专利名称：用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法
技术领域：
本发明涉及微小卫星姿态确定领域，具体涉及一种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法。
背景技术：
微小卫星以其研制周期短、成本低、灵活性强，越来越受到各航天研究机构的重视。卫星姿态确定系统是微小卫星的重要组成部分，姿态敏感器是卫星姿态确定系统的关键组件，常见的如陀螺仪、磁强计、红外地球探测器、太阳敏感器和星敏感器等。对于微小卫星研制，陀螺由于其漂移随时间积累，测量误差大，一般较少采用，红外地球探测器和星敏感器由于功耗、成本过高，计算复杂，也少有采用。太阳敏感器与其他几类姿态敏感器相比， 具有设计简单、功耗低及体积小等优点，是一种十分常用的姿态敏感器。太阳敏感器是一种通过测量太阳光线与卫星某一体轴之间的夹角，从而确定太阳在敏感器本体坐标系的位置，然后通过坐标矩阵变换得到太阳在卫星本体坐标系中的位置，最终在卫星的姿控系统中求得卫星在空间的方位的敏感器。太阳敏感器通常分为模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器两类模拟式太阳敏感器多采用光电池作为光敏原件， 利用其输出电流的大小来判断太阳光的入射角度，视场一般在20° 30°左右；数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光角度的敏感器，主要基于两类图像传感器，一类是CXD图像传感器，一类是CMOS (全称为“互补金属氧化物半导体”，Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。基于图像传感器的数字式太阳敏感器的视场一般在士60°左右。尽管太阳敏感器具有许多优点，并且已经被广泛应用于卫星的姿态确定，但由于器件和光学系统的限制，在视场上仍存在着一些不足，通常至少需要在卫星上安装三个太阳敏感器来实现全方位的太阳角度测量。对于微小卫星而言，敏感器数量上的增加会加重其功耗上的负担。因此在微小卫星上采用少量太阳敏感器实现整个视场的捕获具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、重量轻、功耗低、成本低、结构简单的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为—种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，包括用于采集全景光学图像的全景图像式太阳敏感器和用于计算输出三轴太阳矢量信息的信号处理单元，所述全景图像式太阳敏感器的输出端与信号处理单元相连，所述全视场太阳敏感装置还包括用于在所述全景图像式太阳敏感器成像的太阳光斑位于测量盲区时采集太阳敏感信息的四片式差动太阳敏感器，所述四片式差动太阳敏感器包括顶部开设有透光方孔的遮光罩，所述遮光罩内设有四片相互接触并处于同一平面上的太阳能电池片，所述太阳能电池片为正方形，所述透光方孔设于四片太阳能电池片的正上方，所述太阳能电池片的输出端与信号处理单元相连。作为上述技术方案的进一步改进所述太阳能电池片的上表面到透光方孔之间的间距h满足h = L/tana，其中L为太阳能电池片边长的一半，α为四片式差动太阳敏感器的视场大小，α为大于或者等于所述全景图像式太阳敏感器的测量盲区的角度值。所述信号处理单元包括数字信号处理器、模数转换器、运算放大电路和程序存储模块和外部接口模块，所述数字信号处理器分别与模数转换器、程序存储模块、外部接口模块相连，所述模数转换器通过运算放大电路与太阳能电池片相连。所述数字信号处理器包括DMA控制器和两个并行分布的图像缓冲区，所述图像缓冲区分布通过DMA控制器与全景图像式太阳敏感器相连。所述全景图像式太阳敏感器包括相互连接的全景环形光学镜头和图像传感器，所述全景环形光学镜头的后端贴有滤光膜，所述图像传感器的输出端与信号处理单元相连， 所述图像传感器为CMOS图像传感器。