專利名稱：自供電無線模擬太陽角敏感器的制作方法
技術領域：
.本發(fā)明涉及一種航天器用模擬太陽敏感器，屬于航天器姿態(tài)測量傳感器技術領域。
背景技術：
太陽敏感器作為姿態(tài)測量系統(tǒng)的一種姿態(tài)矢量獲取傳感器，被廣泛的用于各種航天器。 隨著空間飛行器向微小型化、模塊化等方向的發(fā)展，靈巧智能化的太陽敏感器的需要越來越 迫切。現(xiàn)有的太陽敏感器主要有數(shù)字式和模擬式，其中數(shù)字式太陽敏感器前端需求復雜的光 學系統(tǒng)，而后端的圖像運算處理計算復雜，器件功耗、體積都較大，相應的數(shù)據(jù)量大，在敏 感器件和姿態(tài)確定系統(tǒng)之間需要較大的通信容量，難以適應微納型衛(wèi)星、自由飛行群等空間 飛行器的應用。而模擬太陽敏感器對前端的光學系統(tǒng)要求較低，而且不需要復雜的運算處理， 相應的功耗和體積較小，可以設計成靈活的結構，更加適合微納型衛(wèi)星的需求，并可以為大 型衛(wèi)星提供更為靈活的系統(tǒng)設計方案。
現(xiàn)有的模擬太陽敏感器存在以下不足
1. 對外電氣接口 (包括電源接口和通信接口)采用有線連接的物理接口，其靈活性受到 極大的約束，不利于系統(tǒng)設計。
2. 對外部電源的性能要求較高。
3. 模擬太陽敏感器作為姿態(tài)測量傳感器之一，配置和接口都在設計階段被固化，很難做 到自主、靈活，特別是即插即用的需求。
4. 采用光電電池作為太陽角的探測敏感器，其性能受到光強的影響較大，因而精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有模擬太陽敏不能完全無線化、自主和靈活性差的問題。
本發(fā)明自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于，含有太陽角敏感器單元、電源支 持單元以及無線通信單元，其中
太陽角敏感單元，含有外腔體、前端光學系統(tǒng)、太陽角敏感器和調(diào)理電路，其中
外腔體，以所述外腔體的重心O為原點建立一個笛卡爾坐標系，以平行于水平面方向為 X軸，垂直于水平面的方向為Y軸，垂直于平面XOY的方向為Z軸，
光孔，開在所述外腔體表面的中心位置，且其中心位于所述軸Z軸上，起前端光學系統(tǒng)的作用，
太陽角敏感器采用二維位置敏感探測器PSD，所述二維位置敏感探測器位于所述XOY 平面上，且該二維位置敏感探測器的中心與所述外腔體重心O重合，電極X,位于-X軸上， 電極X2位于+X軸上，電極Y,位于-Y軸上，電極Y2位于+Y軸上，太陽光通過所述作為前 端光學系統(tǒng)的光孔在所述太陽角敏感器表面上形成光斑，該光斑的位置將隨著不同的太陽光 入射角而改變，該光斑的質(zhì)心坐標為(JC,力，其中
一2 (/J/J'
其中L、 ^分別為所述X軸向兩電極X卜X2的輸出電流，
/"、 ^分別為所述Y軸向兩電極Yi、 Y2的輸出電流，
丄x為所述二維位置敏感探測器PSD在X軸上的有效長度，丄y為所述二維位置敏感探測
器PSD在Y軸上的有效長度，都為設定值，
調(diào)理電路，依次由電流一電壓轉換、放大和濾波子電路串聯(lián)而成，該調(diào)理電路的輸入是 所述二維位置敏感探測器PSD的四個輸出電流^、 /,2、 ^、 、2;
電源支持單元，由能源收集器件和電源管理電路依次串聯(lián)而成，其中
能源收集器件，采用多個砷化鎵太陽電池片，安裝在所述太陽角敏感單元上的光孔所在 的該外腔體表面的前端，向所述電源管理電路輸出電流，
電源管理電路，是一個電源監(jiān)測芯片，用以檢測所述砷化鎵太陽電池片輸出的電壓，當 所述砷化鎵太陽電池片輸出電壓小于最大輸出電壓范圍內(nèi)的低值時，向所述無線通信單元發(fā) 送脈沖信號報警，所述電源管理單元同時向所述太陽角敏感器、調(diào)理電路和無線通信單元供 電；
