ШИРОКОПОЛЬНЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА
WIDE-FIELD SUN POSITION SENSOR

Изобретение относится к приборам навигации космических аппаратов, в частности к приборам определения координат направления на Солнце или иной источник оптического излучения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является датчик положения Солнца с многоэлементным фотоприемником [1], элементарные фотоприемники которого расположены на корпусе с заданным угловым шагом относительно некоторой оси. Фоточувствительные площадки элементарных фотоприемников образуют усеченную коническую поверхность.
При облучении многоэлементного фотоприемника можно выделить группу освещенных элементарных фотоприемников, при этом остальные находятся в тени. Вычисление угловых координат Солнца производится исходя из величин сигналов освещенных элементарных фотоприемников по математическим формулам.
Недостатком известного устройства является невысокая надежность из-за отсутствия защиты фоточувствительных площадок многоэлементного фотоприемника от механических повреждений и от солнечных бликов, отраженных от конструкции космического летательного аппарата, а также низкая точность определения угловых координат Солнца.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения угловых координат Солнца и надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что широкопольный датчик положения Солнца (ШДС), содержащий многоэлементный приемник оптического излучения, элементарные фотоприемники которого с фоточувствительными площадками расположены на корпусе с заданным угловым шагом, и устройство обработки сигнала, дополнительно снабжен блендами цилиндрической формы, расположенными на корпусе по окружности относительно вертикальной оси корпуса, элементарные фотоприемники установлены в бленды так, что их оптические оси соосны осям бленд, при этом корпус имеет форму полусферы или многогранника, на боковых поверхностях корпуса установлены бленды с элементарными фотоприемниками в несколько ярусов, и над фоточувствительными площадками элементарных фотоприемников в блендах расположены светофильтры.
На фиг. 1 изображен общий вид широкопольного датчика положения Солнца, корпус которого выполнен в виде полусферы, на фиг. 2 - общий вид широкопольного датчика положения Солнца, корпус которого выполнен в виде многогранника, на фиг. 3 - сечение элементарных фотоприемников, на фиг. 4 - расположение элементарных фотоприемников в ШДС, содержащем 8 элементарных фотоприемников, при параллельном падении лучей относительно оси чувствительности ШДС, на фиг. 5 - расположение элементарных фотоприемников в ШДС, содержащем 4 элементарных фотоприемника, при параллельном падении лучей относительно оси чувствительности ШДС, на фиг. 6 - расположение элементарных фотоприемников в ШДС, содержащем 8 элементарных фотоприемников, при перпендикулярном падении лучей относительно оси чувствительности ШДС.
Широкопольный датчик положения Солнца содержит многоэлементный приемник оптического излучения, состоящий из корпуса 1, выполненного в виде полусферы (фиг. 1), в сквозных отверстиях которого по окружности относительно оси чувствительности (вертикальной оси) 2 ШДС установлены цилиндрические бленды 3, или многогранника (фиг. 2), на боковых поверхностях которого установлены цилиндрические бленды 3. Бленды 3 (фиг. 3) могут быть снабжены, например, цилиндрическим фланцем, и установлены в корпус до упора торца цилиндрического фланца в корпус. Элементарные фотоприемники 4 с фоточувствительными площадками 5 установлены в бленды так, что оптические оси элементарных фотоприемников соосны осям бленд. В бленды 3 перед фоточувствительными площадками 5 элементарных фотоприемников 4 установлены светофильтры 6, которые служат для защиты элементарных фотоприемников от попадания прямых лучей Солнца (фиг. 3). Вместо Солнца можно использовать иной источник оптического излучения. Дальнейшую обработку выходных данных с элементарных фотоприемников осуществляет устройство обработки сигнала, расположенное в блоке системы управления космического аппарата (на чертеже не показано).
Работа широкопольного датчика положения Солнца осуществляется следующим образом.
При падении лучей на широкопольный датчик положения Солнца лучи, пройдя входное окно бленды 3, отражаются от внутренней поверхности и создают освещенность на фоточувствительной площадке 5 элементарного фотоприемника 4. По значениям выходных сигналов с нескольких элементарных фотоприемников с помощью устройства обработки сигналов определяются угловые координаты Солнца относительно оси чувствительности ШДС 2.
