Температурная калибровка солнечного датчика на четырехсегментном фотодиоде

В системах ориентации современных космических аппаратов (КА), благодаря несложной конструкции, низкой стоимости и неболвшому энергопотреблениию, широкое распространение получили датчики угла Солнца. Основная функция датчика угла Солнца состоит в определении положения Солнца, (направление на. центр солнечного диска.) в связанной с КА системе координат. Эти данные затем используются бортовым комплексом управления КА, например, для разворота, солнечных батарей КА на. Солнце, подзарядки энергосистем аппарата, разворота КА для осуществления сеанса связи, определения занимаемой ориентации аппарата, в космическом пространстве либо при решении других задач управления КА [1].

По точности солнечные датчики обычно делят на грубые, средней точности и точные датчики. Грубые датчики - это датчики с погрешностью более 5°, средней точности - от 0,5° до 5°, и точные - с погрешностью до 0,5° [2].

Одним из перспективных современных направлений развития космической техники является миниатюризация КА с целью снижения стоимости их производства, и вывода, на.

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020

орбиту [3], в частности, формата «CubeSat» [4]. Миниатюризация предъявляет требования снижения массогабаритных характеристик и энергопотребления ко всем подсистемам КА, в том числе к солнечным датчикам. Дальнейшее развитие технологии создания солнечных датчиков также направлено на уменьшение массогабаритных характеристик при достаточной точности расчета угла Солнца. Создание таких технологий позволяет массово применять их в системах ориентации малоразмерных космических аппаратов.

В данной работе будут рассмотрены конструктивные особенности солнечного датчика на четырехсегментном фотодиоде, а также предложен эффективный метод его температурной калибровки.

2.    Чувствительные элементы солнечных датчиков

На сегодняшний день наибольшее распространение получили солнечные датчики на матричных элементах (ПЗС и КМОП) и фотодиодных элементах (рис. 1). Датчики на фотодиодных элементах состоят из одного позиционно чувствительного фотодиода либо из четырех фотодиодов, расположенных на одной подложке (так называемые квадрантные фотодиоды) [5]. Независимо от типа чувствительного элемента у всех солнечных датчиков имеется диафрагма с отверстием заданной формы (квадрат, круг, набор отверстий). В зависимости от перемещения луча света, проходящего через это отверстие по поверхности чувствительного элемента, рассчитывается угол падения света.

Рис. 1. Позиционно чувствительный фотодиод, квадрантный фотодиод и ПЗС/КМОП-матрица

Конструктивно датчик с чувствительным элементом на ПЗС/КМОП-матрице представляет собой фотокамеру в упрощенном виде. В качестве объектива выступает расположенное над светочувствительной матрицей отверстие малого диаметра (приблизительно 50 мкм) в маске. При наличии Солнца в поле зрения прибора на матрице возникает световое пятно, являющееся в первом приближении изображением диафрагмы на плоскости светочувствительной матрицы (рис. 2).

После экспонирования кадра и считывания полученного изображения, засвеченные пиксели обрабатываются с целью вычисления координаты взвешенного центра тяжести засвеченного пятна. В настоящее время солнечные датчики на ПЗС/КМОП-матрицах отличаются самой высокой точностью расчета угла направления на Солнце. Существенным преимуществом таких датчиков является то, что проекция Солнца на матрицу известна и предсказуема. Благодаря этому можно отделить паразитные засветки и блики от реального солнечного света и значительно повысить точность. Недостатками являются большее энергопотребление, повышенная масса, более сложные алгоритмы расчета, высокая цена. Данный тип датчиков исключительно цифровой из-за особенности конструкции чувствительного элемента - ПЗС/КМОП-матрицы.

Солнечные датчики на квадрантных чувствительных элементах наиболее распространены среди датчиков на фотодиодных чувствительных элементах. Их отличает простота конструкции, низкое энергопотребление, высокая точность определения положения Солнца [6].

В качестве примера на рис. 3 показан принцип действия датчика на четырёхсегментном активном элементе.

Он представляет собой четыре независимых фотодиода, симметрично расположенных на одной подложке. Над подложкой располагается квадратное окно-маска. Сквозв это окно свет падает на фотодиоды. При перемещении источника света луч, проходящий через маску, будет перемещаться по пластине. Фототок от этих четырех фотодиодов пропорционален освещенной площади фотодиодов и зависит от угла падения света. Отличительной особенностью данного типа чувствительного элемента является то, что можно измерить малейшее отклонение светового пятна от центра детектора.