無線通信單元依次由無線通信電路和A/D轉換電路串聯(lián)而成，其中 A/D轉換電路輸入端與所述調(diào)理電路的信號輸出端相連，該A/D轉換電路， 一次完成回 路電壓采樣，組成一組數(shù)據(jù)傳輸至無線通信電路發(fā)射，該一組數(shù)據(jù)中包含當前太陽角的信息， 無線通信電路，數(shù)據(jù)信號輸入端與所述A/D轉換電路的輸出端相連，所述無線通信電路采用Zigbee協(xié)議作為無線通信協(xié)議標準，通過軟件加載默認射頻配置，并自主發(fā)射接收請求 信息，自動與外部的數(shù)據(jù)接收節(jié)點建立自組織的無線通信鏈路，并依據(jù)該數(shù)據(jù)接收節(jié)點發(fā)送 的配置指令字完成射頻配置，該射頻配置指令字包括收發(fā)信道編號、收發(fā)地址、數(shù)據(jù)包長 度、校驗碼長度及校驗方式。
本發(fā)明所述的自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于采用5片三節(jié)砷化鎵太陽電 池片構成所述能源收集器件，每片太陽電池片的最大輸出電壓范圍為2.3V 2.4V。
本發(fā)明所述的自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于l片所述太陽電池片為所述 無線通信單元供電，其余4片太陽電池片串聯(lián)連接后為所述調(diào)理電路提供-2.4V -2.3V負電 壓和2.3V 2.4V正電壓，并為所述二維位置敏感探測器提供6.9V 7.2V的偏置電壓。
本發(fā)明提供了一種自供電無線模擬太陽角敏感器，結構見圖1，其特征在于含有太陽 角敏感器單元、電源支持單元、無線通信單元。其中太陽角敏感器單元包括前端光學系統(tǒng)、 太陽角敏感器、調(diào)理電路和外腔體四個部分，電源支持單元包括能源收集器件和電源管理電 路兩個部分，無線通信單元包括A/D轉換電路和無線通信電路。
本發(fā)明所述的太陽角敏感器單元的特征在于含有光孔l、太陽角敏感器2、外腔體3， 利用單孔構成前端光學系統(tǒng)，太陽光通過光孔1在太陽角敏感器2表面形成光斑4，太陽角 敏感器單元結構及其坐標定義如圖2，根據(jù)光的直線傳播原理，不同的太陽光入射角將在太 陽角敏感器2的不同位置形成光斑4，通過測量光斑4的位置可以得到當前入射太陽光的角 度信息，調(diào)理電路對測量信號進行放大、濾波處理，以利于后續(xù)電路處理。以太陽角敏感器 2表面為XOY平面，垂直于XOY平面入射的太陽光形成的光斑質(zhì)心為坐標原點，Z軸指向 光孔l，建立笛卡爾直角坐標系，如圖3，則光斑4質(zhì)心的坐標與太陽光入射角關系可用下式
表示
其中(x，J)為光斑4質(zhì)心坐標，e為太陽光入射方位角，A為太陽光入射俯仰角，H為光 孔1到坐標原點的距離。進一步可以得到太陽光入射角與光斑4質(zhì)心坐標的關系可用下式表
X = * * COS ^本發(fā)明所述的太陽角敏感器的特征在于來用二維位置敏感探測器PSD (Position Sensitive Detector)作為太陽角敏感器2，入射光斑4質(zhì)心在二維位置敏感探測器PSD表面的 坐標位置和4個電極X,、 X2、Y2的輸出關系如圖4，可以表示為下式
X — " * (A:2 -D 7(/I2 + /J
其中(x，力為光斑4質(zhì)心坐標，/xl、 ^為X軸向兩電極Xi、 X2的輸出電流，/yl、 /,2為 Y軸向兩電極Yi、 Y2的輸出電流，k為PSD在X軸向的有效長度，i^為PSD在Y軸向的 有效長度，對于具體的器件而言，h和i^為常數(shù)。實際使用中，圖3和圖4的坐標系重合， 則可以得到太陽光入射角和二維PSD輸出電流之間的關系可表示為下式
arccos -
