太阳敏感器及太阳方向矢量的确定方法
【专利摘要】本发明公开一种太阳敏感器及太阳方向矢量的确定方法。所公开的太阳敏感器包括太阳光敏感装置(100)和太阳方向矢量解算装置(200)；太阳光敏感装置(100)包括输出电流采集与控制电路、太阳能电池片(110)和支撑结构(120)；输出电流采集与控制电路分别与太阳方向矢量解算装置(200)和太阳能电池片(110)相连；支撑结构(120)具有正五棱锥台(121)；正五棱锥台(121)的顶面和五个侧面均设置有太阳能电池片(110)；太阳光敏感装置(100)的数量为两个；两个太阳光敏感装置分别用于安装于卫星的两侧；两个太阳光敏感装置(100)的正五棱锥台(121)底面平行，且相对分布。上述方案能解决目前太阳敏感器所存在的测量视场较窄的问题。
【专利说明】
太阳敏感器及太阳方向矢量的确定方法
技术领域
[0001]本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种太阳敏感器及太阳方向矢量的确定方法。
【背景技术】
[0002]太阳敏感器是卫星比较重要的姿态测量部件之一。太阳敏感器通过观测太阳在其敏感单元的投影位置来解算卫星相对于太阳的姿态。太阳敏感器再结合其它敏感器所检测的信息(例如磁场信息)就可以解算出卫星在地心惯性坐标系中的姿态。
[0003]目前，太阳敏感器主要有0/1式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器三种。其中，0/1式太阳敏感器主要检测太阳是否出现在其视场范围内。当太阳出现时，0/I式太阳敏感器输出为I;当太阳不出现时，0/1式太阳敏感器的输出为O。可见，0/1式太阳敏感器只能探测太阳是否出现在其探测视场之内，无法解算太阳方向矢量，更不会涉及解算太阳方向矢量的精度。
[0004]模拟式太阳敏感器采用太阳能电池片作为传感器件，太阳能电池片的输出电流强度与太阳入射角度呈余弦关系。模拟式太阳敏感器的视场一般在20-30°左右，精度在1°左右。数字式太阳敏感器通过计算太阳光线相对于其中心位置的偏差来计算太阳入射角，进而实现后续太阳方向矢量的解算。目前，数字式太阳敏感器主要有CCD数字式太阳敏感器和APS数字式太阳敏感器两种。其中，CCD数字式太阳敏感器包括线阵CCD数字式太阳敏感器和面阵CCD数字式太阳敏感器。而APS数字式太阳敏感器则以面阵为主。目前应用CCD数字式太阳敏感器产品较多。CCD数字式太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到<
0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上，通过计算太阳成像偏离CCD探测器中心的位置来计算太阳入射角，进而实现后续太阳方向矢量的解算。
[0005]通过对模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器的介绍可知，模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器都存在测量视场较窄的问题。当卫星姿态偏差较大时，太阳会偏离太阳敏感器的视场，进而导致太阳敏感器的测量功能失效。另外，目前的模拟式太阳敏感器使用太阳能电池片作为其传感件，它的输出电流与太阳入射角度呈余弦关系。但是当太阳入射角大于60°之后，太阳能电池片表面的反射作用增加，进而导致实际的输出电流偏小，最终导致对太阳方向矢量的检测误差增大。
[0006]有鉴于此，如何解决目前的太阳敏感器存在的测量视场较窄的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明公开一种太阳敏感器，以解决【背景技术】所述的太阳敏感器所存在的测量视场较窄的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明公开如下技术方案:
[0009]太阳敏感器，包括太阳光敏感装置和太阳方向矢量解算装置;所述太阳光敏感装置包括输出电流采集与控制电路及太阳能电池片;所述输出电流采集与控制电路分别与所述太阳方向矢量解算装置和所述太阳能电池片相连;所述太阳光敏感装置还包括支撑结构;所述支撑结构具有正五棱锥台；所述正五棱锥台的顶面和五个侧面均设置有所述太阳能电池片；
[0010]所述太阳光敏感装置的数量为两个;两个所述太阳光敏感装置分别用于安装于卫星的两侧;两个所述太阳光敏感装置的所述正五棱锥台底面平行，且相对分布。
