本發(fā)明涉及光學測量技術領域，具體地，涉及一種太陽敏感器及確定太陽矢量的方法。

背景技術：

衛(wèi)星上通常利用諸如紅外地平儀、磁強計、太陽敏感器等自主設備獲取環(huán)境信息，產生電流信號，電流信號經(jīng)過信號處理電路處理后，處理結果輸入星載計算機，星載計算機利用特定的算法得到衛(wèi)星自身的方位信息。

其中，太陽敏感器是衛(wèi)星上主要的姿態(tài)敏感器之一，功能是利用太陽光照射感光材料，將入射光轉化為電流信號，通過對電流信號的處理和計算，確定入射光的方向或其逆向，即太陽矢量，作為衛(wèi)星確定方位和姿態(tài)的重要輸入?yún)⒘俊?/p>

由于機械加工精度、電流測量精度、安裝精度、算法誤差的限制，對于特定結構的太陽敏感器，除需確定精準可靠的算法外，還應依據(jù)算法對加工精度和安裝精度做出有效指導。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明申請文件公開了一種太陽敏感器的結構。

太陽敏感器包括光闌、基體、電池基座、太陽電池、導引線路、處理器和濾波片，其中：

光闌與基體結合成一體，形成一個腔體；

光闌的通光孔為正四棱柱型通孔，通孔上下沿均為正方形；

基體位于腔體內的表面固定電池基座，太陽電池安裝在電池基座上，太陽電池上表面平整，且上表面正對通光孔，用于接收太陽光；

太陽電池上表面所在的平面與通光孔上下沿所在的兩個平面均平行；

太陽電池上表面所在的平面的一條法線經(jīng)過通光孔的中心點，定為中心法線，中心法線與太陽電池上表面的交點定為分割點；

以經(jīng)過中心法線且分別平行于通光孔兩個垂直側面的兩個平面將太陽電池分成四塊相互絕緣的感光區(qū)塊，以逆時針方向分別標號為感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4；

感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4分別與導引線路105的線路1、線路2、線路3、線路4相連；

導引線路穿過基體的通孔，輸出電流到處理器，處理器內含運算電路或器件，可處理電流信號，最終的結果可傳輸?shù)叫禽d計算機；

濾波片的上下表面平行，緊貼于通光孔外側，用于阻擋空間高能粒子。

本發(fā)明的優(yōu)點在于處于通光孔附近的光闌壁可以較厚，這樣在算法精度提高的同時，對材料剛度和加工精度的要求降低。

本文件還公開了利用上述結構的太陽敏感器確定太陽矢量的方法。

設通光孔上沿正方形邊長為a，通光孔深度為h，通光孔中心點到太陽電池上表面的距離為H；

以上述分割點為原點，太陽電池上表面所在的平面為X-Y平面，分割點指向通光孔中心點的方向為Z軸方向建立空間直角坐標系，使得感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4的上表面分別處于X-Y平面的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限；

利用太陽光透過通光孔照射太陽電池，太陽電池的四塊感光區(qū)塊分別產生電荷，電荷通過線路1、線路2、線路3和4形成電流，電流大小分別為i₁、i₂、i₃和i₄,，處理器對電流進行處理，通過如下算法計算出在上述坐標系下的太陽矢量：

其中，

在上述表達式中，x、y由如下表達式確定：

在加工精度足夠高時，上述算法可以比較精確地計算出太陽矢量。本文也對實施的過程中可能產生的誤差做出了分析，以供公眾參考。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個實施例中的太陽敏感器外形示意圖