+乙
+乙
、2廣 +
丄,
'y2
《2 + 、i 乂
2//
、2
丄X'
+乙
+
、2
:A'2 -"V
本發(fā)明所述的調(diào)理電路的特征在于調(diào)理電路將二維位置敏感探測器PSD的四個電極輸 出電流信號分別轉換為電壓信號，并進行放大和濾波處理，并將這四路電壓信號送入無線通 信單元，由于這四路電壓信號含有太陽光入射角度信息，因而可以通過解算上述公式實現(xiàn)太 陽角的測量。
本發(fā)明所述的電源支持單元的特征在于采用三節(jié)砷化鎵太陽電池片作為其能源收集器 件，能源收集器件連接到電源管理電路，通過電源管理電路為本發(fā)明所述的其它部分提供電 源，無需電池或者外部電源為本發(fā)明所述各部分供電，尤其是不需要有線連接的外部電源接□。
本發(fā)明所述的能源收集器件的特征在于采用5片三節(jié)砷化鎵太陽電池片構成能源收集 器件，每片電池片的最大輸出電壓為2.3V 2.4V之間。由于太陽敏感器有效探測期間必然存 在太陽光照射，因此，將太陽電池片安裝在太陽角敏感器單元的光孔所在平面的前端，則太 陽電池片此時能夠輸出電流并提供電源。電池片安裝與光孔位置布局如圖5。
本發(fā)明所述的能源收集器件的特征在于l片太陽電池片獨立為本發(fā)明所述的無線通信 單元提供電源，其它4片太陽電池片串聯(lián)連接，為本發(fā)明所述的調(diào)理電路提供-2.4￥~-2.3￥的 負電源和2.3V 2.4V的正電源，并為本發(fā)明所述的二維位置敏感探測器PSD器件提供 6.9V 7.2V的偏置電壓，太陽電池片及其供電連接圖如圖6。
本發(fā)明所述的電源管理電路的特征在于采用一片電源監(jiān)測芯片實現(xiàn)無線通信單元的供 電太陽電池片輸出電壓監(jiān)測功能，當太陽電池片輸出電壓低于2.2V時，輸出120ms以上的脈 沖信號，用于為本發(fā)明所用的數(shù)字芯片提供欠壓復位信號。
本發(fā)明所述的無線通信單元的特征在于采用Zigbee協(xié)議作為無線通信協(xié)議標準，通過 軟件加載射頻配置，并自主發(fā)射接入請求信息，自動與數(shù)據(jù)接收節(jié)點建立自組織的無線通信 鏈路，并通過接收數(shù)據(jù)接收節(jié)點的指令實現(xiàn)修改射頻配置，當A/D轉換器完成一次采樣后， 將采樣數(shù)據(jù)送入無線通信單元自主發(fā)射，當無線通信單元完成發(fā)射后，A/D轉換器再進行下 一次采樣，依次循環(huán)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點為本發(fā)明所述自供電無線模擬太陽敏感器的應用平臺的 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)接收中心，與本發(fā)明無關，凡是可以提供支持Zigbee協(xié)議的無線通信接口的 數(shù)據(jù)接收中心即可作為本發(fā)明所述的無線通信單元的數(shù)據(jù)接收節(jié)點。數(shù)據(jù)接收節(jié)點根據(jù)接收 到的四路電壓信號采樣值，就可以根據(jù)上述公式解算出當前太陽角。
本發(fā)明所述的A/D轉換電路的特征在于A/D轉換電路對太陽角敏感器單元送入的四路 電壓信號分別進行采樣，當完成所有的四路電壓信號采樣后，將采樣數(shù)據(jù)送入無線通信單元 進行自主發(fā)射，當所有數(shù)據(jù)都發(fā)射完成后，A/D轉換器再進行下一次采樣，然后依次循環(huán)。
本發(fā)明的特點是自主供電、精度高、結構簡單、尺寸小、純無線化，與應用平臺的接 口僅為簡單的機械接口，因此靈活性好。