Широкопольный датчик положения Солнца содержит не менее трех элементарных фотоприемников 4 для определения любого направления на Солнце в пределах полусферы. Увеличение количества элементарных фотоприемников позволит повысить точность измерений благодаря получению более выраженной зависимости показания тока от угла падения лучей Солнца при наличии бленды, а также увеличить надежность датчика, так как отказы одного или нескольких фотоприемников не повлияют на процесс вычисления угловых координат Солнца. В качестве элементарного фотоприемника используются фотодиоды или элементы солнечных батарей (фотоэлементы).
Лучистый поток Солнца оказывает тепловое воздействие на фоточувствительную площадку элементарного фотоприемника, вследствие чего элементарный фотоприемник может отказать или выдавать выходные значения с погрешностями. Для ослабления теплового потока Солнца и обеспечения допустимого уровня освещенности элементарного фотоприемника используется светофильтр 6. Светофильтр 6 изготавливается из радиационно-стойкого стекла К208, не теряющего свои оптические свойства со временем в условиях космоса. На верхнюю часть стекла методом вакуумного напыления наносят слой металлической пленки, имеющей электрический контакт с корпусом прибора для снятия электрического заряда.
Бленды с элементарными фотоприемниками располагаются на поверхности корпуса ШДС так, чтобы обеспечить обнаружение Солнца в пределах полусферического поля зрения. Угловое расстояние между блендами с элементарными фотоприемниками на окружности в одном ярусе и расположение ярусов зависит от количества элементарных фотоприемников. Бленды с элементарными фотоприемниками устанавливаются по окружности в ярусе таким образом, чтобы обеспечить одинаковое угловое расстояние между ними. Расстояние между ярусами, содержащими бленды с элементарными фотоприемниками, определяется таким образом, чтобы при падении лучей Солнца параллельно оси чувствительности ШДС, фоточувствительная площадка элементарного фотоприемника закрывалась блендой и освещалась лучами, отраженными от внутренней поверхности бленды (фиг. 4, фиг. 5). Угол наклона оси бленды с элементарным фотоприемником для верхнего яруса вычисляется следующим образом:
где β - угол наклона оси бленды с элементарным фотоприемником для верхнего яруса, а - сторона фоточувствительной площадки элементарного фотоприемника, d - внутренний диаметр бленды, k - расстояние между фоточувствительной площадкой элементарного фотоприемника и выступающей кромкой бленды.
Засветка верхнего яруса фоточувствительной площадки элементарного фотоприемника прямыми лучами свидетельствует об отклонении Солнца от оси чувствительности ШДС. Угол отклонения Солнца, находящегося в поле зрения элементарного фотоприемника, определяется по выходным показаниям элементарных фотоприемников, причем малейшее отклонение Солнца от оси чувствительности ШДС сразу регистрируется благодаря перемещению тени по фоточувствительным площадкам элементарных фотоприемников. При отклонении Солнца или источника оптического излучения на 90 градусов относительно оси чувствительности ШДС, фоточувствительные площадки элементарных фотоприемников, расположенных равномерно на окружности нижнего яруса, закрываются блендами и освещаются лучами, отраженными от внутренней поверхности бленд (фиг. 6). Это позволяет уменьшить или полностью избежать попадание на ШДС лучей, отраженных от элементов космического аппарата. Дополнительные ярусы с блендами и элементарными фотоприемниками, расположенными на корпусе ШДС с равным угловым шагом по окружности между верхним и нижним ярусом, позволяют повысить точность определения угловых координат Солнца и надежность ШДС.
Таким образом, предлагаемый широкопольный датчик положения Солнца позволяет повысить точность определения угловых координат Солнца за счет обеспечения защиты фоточувствительных площадок элементарных фотоприемников от механических воздействий и от солнечных бликов, отраженных от конструкции космического летательного аппарата и надежность устройства.
Источники информации
1. Патент RU №2509290, G01C 21/24, 10.03.2014