專利名稱：用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小衛(wèi)星姿態(tài)確定領(lǐng)域，具體涉及一種用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置及方法。
背景技術(shù)：
微小衛(wèi)星以其研制周期短、成本低、靈活性強(qiáng)，越來越受到各航天研究機(jī)構(gòu)的重視。衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)是微小衛(wèi)星的重要組成部分，姿態(tài)敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，常見的如陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)、紅外地球探測(cè)器、太陽(yáng)敏感器和星敏感器等。對(duì)于微小衛(wèi)星研制，陀螺由于其漂移隨時(shí)間積累，測(cè)量誤差大，一般較少采用，紅外地球探測(cè)器和星敏感器由于功耗、成本過高，計(jì)算復(fù)雜，也少有采用。太陽(yáng)敏感器與其他幾類姿態(tài)敏感器相比， 具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低及體積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分常用的姿態(tài)敏感器。太陽(yáng)敏感器是一種通過測(cè)量太陽(yáng)光線與衛(wèi)星某一體軸之間的夾角，從而確定太陽(yáng)在敏感器本體坐標(biāo)系的位置，然后通過坐標(biāo)矩陣變換得到太陽(yáng)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的位置，最終在衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)中求得衛(wèi)星在空間的方位的敏感器。太陽(yáng)敏感器通常分為模擬式太陽(yáng)敏感器和數(shù)字式太陽(yáng)敏感器兩類模擬式太陽(yáng)敏感器多采用光電池作為光敏原件， 利用其輸出電流的大小來判斷太陽(yáng)光的入射角度，視場(chǎng)一般在20° 30°左右；數(shù)字式太陽(yáng)敏感器是通過計(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計(jì)算太陽(yáng)光角度的敏感器，主要基于兩類圖像傳感器，一類是CXD圖像傳感器，一類是CMOS (全稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器?；趫D像傳感器的數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)一般在士60°左右。盡管太陽(yáng)敏感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的姿態(tài)確定，但由于器件和光學(xué)系統(tǒng)的限制，在視場(chǎng)上仍存在著一些不足，通常至少需要在衛(wèi)星上安裝三個(gè)太陽(yáng)敏感器來實(shí)現(xiàn)全方位的太陽(yáng)角度測(cè)量。對(duì)于微小衛(wèi)星而言，敏感器數(shù)量上的增加會(huì)加重其功耗上的負(fù)擔(dān)。因此在微小衛(wèi)星上采用少量太陽(yáng)敏感器實(shí)現(xiàn)整個(gè)視場(chǎng)的捕獲具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、重量輕、功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置及方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，包括用于采集全景光學(xué)圖像的全景圖像式太陽(yáng)敏感器和用于計(jì)算輸出三軸太陽(yáng)矢量信息的信號(hào)處理單元，所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器的輸出端與信號(hào)處理單元相連，所述全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置還包括用于在所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器成像的太陽(yáng)光斑位于測(cè)量盲區(qū)時(shí)采集太陽(yáng)敏感信息的四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器，所述四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器包括頂部開設(shè)有透光方孔的遮光罩，所述遮光罩內(nèi)設(shè)有四片相互接觸并處于同一平面上的太陽(yáng)能電池片，所述太陽(yáng)能電池片為正方形，所述透光方孔設(shè)于四片太陽(yáng)能電池片的正上方，所述太陽(yáng)能電池片的輸出端與信號(hào)處理單元相連。作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)所述太陽(yáng)能電池片的上表面到透光方孔之間的間距h滿足h = L/tana，其中L為太陽(yáng)能電池片邊長(zhǎng)的一半，α為四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)大小，α為大于或者等于所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器的測(cè)量盲區(qū)的角度值。所述信號(hào)處理單元包括數(shù)字信號(hào)處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大電路和程序存儲(chǔ)模塊和外部接口模塊，所述數(shù)字信號(hào)處理器分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序存儲(chǔ)模塊、外部接口模塊相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過運(yùn)算放大電路與太陽(yáng)能電池片相連。所述數(shù)字信號(hào)處理器包括DMA控制器和兩個(gè)并行分布的圖像緩沖區(qū)，所述圖像緩沖區(qū)分布通過DMA控制器與全景圖像式太陽(yáng)敏感器相連。所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器包括相互連接的全景環(huán)形光學(xué)鏡頭和圖像傳感器，所述全景環(huán)形光學(xué)鏡頭的后端貼有濾光膜，所述圖像傳感器的輸出端與信號(hào)處理單元相連， 所述圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。