與現(xiàn)有的模擬太陽敏感器比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1) 無物理連接的對外交互的電氣接口， 一方面無需應用平臺提供連接線纜，從而減輕了
應用平臺的質(zhì)量，另一方面，應用中可以為姿態(tài)測量系統(tǒng)的設計提供靈活的解決方案；
2) 采用自主供電方式，無需外部電源或者蓄電池供電，壽命長，而且將太陽電池片直接 對器件供電，無復雜的電源管理系統(tǒng)；3) 采用Zigbee無線通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可以滿足器件即插即用的需求；
4) 采用二維PSD作為太陽角敏感器，前端光學系統(tǒng)簡單，實現(xiàn)了高測量精度和高分辨
率；
5) 尺寸小巧，結構簡單，可以在應用平臺上自由安裝，不受電氣接口連接約束。


圖1為自供電無線模擬太陽敏感器結構框圖。
圖2為太陽角敏感器單元結構及其坐標定義圖a-側視圖，b-正視圖，c-俯視圖。 圖3為太陽角敏感器的笛卡爾直角坐標系。 圖4為二維PSD坐標系及轉換公式示意圖。 圖5為太陽電池片安裝與光孔位置布局圖 圖6為太陽電池片及其供電連接圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種自供電無線模擬太陽敏感器，結構見圖1，其特征在于含有太陽角 敏感器單元、電源支持單元、無線通信單元。其中太陽角敏感器單元包括前端光學系統(tǒng)、太 陽角敏感器和調(diào)理電路三個部分，電源支持單元包括能源收集器件和電源管理電路兩個部分，
無線通信單元包括A/D轉換電路和無線通信電路。
本發(fā)明所述的太陽角敏感器單元的特征在于含有光孔l、太陽角敏感器2、外腔體3，
利用單孔構成前端光學系統(tǒng)，太陽光通過光孔1在太陽角敏感器2表面形成光斑4，太陽角 敏感器單元結構及其坐標定義如圖2，根據(jù)光的直線傳播原理，不同的太陽光入射角將在太 陽角敏感器2的不同位置形成光斑4，通過測量光斑4的位置可以得到當前入射太陽光的角 度信息，調(diào)理電路對測量信號進行放大、濾波處理，以利于后續(xù)電路處理。以太陽角敏感器 2表面為XOY平面，垂直于XOY平面入射的太陽光形成的光斑質(zhì)心為坐標原點，Z軸指向 光孔l，建立笛卡爾直角坐標系，如圖3，則光斑4質(zhì)心的坐標與太陽光入射角關系可用下式
表示其中(x,刃為光斑4質(zhì)心坐標，e為太陽光入射方位角，^為太陽光入射俯仰角，//為光 孔1到坐標原點的距離。進一步可以得到太陽光入射角與光斑4質(zhì)心坐標的關系可用下式表
示
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當y^0時，k^0;當yO時，k》2
本發(fā)明所述的太陽角敏感器的特征在于采用二維位置敏感探測器PSD (Position Sensitive Detector)作為太陽角敏感器2，入射光斑4質(zhì)心在二維位置敏感探測器PSD表面的 坐標位置和4個電極X!、 X2、 Y" Y2的輸出關系如圖4，可以表示為下式
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中0c，力為光斑4質(zhì)心坐標，L為X軸向兩電極X" X2的輸出電流，；、；2為
Y軸向兩電極Y卜Y2的輸出電流，ix為PSD在X軸向的有效長度，Ay為PSD在Y軸向的
有效長度，對于具體的器件而言，Ix和^為常數(shù)。實際使用中，圖3和圖4的坐標系重合， 則可以得到太陽光入射角和二維PSD輸出電流之間的關系可表示為下式
<formula>formula see original document page 10</formula>本發(fā)明所述的調(diào)理電路的特征在于調(diào)理電路將二維位置敏感探測器PSD的四個電極輸 出電流信號分別轉換為電壓信號，并進行放大和濾波處理，并將這四路電壓信號送入無線通 信單元，由于這四路電壓信號含有太陽光入射角度信息，因而可以通過解算上述公式實現(xiàn)太 陽角的測量。
