АКТИВНЫЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ МАЛОРАЗМЕРНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
ACTIVE ULTRAVIOLET SOLAR SENSOR FOR ORIENTATION SYSTEMS OF SMALL-SIZE SPACECRAFT

Область техники
Заявленное изобретение относится к солнечным датчикам системы ориентации малоразмерных космических аппаратов (МКА).
Уровень техники
В настоящее время в системах ориентации МКА широко используются солнечные датчики с фотоприемниками (ФП) на основе кремния. При малых габаритах, весе и стоимости датчики обладают удовлетворительными техническими параметрами. Однако такие датчики имеют существенный недостаток. На выходе датчика присутствуют два сигнала - прямой сигнал от Солнца и отраженный от атмосферы Земли. В результате появляется неоднозначность выбора направления на Солнце. Проблема решается различными дополнительными программными и аппаратными способами, что усложняет бортовую вычислительную машину (БВМ) и снижает надежность устройства в целом. Устранить неоднозначность можно за счет использования солнечного датчика, работающего в УФ части спектра. Такой датчик реагирует на ультрафиолетовое (УФ) заатмосферное излучение Солнца в диапазоне, который поглощается озоновым слоем атмосферы Земли, т.е. датчик не чувствителен к солнечному излучению, отраженному от атмосферы Земли.
Из уровня техники известна конструкция солнечного датчика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2244263, опубл. 10.01.2005). Датчик содержит оптический спектральный фильтр, щелевую маску, многоэлементный фоточувствительный приемник, пороговые элементы, регистр фотоприемника, счетчик, выходной регистр, генератор тактовых импульсов. Направление на Солнце определяется в соответствии с номером элементарного фотоприемника, на выходе которого в данный момент времени фиксируется сигнал от Солнца. Сигнал от атмосферы Земли фиксируется группой фотоприемников, что позволяет с помощью блока логики устранить неоднозначность определения направления.
Недостатками известного технического решения являются значительные габариты и вес конструкции. Использование данной конструкции солнечного датчика в составе малоразмерного космического аппарата - наноспутника массой менее 5 кг не представляется возможным.
Из уровня техники известна конструкция УФ солнечного датчика (см. патент США на изобретение US 5644134, опубл. 01.07.1997).
Функциональная схема УФ солнечного датчика-аналога представлена на фиг.1.
Селективное выделение УФ области (200-290 нм) из спектра поступающей солнечной энергии осуществляется с помощью прецизионных оптических корректирующих светофильтров (1, 4). Выделенное УФ-излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоприемников (2, 3) на основе кремния. Светофильтры с фотоприемниками крепятся на основание (5).
Недостатками известного технического решения являются:
- низкая надежность конструкции солнечного датчика в условиях воздействия неблагоприятных факторов реального космического полета: вакуум, радиация, низкая температура, прямое неослабленное излучение Солнца;
- необходимость защиты оптических корректирующих светофильтров от прямого солнечного излучения приводит к значительному увеличению габаритов и веса конструкции;
- низкая интегральная чувствительность датчика из-за отсутствия встроенного малошумящего предварительного усилителя;
УФ-диапазон, выделенный светофильтрами (200-290 нм), не полностью соответствует спектральной характеристике оптического поглощения озона в атмосфере Земли (280-320 нм), что приводит к появлению на выходе солнечного датчика паразитного сигнала от атмосферы, приводящего к неоднозначности выбора направления на Солнце.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- повышение надежности работы датчика;
- уменьшение габаритов и массы;
- повышение чувствительности и отношения сигнал/шум;
- избавление от проблемы неоднозначности выбора направления на Солнце.
Технический результат достигается тем, что активный ультрафиолетовый солнечный датчик для системы ориентации малоразмерного космического аппарата содержит:
- фотоприемник на природном алмазе, на входное окно которого поступает солнечная энергия, и
- малошумящий предварительный усилитель,
при этом фотоприемник на природном алмазе функционально сочетает в себе два последовательно соединенных устройства: оптический ультрафиолетовый фильтр и ультрафиолетовый фотоприемник соответственно, и размещен в DIP (Dual Inline Package) корпусе, интегрирован в схему малошумящего предварительного усилителя и устанавливается непосредственно на его печатную плату,
при этом селективное выделение ультрафиолетовой области из солнечного спектра и преобразование его в электрический сигнал осуществляется в фотоприемнике на природном алмазе, а дальнейшее усиление сигнала осуществляется в малошумящем предварительном усилителе, выход которого является выходом активного ультрафиолетового солнечного датчика направления для системы ориентации малоразмерного космического аппарата.
В предпочтительном варианте, в качестве фотоприемника на природном алмазе используется фотоприемник типа ФПЯ-1, а в качестве природного алмаза используется алмаз типа 2 А.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 - функциональная схема УФ солнечного датчика-аналога, где:
1 - первый оптический корректирующий светофильтр;
2 - первый кремниевый фотоприемник;
3 - второй кремниевый фотоприемник;
4 - второй оптический корректирующий светофильтр;
5 - основание.
