專利名稱：：一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明-涉及一種'用于自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星、以光電碼盤為探測器的數(shù)字式太陽敏感器，適用于自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星的姿態(tài)確定。
背景技術(shù)：
：太陽的高亮度和高信噪比使得太陽捕獲比較容易實現(xiàn)，不論是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，還是自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，都將太陽敏感器作為姿態(tài)確定的主要器件之一。隨著衛(wèi)星小型化研究的開展以及航天器姿態(tài)控制精度的日益提高，傳統(tǒng)的模擬式太陽敏感器在體積、質(zhì)量和功耗上均無法滿足要求。特別地，自旋穩(wěn)定衛(wèi)星在速率阻尼模式后(起旋之前)，衛(wèi)星的自旋速率只有2°/s，此時"V"型狹縫式太陽敏感器不能確定衛(wèi)星的姿態(tài)。因此微型化、高精度的數(shù)字式太陽敏感器逐漸成為國內(nèi)外科研機構(gòu)的研究熱點。高精度的太陽敏感器大多以CCD、CM0S、光電碼盤為探測器，但CCD、CMOS器件的動態(tài)性能較差，工程上，以CCD、CMOS為探測器的太陽敏感器在高速旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星上的應(yīng)用技術(shù)還不成熟。本發(fā)明采用動態(tài)性能好的光電池粘結(jié)于光刻格雷碼之下，從而構(gòu)成光電碼盤作為探測器，其光電碼盤的正交設(shè)計擴大了敏感器的視場，敏感器外殼的斜面設(shè)計為量測臨界太陽角度90°、180°提供了可能。國內(nèi)用于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的數(shù)字碼盤式太陽敏感器采用細分碼位的辦法，其視場可達128°，精度可達0.05°，但其電路設(shè)計復(fù)雜，碼道的細分處理也比較繁瑣，且其視場不能達到全方位角度測量。國外自旋穩(wěn)定衛(wèi)星用太陽敏感器以光電碼盤作為探測器，如美國NASA于2006年發(fā)射的3顆微小衛(wèi)星(SpaceTechnology-5,ST-5)，3顆ST-5微小衛(wèi)星都是自旋速率為120°/s的自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，它們所用的太陽敏感器是微型自旋衛(wèi)星用太陽敏感器(MiniatureSpinningSunSensor,MSSS)。MSSS是一款比較先進的太陽敏感器，該敏感器以光電碼盤作為探測器，其體積為6.5X5.2X5.1cm3，視場為±89.95°,精度高于0.5°。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見相關(guān)文獻。數(shù)字碼盤式太陽敏感器的精度和視場相互制約，其傳統(tǒng)設(shè)計難以滿足微納衛(wèi)星高精度、全方位角度測量、小體積的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小體積、低成本、高精度、全方位測量角度的自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器數(shù)字碼盤式太陽敏感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器包括敏感器外殼、探測器、測量縫、指令縫和電路處理子系統(tǒng)；其中探測器由四個光電碼盤組成兩組正交光電碼盤組，包括前垂直光電碼盤、后垂直光電碼盤、前水平光電碼盤、后水平光電碼盤和電路處理子系統(tǒng)；敏感器外殼為長方體，敏感器外殼上表面的前后棱帶有兩個斜面；測量縫刻縫于敏感器外殼的兩個斜面上，且平行于敏感器外殼的上表面；指令縫刻于敏感器外殼上