本發(fā)明所述的電源支持單元的特征在于采用三節(jié)砷化鎵太陽電池片作為其能源收集器 件，能源收集器件連接到電源管理電路，通過電源管理電路為本發(fā)明所述的其它部分提供電 源，無需電池或者外部電源為本發(fā)明所述各部分供電，尤其是不需要有線連接的外部電源接m。
本發(fā)明所述的能源收集器件的特征在于采用5片三節(jié)砷化鎵太陽電池片構成能源收集 器件，每片電池片的最大輸出電壓為2.3V 2.4V之間。由于太陽敏感器有效探測期間必然存 在太陽光照射，因此，將太陽電池片安裝在太陽角敏感器單元的光孔所在平面的前端，則太 陽電池片此時能夠輸出電流并提供電源。電池片安裝與光孔位置布局如圖5。
本發(fā)明所述的能源收集器件的特征在于l片太陽電池片獨立為本發(fā)明所述的無線通信 單元提供電源，其它4片太陽電池片串聯(lián)連接，為本發(fā)明所述的調(diào)理電路提供-2.4￥~-2.3￥的 負電源和2.3V 2.4V的正電源，并為本發(fā)明所述的二維位置敏感探測器PSD器件提供 6.9V 7.2V的偏置電壓，太陽電池片及其供電連接圖如圖6。
本發(fā)明所述的電源管理電路的特征在于采用一片電源監(jiān)測芯片實現(xiàn)無線通信單元的供 電太陽電池片輸出電壓監(jiān)測功能，當太陽電池片輸出電壓低于2.2V時，輸出120ms以上的脈 沖信號，用于為本發(fā)明所用的數(shù)字芯片提供欠壓復位信號。
本發(fā)明所述的無線通信單元的特征在于采用Zigbee協(xié)議作為無線通信協(xié)議標準，通過 軟件加載射頻配置，并自主發(fā)射接入請求信息，自動與數(shù)據(jù)接收節(jié)點建立自組織的無線通信 鏈路，并通過接收數(shù)據(jù)接收節(jié)點的指令實現(xiàn)修改射頻配置，當A/D轉換器完成一次采樣后， 將采樣數(shù)據(jù)送入無線通信單元自主發(fā)射，當無線通信單元完成發(fā)射后，A/D轉換器再進行下 一次采樣，依次循環(huán)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點為本發(fā)明所述自供電無線模擬太陽敏感器的應用平臺的 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)接收中心，與本發(fā)明無關，凡是可以提供支持Zigbee協(xié)議的無線通信接口的 數(shù)據(jù)接收中心即可作為本發(fā)明所述的無線通信單元的數(shù)據(jù)接收節(jié)點。數(shù)據(jù)接收節(jié)點根據(jù)接收 到的四路電壓信號釆樣值，就可以根據(jù)上述公式解算出當前太陽角。
本發(fā)明所述的A/D轉換電路的特征在于A/D轉換電路對太陽角敏感器單元送入的四路 電壓信號分別進行采樣，當完成所有的四路電壓信號采樣后，將采樣數(shù)據(jù)送入無線通信單元 進行自主發(fā)射，當所有數(shù)據(jù)都發(fā)射完成后，A/D轉換器再進行下一次采樣，然后依次循環(huán)。下面結合附圖來具體說明本發(fā)明。
1.自供電無線模擬太陽敏感器整體結構
圖1所示是自供電無線模擬太陽敏感器的整體結構框圖，由太陽角敏感器單元、電源支 持單元、無線通信單元三個部分組成。其中太陽角敏感器單元包括前端光學系統(tǒng)、太陽角敏 感器和調(diào)理電路三個部分，電源支持單元包括能源收集單元和電源管理兩個部分，無線通信 單元包括A/D轉換電路和無線收發(fā)器。
