УСТРОЙСТВО ГЛАЗКОВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА СВЕТА И СПОСОБ ГЛАЗКОВА ЕГО РАБОТЫ
GLAZKOV APPARATUS FOR DETERMINING ANGULAR POSITION OF LIGHT SOURCE AND GLAZKOV METHOD FOR OPERATION THEREOF

Изобретение относится к навигационной технике, а именно к пеленгаторам, определяющим угловое положение источника света, и может быть использовано в системах пространственной ориентации космических аппаратов (КА) и космических научных платформ (КНП) при определении их положения относительно Солнца, а также пеленгации иного излучающего ориентира с Земли в ее воздушном пространстве или в космосе.
о
о
С появлением малого класса КА и КНП (пико, нано- и микроспутников) остро стала проблема создания малоинерционного одноосного солнечного датчика (ОСД) - базового функционального элемента статического прибора ориентации на Солнце (ПОС), имеющего минимальные массу, суммарный объем и энергопотребление, но при этом обладающего широкоугольным зрением (≥180) с разрешением по центру, достаточным для решения первоочередных задач по ориентации и стабилизации малых спутников (≥0,2). Задача ПОС для КА - это определение значений в текущий момент двух уровней угловых проекций вектора Солнца на пеленгационных характеристиках (азимута - α и угла места - β) в декартовой системе координат прибора, которая жестко привязана к базовой координатной системой объекта.
Для определения углового положения излучающего ориентира ОСД используют косинусоидальную функциональную зависимость интенсивности излучений от угла их падения на чувствительную поверхность ФЭП - закон косинуса (Ламберта). Знание независимых величин фототоков ФЭП по двум угловым ортогональным осям просто и однозначно позволяет определять положение излучающего ориентира в рамках базовой декартовой системы координат КА, требуя при этом минимум технических средств. Поскольку детектором регистрируется световое поле - площадь пучка, величина его фототока зависит не только от площади, но и формы чувствительной поверхности ФЭП.
Из уровня техники известно устройство определения углового положения источника света, содержащее четыре одинаковых плоских фотодетектора, воспринимающих поток излучения от источника света и попарно под некоторым углом противоположно ориентированных относительно продольной оси устройства, и электрическую схему, в которую указанные детекторы включены также попарно (см. патент RU 2399063, кл. G01S 3/78, опубл. 10.09.2010). Здесь же описан способ работы устройства. Недостатком известного устройства является необходимость использования отдельного вычислительного блока, что негативным образом сказывается на массогабаритных и энергетических характеристиках устройства.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка.
Технический результат заключается в минимизации массы, размеров и энергопотребления устройства определения углового положения источника света.
В части устройства поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве определения углового положения источника света, содержащем четыре одинаковых фотодетектора, воспринимающих поток излучения от источника света и попарно противоположно ориентированных относительно продольной оси устройства, и электрическую схему, в которую указанные детекторы включены также попарно, детекторы одной пары коммутированы параллельно и однополярно, а другой - однополярно, но раздельно через переключатель. Фотодетекторы предпочтительно выполнены в виде полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей с полуцилиндрической чувствительной поверхностью. Минимальные габариты достигаются, если четыре фотодетектора с полуцилиндрической чувствительной поверхностью образуют отрезок трубы, внутри которой на керамической плате размещена электрическая схема. Электрическая схема предпочтительно включает два преобразователя ток-напряжение и один аналого-цифровой преобразователь. Пары фотодетекторов также могут быть размещены на различных сторонах полого корпуса, внутри которого размещена электрическая схема. На корпусе при этом предпочтительно расположены элементы солнечной батареи, которые подключены в качестве источника питания к электрической схеме.
В части способа поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно способу определения углового положения источника света, заключающегося в регистрации одновременно двух составляющих светового потока с помощью двух пар противоположно ориентированных фотодетекторов и определении по результатам регистрации направления на источник, для одной пары детекторов определяют четно-симметричную пеленгационную характеристику, а для другой - нечетно-симметричную пеленгационную характеристику, смещенную по оси ординат. Нечетно-симметричную пеленгационную характеристику, смещенную по оси ординат, предпочтительно получают путем использования фотодетекторов с полуцилиндрической чувствительной поверхностью. Крутизна нечетно-симметричной пеленгационной характеристики может быть увеличена в два раза путем суммирования двух зеркальных апертурных характеристик соответствующих фотодетекторов, если фототок одного из которых имеет противоположную полярность. Фототок фотодетекторов целесообразно преобразовывать в напряжение, а аналоговый сигнал напряжения, в свою очередь, - в цифровой сигнал.