表面的右側(cè)，且垂直于測量縫；前垂直光電碼盤和后垂直光電碼盤垂直于敏感器外殼的上表面安裝，且平行于測量縫，前垂直光電碼盤和后垂直光電碼盤的上端面固連于敏感器外殼的上表面，左端面固連于敏感器外殼的左表面，右端面固連于敏感器外殼的右表面，置于敏感器的中部；前水平光電碼盤和后水平光電碼盤垂直于前垂直光電碼盤和后垂直光電碼盤安裝，前水平光電碼盤的前端面固連于敏感器外殼的前表面，后水平光電碼盤的后端面固連于敏感器外殼的后表面，前水平光電碼盤的后端面、后水平光電碼盤的前端面和前垂直光電碼盤的下端面、后垂直光電碼盤的下端面固連；電路處理子系統(tǒng)的上半部分緊挨著前水平光電碼盤和后水平光電碼盤的下表面，垂直于測量縫的太陽光線透過測量縫照射到探測器后輸出電壓信號，該電壓信號經(jīng)過電路處理子系統(tǒng)的放大、比較、量化、匹配處理即可獲得太陽矢量方向與衛(wèi)星自旋軸方向的夾角。其中前垂直光電碼盤由測量碼道、全開碼道、指令碼道和光電池組成，測量碼道為光刻格雷碼圖案的碼道，位于前垂直光電碼盤的左邊，共十個碼道；全開碼道是無格雷碼圖案，整個碼道均透明，緊挨著測量碼道，并位于測量碼道的右側(cè)；指令碼道是無格雷碼圖案，整個碼道均透明，位于整個光電碼盤的右邊，與全開碼道不接鄰，且比全開碼道窄；光電池粘結(jié)于測量碼道、全開碼道、指令碼道的下面，用于相應(yīng)碼道上太陽光線的感應(yīng)，輸出電壓信號。后垂直光電碼盤、前水平光電碼盤、后水平光電碼盤和前垂直光電碼盤的光刻工藝完全相同。電路處理子系統(tǒng)包括第一比較器、跟隨器、放大器、第二比較器和單片機；第一比較器連接測量碼道光電池的輸出接口和跟隨器的分壓接口，用于比較測量碼道的光電池輸出電壓和全開碼道光電池輸出的電壓；跟隨器連接全開碼道的光電池輸出接口，用于輸出全開碼道的電壓原始值；放大器連接于指令碼道的光電池輸出接口；第二比較器連接放大器，輸出指令信號給單片機；單片機對經(jīng)過放大和比較后的光電池信號進行量化、匹配輸出太陽角。其中敏感器外殼為鋁合金材料，還可以為鎂合金、鈦合金、鈹?shù)炔牧稀１景l(fā)明的原理是作為探測器的光電碼盤由光電池粘結(jié)于測量碼道、全開碼道和指令碼道之下構(gòu)成，測量碼道、全開碼道和指令碼道光刻成如圖2所示的格雷碼圖案。當(dāng)太陽光線垂直照射測量縫時，通過測量縫的光線在測量碼道和全開碼道上形成一條窄的光區(qū)，光區(qū)內(nèi)透明碼道下面的光電池會有電壓輸出；當(dāng)測量碼道光電池的輸出電壓大于全開碼道光電池輸出電壓的一半時，此碼道的輸出處理為"1"，反之處理為"0";太陽光線垂直于測量縫的判斷由指令縫實現(xiàn)，當(dāng)太陽光線垂直照射測量縫時，光線平行于指令縫，此時通過指令縫照射到指令碼道上的太陽光線最多，指令碼道的光電池輸出電壓達到最大，超過比較器預(yù)設(shè)值的固定門限值，比較器輸出指令信號給電路處理子系統(tǒng)，電路處理子系統(tǒng)開始處理測量碼道和全開碼道光電池輸出的電壓，再通過匹配得到太陽角信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明中光電碼盤采用正交設(shè)計，很好的利用了敏感器空間，在不影響太陽敏感器精度的前提下，減小了太陽敏感器的體積；(2)本發(fā)明利用了傳統(tǒng)模擬式敏感器常用的光電池作為探測器，其動態(tài)特性很高，與CCD、CMOS相比，光電池的成本較低；(3)本發(fā)明利用多個光電碼盤組成探測器，使得自旋穩(wěn)定衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器的視場和精度都大大提高，其設(shè)計精度達0.06°，可達到國外先進水平；自旋衛(wèi)星自旋軸與太陽矢量的夾角范圍為±90°，本發(fā)明設(shè)計的敏感器視場達±90°，可全方位測量太陽角；(4)另外，本發(fā)明四片碼盤可以光刻成同樣的格雷碼圖案，不同光電碼盤輸出的相同序列代泰不同的太陽角信息，光電碼盤的區(qū)分由全開碼道的信號實現(xiàn)，在沒有增加電路設(shè)計復(fù)雜性的情況下，大大簡化了光刻工藝的難度。