1+S4-(S2+S3)S1+S2+S3+S4;M=S1+S2-(S3+S4)S1+S2+S3+S4;]]>
S1、S2、S3、S4分别是光电敏感器受照后四个象限输出的电信号
N：太阳敏感器对应方位角ξ的输出信号；
M：太阳敏感器对应俯仰角η的输出信号；
L：透光狭缝内外圈正四边形边长的平均值；
h：光电敏感器平面与狭缝所在平面的间距。
由此可见，光电敏感器的最终输出信号M、N与入射角的两个分量η、ξ呈非线性关系，这就是传统模拟式两轴太阳敏感器的局限所在。当太阳光入射角连续变化时，等宽狭缝的投影将在光电敏感器上产生非线性的位移量，从而使输出信号发生非线性变化。
从入射角的Y、Z轴平面的分量η来看，要使光电敏感器最终的输出信号与入射角的Y、Z轴平面的分量η有很高的线性关系，则，可设：M＝K·η，K为光电敏感器输入输出曲线的斜率，为定值。
在单边曲线形状为对称函数f(t)时，|t|≤s，s为狭缝内圈正四边形边长的一半，
则：M=S1+S4-(S2+S3)S1+S2+S3+S4=-∫0h·tanηf(x)dx2∫0sf(y)dy;]]>
又因：分母在上式中为一个固定图形的面积的，为定值，令其等于A，于是：∫0h·tanηf(x)dx=-K·A·η,]]>
两边对η求导数h(1+tan2η)·f(h·tanη)＝-K·A，
得：f(h·tanη)=-K·Ah(1+tan2η);]]>
当入射角连续变化时，F(t)即透光狭缝外圈单边的形状函数K、A、h可用试算法得到。f(t)的基本形状如图3所示。利用方位角分量ξ可得同样结果。基于不等宽透光狭缝的敏感器的一个角度分量的输入输出曲线如图4所示。其中，虚线表示没有经过光学非线性补偿的输入输出曲线。透光狭缝的实际形状如图5所示。
由此可见，本发明的特征在于：利用透光狭缝宽度的非线性即利用敏感器各象限实际感光面积的变化对敏感器的输入光信号进行非线性补偿，上述透光狭缝的形状呈对称分布，其外周单边的形状函数f(t)满足下述关系：f(t)=-k·A·hh2+t2,]]>
其中，h：光电敏感器平面与透光狭缝所在平面的间距；
A：光电敏感器四个象限输出电信号的总和的四分之一为定值；
K：敏感器输入输出曲线的斜率，
其中，M：太阳敏感器对应俯仰角的输出信号，η：入射光对敏感器所成角度的俯仰角分量
t：|t|≤s，s为狭缝内圈正四边形边长的一半。
本发明的特征还在于，所述的敏感器含有：遮光板、四象限光电敏感器；透光狭缝以及附件，其特征在于，它含有：粘接在遮光板支架上且贯通地开着上述透光狭缝的遮光板，安装在光电敏感器安装板上的四象限光电敏感器，后盖板，和后盖板、光电敏感器安装板相连接的敏感器前壳；其中，遮光板含有三层，从上到下分别是石英玻璃、金属反光层和吸光层，另外；遮光板支架是与光电敏感器安装板相连的。所述的透光狭缝其内圈是四方形，外圈是具有上述形状函数f(t)的四条拼接起来的拱形曲线。
使用证明：它可达到预期目的。附图说明
图1：传统模拟式太阳敏感器的系统结构及工作原理示意图(其中，01’、02’分别为O点
在Y、Z轴的和X、Z轴的平面上的投影。
图2：等宽的透光狭缝形状示意图。
图3：本发明的不等宽狭缝外圈单边形状示意图。
图4：本发明敏感器和传统敏感器的一个角度分量的输入输出曲线的对比图，其中，M(η)是本发明的输入输出曲线，m(η)是传统敏感器的输入输出曲线，η为入射光对敏感器所成角度的俯仰角分量。
图5：本发明的透光狭缝形状示意图。
图6：本发明设计的基于光学非线性补偿的微型模拟式两轴太阳敏感器的结构示意图。
图7：本发明的遮光板的结构示意图。
图8：本发明实施例的结构示意图。
图9：本发明实施例的透光狭缝示意图。
图10：本发明实施例的四象限硅光电池形状示意图。
图11：本发明实施例的与直尺、手表相对比下的实物照片。具体实施方式
在图1中，1是遮光板，2是四象限硅光电池，11是透光狭缝，在传统模拟式两轴太阳敏感器中，它是四方形且有等宽狭缝的，12是太阳。
请见图6-图8。1是遮光板，从上到下依次由石英玻璃7、Cr和Ag制的反光层8和黑铬和多层膜制的吸光层9，其上有一个具有本发明提出的对称拱形函数f(t)作外圈单边形状而用四边形作内圈的透光狭缝11。四象限光电敏感器2用的是四象限硅光电池，粘接在光电敏感器安装板3上。遮光板1安装在遮光板支架4上。遮光板支架4用螺钉固定在光电敏感器安装板3上。5是敏感器前壳，它和光电敏感器安装板3用螺钉连接。10是后续电路处理板，它和光电敏感器安装板3经四象限电极和公共电极共5根输出线相连图中未示，四象限硅光电池2的输出电极则焊在光电敏感器安装板3上相应的焊盘上。后续处理电路板10和后盖板6与敏感器前壳5用螺钉连接，后续处理电路板10的输出线从后盖板6上的小孔引出。四象限硅光电池4的输出经四个电流电压转换电路转换为电压信号，再经过加减法电路变为三个模拟电压信号。三个模拟电压信号的比例关系与太阳光入射角成高度线性关系。
本发明提出的模拟式两轴太阳敏感器实例的外形尺寸为50mm×50mm×25mm，重量小于80克。图9所示透光狭缝其内圈正方形边长为12.9mm，外圈与内圈最大间距为0.441mm。所采用的四象限硅光电池尺寸为30mm×30mm，每个象限有两个引出电极，如图9～图11所示。该敏感器的视角大于120°×120°，分辨率高于0.2°，已付诸实用。当对敏感器的测量范围有不同要求时可以修改参数K、A、h，有很大灵活性。它还可把狭缝内圈设计成其他图形的形状，相应地狭缝外圈的形状函数也应随之变化。狭缝内圈为圆形时，外圈的形状将是蝶形，但加工困难，会影响效果。
由此可见，本发明提出的方法保证了两轴太阳敏感器输入输出间的高线性关系，而且灵活性大；据此方法设计的敏感器体积小、灵敏度高、精度可优于0.2°。