Малогабаритный датчик угловых координат Солнца

Полезная модель относится к области космической навигации и предназначена для обеспечения сверхмалых космических аппаратов информацией об их ориентации относительно Солнца.
Назначение солнечного датчика - измерение двух углов направления на Солнце, азимутального угла в плоскости поверхности, на которой установлен датчик и полярного угла падения солнечного света относительно нормали к этой поверхности. Ключевыми требованиями, предъявляемыми к подобным детектирующим устройствам, являются угол обзора датчика и точность определения положения Солнца относительно корпуса космического аппарата. На сегодняшний день известно несколько конструкторских решений малогабаритного датчика Солнца. Наиболее распространенное конструкторское решение датчиков основано на принципе действия камеры-обскуры.
Из уровня техники известны устройства регистрации положения Солнца, описанные в следующих источниках: статьи Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites [1], A CMOS Image Sensor with Row and Column Profiling Means [2].
Описанные устройства содержат оптическую систему, матричное фотоприемное устройство, вычислительное устройство, исполнительный блок, устройства работают по принципу камеры-обскуры.
В представленных технических решениях изображение формируется на матричном фотоприемнике с использованием диафрагмы разной толщины и формы микроотверстия. В каждом описанном варианте используются диафрагмы, изготовленные из монолитной пластины, фиксированной (определенной) толщины и имеющие одно микроотверстие цилиндрической формы. Размер микроотверстия для датчиков Солнца с точностью ориентации не хуже 0,5° варьируется от 10 мкм до 100 мкм и влияет на желаемый угол обзора. В таблице 1 представлены основные характеристики высокоточных датчиков Солнца, - описанных в статьях [1] и [2].
Формы диафрагм, применяемые в датчиках Солнца, влияют как на точность определения положения светового пятна, так и на угол обзора устройства.
Угловой обзор α датчика Солнца в первую очередь определяется габаритами микроотверстия (диаметр d и высота h). Так для достижения угла обзора α, микроотверстие в диафрагме должно иметь габаритные размеры, которые удовлетворяют неравенству . При α=120°, для значения диаметра микроотверстия 10 мкм и 50 мкм, значения высоты стенок (толщины диафрагмы) не должны превышать 5,7 мкм и 28,8 мкм соответственно. Стоит отметить, что из-за изменения формы светового пятна на регистрирующей матрицы при больших углах падения световых лучей относительно нормали солнечного датчика [2] необходимо дополнительно уменьшить расчетное значение h.
Изготовление диафрагмы солнечного датчика толщиной менее 28 мкм является высокоточным и трудоемким процессом. Тонкая диафрагма может быть подвержена механическим деформациям во время температурных перепадов при работе солнечного датчика в условиях космоса, а также возможным деформациям при монтаже диафрагмы и вибронагрузках при выводе спутника на орбиту.
Деформация диафрагмы прямым образом влияет на формируемое изображение на матричном фотоэлементе. Для диафрагмы, имеющей одно микроотверстие, форма изображения на матричном фотоэлементе может изменяться под влиянием механических повреждений или температурных перепадов, что не позволяет обеспечить высокую точность регистрации угловых координат Солнца. В статье [2], показано, что наличие стенок микроотверстия влияет на формообразование светового пятна на матрице. При попадании прямых солнечных лучей под ненулевым углом, часть лучей не проходит через препятствие в виде стенок микроотверстия и, световое пятно меняет свою форму.
Таким образом, к недостаткам выше упомянутых конструкторских решений датчиков Солнца можно отнести сложность и трудоемкость изготовления используемых в них диафрагм толщиной менее 28 мкм и их подверженность механическим и температурным деформациям.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является устройство, описанное в статье [2], содержащее оптическую систему с диафрагмой, матричное фотоприемное устройство, блок обработки и передачи данных.
Недостатки данного устройства описаны выше.
Раскрытие заявляемого технического решения
Задачей заявляемой полезной модели является создание датчика, обеспечивающего регистрацию угловых координат Солнца в широком угловом поле обзора (не менее 120°) с высокой точностью (не хуже 0,1°).