На фиг.1 показаны относительные интенсивности излучения при различных положениях источника света и пеленгационные характеристики (ПХ) одноосных датчиков, реализующих «разностный» и «суммарно-разностный» методы определения углового положения излучающего ориентира;
на фиг.2 изображена электрическая схема подключения элементов предлагаемого устройства;
на фиг.3 - предлагаемое устройство в случае выполнения в виде отрезка трубы;
на фиг.4 - предлагаемое устройство в случае использования полого корпуса;
на фиг.5 показаны виды с разных направлений независимых пеленгационных характеристик двухосного датчика по каждой координате.
На сегодняшний день в основном используют два принципа измерения одноосного углового положения излучающего ориентира по уровню текущего момента его продольной пеленгационной характеристики (ПХ): абсолютный и относительный. Абсолютный принцип измерения воплощается в жизнь в виде «разностного» метода, а относительный - в виде «суммарно-разностного» метода. Оба метода энергетические и требуют наличия как минимум двух пассивных фотоэлектрических преобразователя (ФЭП) с плоской (планарной) чувствительной поверхностью. Планарные виды ФЭП давно освоены и широко используются в технике, в том числе и для пассивных оптических локаторов.
Суть «разностного» способа проста - это синтез нечетно-симметричной ПХ для пассивного оптического локатора из сумм величин двух противоположных фототоков планарных ФЭП, которые идентичны по параметрам и имеют одинаковые четно-симметричные косинусоидальные апертурные (угловые) зависимости одновременно по двум ортогональным направлениям. В этом случае ПХ датчика в одном направлении формируется тогда, когда плоские чувствительные поверхности пары ФЭП разнесены (развернуты) по угловой измерительной координате на задано равные, но противоположные углы относительно главной оптической оси устройства, проходящей через координатный нуль. При этом добиваются, чтобы фототоки ФЭП были пропорциональны мультипликативной смеси:
s
E*A*N*cos(α)*cos(β),
s
2
где E - облученность (Вт/м) - солнечная постоянная;
A - параметрический множитель ФЭП, равный J*S*D*L;
J - квантовая эффективность детектора;
S - крутизна ПХ локатора при нормальном падении на его детекторы лучистого потока, которая соответствует в этом случае их токовой чувствительности (А/Вт);
D - ширина площади детектора (м);
L - длина площади детектора (м);
N - количество детекторов в однонаправленной линейке;
cos(α) и cos(β) - функции интенсивностей излучений по координатам азимута и места.
Пропорциональность фототоков достигается, когда нет аддитивных составляющих (или они ничтожно малы) в членах мультипликативной смеси, порождаемых внешним световым фоном и «темновым» током ФЭП, если он имеется. Это вполне реально на современном этапе технологического развития арсенала средств по изготовлению и использованию фотовольтаических диодов, например солнечно-слепых пассивных детекторов излучений, создаваемых на основе «широкозонных» полупроводниковых структур.
«Разностный» метод годен тогда, когда фиксирована величина одной из функций интенсивности излучений - cos(α) или cos(β), а чувствительные поверхности пары планарных ФЭП развернуты относительно центра координат на равные, но противоположные углы вдоль измерительной оси. В этом случае достаточно успешно выполняются требования к ПХ пассивного локатора вдоль его измерительной координатной оси.