圖2為太陽角敏感器單元結構圖。定義二維PSD的XOY坐標平面為太陽角敏感器單元 直角坐標系的XOY平面，并按右手法制建立Z軸，且Z軸通過光孔1中心。也就是將圖3 和圖4所描述的坐標系重合。太陽角敏感器單元利用光孔1構成前端光學系統(tǒng)，太陽光通過 光孔1在由二維PSD構成的太陽角敏感器表面形成光斑4，而不同太陽入射角在二維PSD表 面的不同位置形成光斑。當有光斑照射到二維PSD表面吋，二維PSD的四個輸出電極產(chǎn)生 電流，電流的大小與光斑質(zhì)心的位置有關，四路電流的組合與光斑質(zhì)心在二維PSD表面的位 置一一對應，從而四路電流的組合與太陽角一一對應。通過后續(xù)的調(diào)理電路將電流轉換為電 壓，并進行同步放大和濾波處理，從而形成四路電壓信號輸出至無線通信單元。
無線通信單元的A/D轉換器將調(diào)理電路送來的四路電壓信號依次采樣為數(shù)字量，以便于 無線發(fā)射。A/D轉換器一次完成四路電壓的采樣，然后組成一組數(shù)據(jù)傳輸至無線通信單元進 行發(fā)射，待一組數(shù)據(jù)全部成功發(fā)射后，A/D轉換器再進行下一組數(shù)據(jù)的采樣，然后依次循環(huán)。 這樣，每一組發(fā)射數(shù)據(jù)都完全包含當前太陽角的信息，通過簡單的解算公式就可以得到當前 的太陽角，解算公式如下
當7v2 2 r』寸,k=0;當Kv2 <^時,k=-2其中，^為太陽光入射方位角，y5為太陽光入射俯仰角，//為光孔到二維PSD坐標原點 的距離，F(xiàn)w、 Fw為二維PSD的X軸向兩電極通過本發(fā)明所述調(diào)理電路后采樣電壓值，&。 &2為二維PSD的Y軸向兩電極通過本發(fā)明所述調(diào)理電路后采樣電壓值，i^為PSD在X軸
向的有效長度，」&為PSD在Y軸向的有效長度。對于具體的PSD器件而言，"和Ay為常 數(shù)，可以通過査詢其數(shù)據(jù)參數(shù)表得到。
圖5為太陽電池片安裝與光孔位置布局圖。電源支持單元采用5片三節(jié)砷化鎵太陽電池 片構成能源收集單元，每片電池片的最大輸出電壓在2.3乂~2.4￥之間。由于太陽敏感器有效 探測期間必然存在太陽光照射，因此，將太陽電池片安裝在太陽角敏感器單元的光孔所在平 面的前端，則太陽電池片此時能夠輸出電流并提供電源。能源收集單元連接到電源管理，通 過電源管理為本發(fā)明所述的其它部分提供電源。
2. 光孔及二維PSD的設計詳細說明
圖2所示的光孔1直徑、光孔1中心至本發(fā)明所述二維PSD坐標原點的距離與本發(fā)明所 需探測的視場和所選用的二維PSD器件及其有效探測半徑有關。定義圖3所示坐標系的Z軸 為視場中心，即為此位置的視場角度為0，則光孔1中心至本發(fā)明所述二維PSD坐標原點的 距離i/確定關系式為下式
其中，/ 為所選二維PSD器件的光斑位置檢測的有效半徑，對于具體的PSD器件而言，/ 為常數(shù)，a為本發(fā)明所需探測的最大視場偏離角度，a,a)為本發(fā)明設計的視場范圍。
圖3和圖4所示的二維位置敏感探測器PSD為HAMAMATSU公司的二維PSD器件，型 號為sl880，根據(jù)其數(shù)據(jù)參數(shù)表，對應的光孔l直徑為200um。
當所需探測視場范圍為(-60°，+60°)時，對于HAMAMATSU公司的型號為s1880的二維
PSD而言，光孔l中心至本發(fā)明所述二維PSD坐標原點的距離/f設計為1.45mra,這種設計能 夠使得入射光斑4落入二維PSD的最佳檢測區(qū)域，從而提高測量精度。
3. 電源支持單元的設計詳細說明
圖5所示太陽電池片采用三節(jié)砷化鎵太陽電池片，每片的輸出電流面積比均為 15.38mA/cm2，采用體裝方式安裝在外腔體3的外表面。太陽電池片的面積和與本發(fā)明所需探
13測的視場有關，探測視場越大，太陽電池片的面積需求越大。探測視場應不超過(-60°,+60°),