圖2為本發(fā)明的一個實施例中的太陽敏感器結構示意圖

圖3為本發(fā)明的一個實施例中的太陽電池受光示意圖

圖4為一個沒有蓋的立方體盒子的透光情況示意圖

圖5為本發(fā)明的一個實施例中的太陽電池感光情況示意圖

圖6為太陽電池片底面有偏角的狀態(tài)示意圖

圖7為期望位置與實際安裝位置的坐標轉換關系示意圖

圖8為太陽視角使受光邊緣擴大示意圖

圖9為電池受光面積增大（陰影部分）示意圖

圖10為太陽電池增加防護玻片示意圖

圖11為光路偏差示意圖

圖12為經(jīng)過分析得出的本算法下更合適的防護玻片安裝位置示意圖

圖13為一次函數(shù)擬合誤差關系圖

圖14為二次函數(shù)擬合誤差關系圖

圖15為轉臺旋轉方式示意圖

圖16為表1：忽略h值所得角度誤差

圖17為表2：通光孔邊長a 0.005mm時方向余弦角的變化

圖18為表3：高度H 0.01mm時方向余弦角的變化

圖19為表4：高度h0.005mm時方向余弦角的變化

圖20為表5：太陽電池片繞ｚ軸旋轉0.02時方向余弦角α的變化

圖21為表6：太陽電池片繞ｚ軸旋轉0.02°時方向余弦角β的變化

圖22為表7：太陽電池中心點P偏移產生的誤差（θ=0°）

圖23為表8：太陽電池中心點P偏移產生的誤差（θ=45°）

圖24為表9：太陽電池中心點P偏移產生的誤差（θ=90°）

圖25為表10：太陽角對方向余弦的影響

圖26為表11：增加玻片引入的算法誤差

具體實施方式

下面將結合附圖，對根據(jù)本發(fā)明內容實現(xiàn)的實施例進行介紹，以便本領域的技術人員能夠精確和深入地理解本發(fā)明的技術特征，并參考實施例實現(xiàn)本發(fā)明的裝置和方法，并在本發(fā)明的基礎上實現(xiàn)各種變形和改進。

參見圖1所示的太陽敏感器外形示意圖和附圖2所示的結構示意圖，太陽敏感器包括光闌101、基體102、電池基座103、太陽電池104、導引線路105、處理器106，、濾波片107。

其中：

光闌101與基體102結合成一體，形成一個腔體；

光闌101的通光孔108為正四棱柱型通孔，通孔上下沿均為正方形；

基體102位于腔體內的表面固定電池基座103，太陽電池104安裝在電池基座103上，太陽電池104上表面平整，且上表面正對通光孔，用于接收太陽光；

太陽電池104上表面所在的平面與通光孔108上下沿所在的兩個平面均平行；

太陽電池104上表面所在的平面的一條法線經(jīng)過通光孔108的中心點，定為中心法線，中心法線與太陽電池104上表面的交點定為分割點；

以經(jīng)過中心法線且分別平行于通光孔108兩個垂直側面的兩個平面將太陽電池104分成四塊相互絕緣的感光區(qū)塊，以逆時針方向分別標號為感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4；

感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4分別與導引線路105的線路1、線路2、線路3、線路4相連；

導引線路105穿過基體102的通孔，輸出電流到處理器106，處理器106內含運算電路或器件，可處理電流信號，最終的結果可傳輸?shù)叫禽d計算機；

濾波片的上下表面平行，緊貼于通光孔外側，通過鍍膜等工藝處理，可用于阻擋空間高能粒子。

需要補充說明的是：

上述太陽電池104的上表面，意指產生光電效應的一個等效面，在本領域技術人員能理解的情況下，本文所述的指代方位的“上”只是指代一個相對的方位，當太陽敏感器的基體102水平放置，且光闌101安裝在高于基體的方位時，所述的“上”和通常意思的“上”一致；

太陽電池104上表面均勻，在同樣光照強度下，單位面積可產生同等數(shù)量的電荷，所述同等數(shù)量是指在誤差允許的范圍內相對意義上的同等數(shù)量；

將太陽電池分成四塊相互絕緣的感光區(qū)塊，可通過刻蝕的工藝，太陽電池刻蝕成四塊相互絕緣的感光區(qū)塊是為了減少不同電池組合帶來的誤差，當然， 等效地，由四塊參數(shù)相同的太陽電池緊湊安裝，可替代上述太陽電池的四塊感光區(qū)塊；

較佳的，太陽電池上表面為正方形，以中心對稱的方式刻蝕成四塊絕緣的感光區(qū)塊；

基體可固定于衛(wèi)星本體上。

本發(fā)明還提供一種利用上述太陽敏感器確定太陽矢量的方法。

設通光孔108上沿正方形邊長為a，通光孔108深度為h，通光孔108中心點到太陽電池104上表面的距離為H；

以上述分割點為原點，太陽電池104上表面所在的平面為X-Y平面，分割點指向通光孔108中心點的方向為Z軸方向建立空間直角坐標系，使得感光區(qū)塊1、感光區(qū)塊2、感光區(qū)塊3、感光區(qū)塊4的上表面分別處于X-Y平面的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，設太陽矢量（逆光向）與X、Y、Z軸的夾角分別為α、β、γ；