Основные требования к ПХ пассивного локатора в полной мере общеизвестны и очевидны. Она
а) должна быть нечетно-симметричной;
б) вблизи «нулевого» пеленга стремиться к нулю;
в) уровень ПХ по измерительной координатной оси должен быть неизменным и не зависеть от боковых (перпендикулярных) вариаций интенсивностей излучений, а также от меняющихся параметров статического, оптического диапазона длин волн, пассивного локатора;
г) должна иметь максимальный рабочий угол обзора;
д) крутизна характеристики (S) должна стремиться к своему максимуму. Недостаток «разностного» способа в том, что пункты, касающиеся значения нулевого пеленга, стабильности уровней ПХ и величины рабочего угла обзора датчика, выполняются, как правило, частично, когда он воплощается ОСД с ФЭП, имеющие «плоские» чувствительные поверхности. «Разностный» метод не работает, когда по двум углам отклонения ОСД от направления на Солнце носят случайный характер. В этом случае уровни фототоков планарных ФЭП, зарегистрированные вдоль измерительной оси, становятся зависимыми от боковых (перпендикулярных) вариаций прибора, расположенного на посадочной плоскости КА, что является основным изъяном «разностного» метода. Путь устранения этого изъяна - использование «суммарно-разностного» метода.
Суть «суммарно-разностного» метода определения углового положения излучающего ориентира - нахождение одноосного направления по текущему относительному значению ПХ устройства, его реализующего, когда разность фототоков двух планарных ФЭП при одновременном облучении детекторов соотносится с их суммой. Но при использовании планарных ФЭП, отношение разностных и суммарных фототоков устраняет взаимовлияние перпендикулярных вариаций прибора на изменения уровня его ПХ вдоль измерительной координатной оси неоднозначно. Это связано с тем, что порождается другая проблема - появление дополнительной нелинейности (искажений) ПХ в пределах углового обзора ОСД из-за отличий уровней «масштабного фактора» датчика - суммы фототоков двух ФЭП (знаменатель отношения) от его номинального значения. Кроме того, устройства, реализующие такой метод (в частности, прототип), требуют наличия отдельных вычислительных средств, а это является существенным недостатком датчиков по части масс, объема и электропотребления.
Важно отметить, что ПХ устройства, реализующего «суммарно-разностный» метод, при одном и том же секторе обзора имеет явные отличие от характеристики датчика, воплощающего «разностной» метод (см. фиг.1).
Из изложенного следует, что устройства на планарных ФЭП, работающие по описанным выше методам, не позволяют набором простых приемов и технических средств локально разрешить проблему определения углового положения излучающего ориентира для малого класса КА и КПП, когда существуют существенные ограничения по массе, объему и электропитанию.
Суть предлагаемого метода - исключение из состава устройства детекторов излучений, имеющих одинаковые четно-симметричные апертурные характеристики по ортогональным направлениям и формирующих на их основе нечетно-симметричную ПХ датчика, как разность сдвинутых на определенные углы токовых зависимостей двух ФЭП, по текущему уровню которой определяется угловое положение Солнца; и их замена на ФЭП, которые имеют разные виды по двум ортогональным направлениям апертурные зависимости: по одному из них - обычный для планарных детекторов четно-симметричный облик, а по другому - измерительное направление - антисимметричную разновидность. В этом случае величина фототока детектора при его облучении источником будет антисимметрично зависеть от ориентации детектора вдоль измерительной оси. Тогда возможно по значению фототока одного детектора, ориентированного своей чувствительной поверхностью вдоль измерительной координаты, которая перпендикулярна оптической оси устройства в декартовой системе координат ОСД, определять фактическое одноосное направление на излучающий ориентир. Целесообразно в этом случае, чтобы величина фототока ФЭП задавалась его полуцилиндрической чувствительной поверхностью, тогда фототок будет однозначно связан с одноосным угловым положением излучающего ориентира, как
s
s
E*m*[1+sin(x)] или E*m^[1-sin(x)],
датчика;
где  m - масштабный коэффициент, равный половине динамического диапазона
[1+sin(x)] или [1-sin(x)] - антисимметричные апертурные характеристики ФЭП;
(x) - угловые координаты α или β.
Одновременно для подавления мультипликативной составляющей сигнала, которая порождается боковыми (перпендикулярными) вариациями интенсивностей излучений, а также меняющимися от различных факторов параметрами статического, оптического диапазона длин волн, пассивного локатора, необходимо регистрировать и находить сумму фототоков двух других аналогичных ФЭП, но зеркально ориентированных по измерительной оси. Сумма этих токов - «номинальный масштабный фактор» - всегда постоянна во всем угловом диапазоне и равна максимальному его значению, если пара ФЭП имеют полуцилиндрические чувствительные поверхности. «Номинальный масштабный фактор» в силу своего постоянства не искажает ПХ датчика и однозначно во всем его угловом диапазоне обзора подавляет синфазные составляющие сигналов при нормировке фототока детектора, определяющего угловое положение светового ориентира, относительно его текущего на момент регистрации значения.