Технический результат полезной модели выражается в увеличении угла обзора, повышении жесткости конструкции диафрагмы и, как следствие, улучшение точности регистрации угловых координат положения Солнца за счет использования диафрагмы с отверстием специальной формы.
Указанный результат заявляемого решения достигается тем, что в известном датчике регистрации угловых координат Солнца, содержащим оптическую систему с диафрагмой, матричное фотоприемное устройство, блок обработки и передачи данных, согласно заявляемой полезной модели (Фиг. 1), в оптической системе применяется диафрагма, которая имеет отверстие конической формы и многоуровневую толщину со ступенчатыми концентрическими обнижениями к центру отверстия. Обнижения выполнены относительно верхней части диафрагмы.
Конструкция диафрагмы, представленная на Фиг. 2 обеспечивает увеличенный угол обзора датчика, жесткость диафрагмы, минимизирует ее деформации во время перепадов температуры, и, как следствие, обеспечивает стабильность и точность производимых измерений угловых координат положения Солнца.
Предложенная конструкция также упрощает изготовление диафрагмы, обеспечивает ее многоразовый монтаж и демонтаж исключая непреднамеренные повреждения.
Описание полезной модели поясняется Фиг. 1, 2 и 3.
На фигурах:
1 - корпус датчика,
2 - регистрирующая фотоприемная матрица,
3 - печатная плата, содержащая электронику (блок обработки и передачи данных),
4 - диафрагма,
5 - коническое отверстие диафрагмы,
6 - ступенчатые обнижения,
7 - защитное сапфировое стекло,
8 - уплотнительная прокладка,
9 - стопорное кольцо,
10 - посадочные отверстия для крепления к корпусу космического аппарата.
11 - падающие лучи света.
Описание устройства
В корпусе 1 размещена регистрирующая фотоприемная матрица 2, припаянная к печатной плате 3, содержащей электронику для обработки данных от матрицы; над фотоприемной матрицей 2 в специальном отверстии корпуса размещены последовательно: диафрагма 4, представляющая собой пластину с коническим отверстием 5, ступенчатые обнижения 6 защитное сапфировое стекло 7, уплотнительная прокладка 8 и стопорное кольцо 9. Крепление устройства к космическому аппарату осуществляется через посадочные отверстия 10.
Диафрагма 4 со ступенчатыми обнижениями 6 подробно изображена на Фиг. 2. В геометрическом центре диафрагмы расположено микроотверстие 5, которое имеет форму конуса. Угол между образующими конуса ϕ определяется желаемым углом обзора α, при этом ϕ≥α, диаметр открытого отверстия составляет d.
Количество обнижений зависит от максимальной Н и минимальной толщины диафрагмы h, устанавливаемых пользователем, и определяется формулой , где, r - высота одного обнижения. Диаметр области обнижения р устанавливается неравенством , где i порядковый номер обнижения.
Описание работы устройства.
Для получения изображения от Солнца применен принцип действия камеры-обскуры. Так, падающие лучи света 11, проходя сквозь микроотверстие 5 создают перевернутое изображение на поверхности регистрирующей фотоприемной матрицы. Сквозь отверстие проходят только те лучи, которые падают под углом к нормали не превышающем половину угла обзора α, определяемого конической формой отверстия и размерами областей обнижения диафрагмы 4.
Пример конкретной реализации полезной модели.
В изготовленном опытном образце полезной модели диафрагма датчика Солнца выполнена из алюминия и имеет форму диска, размеры используемой диафрагмы: максимальная толщина 0,5 мм и диаметр 9,5 мм. Диафрагма имеет 5 обнижений, высота каждого из них составляет 94 мкм, минимальная толщина диафрагмы 30 мкм, диаметр открытого отверстия равен 80 мкм, угол между образующими конуса 140°.
Источники информации
1. A. Antonello, L. Olivieri, A. Francesconi, Development of a low-cost sun sensor for nanosatellites, - Acta Astronautica, 2018, vol. 144, pp. 429-436.
2. N. Xie and A.J.P. Theuwissen, Low-power high-accuracy micro-digital sun sensor by means of a CMOS image sensor. - Journal of Electronic Imaging, 2013, vol. 22, No. 3, paper 033030.3.