利用太陽光透過通光孔108照射太陽電池104，太陽電池104的四塊感光區(qū)塊分別產生電荷，電荷通過線路1、線路2、線路3和4形成電流，電流大小分別為i₁、i₂、i₃和i₄，處理器106對電流進行處理。通過如下算法計算出在上述坐標系下的太陽矢量：

其中，

在上述表達式中，x、y由如下表達式確定：

需要說明的是，上述算法的限制條件包括：

通光孔108上沿正方形的內部被太陽光均勻布滿；

太陽光在太陽電池104的四塊感光區(qū)塊均有照射；

通過通孔108的太陽光均入射到太陽電池上表面，不超出太陽電池104的邊緣。

如下對太陽矢量的計算方法做詳細說明。

參見圖3所示的太陽電池受光示意圖，光闌通光孔AC'為正四棱柱，設中心為點O。太陽電池感光面α以點P為中心分割成的四塊全等的正方形區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，直線OP為電池感光面α和光闌通光孔上表面AC、下表面AC'的公共法線。設AB=AD=a，OP=H,AA'=h，平行光通過光闌入射，在太陽電池面上形成的光斑大小由a、H、h確定。

一束平行光以如圖3所示方向入射，使得Ⅰ區(qū)域的受光面積最大。設點A、點C'在太陽電池感光面的投影分別為點A"、點，則太陽電池的受光部分為圖中以為對角線的矩形區(qū)域。這個區(qū)域是正方形區(qū)域和正方形區(qū)域的交疊部分，其中正方形和正方形分別為光闌上、下表面沿太陽矢量方向在太陽電池感光面上的投影。

建立直角坐標系：OX、OY軸分別與AB、AD平行，OZ與OX、OY成右手系。α、β、γ分別為太陽矢量和OX、OY、OZ所成的角。則太陽矢量（逆光向）可表示為：

為得到，我們先計算光闌厚度對光斑的影響。圖4表示一個沒有蓋的盒子，各面均不透光，盒子內部形狀為高度H的正六面體，平行光束以方向入射，盒子底面一般不能全被光線照射到，而是形成圖4中所示的陰影。光闌的情況與此類似。

如圖5所示，正方形、分別為光闌上、下表面沿方向在太陽電池面的投影，左下角L形狀的陰影表示光闌側壁對下表面透光的阻擋而形成的陰影，右上角倒L形狀的陰影表示光闌側壁對上表面透光的阻擋而形成的陰影，兩塊陰影全等。平行光通過光闌在底面形成的光斑為圖5中的矩形。經(jīng)過光闌中心，作平行于光闌上、下表面的截面（中截面）。作光闌中截面沿方向在太陽電池面的投影，如圖5中正方形為所示，設中截面中心O沿方向在太陽電池面的投影為點O'。易知矩形的中心也為點O'。

在太陽電池感光面上建立平面直角坐標系，坐標系原點選為電池感光面中心P，如圖5所示。設O'坐標為{x,y,0}。在太陽電池正常工作情況下，如果Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)域輸出電流分別為i₁、i₂、i₃和i₄，則各區(qū)域有效的感光面積分別為ki₁、ki₂、ki₃和ki₄，其中k為比例常數(shù)，對計算結果沒有影響。因此各區(qū)域面積比與輸出電流比值相等。由幾何關系可以得到：

將(2)、(3)帶入(1)，得到

可以合并為一個計算式：

類似得，可以得到y(tǒng)的計算式：

將x，y代入太陽矢量方向余弦計算公式：

即可得到太陽矢量。

應先期對a、H、h作精確測量。實際使用中，首先應根據(jù)輸出電流i₁、i₂、i₃和i₄的大小，判斷太陽電池片四個區(qū)域是否工作正常，如果工作正常，即利用i₁、i₂、i₃和i₄計算太陽矢量。

下面對各類可能的誤差做出分析，以便本領域技術人員根據(jù)相關結論，控制加工和安裝精度。

設定衛(wèi)星使用的模擬太陽敏感器主要幾何參數(shù)為：＝10mm，＝3.465mm，=0.2mm。下面分析儀器加工誤差對結果的影響。考慮到數(shù)據(jù)的可讀性，分析中主要給出三個方向余弦角、、的誤差。