Рис. 2. Пятно засвеченных пикселей на. матрице

Рис. 3. Солнечный датчик на. четырехсегментном фотодиоде

Зная значения фототоков от всех четырех сегментов, можно рассчитать углы направления на Солнце, исходя из значений двух углов А и В, которые зависят от положения светового пятна относительно осей X и У. Зависимость углов от фототоков выражаются формулами

S_x = arctg (

^Q2 + Q3 ^{— Q}i ^{— Q}4

Qi + Q 2 + Q 3 + Q4

) ,   S_y = arctg(

^Q 1 ^{+ Q} 2 ^{— Q} 3 ^{— Q}4

Q i + Q 2 + Q 3 + Q4

)'

где S_x ^ величина, пропорциональная углу по оси X; S_y - величина, пропорциональная углу по оси У; Q1, Q2, Q3, Q4 - значения токов с четырех сегментов фотодиода.

Исходя из вышеизложенного, солнечные датчики на четырехсегментных фотодиодах довольно просты в разработке, надежны, обладают высокой точностью (погрешность не хуже 0.5°) и в условиях массового производства малоразмерных КА могут конкурировать с солнечными датчиками на других чувствительных элементах.

3.    Калибровка солнечного датчика на четырехсегментном фотодиоде

Выбор методики вносит существенный вклад в точноств определения угла падения света солнечным датчиком. На рис. 4 показан пример зависимости фототоков от угла падения света при нормальных условиях.

Рис. 4. Зависимость фототоков от угла, падения света.

При изменении температуры в диапазоне от -40 °C до +80 °C распределение фототоков представлено на. рис. 5.

Рис. 5. Зависимость фототоков от угла, падения света, при различных температурах

Из рис. 5 видно, что наблюдается резко выраженная зависимость выходной характеристики датчика, от температуры. Поэтому в методике калибровки солнечного датчика, требуется учитывать температурное влияние на. выходную характеристику в рабочем диапазоне температур.

Существенный вклад в точность измерения вносит температурная нестабильность элементов конструкции солнечного датчика, в том числе температурная зависимость фототока, четырехсегментного фотодиода, температурный дрейф параметров элементов электрических цепей (источники опорного напряжения, АЦП).

В основе разрабатываемой методики калибровки солнечного датчика, на. четырехсегментном фотодиоде лежит использование полинома, третьей степени для определения зависимости угла, падения света, от фототоков:

^ — Рх1 • 8Х + Рх2 • 8Х + Рх3 • 8х + Рх4, 3 — Ру1 • 8у + Ру2 • 8у + Ру3 • 8у + Ру4, где a - угол падения света по оси X; 3 - угол падения света по оси Ү; рх, ру- коэффициенты полиномов; Sx и Sy - значения, пропорциональные углам a и р.

Рис. 6. Поворотное устройство и имитатор солнечного излучения

На рис. 7 представлены графики (обозначенные цифрой «1») температурной зависимости коэффициентов полинома для одной из осей солнечного датчика. Измерения проводились с шагом в 10 °C с использованием поворотного устройства и имитатора солнечного излучения, представленного на рис. 6.

Рис. 7. Температурная зависимость коэффициентов полинома

Исходя из характеристик зависимости коэффициентов полинома от температуры, данную зависимость можно описать полиномом третьей степени (рис. 7, графики, обозначенные цифрой «2»).

С целью верификации данного метода выполним расчет одних и тех же углов (для примера взяты углы падения света -40°, 0° и +40°, рис. 8а, в, д) при различных температу- рах с коэффициентами полинома, рассчитанными непосредственно для заданного значения температуры (график 1), и вычисленными предложенным методом (график 2).

На рис. 86, г, е показана ошибка расчета угла при различных температурах с использованием коэффициентов, рассчитанных непосредственно для заданного значения температуры, и коэффициентов, вычисленных при помощи полинома третьей степени. Как видим, данный метод температурной калибровки солнечного датчика на четырехсегментном фотодиоде обеспечивает необходимую точность расчета угла падения солнечного света не хуже 0.5° в указанном диапазоне температур.

а)                                                      б)

г)

в)

д)

Рис. 8. Расчет угла падения света при различных температурах

Е 0.014

10.012

3 0 008

Температура

е)

4.    Выводы

• 1.    Солнечные датчики на четырехсегментном фотодиоде при должной калибровке позволяют проводить измерения углов солнечной ориентации с достаточно высокой точностью в широком температурном диапазоне.

• 2.    Точность расчета угла зависит, главным образом, от температурной стабильнсти элементной базы и выбора методики температурной калибровки. Особенно требуется уделять внимание точности позиционирования солнечного датчика относительно источника света во время проведения калибровки.