[0011]优选的，上述太阳敏感器中，所述正五棱锥台为中空结构;所述输出电流采集与控制电路为输出电流采集与控制电路板;所述输出电流采集与控制电路板连接于所述正五棱锥台的底面，且与所述正五棱锥台形成密封腔;所述输出电流采集与控制电路板的电器元件位于所述密封腔内。
[0012]优选的，上述太阳敏感器中，所述正五棱锥台的顶面的角部均开设有穿线孔，所述穿线孔与所述密封腔连通;所述太阳能电池片通过穿过所述穿线孔的电线与所述输出电流采集与控制电路板相连。
[0013]优选的，上述太阳敏感器中，所述太阳能电池片的两侧均设置有汇流条;所述汇流条均与所述电线相连。
[0014]优选的，上述太阳敏感器中，所述正五棱锥台的底部边缘设置有外沿;所述外沿设置有用于与所述卫星相连的连接孔。
[0015]优选的，上述太阳敏感器中，所述输出电流采集与控制电路还包括热敏电阻和电流补偿单元;所述热敏电阻设置于所述支撑结构，且用于检测所述太阳能电池片的实际工作温度;所述电流补偿单元用于对所述太阳能电池片的输出电流实施补偿；
[0016]补偿关系为:
[0017]1=1-(T-To).η
[0018]其中，T为太阳电池片的实际工作温度；I为实测的太阳能电池片的输出电流;T0为太阳能电池片的参考测试温度，1为当前光照条件下对应温度为To时的输出电流，Tl为太阳能电池片的输出电流的温度系数。
[0019]太阳方向矢量的确定方法，采用如上任意一项所述的太阳敏感器实现;包括如下步骤:
[0020]71)根据所述太阳能电池片的输出电流确定太阳入射角；
[0021]71)选择所述太阳入射角小于设定阈值的所述太阳能电池片，所述设定阈值为65。；
[0022]72)根据所选择的所述太阳能电池片的法线方程及相应的所述太阳入射角的余弦值所组成的方程组计算太阳方向矢量。
[0023]优选的，上述确定方法中，步骤71)通过查询输出电流与太阳入射角的关系对应表获取每块所述太阳能电池片的所述太阳入射角。
[0024]本发明公开的太阳敏感器具有以下有益效果:
[0025]本发明公开的太阳敏感器中，每个太阳光敏感装置均包括六片太阳能电池片，六片太阳能电池片分别位于正五棱锥台的顶面和五个侧面。上述结构使得正五棱锥台的五个侧面和顶面的夹角均为60°，正五棱锥台的五个侧面与底面的夹角为30°，相邻的两个侧面之间的夹角为61.2°。这就使得顶面与侧面所布置的太阳能电池片之间的夹角也满足上述关系。当两个太阳光敏感装置平行地设置于卫星的两侧时，整个太阳敏感器能够实现±180° X ±180°的全视场测量。可见，本发明公开的太阳敏感器能解决【背景技术】所述的太阳敏感器存在的测量视场较窄的问题。
[0026]另外，当两个太阳光敏感装置平行地设置于卫星的两侧时，每个太阳光敏感装置的太阳能电池片的分布方式可以确保太阳光无论从任何角度照射，总有至少3个太阳能电池片上的太阳光入射角不大于60°，采用这3个面的太阳光入射角就可以来解算太阳方向矢量，由于太阳光入射角不大于60°，因此这能够降低太阳能电池片的表面反射作用。可见，相比于【背景技术】所述的模拟式太阳敏感期而言，本发明公开的太阳敏感器能提高太阳方向矢量测量精度。
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例或【背景技术】中的技术方案，下面将对实施例或【背景技术】描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本发明实施例公开的太阳敏感器的结构示意图；
[0029]图2是本发明实施例公开的太阳光敏感装置在一视角下的结构示意图；
[0030]图3是本发明实施例公开的太阳光敏感装置在另一视角下的结构示意图；
[0031]图4是本发明实施例公开的输出电流采集与控制电路的一种具体示意图；
[0032]图5是本发明实施例公开的太阳方向矢量的确定方法流程图。
[0033]附图标记说明:
[0034]100-太阳光敏感装置、110-太阳能电池片、111-汇流条、120-支撑结构、121-正五棱锥台、1211-穿线孔、1212-微矩形接插件、122-外沿、1221-连接孔、130-输出电流采集与控制电路板、131 -螺钉、200-太阳方向矢量解算装置。
【具体实施方式】
[0035]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0036]请参考图1-3，本发明实施例公开一种太阳敏感器。所公开的太阳敏感器包括太阳光敏感装置100和太阳方向矢量解算装置200。