【一】首先考慮忽略h的可能性。令h=0，，用（4）式計算所得的角度值 與實際值的差別如表1所示（單位為度）?？梢妿淼恼`差比較大，h在計算式中不能忽略。在傳統(tǒng)的算法中，將光闌壁厚加工成很薄，在算法中不考慮厚道h帶來的影響，而在本算法中，h的取值范圍可大幅擴大二不對結果造成影響，這樣對光闌的材料加工要求可以降低。

【二】儀器加工（測量）誤差對結果的影響。

（1）a、H和h加工（測量）精度。

為簡化分析，令y=0，則有＝，＝，令＝t，則

用表示a沒有誤差時通過方向余弦式式計算得到的方向余弦角，表示a長度增加0.005mm時計算所得的方向余弦角，表示a長度減少0.005mm時計算所得的方向余弦角。表2中對相應數(shù)據(jù)作出對比，表中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分別表示對應的，，，，。

對H的分析與對a的分析類似：用表示H沒有誤差時通過公式計算得到的方向余弦角，表示H長度增加0.01mm時計算所得的方向余弦角，表示H長度減少0.01mm時計算所得的方向余弦角。表3中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分別表示對應的，，，，（單位為度）。

同樣列出對h的數(shù)據(jù)分析：用表示h沒有誤差時通過公式計算得到的方向余弦角， 表示h長度增加0.02mm時計算所得的方向余弦角， 表示h長度減少0.02mm時計算所得的方向余弦角。表4中第1列表示在0.1~10的不同取值，第2～6列分別表示對應的，，，，。

（2）電池面偏轉。

固定Ｐ點，太陽電池面可能繞ｘ軸、ｙ軸或ｚ軸旋轉。

對于繞ｘ軸、ｙ軸分別旋轉，如圖5所示二維示意圖，太陽電池片從偏向，此時△∽△，/=/，偏轉對結果沒有影響。而如果兩種旋轉均存在，太陽電池四塊感光區(qū)域受光面積之間的比例關系在太陽電池精確安裝和有繞點的偏轉兩種情形下均對應相等，可見，在保證點位置正確的前提下，電池面繞ｘ軸，ｙ軸偏轉對結論沒有影響。

太陽電池繞ｚ軸旋轉，將對結果產生一定的影響。設旋轉角度為，由于此角度很小時，測量結果可近似認為是理論值旋轉角而得到。旋轉矩陣為：

實際測量結果與理論結果的關系為

對于，可得到誤差數(shù)據(jù)如表5、表6示。

（3）P點偏移。

如前面定義，太陽電池中心為P。則P點偏移等效于坐標原點平移，設偏移量為r，偏移方向角為，根據(jù)（4）、（5）、（6）式，可得

假設偏移范圍為r=0.01mm的圓。對于y=0，取不同的，可得出下所示的測量值與真實值的誤差如表7、表8、表9所示。

【三】安裝誤差。

下面粗略地分析不同的的安裝精度可能帶來的最大測量角度誤差。

設太陽敏感器精確的安裝坐標系為，而實際安裝有誤差，所得安裝軸、、分別偏離、、軸 、、角度， 構成坐標系為。坐標系繞過點的某一軸線（歐拉軸）旋轉一定角度就可以轉換到坐標系，如圖7所示。

旋轉角與、、存在下面的代數(shù)關系：

由于、、都很小，上式可近似為：

太陽敏感器是在坐標系中對矢量進行定量，定量所得的矢量值可以通過繞歐拉軸旋轉角而得到真實的矢量值。在實際中，這一旋轉角就是測角誤差值的上確界。

對于，有=0.2449°。

【四】太陽角產生的影響。

以上分析都是基于太陽光線為平行光的假設，實際的太陽光線有一定張角，太陽電池的受光面積會稍大于平行光入射時的受光面積，如圖8、圖9所示。

圖9中陰影部分表示受光面積增大的部分。下面只作粗略分析，假設光線照射到的位置光強均相等。對于一種特殊情形，設太陽中心與點O連線在yz平面內，則光斑關于x軸對稱。設平行光從與yz平面平行且與z軸夾角為的方向入射，則x軸受光部分為線段，而對于主光軸與此平行光平行、張角為的太陽光，x軸的受光部分將變?yōu)榫€段（參見圖8）。則