圖1為本發(fā)明的數(shù)字式太陽敏感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的測角原理圖；圖3為本發(fā)明的光電碼盤正交設(shè)計示意圖；圖4為本發(fā)明的電路處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖；圖5為本發(fā)明的電路處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成電路圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明由敏感器外殼l、測量縫2、指令縫3、前垂直光電碼盤4、后垂直光電碼盤5、前水平光電碼盤6、后水平光電碼盤7、電路處理子系統(tǒng)8。敏感器外殼l為鋁合金材料的長方體，長方體上表面的前后棱上加工出兩個斜面，斜面與上表面的夾角為30度，斜面的長等于敏感器外殼1的寬，斜面的中心到敏感器外殼1上表面的距離為lmm，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得敏感器敏感45。、90°、135°和1柳°'的太陽角成為可能，對擴大敏感器視場、全方位測量太陽角度的起著重要的作用；測量縫2刻縫于敏感器外殼1的斜面上，且平行于敏感器外殼1的上表面，測量縫2的中心到敏感器外殼1上表面的距離為lmm;指令縫3刻于敏感器外殼上表面的右側(cè)，且垂直于測量縫2;前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5垂直于敏感器外殼1的上表面，前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5上端面與敏感器外殼1的上表面，即KMJH面固連，前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5的左端面、右端面分別與敏感器外殼1的左表面ABCD、右表面，即FJHG面固連，且平行于測量縫2，位于敏感器的中部，前垂直光電碼盤4輸出的碼序列對應(yīng)135°180°的太陽角，后垂直光電碼盤5輸出的碼序列對應(yīng)045。.的太陽角；前水平光電碼盤6和后水平光電碼盤7垂直于前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5安裝，前水平光電碼盤6的后端面、后水平光電碼盤7的前端面與前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5的下端面固連，前水平光電碼盤6的前端面和后水平光電碼盤7的后端面分別固連于敏感器外殼1的前、后表面上，前水平光電碼盤6輸出的碼序列對應(yīng)90。135°的太陽角，后水平光電碼盤7輸出的碼序列對應(yīng)45°90°的太陽角；電路處理子系統(tǒng)8的上半部分緊挨著前水平光電碼盤6和后水平光電碼盤7的下表面。如圖2所示，本發(fā)明的前垂直光電碼盤4由測量碼道11、全開碼道12、指令碼道13和光電池14組成。前垂直光電碼盤4光刻為格雷碼形式，格雷碼盤的變化規(guī)律是經(jīng)過測量縫的光線連續(xù)變化時，格雷碼僅變化一位，從而避免了出現(xiàn)誤碼。測量碼道11為光刻格雷碼圖案的碼道，位于前垂直光電碼盤4的左邊，共十個碼道，十個碼道大小相等，且光刻均勻；全開碼道12是無格雷碼圖案，整個碼道均透明，緊挨著測量碼道11，并位于測量碼道11的右側(cè)，與測量碼道11的每一條碼道尺寸相等；指令碼道13是無格雷碼圖案，整—個碼道均透明，位于整個前垂直光電碼盤4的右邊，與全開碼道12不接鄰，其長度與全開碼道12的碼道長度相同，比全開碼道12窄；光電池14粘結(jié)于測量碼道ll、全開碼道12、指令碼道13的下面。在這種設(shè)計下，當(dāng)太陽光線垂直照射測量縫2時，通過測量縫2的光線在測量碼道11和全開碼道12上形成一條窄的光區(qū)，光區(qū)內(nèi)透明碼道下面的光電池會有電壓輸出；當(dāng)測量碼道11光電池的輸出電壓大于全開碼道12光電池輸出電壓的一半時，此碼道的輸出處理為"'T"，反之處理為"0";太陽光線垂直于測量縫2的判斷由指令縫3實現(xiàn)，當(dāng)太陽光線垂直照射測量縫2時，光線平行于指令縫3，此時通過指令縫3照射到指令碼道13上的太陽光線最多，指令碼道13的光電池輸出電壓達到最大，超過第二比較器84預(yù)設(shè)值的固定門限值，第二比較器84輸出指令信號給單片機，單片機測量碼道l丄和全開碼道l么和.