本發(fā)明還提供一種基于上述用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感方法，其實(shí)施步驟如下1)所述信號(hào)處理單元通過全景圖像式太陽(yáng)敏感器獲取圖像數(shù)據(jù)；2)所述信號(hào)處理單元對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換；3)所述信號(hào)處理單元對(duì)二值化轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)求解太陽(yáng)光斑中心位置；4)所述信號(hào)處理單元判斷太陽(yáng)光斑中心位置是否位于全景圖像式太陽(yáng)敏感器的測(cè)量盲區(qū)內(nèi)，如果太陽(yáng)光斑位置位于測(cè)量盲區(qū)外則根據(jù)α = arctan (Ys/Xs), β = R/f,R = ^Xs2 +Ys2計(jì)算太陽(yáng)光線在坐標(biāo)軸X上的角度值α、太陽(yáng)光線在坐標(biāo)軸Z上的角度值β和太陽(yáng)光斑到坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離R，其中XS、YS為太陽(yáng)光斑中心位置，f為鏡頭焦距，然后將所述α、β和R轉(zhuǎn)換為三軸太陽(yáng)矢量信息并輸出；如果太陽(yáng)光斑中心位置位于測(cè)量盲區(qū)內(nèi)則執(zhí)行下一步；
5)檢測(cè)每一個(gè)太陽(yáng)能電池片(3 輸入的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，然后根據(jù) '-L(A^A2-A3-A4)I A
-KyA1+A3-A1-A4)! A -hSb =求解太陽(yáng)光斑坐標(biāo)Sb，其中Ap A2、A3、A4分別為太陽(yáng)能電池片(32)輸入的電流值或者電壓值，A為四片太陽(yáng)能電池片(32)輸入的電流值總和或者電壓值總和，h為太陽(yáng)能電池片(32)的上表面到透光方孔(311)之間的間距，L為太陽(yáng)能電池片(32)邊長(zhǎng)的一半 ’然后將所述太陽(yáng)光斑坐標(biāo)&轉(zhuǎn)換為三軸太陽(yáng)矢量信息并輸出。作為本發(fā)明上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)所述步驟1)的詳細(xì)步驟包括所述步驟1)中信號(hào)處理單元通過中斷方式通過全景圖像式太陽(yáng)敏感器采集圖像數(shù)據(jù)，且所述信號(hào)處理單元同時(shí)在內(nèi)部開辟兩塊緩沖區(qū)，通過直接內(nèi)存訪問逐行交替搬移圖像數(shù)據(jù)至兩塊緩沖區(qū)內(nèi)，且在搬移圖像數(shù)據(jù)至一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)所述信號(hào)處理單元對(duì)另一個(gè)緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。
所述步驟2)的詳細(xì)步驟包括A)設(shè)置有效亮度閾值區(qū)間，設(shè)置過閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)的有效區(qū)間；B)從有效亮度閾值區(qū)間的最小值開始掃描圖像數(shù)據(jù)，C)在掃描過程中對(duì)符合所述過閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)的有效區(qū)間的閾值進(jìn)行記錄，在掃描完成后，取這些符合條件的閾值的平均值作為最終閾值參數(shù)；D)根據(jù)所述最終閾值參數(shù)為二值化的亮度閾值對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化。所述步驟幻中信號(hào)處理單元求解太陽(yáng)光斑中心位置具體是指通過
權(quán)利要求
1.一種用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，包括用于采集全景光學(xué)圖像的全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)和用于計(jì)算輸出三軸太陽(yáng)矢量信息的信號(hào)處理單元O)，所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)的輸出端與信號(hào)處理單元( 相連，其特征在于所述全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置還包括用于在所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)成像的太陽(yáng)光斑位于測(cè)量盲區(qū)時(shí)采集太陽(yáng)敏感信息的四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器(3)，所述四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器C3)包括頂部開設(shè)有透光方孔(311)的遮光罩(31)，所述遮光罩(31)內(nèi)設(shè)有四片相互接觸并處于同一平面上的太陽(yáng)能電池片(32)，所述太陽(yáng)能電池片(32)為正方形，所述透光方孔(311)設(shè)于四片太陽(yáng)能電池片(32)的正上方，所述太陽(yáng)能電池片(32)的輸出端與信號(hào)處理單元(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，其特征在于所述太陽(yáng)能電池片(32)的上表面到透光方孔(311)之間的間距h滿足h = L/tana，其中L為太陽(yáng)能電池片(32)邊長(zhǎng)的一半，α為四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器(3)的視場(chǎng)大小，α為大于或者等于所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)的測(cè)量盲區(qū)的角度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，其特征在于所述信號(hào)處理單元( 包括數(shù)字信號(hào)處理器(21)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)、運(yùn)算放大電路和程序存儲(chǔ)模塊04)和外部接口模塊(25)，所述數(shù)字信號(hào)處理器分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)、程序存儲(chǔ)模塊(M)、外部接口模塊0 相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器0 通過運(yùn)算放大電路03) 與太陽(yáng)能電池片(32)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理器包括DMA控制器011)和兩個(gè)并行分布的圖像緩沖區(qū)012)，所述圖像緩沖區(qū)(21 分布通過DMA控制器011)與全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置，其特征在于所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)包括相互連接的全景環(huán)形光學(xué)鏡頭(11)和圖像傳感器(12)，所述全景環(huán)形光學(xué)鏡頭(11)的后端貼有濾光膜，所述圖像傳感器(1 的輸出端與信號(hào)處理單元( 相連，所述圖像傳感器(1 為CMOS圖像傳感器。