[0037]太阳光敏感装置100的数量为两个，均包括输出电流采集与控制电路、太阳能电池片110和支撑结构120。输出电流采集与控制电路分别连接于太阳方向矢量解算装置200和太阳能电池片110。支撑结构120具有正五棱锥台121，正五棱锥台121的顶面和五个侧面均设置有太阳能电池片110，也就是说，一个太阳光敏感装置100具有六片太阳能电池片110。通常，太阳能电池片110通过粘结的方式固定于正五棱锥台121的顶面或侧面。
[0038]两个太阳光敏感装置100分别用于安装在卫星的两侧，两个太阳光敏感装置100的正五棱锥台121的底面平行，而且两对分布。也就是说，两个太阳光敏感装置100平行安装于卫星的两侧。当然，两个太阳光敏感装置100在工作的过程中需要安装于卫星两侧没有遮挡的表面，以确保太阳光有机会投射至太阳能电池片110的表面。
[0039]太阳方向矢量解算装置200获取太阳光敏感装置100的检测信息，并基于已确定的算法来解算太阳方向矢量，具体的解算方法为现有技术，此不赘述。太阳方向矢量解算装置200可以是姿控计算机或星务计算机，也可以是其它单独使用的处理器，本申请对此不作限制。
[0040]本实施例公开的太阳敏感器中，太阳能电池片110为输出电流与太阳入射角呈余弦关系的电池片，例如硅电池片、三结砷化镓电池片。
[0041 ]太阳光敏感装置100中，正五棱锥台121的底部边缘可以设置有外沿122，外沿122设置有连接孔1221。连接孔1221通过与连接件配合实现整个太阳光敏感装置100在卫星上的固定。外沿122的设置不但能提高整个正五棱锥台121的强度，而且还能提高连接件的配合位置。
[0042]一种具体的实施例方式:正五棱锥台121的顶面外接圆半径是3.2cm，正五棱锥台121底面的外沿122外接圆半径为5.9cm;太阳能电池片110采用lcm*lcm的硅电池片。当然，支撑结构120及太阳能电池片110的外形尺寸可以根据实际需求进行相应调节，本申请对此不作限制。
[0043]本实施例公开的太阳敏感器中，每个太阳光敏感装置100均包括六片太阳能电池片110，六片太阳能电池片110分别位于正五棱锥台121的顶面和五个侧面。上述结构使得正五棱锥台121的五个侧面和顶面的夹角均为60°，正五棱锥台121的五个侧面与底面的夹角为30°，相邻的两个侧面之间的夹角为61.2°。这就使得顶面与侧面所布置的太阳能电池片110之间的夹角也满足上述关系。当两个太阳光敏感装置100平行地设置于卫星的两侧时，整个太阳敏感器能够实现±180° X ±180°的全视场测量。可见，本实施例公开的太阳敏感器能解决【背景技术】所述的太阳敏感器存在的测量视场较窄的问题。
[0044]当两个太阳光敏感装置100平行地设置于卫星的两侧时，每个太阳光敏感装置100的太阳能电池片110的分布方式可以确保太阳光无论从任何角度照射，总有至少3个太阳能电池片110上的太阳光入射角不大于60°，采用这3个面的太阳光入射角就可以来解算太阳方向矢量，由于太阳光入射角不大于60°，因此这能够降低太阳能电池片110的表面反射作用。可见，本发明实施例公开的太阳敏感器能提高太阳方向矢量测量精度。经过验证，本实施例公开的太阳敏感器的全视场测量精度基本一致，测量精度优于0.5°。
[0045]请参考图3，本发明实施例公开的太阳敏感器中，正五棱锥台121优选为中空结构，输出电流采集与控制电路可以为输出电流采集与控制电路板130。输出电流采集与控制电路板130连接于正五棱锥台121的底面，且与正五棱锥台121形成密封腔，输出电流采集与控制电路板130的电器元件位于密封腔内。正五棱锥台121采用中空结构能降低整个太阳敏感器的重量，同时中空结构还能够为其它的零部件提供安装空间，以避免其它零部件出现的碰撞损伤。
[0046]—种具体的实施方式中，输出电流采集与控制电路板130通过螺钉131与支撑结构120的底面相连。螺钉131与支撑结构120之间可以设置隔热垫，以较好地确保输出电流采集与控制电路板130工作在合理的温度范围内。
[0047]请参考图4，图4是一种具体结构的输出电流采集与控制电路的示意图。图4中所示的输出电流采集与控制电路通过采样电阻R将太阳能电池片110的输出电流信号转变为电压信号后通过采集芯片进行信号采集。具体的，采集芯片可以采用具有串行总线接口的ADC芯片。采样电阻R的阻值选择首先要确保太阳能电池片110的工作点工作在IV曲线的线性段，同时兼顾ADC芯片的采样分辨率。在太阳能电池片110为lcm*lcm的硅电池片前提下，采样电阻R的阻值不大于10 Ω，ADC芯片可以是8通道12位SPI接口芯片。