這樣探測視場約束在于保證太陽角測量精度，降低干擾的影響和減小誤差。當所需探測視場 范圍為(-60°,+60°)時，太陽電池片5的尺寸為lcmX2.5cm，太陽電池片6和太陽電池片7
的尺寸均為0.6 cmX0.6cm，太陽電池片8和太陽電池片9的尺寸均為0.3 cmX0.6cm。圖5
所示的光孔及太陽電池片安裝平面應與本發(fā)明所述的PSD平面平行，這樣可以提高太陽電池 片對本發(fā)明所述其它部分的供電能力，并滿足探測視場范圍的要求。
圖6所示為太陽電池片及供電連接示意圖。太陽電池片5通過電源監(jiān)測芯片10獨立為本 發(fā)明所述的無線通信單元提供電源,采用一片電源監(jiān)測芯片10檢測太陽電池片5的輸出電壓， 當太陽電池片5輸出電壓低于2.2V時，電源監(jiān)測芯片10輸出120ms的脈沖信號，該脈沖信 號輸出端連接至本發(fā)明所述的無線通信單元所采用的數(shù)字芯片的復位引腳。太陽電池片6、 太陽電池片7、太陽電池片8、太陽電池片9串聯(lián)連接，且太陽電池片6的正電極和太陽電池 片7的負電極連接，并自該連接點引出導線連接至本發(fā)明所述的太陽角敏感器單元的電源地， 即太陽電池片6的負電極為本發(fā)明所述的調(diào)理電路提供-2.4V -2.3V的負電源，太陽電池片7 的正電極為本發(fā)明所述的調(diào)理電路提供2.3V-2.4V的正電源，太陽電池片9的正電極連接到 本發(fā)明所述的二維PSD器件的偏置電壓引腳，提供6.9V 7.2V的偏置電壓。
4.無線通信芯片的設計詳細說明
本發(fā)明所述的無線通信單元采用Nordic Semiconductor公司的nRF24El芯片。由于 nRF24El芯片帶有片內(nèi)A/D轉換器，由本發(fā)明所述的太陽角敏感器單元輸出的四路電壓信號 分別連接至nRF24El芯片的AINO、 AIN1、 AIN2、 AIN3引腳即可實現(xiàn)采樣轉換。
本發(fā)明所述的無線通信單元和太陽角敏感器單元之間應進行電磁屏蔽，這樣的設計在于 避免無線射頻對本發(fā)明所述PSD及后續(xù)調(diào)理電路的干擾，從而提高測量精度與分辨率。
權利要求
1.自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于，含有太陽角敏感器單元、電源支持單元以及無線通信單元，其中太陽角敏感單元，含有外腔體、前端光學系統(tǒng)、太陽角敏感器和調(diào)理電路，其中外腔體，以所述外腔體的重心O為原點建立一個笛卡爾坐標系，以平行于水平面方向為X軸，垂直于水平面的方向為Y軸，垂直于平面XOY的方向為Z軸，光孔，開在所述外腔體表面的中心位置，且其中心位于所述軸Z軸上，起前端光學系統(tǒng)的作用，太陽角敏感器采用二維位置敏感探測器PSD，所述二維位置敏感探測器位于所述XOY平面上，且該二維位置敏感探測器的中心與所述外腔體重心O重合，電極X1位于-X軸上，電極X2位于+X軸上，電極Y1位于-Y軸上，電極Y2位于+Y軸上，太陽光通過所述作為前端光學系統(tǒng)的光孔在所述太陽角敏感器表面上形成光斑，該光斑的位置將隨著不同的太陽光入射角而改變，該光斑的質(zhì)心坐標為(x，y)，其中<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>Lx</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>*</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>x</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>x</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>x</