Тогда получаем, что отношение фототока одного ФЭП, определяющего угловое положение излучающего ориентира, к фототоку «номинального масштабного фактора» равно нормированному текущему значению угловой солнечной координаты, на которое не влияют дестабилизирующие вариации положения датчика, и оно не имеет дополнительных искажений его ПХ.
Предлагаемое устройство определения углового положения источника света содержит четыре одинаковых фотодетектора: ФЭП 1, ФЭП 2, ФЭП 3 и ФЭП 4, воспринимающих поток излучения от источника света, и электрическую схему, которая включает переключатель, два преобразователя ток-напряжение и один аналого-цифровой преобразователь (см. фиг.2). Активные преобразователи «ток-напряжение» совсем не обязательны и могут быть исключены из схемы и заменены на пассивные элементы, например резисторы, если одиночные ФЭП заместить линейками, собранными из определенного числа фотодетекторов, включенных последовательно. Число ФЭП в линейке зависит от типа фотодетектора (ширины его запрещенной зоны). Этот подход не требует увеличения электропотребления и существенно упрощает ОСД, так как остается только один активный преобразователь - АЦП. Кроме того, он позволяет еще и повысить быстродействие датчика.
Детекторы на фиг.2 попарно противоположно ориентированы по свету относительно продольной оси устройства и подключены также попарно по току к преобразователям ток-напряжение. Детекторы ФЭП 1 и ФЭП 2 одной пары включены параллельно и полярно, а детекторы ФЭП 3 и ФЭП 4 выборочно по внешней команде полярно, но раздельно через переключатель к преобразователю ток-напряжение. Все фотодетекторы выполнены в виде фотовольтаических полупроводниковых преобразователей с полуцилиндрической чувствительной поверхностью.
В наиболее компактном исполнении (см. фиг.3) фотодетекторы 1-4 образуют отрезок трубы, на внешней поверхности которой сформирована чувствительная поверхность фотоэлектрических преобразователей, а внутри на керамической плате 5 размещена электрическая схема с выводами 6 планарного разъема, осуществляющие электрическую связь с КА. Полый разрезанный вдоль образующей цилиндр - подложка ФЭП 1-4 - может быть непрозрачен для излучений источника или прозрачен, например представлять собой разрезанную трубу из лейкосапфира. Когда подложка непрозрачна, то детекторы 1-4 формируются или наносятся с наружной стороны, а если она прозрачна, то с внутренней стороны трубы. Прозрачная подложка более целесообразна, так как защищает ФЭП от микрочастиц и повышает их радиационную стойкость за счет ее ослабляющих свойств, если они имеются у конкретного материала полуцилиндров трубы. Кроме того, с наружной стороны подложки могут быть нанесены светофильтры. Однако формирование или нанесение чувствительных поверхностей детекторов с внутренней стороны в технологическом плане проще, когда труба образована из двух полых полуцилиндров. К тому же полый цилиндр следует считать универсальным конструктивным элементом. На его основе с меньшими издержками реализуются распределенные ПОС. В этом главные особенности сенсорной части моноблочной конструкции ОСД.
В другом варианте выполнения устройства (см. фиг.4) фотодетекторы 1-4 размещены на различных сторонах полого корпуса 7, внутри которого размещена электрическая схема. При этом на корпусе 7 расположены элементы солнечной батареи 8, подключенные в качестве источника питания к электрической схеме. Связь с КА у такого устройства организована по беспроводной схеме - оптический или в виде радиоканала.
Предлагаемый способ определения углового положения источника света заключается в регистрации одновременно двух составляющих светового потока с помощью двух пар противоположно ориентированных фотодетекторов 1-4 и определении по результатам регистрации направления на источник. Для этого для одной пары детекторов 1-2 определяют четно-симметричную пеленгационную характеристику, а для другой 3-4 - нечетно-симметричную пеленгационную характеристику, смещенную по оси ординат. Крутизна нечетно-симметричной пеленгационной характеристики может быть увеличена в два раза путем суммирования двух зеркальных апертурных характеристик соответствующих фотодетекторов 1-4, фототок одного из которых имеет противоположную полярность. Фототк фотодетекторов 1-4 преобразуют в напряжение, а аналоговый сигнал напряжения, в свою очередь, - в цифровой сигнал.