[0048]输出电流采集与控制电路的输出端可以采用接插件与太阳方向矢量解算单元200相连，两者之间传输的信号可以包括电信号和通讯信号。具体的，插接件可以是微矩形接插件1212，例如J30 J-9ZKW连接器。
[0049]太阳能电池片110—般通过电线与输出电流采集与控制电路板130相连。为此，正五棱锥台121的顶面可以开设有穿线孔1211，如图2所示，穿线孔1211与密封腔连通。电线穿过穿线孔1211来连接正五棱锥台121外侧的太阳能电池片110与密封腔中的输出电流采集与控制电路板130。通常，穿线孔1211设置于正五棱锥台121顶面的角部，具体的，一个角部可以开设一个穿线孔1211。穿线孔1211的设置能方便太阳能电池片110与输出电流采集与控制电路板130的连接。
[0050]请继续参考图2，太阳能电池片110的两侧可以设置汇流条111，两侧的汇流条111均与电线连接，便于太阳能电池片110所产生电流的输送。
[0051]本实施例公开的太阳光敏感装置100的支撑结构120本身可以是正五棱锥台121;支撑结构120也可以设置正五棱锥台121。通常采用后者，一种具体的成型方法为:支撑结构120通过对圆柱状结构进行五等分斜切而成。
[0052]本发明实施例中，输出电流采集与控制电路还可以包括热敏电阻和电流补偿单元。热敏电阻设置于支撑结构120，且用于检测所述太阳能电池片110的实际工作温度；电流补偿单元用于对太阳能电池片110的输出电流实施补偿;补偿关系如公式(I)所示:
[0053]1=1-(T-To).η (I)
[0054]其中，T为太阳能电池片的实际工作温度；I为实测的太阳能电池片的输出电流;T0为太阳能电池片的参考测试温度，I。为当前光照条件下对应温度为To时的输出电流，η为太阳能电池片的电流的温度系数，η由太阳能电池片的具体种类决定。
[0055]太阳能电池片110的输出电流大小与环境温度有关。太阳能电池片110测试时的温度为To，上述优选方案，将太阳能电池片110工作过程中在实际工作温度T时实际检测的输出电流转换为To状态下的输出电流，根据To状态下的输出电流来计算太阳方向矢量。很显然，这能够更加精确地根据输出电流确定太阳入射角，进而能更加精确地解算太阳方向矢量。
[0056]基于本发明实施例公开的太阳敏感器，本申请还公开一种太阳方向矢量的确定方法，该确定方法的实现过程采用上文中任意一项所描述的太阳敏感器。
[0057]请参考图5，图5为本发明实施例公开的太阳方向矢量的确定方法流程图。图5所示的流程包括以下步骤:
[0058]S100、根据太阳能电池片的输出电流确定太阳入射角。
[0059]本申请中，太阳能电池片110的输出电流与太阳入射角呈余弦曲线关系，因此可以根据两者的关系由输出电流来计算太阳在每块太阳能电池片110上的太阳入射角。
[0060]通常，可以根据余弦曲线关系来建立太阳能电池片110的输出电流与太阳入射角之间的关系对应表，可以根据该关系对应表通过每块太阳能电池片110的输出电流来查找相对应的太阳入射角。当然，也可以采用线性插值方法结合查表来计算太阳入射角。优选的，查表间隔为3°。
[0061]如上文所述，为了提高检测精度，步骤SlOO可以对太阳能电池片的输出电流进行补偿，然后根据补偿后的输出电流来进行计算或查表获取太阳入射角。具体的补偿过程可参考上文相应部位的描述即可，此不赘述。
[0062]S200、选择太阳入射角小于设定阈值的太阳能电池片。
[0063]本发明实施例公开的太阳敏感器在工作时，最少有3块太阳能电池片110，最多有六块太阳能电池片110满足太阳能入射角不大于60°。此种情况就能够解算出太阳方向矢量。通常参与解算的太阳能电池片的数量都超过三个，这能够提高采样量。为此，优选的，上述设定阈值可以为65°。此种情况下，较多块的太阳能电池片110的输出电流被用于组成解算太阳方向矢量的方程组，进而能提高太阳方向矢量的精度，当然，也能够提高解算出的太阳方向矢量的可靠性。另外，参与解算的太阳能电池片110的太阳入射角都小于65°，这能够降低太阳光反射对太阳方向矢量检测精度的影响。
[0064]S300、计算太阳方向矢量。
[0065]本步骤中，将步骤S200所选择的太阳能电池片的法线方程及太阳入射角的余弦值组成方程组，并根据该方程组计算出太阳方向矢量。一般情况下，参与解算太阳方向矢量的太阳能电池片110的数量超过三个，因此，可以采用最小二乘法得出最优解，这能够有效提高测量精度。
[0066]太阳方向矢量的计算过程如公式(2)所示:
[0067]AS = B (2)
[0068]其中，A为满足条件的太阳能电池片平面的法线方向矢量组成的矩阵，B为对应的太阳入射角的余弦，S为太阳方向矢量。S求解如公式(3)所示:
[0069]S=(AjA)^1AjB (3)
[0070]S为方程的最小二乘最优解，A’为A的转置矩阵，可以通过参数归一化得到最终的太阳方向矢量。
[0071]本文中，各个优选方案仅仅重点描述的是与其它方案的不同，各个优选方案只要不冲突，都可以任意组合，组合后所形成的实施例也在本说明书所公开的范畴之内，考虑到文本简洁，本文就不再对组合所形成的实施例进行单独描述。
[0072]以上所述仅是本发明的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0073]以上所述仅是本发明的【具体实施方式】，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.太阳敏感器，包括太阳光敏感装置(100)和太阳方向矢量解算装置(200);所述太阳光敏感装置(100)包括输出电流采集与控制电路及太阳能电池片(110);所述输出电流采集与控制电路分别与所述太阳方向矢量解算装置(200)和所述太阳能电池片(110)相连;其特征在于，所述太阳光敏感装置(100)还包括支撑结构(120);所述支撑结构(120)具有正五棱锥台(121);所述正五棱锥台(121)的顶面和五个侧面均设置有所述太阳能电池片(110); 所述太阳光敏感装置(100)的数量为两个;两个所述太阳光敏感装置分别用于安装于卫星的两侧;两个所述太阳光敏感装置(100)的所述正五棱锥台(121)底面平行，且相对分布。2.根据权利要求1所述的太阳敏感器，其特征在于，所述正五棱锥台(121)为中空结构；所述输出电流采集与控制电路为输出电流采集与控制电路板(130);所述输出电流采集与控制电路板(130)连接于所述正五棱锥台(121)的底面，且与所述正五棱锥台(121)形成密封腔;所述输出电流采集与控制电路板(130)的电器元件位于所述密封腔内。3.根据权利要求2所述的太阳敏感器，其特征在于，所述正五棱锥台(121)的顶面的角部均开设有穿线孔(1211)，所述穿线孔(1211)与所述密封腔连通;所述太阳能电池片(110)通过穿过所述穿线孔(1211)的电线与所述输出电流采集与控制电路板(130)相连。4.根据权利要求3所述的太阳敏感器，其特征在于，所述太阳能电池片(110)的两侧均设置有汇流条(111);所述汇流条(111)均与所述电线相连。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的太阳敏感器，其特征在于，所述正五棱锥台(121)的底部边缘设置有外沿(122);所述外沿(122)设置有用于与所述卫星相连的连接孔(1221)06.根据权利要求1所述的太阳敏感器;其特征在于，所述输出电流采集与控制电路还包括热敏电阻和电流补偿单元;所述热敏电阻设置于所述支撑结构(120)，且用于检测所述太阳能电池片(110)的实际工作温度;所述电流补偿单元用于对所述太阳能电池片(110)的输出电流实施补偿;补偿关系为: 1=1-(T-To).η 其中，T为太阳电池片的实际工作温度；I为实测的太阳能电池片的输出电流;To为太阳能电池片的参考测试温度，1为当前光照条件下对应温度为To时的输出电流，Tl为太阳能电池片的输出电流的温度系数。7.太阳方向矢量的确定方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任意一项所述的太阳敏感器实现;包括如下步骤: 71)根据所述太阳能电池片的输出电流确定太阳入射角； 71)选择所述太阳入射角小于设定阈值的所述太阳能电池片，所述设定阈值为65°; 72)根据所选择的所述太阳能电池片的法线方程及相应的所述太阳入射角的余弦值所组成的方程组计算太阳方向矢量。8.根据权利要求7所述的确定方法，其特征在于，步骤71)通过查询输出电流与太阳入射角的关系对应表获取每块所述太阳能电池片的所述太阳入射角。
【文档编号】G01C21/02GK106052677SQ201610304055
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】绳涛, 庹洲慧, 赵勇, 陈小前, 宋新, 杨磊, 白玉铸
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学