На фиг.2 - функциональная схема заявленной конструкции активного ультрафиолетового солнечного датчика для системы ориентации малоразмерного космического аппарата (МКА), где:
6 - фотоприемник на природном алмазе типа ФПЯ-1;
7 - оптический ультрафиолетовый фильтр;
8 - ультрафиолетовый фотоприемник;
9 - малошумящий предварительный усилитель.
На фиг.3 - принципиальная электрическая схема малошумящего предварительного усилителя.
На фиг.4 - конструкция заявленного активного ультрафиолетового солнечного датчика для системы ориентации малоразмерного космического аппарата (МКА).
Осуществление изобретения
Активный ултрафиолетовый солнечный датчик состоит из фотоприемника (ФП) на природном алмазе типа ФПЯ-1 и малошумящего предварительного усилителя.
ФП на природном алмазе интегрирован в схему малошумящего предварительного усилителя и устанавливается непосредственно на его печатную плату.
ФП на природном алмазе изготовлен из природного алмаза типа 2А. Его спектральная характеристика пропускания (280-320 нм) практически полностью совпадает со спектральной характеристикой поглощения озона, находящегося в атмосфере Земли. Это означает, что ФП на природном алмазе оказывается не чувствителен к солнечному свету, отраженному от атмосферы, так как в нем полностью отсутствует УФ- составляющая. В технике такие фотоприемники на природном алмазе называют «солнечно-слепыми». В то же время алмаз является полупроводником, способным генерировать свободные носители тока (электроны и дырки). При УФ-облучении, через алмаз начинает протекать фототок, что указывает на возможность создания фотопреобразователя на его основе. Таким образом, алмаз типа 2А функционально сочетает в себе два устройства: оптический УФ-фильтр и УФ фотоприемник. Использование ФП на природном алмазе в датчике позволяет полностью избавиться от проблемы неоднозначности выбора направления на Солнце, присущей кремниевым фотоприемниках.
ус.ПУ
Для повышения чувствительности и отношения сигнал/шум на выходе активного ультрафиолетового датчика, ФП на природном алмазе интегрирован в схему малошумящего предварительного усилителя (ПУ). Активный ультрафиолетовый солнечный датчик, размещенный в DIP корпусе, устанавливается непосредственно на печатную плату малошумящего предварительного усилителя. Коэффициент усиления ПУ выбирается с учетом конкретных параметров ФП на природном алмазе, высоты рабочей орбиты МКА и условий нормального функционирования аналого-цифрового преобразователя (АЦП) бортовой вычислительной машины (БВМ). Так, к примеру, если запуск МКА планируется с Международной космической станции (МКС), находящейся на орбите высотой около 400 км, с учетом усредненных параметров ФП на природном алмазе, коэффициент усиления ПУ должен быть равен К=80-100.
На фиг.3 представлен пример реализации принципиальной электрической схемы малошумящего предварительного усилителя.
Солнечная энергия, попавшая на входное окно фотоприемника на природном алмазе, преобразуется им в электрический сигнал. Фотоприемник В1 типа ФПЯ-1 входит в состав мостовой схемы, состоящей из B1, R4 (левое плечо) и R1, R5 (правое плечо), разностный сигнал с которой поступает на вход прецизионного операционного усилителя D1 (выв.3) типа OP 177GS производства фирмы Analog Devices. Питание операционного усилителя осуществляется однополярным напряжением. Необходимое напряжение смещения обеспечивается стабилизатором, собранном на стабилитроне VI, токозадающем резисторе R3 и конденсаторе фильтра C1. С выхода усилителя D1 (выв.6), пройдя через ограничительный стабилитрон V2, сигнал поступает на выход устройства, клемма «Вых.». Резистор R6 создает цепь нагрузки стабилитрона V2. С выхода D1 (выв.6) на вход (выв.2) через резистор R2 и конденсатор С2 усилитель охвачен частотно-зависимой отрицательной обратной связью. Напряжение питания на D1 (выв.7) поступает со стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне V3, токозадающем резисторе R7 и конденсаторе фильтра C3. На клеммы «+12 B» и «0» поступает внешнее напряжение питания.
На фиг.4 показана конструкция заявленного активного ультрафиолетового солнечного датчика для системы ориентации малоразмерного космического аппарата.
В заявленном датчике полностью устранен недостаток, присущий применявшимся ранее кремниевым датчикам - неоднозначность определения направления. Это позволило исключить логическую часть из схемы обработки сигнала с датчика.
Активный ультрафиолетовый солнечный датчик способен работать в условиях открытого космоса и не требует дополнительных мер защиты. Это позволило уменьшить массу и габариты датчика по сравнению с существующими солнечными датчиками.
За счет применения встроенного малошумящего усилителя, активный ультрафиолетовый солнечный датчик обладает повышенной чувствительностью, что предполагает его использование и в других областях космической техники, например для измерения величины УФ-излучения.