Преимущества предлагаемого изобретения достигаются следующими приемами, действиями и операциями:
- заменой только по одному направлению четно-симметричной апертурной характеристики детекторов на антисимметричный вид, смещенный по центру вертикально вверх на постоянную величину, равную половине максимального ее значения, что материализуется путем использования пассивных фотоэлектрических преобразователей с полуцилиндрической чувствительной поверхностью;
- отказом от формирования нечетно-симметричной ПХ устройства из двух четно-симметричных апертурных характеристик ФЭП как их разности и переходом к ассиметричному ее виду, а именно к апертурной характеристике одного детектора с полуцилиндрической чувствительной поверхностью;
- заменой задано равных угловых сдвигов чувствительных поверхностей планарных ФЭП, которые определяют как апертурную характеристику датчика, так и сумму его фототоков - «масштабный фактор», на параллельную зеркальную фиксацию по измерительной координате ОСД двух детекторов с полуцилиндрической чувствительной поверхностью;
- получением «номинального масштабного фактора» из суммы фототоков пары ФЭП с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями по измерительной координате при их параллельной зеркальной (противоположной) ориентации;
- проведением операций одновременного преобразования фототоков ФЭП в пропорциональные напряжения;
- использованием «номинального масштабного фактора» в качестве опоры при смене формы представления текущих сигналов ПХ датчика с аналогового вида на цифровое отображение - двоичный код;
- подавлением синфазных вариаций сигналов ФЭП, вызванных воздействием окружающей среды и их старением, при проведении операции по смене формы представления данных устройством (аналог-цифра) и использовании для этого «номинального масштабного фактора» в качестве исходной опоры;
- исключением влияния имеющихся внешних факторов на изменения уровня и нелинейность ПХ устройства при смене формы представления данных (аналог-цифра).
Два ОСД, реализующих предлагаемый способ, ортогонально расположенных на фундаментальной плоскости КА и разнесенных на некоторое расстояние друг от друга в силу своей независимости, образуют двухосный ПОС. Его можно рассматривать как распределенный вариант построения ОСД. Такой двухосный прибор, но с локальными элементами системы электропитания на солнечных батареях, размещенных на свободных стенках ПОС, становится автономным солнечным датчиком (АСД). Он не понижает надежность и живучесть КА. Кроме того, для установки его на любой КА требуется минимум времени и материальных затрат. Прибор в силу своей независимости может быть использован в качестве вестника (датчика) различных нештатных и аварийных ситуаций как отдельно по каждой координатной оси КА, так и их совокупностей.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает:
о
о
- получение независимого от внешних факторов среды быстродействующего ОСД - базовый функциональный элемент ПОС, имеющего малые величины массы, объема, энергопотребления, но широкоугольное зрение (≥180) с разрешением по углу в центре его ПХ порядка 0,2 для класса малых КА и КНП;
- использование ОСД как фундаментной основы построения более сложных конфигураций распределенных агрегатных систем ориентации на Солнце для любых КА, которые не требуют для выполнения операций как локальных, так и внешних вычислительных средств;
- создание АСД.
Технико-экономические достоинства предлагаемого изобретения заключаются в том, что для его реализации достаточны минимальные ресурсы: аппаратные средства, время, энергопотребление, масса и объем, при этом осуществление на аналоговом и аналого-цифровом электрическом уровнях и не требует специальных локальных или внешних цифровых вычислительных средств. Предлагаемое устройство высоконадежно из-за минимального числа функциональных элементов и простоты схемотехнических решений. Надежность устройства может быть предельно высокой за счет многократного резервирования ФЭП путем использования для этого детекторных линеек и управляемой агрегации. Быстродействие, по существу, ограничивается только выбранной элементной базой и соответствующим ей энергетическим ресурсом, равным потребляемой мощности всех малоинерционных активных функциональных звеньев ПОС.