差分式太阳敏感器在航天器上的应用_杜涵.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-12-09稿件编号：202112061作者简介：杜 涵（1984），女，山东荣成人，硕士，工程师。研究方向：航天器总体设计。星敏感器、相机等的光学敏感器件会因太阳光直射而损坏，其视场须避开太阳光。太阳矢量除用于引导敏感器规避太阳光外，还可用于定姿1、导航2、参数估计3等，通常由太阳敏感器4-8测定。太敏是重要的姿态测量单机，包括基于CMOS4-5/CCD6成像的太敏和涉及光电转换的太敏7-8等。常见的光电转换太敏主要是差分式太阳敏感器6-9，通过分析光生电流确定太阳矢量，其价格低廉、性能可靠，目前广泛用于各类航天器的姿态确定。差分太敏的敏感部件一般为硅电池片8-9，太阳矢量确定精度一般为 0.51，也有部分微纳卫星采用光电二级管14和三结砷化镓电池片7作为光敏感器件。文献11-15对太敏在实际使用过程中的引起误差源进行了分析和标定。文献16对差分太敏的使用提出了一些建议。差分式太阳敏感器在航天器上的应用杜 涵，刘子仙，李 明，王栋梁，张 箎（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）摘要：航天器普遍采用差分式太阳敏感器进行太阳矢量及太阳角的确定。针对差分太敏在航天器在轨定姿应用中存在的问题，该文对根据电池片输出电流确定太阳矢量的方法进行了严密推导，分析了光阑厚度对电池片光生电流乃至对太阳矢量确定的影响；对太敏的视场进行了详尽分析，确定了太敏的有效视场，并针对太敏无效视场设计了对杂散光进行遮挡的遮光板。通过具体的仿真算例确定了太敏的有效视场尺寸（为标称视场的96%）及遮光板尺寸，并分析了光阑对太阳矢量确定精度的影响。相关分析为太阳敏感器的工程应用提供了指导。关键词：差分式太阳敏感器；太阳矢量确定；有效视场；遮光板中图分类号：TN29文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0057-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.012Application on spacecrafts of differential sun sensorDU Han，LIU Zixian，LI Ming，WANG Dongliang，ZHANG Chi（Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China）Abstract:Sun sensors are employed by most spacecrafts to determine the Sun vector and the sun angle.Aiming at the problems existing in the application of differential sun sensor on spacecraft attitudedetermination，in this paper，the method of determining the solar vector according to the output currentsof the solar cells was strictly deduced，and the influence of the diaphragm thickness on the photogeneratedcurrent of the cell and even on solar vector determination were analyzed.In addition，the field of view ofsun sensor was analyzed in detail:the effective field of view of sun sensor was determined，and theshading plate used to block stray light was designed for the invalid field of view of sun sensor.Specificsimulation examples were presented to determine the sun sensor s effective field of view(96%of thenominal field of view)and the size of corresponding shading plate，and the influence of the diaphragmthickness on the determination accuracy of sun vector was analyzed.The relevant analysis providesguidance for the engineering application of sun sensors.Keywords:differential sun sensor；sun vector determination；available field of view；shading plate-57电子设计工程 2023年第4期1差分太敏的组成差分太敏主要由遮光罩、电池片、底座、电连接器和线缆组成。电池片可选择 N/P型铝背场高效硅太阳电池，如图1所示。图1太阳敏感器实物图及太阳电池片布局将一整块硅电池切分成四个规格相同的独立的光敏单元，并呈四象限状规整地安装在差分太敏底座上；电池片上方套装遮光罩，用于屏蔽杂散光；中开方孔，方孔尺寸与单片电池片一致。太阳光透过方孔照进太敏，电池片受照后即可产生电流，电流经线缆和电连接器与星务计算机相连。通过分析四片电池片在感受到太阳光后所产生的电流情况，可以确定出太阳矢量。