光電池14輸出的電壓，通過匹配得到太陽角信息。本發(fā)明中所有光電碼盤的測角原理均同上所述。所有碼盤設(shè)計參數(shù)如表1所示表1碼盤的參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>單片機存儲格雷碼及其對應(yīng)的太陽角。根據(jù)格雷碼的排列順序、碼盤的碼元寬度10ura、測量縫與光電池的距離10.24跳從"1111111111"序列到"0000000000"序列中，輸出對應(yīng)的太陽角為c^aretan^1、"—3;，其中，"代表第"個序列。即設(shè)10.24x10—3"1111111111"為第1個序列，"1111111110"為第2個序列，"1111111100"為第3個序列，依此類推，"0000000000"為第1024個序列。前垂直光電碼盤4輸出的太陽角為(135°+a)，后垂直光電碼盤5輸出的太陽角為a，前水平光電碼盤6輸出的太陽角為(90°+a)，后水平光電碼盤7輸出的太陽角為(45°+")。當(dāng)"和輸出碼序列的光電碼盤確定時，即可確定當(dāng)前的太陽角。光電碼盤輸出序列與太陽角的部分對應(yīng)關(guān)系如表2所示表2光電碼盤輸出序列與太陽角的部分對應(yīng)關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>后水平光電碼盤(7)miiiiiio89.912109375如圖3所示，本發(fā)明的探測器由前垂直光電碼盤4、后垂直光電碼盤5、前水平光電碼盤6和后水平光電碼道7組成，其中前垂直光電碼盤4和后垂直光電碼盤5相對于敏感器垂直安裝，前水平光電碼盤6和后水平光電碼道7相對于敏感器水平安裝，從而組成兩組正交安裝光電碼盤組。光電碼盤下粘結(jié)的光電池14為條形光電池，為了保證不同碼道的光電池輸出互不干擾，光電池長度為測量碼道11、全開碼道12、指令碼道13長度的1.011.1倍，光電池寬度為測量碼道11、全開碼道12、指令碼道13寬度的0.90.99倍。指令縫3的長度是指令碼道13長度的1.62倍，測量縫2的長度為測量碼道11和全開碼道12的寬度之和。如圖4、5所示，本發(fā)明的電路處理子系統(tǒng)8由第一比較器81、跟隨器82、放大器83、第二比較器84和單片機組成，其中跟隨器82連接全開碼道12的光電池輸出接口，用于輸出全開碼道12的電壓原始值，跟隨器82的輸出接口有兩個，一個輸出接口連接單片機的輸入接口，另一個輸出接口的電壓被分壓后連接第一比較器81的輸入接口；第一比較器81連接測量碼道11的光電池的輸出接口和跟隨器82被分壓的輸出接口，用于比較測量碼道11的光電池輸出電壓和全開碼道12光電池輸出電壓的1/2;放大器83連接于指令碼道13的光電池輸出接口；第二比較器84連接放大器83，其輸出接口連接單片機的輸入接口，單片機內(nèi)處理測量碼道和全開碼道光電池輸出的電壓，匹配得到太陽角信息。本發(fā)明實施例中的比較器為LM358型，跟隨器LM124，放大器為LM124，單片機可選用MSP430系冽的'，如MSP'430F;T35'單片機。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。權(quán)利要求1、一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，其特征在于包括敏感器外殼(1)、探測器、測量縫(2)、指令縫(3)和電路處理子系統(tǒng)(8)；其中探測器由四個光電碼盤組成兩組正交光電碼盤組，包括前垂直光電碼盤(4)、后垂直光電碼盤(5)、前水平光電碼盤(6)、后水平光電碼盤(7)和電路處理子系統(tǒng)(8)；敏感器外殼(1)為長方體，敏感器外殼(1)上表面的前后棱帶有兩個斜面；測量縫(2)刻縫于敏感器外殼(1)的兩個斜面上，且平行于敏感器外殼(1)的上表面；指令縫(3)刻于敏感器外殼(1)上表面的右側(cè)，且垂直于測量縫(2)；前垂直光電碼盤(4)和后垂直光電碼盤(5)垂直于敏感器外殼(1)的上表面安裝，且平行于測量縫(2