6.一種基于權(quán)利要求1 4中任意一項(xiàng)所述用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感方法，其特征在于其實(shí)施步驟如下1)所述信號(hào)處理單元( 通過全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)獲取圖像數(shù)據(jù)；2)所述信號(hào)處理單元( 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換；3)所述信號(hào)處理單元( 對(duì)二值化轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)求解太陽(yáng)光斑中心位置；4)所述信號(hào)處理單元(2)判斷太陽(yáng)光斑中心位置是否位于全景圖像式太陽(yáng)敏感器⑴ 的測(cè)量盲區(qū)內(nèi)，如果太陽(yáng)光斑位置位于測(cè)量盲區(qū)外則根據(jù)α = arctan (Ys/Xs), β = R/f,R = ^Xs2 +Ys2計(jì)算太陽(yáng)光線在坐標(biāo)軸X上的角度值α、太陽(yáng)光線在坐標(biāo)軸Z上的角度值β和太陽(yáng)光斑到坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離R，其中XS、YS為太陽(yáng)光斑中心位置，f為鏡頭焦距，然后將所述 α、β和R轉(zhuǎn)換為三軸太陽(yáng)矢量信息并輸出；如果太陽(yáng)光斑中心位置位于測(cè)量盲區(qū)內(nèi)則執(zhí)行下一步；5)檢測(cè)每一個(gè)太陽(yáng)能電池片(3 輸入的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，然后根據(jù)Sb= -L(A^A3-A1-A4)I A -h求解太陽(yáng)光斑坐標(biāo)Sb，其中A”A2、A3、A4分別為太陽(yáng)能電池片(32)輸入的電流值或者電壓值，A為四片太陽(yáng)能電池片(32)輸入的電流值總和或者電壓值總和，h為太陽(yáng)能電池片 (32)的上表面到透光方孔(311)之間的間距，L為太陽(yáng)能電池片(32)邊長(zhǎng)的一半；然后將所述太陽(yáng)光斑坐標(biāo)&轉(zhuǎn)換為三軸太陽(yáng)矢量信息并輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感方法，其特征在于，所述步驟1)的詳細(xì)步驟包括所述步驟1)中信號(hào)處理單元( 通過中斷方式通過全景圖像式太陽(yáng)敏感器(1)采集圖像數(shù)據(jù)，且所述信號(hào)處理單元O)同時(shí)在內(nèi)部開辟兩塊緩沖區(qū)，通過直接內(nèi)存訪問逐行交替搬移圖像數(shù)據(jù)至兩塊緩沖區(qū)內(nèi)，且在搬移圖像數(shù)據(jù)至一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)所述信號(hào)處理單元 (2)對(duì)另一個(gè)緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感方法，其特征在于，所述步驟幻的詳細(xì)步驟包括A)設(shè)置有效亮度閾值區(qū)間，設(shè)置過閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)的有效區(qū)間；B)從有效亮度閾值區(qū)間的最小值開始掃描圖像數(shù)據(jù)，C)在掃描過程中對(duì)符合所述過閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)的有效區(qū)間的閾值進(jìn)行記錄，在掃描完成后，取這些符合條件的閾值的平均值作為最終閾值參數(shù)；D)根據(jù)所述最終閾值參數(shù)為二值化的亮度閾值對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感方法，其特征在于所述步驟幻中信號(hào)處理單元( 求解太陽(yáng)光斑中心位置具體是指通過求解太陽(yáng)光斑中心位置的χ坐標(biāo)\和Y坐標(biāo)Ys，其中I為檢測(cè)到的過閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微小衛(wèi)星的全視場(chǎng)太陽(yáng)敏感裝置及方法，裝置包括全景圖像式太陽(yáng)敏感器、信號(hào)處理單元和用于在所述全景圖像式太陽(yáng)敏感器成像的太陽(yáng)光斑位于測(cè)量盲區(qū)時(shí)采集太陽(yáng)敏感信息的四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器；方法包括通過全景圖像式太陽(yáng)敏感器獲取圖像數(shù)據(jù)；對(duì)圖像數(shù)據(jù)求解太陽(yáng)光斑中心位置；判斷太陽(yáng)光斑中心位置是否位于全景圖像式太陽(yáng)敏感器的測(cè)量盲區(qū)內(nèi)，如果太陽(yáng)光斑位置位于測(cè)量盲區(qū)外則根據(jù)太陽(yáng)光斑中心位置輸出三軸太陽(yáng)矢量信息；如果太陽(yáng)光斑位置位于測(cè)量盲區(qū)內(nèi)，根據(jù)四片式差動(dòng)太陽(yáng)敏感器的輸入數(shù)據(jù)輸出三軸太陽(yáng)矢量信息。本發(fā)明具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)確定。
文檔編號(hào)G01C21/20GK102538786SQ20121001227
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者向甜, 王俊, 王昊, 蔡波, 金仲和 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)