2差分太敏工作原理差分太敏是通过分析四片电池片对应的光生电流来确定太阳矢量的。2.1太阳电池片光生电流当太阳光线沿某一角度入射至电池片时，根据太阳能电池片的光伏特性可知，电池片光生电流符合余弦特性，即满足：I()=I0cosS（1）上式中，I0为太阳垂直入射时产生的单位面积电流，为太阳入射角，S为太阳电池片受晒面积。当太阳光沿某一角度入射至电池片时，各电池片对应的太阳光入射角均相同，可采用式（1）近似处理对应的光生电流值。遮光罩上的透光孔约束了投射到电池片上的光斑，不同角度的入射光投影到电池片阵上的光斑有所不同，四片电池片受晒面积及产生的光生电流也有差异。2.2不考虑光阑厚度时的太阳矢量确定在敏感器平面上，以四片电池片铰连点为原点，相邻两片电池片交界线为坐标轴，可以构建一个(X，Y)坐标系，如图2所示。图2电池片坐标系及太阳光入射方向示意透射到敏感器表面上的光斑中心在该坐标系上的位置可以用（dx，dy）描述，各电池片均是边长为 L的正方形，则根据光生电流的形成机理可有：I1()=I0cos(L+dx)(L+dy)I2()=I0cos(L-dx)(L+dy)I3()=I0cos(L-dx)(L-dy)I4()=I0cos(L+dx)(L-dy)（2）据式（2）可得：dx=(I1+I4)-(I2+I3)4LI0cos=L(I1+I4)-(I2+I3)4(I1+I2+I3+I4)dy=(I1+I2)-(I3+I4)4LI0cos=L(I1+I2)-(I3+I4)4(I1+I2+I3+I4)（3）上式中，电流值 I1、I2、I3和 I4分别对应于四个象限所产生的电流值。由式（2）和式（3）可知，光斑中心坐标与太阳光入射角无关。根据光斑中心坐标，可以确定太阳光的方位角和入射角，分别为：=arctan(dy/dx)=arctan(H/dx2+dy2)（4）测量坐标系中的太阳矢量可表示为：Sm=-coscos-cossinsinT（5）实践中，通常还会在太敏电池片之上覆盖一层用于保护的薄玻璃片，此时还需对太阳光通过玻璃片时发生的折射进行适当补偿，可通过线性化拟合的方式进行处理。2.3光阑厚度对太敏定姿的影响太敏光阑的厚度对投影到电池片上的光斑有所影响。若光阑厚度为0，则太阳光斑投影中心为P；若光阑厚度为 h，则光斑中心为 P。易知点 O 与点 P和点P共线。光阑厚度对光斑的影响据图2可知为：-58m=dx(h/H)（6）图3光阑对光斑的影响示意根据光斑中心与光阑尺寸影响及太阳光入射方向对应的几何关系，PP的距离可描述为PP=h/(2tan)易有：costan=1Hdx,sintan=1Hdy（7）设 P 点 的 坐 标 为(dx,dy)，P的 坐 标 定 义 为(dx,dy)，根据几何关系应有：dx=dx+h2tancos=1+h2Hdxdy=dy+h2tansin=1+h2Hdy（8）图4考虑光阑时的光斑中心坐标分析在光阑的影响下，四象限电池片产生的电流变为：I1()=I0cosL-h/(2H)dx+dxL-h/(2H)dy+dyI2()=I0cosL-h/(2H)dx-dxL-h/(2H)dy+dyI3()=I0cosL-h/(2H)dx-dxL-h/(2H)dy-dyI4()=I0cosL-h/(2H)dx+dxL-h/(2H)dy-dy（9）由上式可得：dx=(I1+I4)-(I2+I3)2I0cos2L-(h/H)dydy=(I1+I2)-(I3+I4)2I0cos2L-(h/H)dy（10）综合前几式可有：I0cos(2L-hHdx)=I1()+I2()+I3()+I4()2L-h/HdyI0cos(2L-hHdy)=I1()+I2()+I3()+I4()2L-h/Hdx（11）结合上二式可有：dx=(I1+I4)-(I2+I3)2L2()I1+I2+I3+I4+hH(I1+I4)-(I2+I3)dy=(I1+I2)-(I3+I4)2L2()I1+I2+I3+I4+hH(I1+I2)-(I3+I4)（12）显然，在光阑厚度不可忽略的情况下，太阳光入射角的大小会影响光斑中心坐标的确定，进而会影响太阳矢量的确定。设太敏测量坐标系与星体系间的坐标转换矩阵为Cm2b，则测得的太阳矢量为：Sb=Cm2bSm（13）将式（12）代入式（2）及式（13），即可得到星体系下的太阳矢量。3太敏视场分析太阳敏感器的设计视场是指太敏允许太阳光进入的角度范围。若太阳光入射角小于太敏视场角，则各电池片均可感受到光照，并都产生电流，此时依据各电池片的电流大小即可确定太阳矢量。若太阳光入射角等于或大于临界入射角，则将有电池片无法感受到光照，此时将无法依据电池片的光生电流大小进行太阳矢量的确定。3.1无杂散光情形在无杂散光入射情形下，太阳光从光阑口均匀平行射入，在四片电池片上形成光斑。各电池片上产生的电流仅与感光面积相关。如图 5所示，若太阳光贴近视场边缘入射，则某片电池片（设为电池片 III）的受晒面积很小，对应的光生电流也很小，此时采用式（12）已不能正确解出光斑中心坐标，进而也不能准确确定太阳矢量。图5太阳光入射太敏示意杜 涵，等差分式太阳敏感器在航天器上的应用-59电子设计工程 2023年第4期实践中，为防止出现上述故障，常设电池片光生电流下限值为Imin，则有：Smin=Imin/(kcosm)（14）上式中，k为光电转换系数。电流门限用于约束电池片光生电流较小的情况，上式对应的太阳光入射角接近临界入射角m。由于Smin不为零，故太敏有效视场将比设计视场略小，考虑到临界情况，太敏有效视场边缘是一条光滑的闭合曲线。据图4，四片电池片的受晒面积分别为：SI=(L+dx)(L+dy)SII=(L-dx)(L+dy)SIII=(L-dx)(L-dy)SIV=(L+dx)(L-dy)（15）不失一般性，设 dx0，dy0，则根据式（13）可得：dx=L-Smin()L-dy（16）令 dx=0，则有 dy=L-Smin/L；令 dy0，则有 dx=LSmin/L；令 dx=dy