太阳敏感器.docx

太阳敏感器的构成主要包括三个方面：光学头部、传感器部分和信号处理 部分光学探头包括光学系统和探测器件，它利用光电转换功能实时获取 星体相对太阳的姿态角度信息光学头部可以采用狭缝、小孔、透镜、棱 镜等方式；传感器部分可以采用光电池、CMOS器件、码盘、光栅、光电二 极管、线阵CCD、面阵CCD、APS、SMART等各种器件；信号处理部分方案可 采用分离电子元器件、单片机、可编程逻辑器件等编辑本段太阳敏感器的基本分类通常，太阳敏感器可分为3类：（1） 模拟式太阳敏感器它产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位（太阳角）的连续函数；（2） 太阳出现敏感器（0-1式太阳敏感器）它以数字信号1或0表 示太阳是否位于敏感器的视场内；（3） 数字式太阳敏感器它能提供离散的编码输出信号，其输出值是 被测太阳角的函数该敏感器的特点是：视场大、精度高、寿命和可靠性 有很强的优势，己广泛应用于各种型号的航天器上编辑本段各种太阳敏感器工作原理与特点太阳敏感器按照其工作的方式可以分成“0 -1”式、模拟式和数字式几 种0-1”式太阳敏感器“0-1”式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生 输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。

它的结构也比 较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一 旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了 太阳持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内 一般来说，卫星的粗定姿是由“0 -1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳 是否出现在视场中0 -1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏 感器同时工作这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外 来光源的干扰例如，此球反射的太阳光信号、太阳帆板反射的太阳光等 都容易对这种敏感器形成干扰因此，敏感器的滤波器能够滤掉偶尔出现 的电脉冲模拟式太阳敏感器模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件， 它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：其中， I0 —太 阳光束与光电池法线方向的夹角0一光电池的短路电流； 模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20°〜30°左右，精度在1° 左右，它判断出现太阳信号的阈值以不高于太阳信号的 80% （一般为50%）为门限如图1所示这样的精度对于通信卫星还可以，但对于对地观测 的卫星来说，精度太低，因此，目前的通信卫星主要依赖这种模拟式的太 阳敏感器。

数字式太阳敏感器模拟式太阳敏感器的实现原理简单，但是其精度却难以满足卫星姿态 控制系统日益提高的要求，并且，模拟式太阳敏感器容易受到地球反射光 等其它光源的干扰使对姿态测量的结果产生误差，因此，数字式太阳敏感 器得到了很大的发展并且，数字式太阳敏感器能够满足越来越高的重量 轻、功耗低、精度高、模块化等要求 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的角度的敏感器，主 要有CCD和APS两种，其中CCD太阳敏感器包括线列CCD数字式太阳敏感 器和面阵CCD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的数字式太阳敏感器产品较多数字式的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中心的位置来计算太 阳光的夹角其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可见光波段虽然数字式 太阳敏感器的视场很大，但真正用到的只是其中的一小段，在实际工作中 它只对靠近光轴的主要区域重点探测，远离光轴的两侧只在较少时候进行 探测；另外，为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰，太阳敏感 器对偶然出现的较强信号也会将其滤除；最后，数字式太阳敏感器一般在 CCD的前面要加滤光片，用来衰减太阳光强，使其不至于工作在饱和状态。

编辑本段国外太阳敏感器的发展现状随着卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星 的发展，太阳敏感器逐渐向着小型化、模块化、标准化、长寿命的方向发 展，并且要求其具有大视场、高精度和高可靠性，数字式太阳敏感器是能 够满足这些要求的首选，因此，数字式太阳敏感器必将成为太阳敏感器的 发展趋势，世界各国也越来越注重数字式太阳敏感器的发展由原来的线 阵CCD发展成面阵CCD，再发展到现在的APS面阵的数字式太阳敏感器，其 精度越来越高，体积越来越小，质量越来越轻，寿命也越来越长目前 CCD 太阳敏感器已经在国外广泛使用俄罗斯俄罗斯地球物理协会研制开发太阳敏感器已经有四十年的历史，其研制的一款CCD太阳敏感器，其主要技术指标为质量：0.28kg ；尺寸： 70mmX70mmX50mm；视场：92°X92° ；测角误差均方根值：12” ；功耗： 0.6W意大利意大利伽利略公司研制的使用2048元长线列探测器的太阳敏感器在 ITALSA-I中获得了良好的效果，其主要技术指标为光学头部尺寸： 170mmX94mmX85mm；电子学尺寸为：204mmX152mmX121mm；重量：光学头 部为0.98kgX2，电子学质量为：2.8kgX2；精度：系统误差：0.06°，随 机误差：0.005°； 功耗：光学头部1.5W/轴，电子学3W/轴。

荷兰荷兰TNO-TPD公司研制的太阳敏感器该敏感器中采用了线列阵 CCD器件，在光学部分设置了一个与线列阵器件垂直的狭缝，由此来进行太阳 方位角的测量共两个模块完成X,Y坐标的测量直接测量精度达到0.10°， 使用查找表进行数据校正，精度可达到 0.02°该敏感器采用整机备份的 冗余设计方案 另外，该公司为满足小卫星以及皮卫星的需求，研制的以APS为探测器元件的高精度数字式太阳敏感器， 视场为128°X128°，质量小于250g，精度可以达到0.02°美国美国GoodRich公司生产的型号为13-517的太阳敏感器该太阳敏感 器由另一款13-515太阳敏感模块构成，可由多个13-515型号太阳敏感器组成，用来满足特殊航天飞行的要求，具有128°X168的视场，误差 <0.3°，体积为5. 1X2.4X1.9in.，功耗为0.3W，寿命为15年5、日本 图6所示为日本Astro公司研制的太阳敏感器，该敏感器已在多次飞行任 务中成功使用，具有视场大、功耗低、精度高的特点编辑本段太阳敏感器的发展趋势分析从各种敏感器的性能参数分析以及其敏感器构成的情况可以看出，太 阳敏感器正在向着小型化、高精度、高稳定性、低功耗、长寿命的方向发 展，其探测器元件由光电池逐渐向CCD、APS等面阵探测器发展，这将促进 太阳敏感器的高度集成化和模块化。

此外，单一种类的敏感器已不能满足卫星高精度以及高稳定性的要求，例如太阳敏感器在卫星进入地球阴影区 时无法工作，因此，目前的姿态控制系统多采用多种敏感器的组合方式， 用来提高姿态控制的精度和稳定性例如，使用星敏感器作为主要定姿装 置，则将高精度太阳敏感器和 红外地球敏感器 作为备份；若采用高精度太 阳敏感器和红外地球敏感器作为主要定姿装置，则将星敏感器作为备份各种敏感器互为备份，甚至还有一些组合模式的敏感器的出现，为航天器 的姿态控制提供稳定的保障。