УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СОЛНЦА
UV SUN SENSOR

Изобретение относится к области космической навигации и предназначено для обеспечения космических аппаратов информацией об их ориентации относительно Солнца, а именно к высокоточному солнечному датчику.
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. Основными 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 датчика Солнца. Наиболее распространенное решение основано на использовании фотоприемных устройств и расположенной над ними диафрагмы с окном определенных размеров.
Из существующего уровня техники известен активный ультрафиолетовый солнечный датчик для системы ориентации малоразмерного космического аппарата (Патент на изобретение RU 2525634, опубл. 20.08.2014), включающий в себя фотоприемник на основе природного алмаза и малошумящий предварительный усилитель, установленные на печатной плате.
В качестве фотоприемника на природном алмазе используется фотоприемник типа ФПЯ-1, а в качестве природного алмаза используется алмаз типа 2А. 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. В представленном датчике засвечивается вся площадь фотоприемного устройства, выходной сигнал зависит от угла падения солнечного света на поверхность фотоприемника и выражается соотношением I=S*cosα, где S - чувствительная площадь поверхности фотоприемника, α - угол падения солнечного света к поверхности фотоприемника. Солнечные датчики на данном принципе не отличаются высокой точностью измерения угла падающего света. Используемый природный алмаз типа 2А в конструкции датчика довольно редок, и их содержание, например в якутских месторождениях, не превышает 1-2% при массе кристаллов не менее 0,1 карата (Природные алмазы России / Под ред. В.Б. Кваскова. М: Полярон, 1997).
В другом известном устройстве регистрации положения Солнца - солнечном датчике, содержащем оптическую систему и фотоприемное устройство (Boslooper Е., Heiden N., Naron D., Schmits R., Velde J.J., Wakeren J., BepiColombo Fine Sun Sensor / ICSO 2012, 105641p, 2017) в качестве фотоприемного устройства применен четырехсегментный фотодиод, являющийся точным прибором определения положения светового пятна относительно его четырех сегментов. Таким путем устранены недостатки, связанные с низкой точностью измерения угловых координат Солнца. Однако, применяемый в конструкции данного солнечного датчика четырехсегментный фотодиод изготовлен из кремния, соответственно функционирует в видимом диапазоне светового излучения (400-900 нм), что делает его чувствительным к паразитным засветкам. На выходе датчика помимо сигнала от Солнца будет присутствовать отраженный сигнал от атмосферы Земли. Паразитный сигнал засветки невозможно отфильтровать без использования дополнительных программно-аппаратных решений. Также использование кремниевого фотоприемника делает его подверженным влиянию космической радиации, что сказывается на сроке активного существования датчика и достоверности его показаний.
Задача, на решение которой направлено патентуемое изобретение, заключается в создании ультрафиолетового датчика угловых координат Солнца без указанных выше недостатков, технический результат от использования которого заключается в обеспечении регистрации угловых координат Солнца с более высокой точностью (не хуже 0,1°) благодаря исключению влияния паразитных засветок на выходной сигнал, и по более надежной технологии.
Указанный технический результат достигается ультрафиолетовым датчиком угловых координат Солнца, включающим корпус, где размещено фотоприемное устройство непосредственно на печатной плате, содержащей электронную схему для обработки данных от фотоприемного устройства, при этом, согласно изобретению, в качестве фотоприемного устройства использован четырехсегментный карбид-кремниевой фотодиод, функционирующий в диапазоне длин волн 200-370 нм, с пиком чувствительности в области светового спектра 280 нм, с размещенной над ним диафрагмой, а диафрагма представляет собой ультрафиолетовый светофильтр со светопропусканием в диапазоне 270-290 нм с пиком светопропускания в области 280 нм, с нанесенным на него светопоглощающим покрытием и квадратным окном заданного размера, выполненным в нанесенном светопоглощающем покрытии.
Селективное выделение интересующей области солнечного спектра осуществляется светофильтром, а преобразование световой энергии в полезный сигнал осуществляет карбид-кремниевый четырехсегментный фотодиод.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид конструкции солнечного датчика;
на фиг. 2 - вид фиг. 1 в разрезе;
на фиг. 3 - схематическое изображение принципа работы датчика.
На чертежах приняты следующие цифровые и буквенные обозначения:
1 - корпус датчика;
2 - карбид-кремниевый четырехсегментный фотодиод;
3 - печатная плата с блоком цифровой обработки и передачи данных;
4 - разъем питания и интерфейсов;
5 - диафрагма;
6 - отверстия для крепления датчика;
d -длина стороны квадратного окна в светопоглощающем покрытии;
h - расстояние от диафрагмы до фотоприемного устройства.
Ультрафиолетовый датчик угловых координат Солнца (Фиг. 2) содержит корпус 1, где в качестве фотоприемного устройства размещен непосредственно на печатной плате 3 (припаянный к ней) регистрирующий карбид-кремниевый четырехсегментный фотодиод 2, изготовленный по карбид - кремниевой технологии, функционирующий в диапазоне длин волн 200-370 нм с пиком чувствительности в области 280 нм. Печатная плата содержит электронную схему для обработки данных от фотодиода 2, разъем питания и интерфейсов 4. Над фотодиодом 2 размещена диафрагма 5, представляющая собой ультрафиолетовый светофильтр со светопропусканием в диапазоне 270-290 нм с пиком светопропускания в области 280 нм, с нанесенным на него светопоглощающим покрытием и квадратным окном заданного размера, выполненным в нанесенном светопоглощающем покрытии.
Описание работы устройства.
Для получения угловых координат Солнца падающее ультрафиолетовое солнечное излучение, проходя сквозь квадратное окно заданного размера d создает освещенный участок на поверхности регистрирующего карбид-кремниевого четырехсегментного фотодиода на заданном расстоянии от окна h (Фиг. 3). При изменении угла падения ультрафиолетового излучения, освещенный участок также будет перемещаться по плоскости четырехсегментного фотодиода, изменяя фототок с каждого из четырех регистрирующих сегментов фотодиода. Измеряя эти фототоки можно рассчитать угол Солнца.
Пример конкретной реализации изобретения.
В изготовленном опытном образце датчика Солнца диафрагма 5 выполнена с квадратным окном в нанесенном тонком светопоглощающем покрытии на поверхности ультрафиолетового светофильтра. Для изготовления диафрагмы применяется светопоглощающее покрытие с коэффициентом светопоглощения 99,75% в диапазоне волн 200-800 нм, что позволяет уменьшить переотражения света внутри самого датчика. Размеры используемой диафрагмы: толщина покрытия 300 нм, размер стороны квадратного окна d=3 мм, расстояние от диафрагмы до фотоприемного устройства h=0,75 мм (Фиг. 3).
Создан датчик на четырехсегментном фотодиоде, обеспечивающий регистрацию угловых координат Солнца с высокой точностью (не хуже 0,1°) и надежной технологии его изготовления по сравнению с датчиком, основанном на применении кремниевого фотоприемного устройства и датчиком-прототипом.