本发明还提供一种基于上述用于微小卫星的全视场太阳敏感装置的全视场太阳敏感方法，其实施步骤如下1)所述信号处理单元通过全景图像式太阳敏感器获取图像数据；2)所述信号处理单元对图像数据进行二值化转换；3)所述信号处理单元对二值化转换后的图像数据求解太阳光斑中心位置；4)所述信号处理单元判断太阳光斑中心位置是否位于全景图像式太阳敏感器的测量盲区内，如果太阳光斑位置位于测量盲区外则根据α = arctan (Ys/Xs), β = R/f,R = ^Xs2 +Ys2计算太阳光线在坐标轴X上的角度值α、太阳光线在坐标轴Z上的角度值β和太阳光斑到坐标原点之间的距离R，其中XS、YS为太阳光斑中心位置，f为镜头焦距，然后将所述α、β和R转换为三轴太阳矢量信息并输出；如果太阳光斑中心位置位于测量盲区内则执行下一步；
5)检测每一个太阳能电池片(3 输入的电流信号或者电压信号，然后根据 '-L(A^A2-A3-A4)I A
-KyA1+A3-A1-A4)! A -hSb =求解太阳光斑坐标Sb，其中Ap A2、A3、A4分别为太阳能电池片(32)输入的电流值或者电压值，A为四片太阳能电池片(32)输入的电流值总和或者电压值总和，h为太阳能电池片(32)的上表面到透光方孔(311)之间的间距，L为太阳能电池片(32)边长的一半 ’然后将所述太阳光斑坐标&转换为三轴太阳矢量信息并输出。作为本发明上述技术方案的进一步改进所述步骤1)的详细步骤包括所述步骤1)中信号处理单元通过中断方式通过全景图像式太阳敏感器采集图像数据，且所述信号处理单元同时在内部开辟两块缓冲区，通过直接内存访问逐行交替搬移图像数据至两块缓冲区内，且在搬移图像数据至一个缓冲区时所述信号处理单元对另一个缓冲区的图像数据进行二值化处理。
所述步骤2)的详细步骤包括A)设置有效亮度阈值区间，设置过阈值点个数的有效区间；B)从有效亮度阈值区间的最小值开始扫描图像数据，C)在扫描过程中对符合所述过阈值点个数的有效区间的阈值进行记录，在扫描完成后，取这些符合条件的阈值的平均值作为最终阈值参数；D)根据所述最终阈值参数为二值化的亮度阈值对图像数据进行二值化。所述步骤幻中信号处理单元求解太阳光斑中心位置具体是指通过
权利要求
1.一种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，包括用于采集全景光学图像的全景图像式太阳敏感器(1)和用于计算输出三轴太阳矢量信息的信号处理单元O)，所述全景图像式太阳敏感器(1)的输出端与信号处理单元( 相连，其特征在于所述全视场太阳敏感装置还包括用于在所述全景图像式太阳敏感器(1)成像的太阳光斑位于测量盲区时采集太阳敏感信息的四片式差动太阳敏感器(3)，所述四片式差动太阳敏感器C3)包括顶部开设有透光方孔(311)的遮光罩(31)，所述遮光罩(31)内设有四片相互接触并处于同一平面上的太阳能电池片(32)，所述太阳能电池片(32)为正方形，所述透光方孔(311)设于四片太阳能电池片(32)的正上方，所述太阳能电池片(32)的输出端与信号处理单元(2)相连。
2.根据权利要求1所述的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，其特征在于所述太阳能电池片(32)的上表面到透光方孔(311)之间的间距h满足h = L/tana，其中L为太阳能电池片(32)边长的一半，α为四片式差动太阳敏感器(3)的视场大小，α为大于或者等于所述全景图像式太阳敏感器(1)的测量盲区的角度值。
3.根据权利要求2所述的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，其特征在于所述信号处理单元( 包括数字信号处理器(21)、模数转换器(22)、运算放大电路和程序存储模块04)和外部接口模块(25)，所述数字信号处理器分别与模数转换器(22)、程序存储模块(M)、外部接口模块0 相连，所述模数转换器0 通过运算放大电路03) 与太阳能电池片(32)相连。
