一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法
2023-09-11 17:59:25 2
一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽敏感器，包括：光學掩膜，帶有V字形狹縫，用於通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器；線陣圖像傳感器，用於對入射的太陽光線進行光電轉換，並逐個輸出各像素的模擬電壓值到單片機；所述單片機，用於驅動所述線陣圖像傳感器並逐個讀取各像素的模擬電壓值；根據各像素的模擬電壓值，提取第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息；根據第一交點的中心位置信息及第二交點中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。本發明既具有小型化和集成化的結構，又能夠快速、精確地測量出太陽光線在兩軸方向的姿態角；且功耗低、成本低。
【專利說明】一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空航天領域姿態測量控制系統中的姿態測量技術，尤其涉及一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法。
【背景技術】
[0002]太陽敏感器是衛星上重要的姿態測量光學敏感器；太陽敏感器通過測量太陽相對衛星本體坐標系的位置來確定衛星的姿態，從而為衛星的姿態定位提供參考。
[0003]現有技術中，太陽敏感器按工作原理主要可分為如下幾種:基於光電池的模擬式太陽敏感器、基於光電碼盤的編碼式太陽敏感器、基於二維線陣式圖像傳感器的數字太陽敏感器、餘弦式太陽敏感器、基於面陣圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器和微型面陣式數字太陽敏感器等。
[0004]發明人在實現本發明的過程中，發現現有的太陽敏感器至少存在以下缺陷:
[0005]I)模擬式太陽敏感器、編碼式太陽敏感器、基於二維線陣式圖像傳感器的數字式太陽敏感器三種敏感器的重量一般在500g以上，體積與功耗較大、精度低，且容易受地球反照光等雜光的影響。
[0006]2)餘弦式太陽敏感器，其小型化指標適合微小衛星應用，但是精度太低，且容易受地球反照光等雜光影響，工作可靠性低。
[0007]3)隨著電荷稱合器件(Charge Coupled Device, CO))或互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)技術的日益成熟，以面陣 CCD 或 CMOS為圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器逐漸取代了模擬式太陽敏感器，面陣式數字太陽敏感器不易受雜光幹擾，且精度高，重量、體積較模擬式太陽敏感器有了較大幅度的降低，其重量一般在200g-300g,但是對於微小衛星,其體積和重量還是太大了，而且其成本較高,不適合低成本、中低精度的微小衛星應用；為了滿足微小衛星的應用要求，研製出了重量只有幾十克的微型面陣式數字太陽敏感器，但微型面陣式數字太陽敏感器需要特殊的光電集成工藝，關鍵晶片需要定製，且晶片定製成本高，從而使這種太陽敏感的使用受到限制。
[0008]由此可見，目前亟需一種重量輕、功耗低、成本低且精度高的太陽敏感器，能夠應用於納衛星、皮衛星等微小衛星的姿態測量與控制系統之中。
【發明內容】
[0009]有鑑於此，本發明實施例期望提供一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法，既具有小型化和集成化的結構，又能夠快速、精確地測量出太陽光線的姿態角；且功耗低、成本低。
[0010]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0011]本發明實施例提供了一種太陽敏感器，該太陽敏感器包括:光學掩膜、線陣圖像傳感器、單片機；所述線陣圖像傳感器連接於所述光學掩膜和所述單片機之間；其中，
[0012]所述光學掩膜，帶有V字形狹縫，用於通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器，其中，所述第一條太陽光線及第二條太陽光線在所述線陣圖像傳感器的成像面上形成兩個交點，每個交點在所述成像面上分布多個像素；
[0013]所述線陣圖像傳感器，用於對入射的太陽光線進行光電轉換，並逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機；
[0014]所述單片機，用於驅動所述線陣圖像傳感器並逐個讀取各像素的模擬電壓值；根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息；根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
[0015]上述方案中，所述單片機具體用於:
[0016]驅動所述線陣圖像傳感器並逐個讀取各像素的模擬電壓值；
[0017]通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值；
[0018]根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與所述成像面相交的第一交點的中心位置信息，及第二條太陽光線與所述成像面相交的第二交點的中心位置信息；
[0019]根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，並結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
[0020]上述方案中，所述太陽敏感器還包括:
[0021]接口轉換晶片，與所述單片機連接，用於將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至與所述單片機連接的主計算機。
[0022]基於上述的太陽敏感器，本發明實施例還提供了一種太陽敏感器進行姿態測量的方法，該方法包括:
[0023]通過太陽敏感器中光學掩膜的V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線；
[0024]對入射的太陽光線進行光電轉換，並逐個輸出各像素的模擬電壓值；
[0025]根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息；
[0026]根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
[0027]上述方案中，所述根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息，包括:
[0028]通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值；
[0029]根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息，及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息。
[0030]上述方案中，所述根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息，及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息，包括:
[0031]預設數字灰度閾值，數字灰度值大於所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點所在像素，數字灰度值小於所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素；
[0032]對數字灰度值大於所述數字灰度閾值的像素，按照如下公式提取出所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息:
【權利要求】
1.一種太陽敏感器，其特徵在於，所述太陽敏感器包括:光學掩膜、線陣圖像傳感器、單片機；所述線陣圖像傳感器連接於所述光學掩膜和所述單片機之間；其中， 所述光學掩膜，帶有V字形狹縫，用於通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器，其中，所述第一條太陽光線及第二條太陽光線在所述線陣圖像傳感器的成像面上形成兩個交點，每個交點在所述成像面上分布多個像素； 所述線陣圖像傳感器，用於對入射的太陽光線進行光電轉換，並逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機； 所述單片機，用於驅動所述線陣圖像傳感器並逐個讀取各像素的模擬電壓值；根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息；根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
2.根據權利要求1所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述單片機具體用於: 驅動所述線陣圖像傳感器並逐個讀取各像素的模擬電壓值； 通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值； 根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與所述成像面相交的第一交點的中心位置信息，及第二條太陽光線與所述成像面相交的第二交點的中心位置信息； 根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，並結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
3.根據權利要求1或2所述的太陽敏感器，其特徵在於，所述太陽敏感器還包括: 接口轉換晶片，與所述單片機連接，用於將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至與所述單片機連接的主計算機。
4.一種太陽敏感器進行姿態測量的方法，其特徵在於，所述方法包括: 通過太陽敏感器中光學掩膜的V字形狹縫的兩條縫分別濾波並引入第一條太陽光線及第二條太陽光線； 對入射的太陽光線進行光電轉換，並逐個輸出各像素的模擬電壓值； 根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息； 根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述根據各像素的模擬電壓值，提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息,包括: 通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值； 根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息，及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值，提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息，及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息，包括: 預設數字灰度閾值，數字灰度值大於所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點所在像素，數字灰度值小於所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素； 對數字灰度值大於所述數字灰度閾值的像素，按照如下公式提取出所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息:
7.根據權利要求4至6任一項所述的方法，其特徵在於，所述根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息，測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角，包括: 結合太陽敏感器的成像模型，第一交點相對X軸方向變化時，根據第一交點在X軸方向的中心位置坐標xa，獲取沿X軸的相對距離λ Xa ;第二交點相對X軸方向變化時，根據第二交點在X軸方向的中心位置坐標xb，獲取沿X軸的相對距離Λ Xb ； 按公式
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括:考慮誤差補償模型時，根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息，並按照如下公式測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角:
【文檔編號】G01C1/00GK103983237SQ201410255407
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】樊巧雲, 高鑫洋, 張廣軍 申請人:北京航空航天大學