矩形光斑中心橫坐標x的變化量為：

一般情況下，對于不同的角，可以得出對應的x，以及，求出后再逆推出。

可見，在這種情況下，太陽角帶來的誤差可以忽略。

【五】太陽電池增加防護玻片。

為減少空間粒子輻射對太陽電池片的影響，結構設計中增加了太陽電池的防護玻片，如圖10所示。這時光路會發(fā)生偏移。對于玻片厚度為0.4mm、材料折射率為1.51的設計，用上文所述的計算公式計算將產生很大誤差。

如圖11所示，設平行光照射，經(jīng)過光闌中心點O的光線經(jīng)過玻璃片折射在太陽電池面形成點。如果沒有玻片存在，則形成點。設實際光線與z軸夾角為，過O點光線在玻璃片上表面的的入射點為A，入射角，折射角為，公式計算所得光線與z軸夾角為。

由折射定律可得：

由幾何關系可得：

表11列出了光線與z軸夾角的算法誤差。

可見增加防護玻璃片后仍沿用正文中的計算方法計算太陽矢量將產生很大的算法誤差。因此必須找到新的計算方法，或者調整機械設計。

一種有效的改進機械結構的方法是將玻片放置在光闌以外，如圖12所示。在玻片足夠平整的情況下，太陽矢量的算法不變。

對計算方法的調整也是可行的。為簡化分析，下面用方位角和余仰角的信息表示太陽矢量，其中余仰角為太陽矢量和PZ軸的夾角(參見圖11中的)，方位角為太陽矢量在PXY平面內投影和PX軸所成的角(參見參見圖5中的）。

在圖11中，點的坐標仍可沿用原公式計算。令=，利用下面的關系式

得到矢量的余仰角和方位角。

太陽矢量精確的余仰角、方位角關系如下：

一般情況下代入，關系式均化為超越方程，雖有唯一的與對應，但無法求出的解析式?？尚械姆椒ㄊ怯们€擬合。

在0°~56°范圍內，每隔0.005°取一個值，可計算出每個值對應的，再利用多項式擬合方法求出與的近似對應關系。經(jīng)過計算，若為一次函數(shù)，即可使擬合偏差在為0°~30°內小于0.080°，在為0°~56°內小于0.172°；為二次函數(shù)可使擬合偏差在為0°~30°時小于0.035°，在為0°~56°時小于0.056°。

一次函數(shù)擬合公式為

=1.03464445365626+0.07906077767130

二次函數(shù)擬合公式為

=-0.00023387578414+1.04729824718707-0.03499128891733

擬合誤差如圖13、圖14所示。

通過本文上述分析可知，在太陽敏感器沒有安裝太陽電池防護玻片時，測量誤差的主要來源為安裝矩陣誤差、H的誤差以及P點的偏移。除去安裝誤差以外，其他誤差可控制在。

增加安裝玻片后，同樣可以得到比較精確的結果。計算方法為：

(1)首先計算光闌中心點在太陽電池面投影點的x、y坐標：

(2)根據(jù)坐標值求出太陽矢量方位角、虛余仰角：

(3)根據(jù)虛余仰角計算余仰角。如利用二階擬合公式，則有

=-0.0002339+1.0473-0.035

余仰角和太陽矢量與PZ軸方向余弦角實際為同一個角度，故用同一字母標示。

(4)根據(jù)、的數(shù)值計算太陽矢量方向余弦式：

(5)安裝測試時，轉臺轉角a、b可通過如下方式計算：

轉臺初始方位坐標系為，太陽矢量方向沿轉臺軸。試驗中，太陽矢量方向保持固定，轉臺轉動步驟為：先繞軸順時針轉動角度，此時、軸分別轉到、；再繞軸逆時針轉動角度，此時、軸分別轉到、。即轉臺方位坐標系轉到，而太陽矢量仍沿方向。由幾何關系得到

因此

。

綜上，本文件公開了更為精確的太陽矢量計算方法，采用這種方法可以避免傳統(tǒng)計算方法對光闌邊緣厚度的限制，得到較精確的結果。

盡管結合具體特征及其實施例對本發(fā)明進行了描述，但顯而易見的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對其進行各種修改。相應地，本說明書和附圖僅僅是所附權利要求所界定的本發(fā)明的示例性說明，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。