4.根据权利要求3所述的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，其特征在于所述数字信号处理器包括DMA控制器011)和两个并行分布的图像缓冲区012)，所述图像缓冲区(21 分布通过DMA控制器011)与全景图像式太阳敏感器(1)相连。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的用于微小卫星的全视场太阳敏感装置，其特征在于所述全景图像式太阳敏感器(1)包括相互连接的全景环形光学镜头(11)和图像传感器(12)，所述全景环形光学镜头(11)的后端贴有滤光膜，所述图像传感器(1 的输出端与信号处理单元( 相连，所述图像传感器(1 为CMOS图像传感器。
6.一种基于权利要求1 4中任意一项所述用于微小卫星的全视场太阳敏感装置的全视场太阳敏感方法，其特征在于其实施步骤如下1)所述信号处理单元( 通过全景图像式太阳敏感器(1)获取图像数据；2)所述信号处理单元( 对图像数据进行二值化转换；3)所述信号处理单元( 对二值化转换后的图像数据求解太阳光斑中心位置；4)所述信号处理单元(2)判断太阳光斑中心位置是否位于全景图像式太阳敏感器⑴ 的测量盲区内，如果太阳光斑位置位于测量盲区外则根据α = arctan (Ys/Xs), β = R/f,R = ^Xs2 +Ys2计算太阳光线在坐标轴X上的角度值α、太阳光线在坐标轴Z上的角度值β和太阳光斑到坐标原点之间的距离R，其中XS、YS为太阳光斑中心位置，f为镜头焦距，然后将所述 α、β和R转换为三轴太阳矢量信息并输出；如果太阳光斑中心位置位于测量盲区内则执行下一步；5)检测每一个太阳能电池片(3 输入的电流信号或者电压信号，然后根据Sb= -L(A^A3-A1-A4)I A -h求解太阳光斑坐标Sb，其中A”A2、A3、A4分别为太阳能电池片(32)输入的电流值或者电压值，A为四片太阳能电池片(32)输入的电流值总和或者电压值总和，h为太阳能电池片 (32)的上表面到透光方孔(311)之间的间距，L为太阳能电池片(32)边长的一半；然后将所述太阳光斑坐标&转换为三轴太阳矢量信息并输出。
7.根据权利要求6所述的全视场太阳敏感方法，其特征在于，所述步骤1)的详细步骤包括所述步骤1)中信号处理单元( 通过中断方式通过全景图像式太阳敏感器(1)采集图像数据，且所述信号处理单元O)同时在内部开辟两块缓冲区，通过直接内存访问逐行交替搬移图像数据至两块缓冲区内，且在搬移图像数据至一个缓冲区时所述信号处理单元 (2)对另一个缓冲区的图像数据进行二值化处理。
8.根据权利要求7所述的全视场太阳敏感方法，其特征在于，所述步骤幻的详细步骤包括A)设置有效亮度阈值区间，设置过阈值点个数的有效区间；B)从有效亮度阈值区间的最小值开始扫描图像数据，C)在扫描过程中对符合所述过阈值点个数的有效区间的阈值进行记录，在扫描完成后，取这些符合条件的阈值的平均值作为最终阈值参数；D)根据所述最终阈值参数为二值化的亮度阈值对图像数据进行二值化。
9.根据权利要求8所述的全视场太阳敏感方法，其特征在于所述步骤幻中信号处理单元( 求解太阳光斑中心位置具体是指通过求解太阳光斑中心位置的χ坐标\和Y坐标Ys，其中I为检测到的过阈值点个数。
全文摘要
本发明公开了一种用于微小卫星的全视场太阳敏感装置及方法，装置包括全景图像式太阳敏感器、信号处理单元和用于在所述全景图像式太阳敏感器成像的太阳光斑位于测量盲区时采集太阳敏感信息的四片式差动太阳敏感器；方法包括通过全景图像式太阳敏感器获取图像数据；对图像数据求解太阳光斑中心位置；判断太阳光斑中心位置是否位于全景图像式太阳敏感器的测量盲区内，如果太阳光斑位置位于测量盲区外则根据太阳光斑中心位置输出三轴太阳矢量信息；如果太阳光斑位置位于测量盲区内，根据四片式差动太阳敏感器的输入数据输出三轴太阳矢量信息。本发明具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、结构简单的优点，尤其适合用于微小卫星的姿态确定。
文档编号G01C21/20GK102538786SQ20121001227
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者向甜, 王俊, 王昊, 蔡波, 金仲和 申请人:浙江大学