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>x</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>Ly</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>*</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>其中Ix1、Ix2分別為所述X軸向兩電極X1、X2的輸出電流，Iy1、Iy2分別為所述Y軸向兩電極Y1、Y2的輸出電流，Lx為所述二維位置敏感探測器PSD在X軸上的有效長度，Ly為所述二維位置敏感探測器PSD在Y軸上的有效長度，都為設定值，調(diào)理電路，依次由電流-電壓轉換、放大和濾波子電路串聯(lián)而成，該調(diào)理電路的輸入是所述二維位置敏感探測器PSD的四個輸出電流Ix1、Ix2、Iy1、Iy2；電源支持單元，由能源收集器件和電源管理電路依次串聯(lián)而成，其中能源收集器件，采用多個砷化鎵太陽電池片，安裝在所述太陽角敏感單元上的光孔所在的該外腔體表面的前端，向所述電源管理電路輸出電流，電源管理電路，是一個電源監(jiān)測芯片，用以檢測所述砷化鎵太陽電池片輸出的電壓，當所述砷化鎵太陽電池片輸出電壓小于最大輸出電壓范圍內(nèi)的低值時，向所述無線通信單元發(fā)送脈沖信號報警，所述電源管理單元同時向所述太陽角敏感器、調(diào)理電路和無線通信單元供電；無線通信單元依次由無線通信電路和A/D轉換電路串聯(lián)而成，其中A/D轉換電路輸入端與所述調(diào)理電路的信號輸出端相連，該A/D轉換電路，一次完成回路電壓采樣，組成一組數(shù)據(jù)傳輸至無線通信電路發(fā)射，該一組數(shù)據(jù)中包含當前太陽角的信息，無線通信電路，數(shù)據(jù)信號輸入端與所述A/D轉換電路的輸出端相連，所述無線通信電路采用Zigbee協(xié)議作為無線通信協(xié)議標準，與外部的數(shù)據(jù)接收節(jié)點建立自組織的無線通信鏈路。
2. 根據(jù)權利要求l所述的自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于采用5片三節(jié)砷 化鎵太陽電池片構成所述能源收集器件，每片太陽電池片的最大輸出電壓范圍為2.3V 2.4V。
3. 根據(jù)權利要求2所述的自供電無線模擬太陽角敏感器，其特征在于l片所述太陽電 池片為所述無線通信單元供電，其余4片太陽電池片串聯(lián)連接后為所述調(diào)理電路提供-2.4V -2.3V負電壓和2.3V 2.4V正電壓，并為所述二維位置敏感探測器提供6.9V 7.2V的偏置電 壓。
全文摘要
自供電無線模擬太陽角敏感器屬于航天器姿態(tài)測量傳感器技術領域，其特征在于，含有太陽角敏感器單元、電源支持單元、無線通信單元。其中太陽角敏感器單元包括前端光學系統(tǒng)、太陽角敏感器、調(diào)理電路和外腔體四個部分，電源支持單元包括能源收集器件和電源管理電路兩個部分，無線通信單元包括所述調(diào)理電路相連以接收太陽角度信息的A/D轉換電路和無線通信電路。本發(fā)明的實現(xiàn)了自主供電、純無線化的模擬太陽敏感器，采用二維位置敏感探測器PSD作為太陽角敏感器，精度高，且結構簡單，尺寸小，無外部物理連接的電氣接口，有利于應用系統(tǒng)的集成設計。
文檔編號G01C1/00GK101526350SQ20091008120
公開日2009年9月9日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權日2009年3月30日
發(fā)明者劉有軍, 政 尤, 偉 李, 飛 邢 申請人:清華大學