)，前垂直光電碼盤(4)和后垂直光電碼盤(5)的上端面固連于敏感器外殼(1)的上表面，左端面固連于敏感器外殼(1)的左表面，右端面固連于敏感器外殼(1)的右表面，置于敏感器的中部；前水平光電碼盤(6)和后水平光電碼盤(7)垂直于前垂直光電碼盤(4)和后垂直光電碼盤(5)安裝，前水平光電碼盤(6)的前端面固連于敏感器外殼(1)的前表面，后水平光電碼盤(7)的后端面固連于敏感器外殼(1)的后表面，前水平光電碼盤(6)的后端面、后水平光電碼盤(7)的前端面和前垂直光電碼盤(4)的下端面、后垂直光電碼盤(5)的下端面固連；電路處理子系統(tǒng)(8)的上半部分緊挨著前水平光電碼盤(6)和后水平光電碼盤(7)的下表面，垂直于測量縫(2)的太陽光線透過測量縫(2)照射到探測器后輸出電壓信號，該電壓信號經(jīng)過電路處理子系統(tǒng)(8)的放大、比較、量化、匹配處理即可獲得太陽矢量方向與衛(wèi)星自旋軸方向的夾角。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，其特征在于所述的前垂直光電碼盤(4)由測量碼道(11)、全開碼道(12)、指令碼道(13)和光電池(14)組成，測量碼道(11)為光刻格雷碼圖案的碼道，位于前垂直光電碼盤(4)的左邊，共十個碼道；全開碼道(12)是無格雷碼圖案，整個碼道均透明，緊鄰測量碼道(11)，并位于測量碼道(11)的右側(cè)；指令碼道(13)是無格雷碼圖案，整個碼道均透明，位于前垂直光電碼盤(4)的右邊，與全開碼道(12)不接鄰，且比全開碼道(12)窄；光電池(14)粘結(jié)于測量碼道(11)、全開碼道(12)和指令碼道(13)的下面，用于相應(yīng)碼道上太陽光線的感應(yīng)，輸出電壓信號。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，其特征在于所述的后垂直光電碼盤(5)、前水平光電碼盤(6)、后水平光電碼盤(7)和前垂直光電碼盤(4)的光刻工藝完全相同。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，其特征在于所述的電路處理子系統(tǒng)(8)包括第一比較器(81)、跟隨器(82)、放大器(83)、第二比較器(84)和單片機；第一比較器(81)連接測量碼道(11)光電池的輸出接口和跟隨器(82)的分壓輸出接口，用于比較測量碼道(11)的光電池^T出電壓和全開碼道(12)光電池輸出的電壓；跟隨器(82)連接全開碼道(12)的光電池輸出接口，用于輸出全開碼道(12)的光電池輸出的電壓值；放大器(83)連接于指令碼道(13)的光電池輸出接口；第二比較器(84)連接放大器(83)，輸出指令信號給單片機；單片機對經(jīng)過放大和比較后的電壓信號進行量化、匹配輸出太陽角。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，其特征在于所述的敏感器外殼(1)為鋁合金、鎂合金、鈦合金、或鈹材料。全文摘要一種自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星用數(shù)字式太陽敏感器，包括探測器、指令縫、測量縫、電路處理子系統(tǒng)，其中探測器由四個光電碼盤組成兩組正交光電碼盤組，包括兩個垂直光電碼盤和兩個水平光電碼盤；指令縫與測量縫垂直，垂直于測量縫的太陽光線透過測量縫照射到光電碼盤上，光電池感光后輸出電壓信號，該信號經(jīng)過電路處理子系統(tǒng)的放大、比較、量化、匹配處理即可獲得太陽矢量方向與衛(wèi)星自旋軸方向的夾角。本發(fā)明實現(xiàn)了一種視場大、精度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的數(shù)字式太陽敏感器，對自旋穩(wěn)定微納衛(wèi)星實現(xiàn)高精度太陽角測量具有重要的實踐意義。文檔編號G01C1/00GK101586954SQ20091008571公開日2009年11月25日申請日期2009年5月27日優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日發(fā)明者偉全,崔培玲,翠張,楊照華,雷郭申請人:北京航空航天大學(xué)