太阳敏感器 原理
第10章航天器姿态与轨道控制分系统(1)
3. 航天器轨道控制系统
3.2 航天器的轨道机动与轨道保持
航天器在控制系统作用下使其轨道发生有 意的改变称为轨道机动。轨道机动方式一 般有两种： 无线电指令控制系统或称遥控系统； 惯性控制系统。 变轨控制分为轨道改变和轨道转移。 轨道保持是对在轨航天器受到外界干扰的 作用下偏离预定轨道的修正。
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1. 航天器控制的基本概念
1.6 姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿态控制密切 相关。为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求。即当需要对航天器 进行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞 行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。有些应用任务对轨 道没有严格要求，如空间环境探测卫星，则只有姿态控制系统。
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1. 航天器控制的基本概念
1.2.航天器的控制
航天器在轨道上运动将受到各种力矩的作用。从刚体力学的角度来 说，力使航天器的轨道产生摄动，力矩使航天器姿态产生扰动。 航天器的控制可以分为两大类：轨道控制和姿态控制。 1.对航天器的质心施加外力，以有目的地改变其运动轨迹的技术， 称为轨道控制。 2.对航天器绕质心施加力矩，以保持或按需要改变其在空间的定向 技术，称为姿态控制。
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1. 航天器控制的基本概念
星上自主控制框图 星—地大回路控制框图
轨道运动
星载控制器
执行机构
星体姿态和轨道动力学
姿态运动
卫星动力学
⊗
给定
敏 感 器
姿态轨道 控制器
敏感器
执 行 机 构
跟踪
遥测
遥控
跟踪
遥测
遥控
数据处理 测定轨道
控制参数 计算
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太阳敏感器
太阳敏感器的构成主要包括三个方面：光学头部、传感器部分和信号处理部分。
光学探头包括光学系统和探测器件，它利用光电转换功能实时获取星体相对太阳的姿态角度信息。
光学头部可以采用狭缝、小孔、透镜、棱镜等方式；传感器部分可以采用光电池、CMOS器件、码盘、光栅、光电二极管、线阵CCD、面阵CCD、APS、SMART等各种器件；信号处理部分方案可采用分离电子元器件、单片机、可编程逻辑器件等。
编辑本段太阳敏感器的基本分类通常，太阳敏感器可分为3类：（1）模拟式太阳敏感器。
它产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位（太阳角）的连续函数；（2）太阳出现敏感器（0-1式太阳敏感器）。
它以数字信号1或0表示太阳是否位于敏感器的视场内；（3）数字式太阳敏感器。
它能提供离散的编码输出信号，其输出值是被测太阳角的函数。
该敏感器的特点是：视场大、精度高、寿命和可靠性有很强的优势，己广泛应用于各种型号的航天器上。
编辑本段各种太阳敏感器工作原理与特点太阳敏感器按照其工作的方式可以分成“0-1”式、模拟式和数字式几种。
0-1”式太阳敏感器“0-1” 式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。
它的结构也比较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。
持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。
一般来说，卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳是否出现在视场中。
“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏感器同时工作。
这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。
例如，此球反射的太阳光信号、太阳帆板反射的太阳光等都容易对这种敏感器形成干扰。
因此，敏感器的滤波器能够滤掉偶尔出现的电脉冲。
模拟式太阳敏感器模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：其中，Iθ—太阳光束与光电池法线方向的夹角。
航天器控制原理(第四章 控制系统组成)
哥伦比亚航天飞机视频资料
4.2
4.2.1 推力器
执行机构
推力器是目前航天器控制使用最广泛的执行机构之 一。它根据牛顿第二定律，利用质射排出，产生反作用 推力，这也正是这种装置被称为推力器或喷气执行机构 的原因。当推安装使得推力方向通过航天器质心，则成 为轨道控制执行机构；而当推力方向不过质心，则必然 产生相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。 根据产生推力所需能源的形式不同，质量排出型推 力器可以分为冷气推力器、热气推力器和电推力器。
加速度计
加速度计是用于测量航天器上加速度计安装点的绝对 加速度沿加速度计输入轴分量的惯性敏感器。虽然目前加 速度计没有广泛用于航天器的姿态稳定和控制，但它是航 天器导航系统中重要的器件。 加速度计的种类很多，有陀螺加速度计、摆式加速度 计、振动加速度计、石英加速度计等。
4.1.6
磁强计
磁强计是以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏 感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。 由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型 事先确定，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之 对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。 磁敏感器根据工作原理不同可以分为感应式磁强计 和量子磁强计两种。
4.1.4 陀螺 陀螺是利用一个高速旋转的质量来敏感其自旋轴在 惯性空间定向的变化。 陀螺具有两大特性，即定轴性和进动性。 定轴性就是当陀螺不受外力矩作用时，陀螺旋转轴 相对于惯性空间保持方向不变； 进动性就是当陀螺受到外力矩作用时，陀螺旋转轴 将沿最短的途径趋向于外力矩矢量，进动角速度正比于 外力矩大小。
姿态敏感器小结
在实际的航天器姿态控制系统中，各种敏感器单独使 用一般是不能满足要求的，需要多种多个姿态敏感器组 合使用，形成一个姿态测量系统。原因主要有三方面：
航天器姿态动力学部分复习分考题第一章1.动量矩是怎样定义的？写出其
航天器姿态动力学部分复习分考题第一章1. 动量矩是怎样定义的？写出其在本体坐标系的分量的表达式(两种)。
2. 写出惯量张量的一般计算表达式。
对于主轴系惯量张量的表达式是怎样的?3. 刚体动能的定义式、一般计算式和主轴系中的计算式是怎样的？4. 绕原点转动运动的基本定理及其表达式是什么？欧拉动力学方程在本体系的一般表达式怎样？，在主轴系中的表达式又怎样？5. 欧拉角（进动角，章动角，自转角）是哪两个坐标点的夹角关系？是按怎样的顺序旋转得到的？表示的几何意义是什么？6. 写出关于按313顺序定义的欧拉角的欧拉运动学方程。
7. 常质量航天动力学方程是根据什么原理建立的？在哪个坐标系上列写标量方程？写出其具体方程。
用什么方法求解该动力方程组？＊8. 什么是定向性？9. 什么是稳定性？10. 根据什么原理来说明定向性，写出该定向性的数学表达式。
11. 什么情况下有定向性？说明典型的定向性情况。
12. 对自旋卫星定向性和稳定性的关系是什么？13. 写出自旋卫星稳定性的分析过程。
14. 自旋稳定有什么优缺点？15. 内能耗散系统用什么模型？16. 说明内能耗散对系统稳定性的影响。
17. 双自旋稳定方式是怎样提出来的？其根据是什么？18. 写出双自旋卫星稳定性分析的过程。
19. 双自旋稳定系统的优缺点是什么？第二章20. 环境力矩有哪些？这些力矩有什么特点？有什么作用？21. 什么是引力梯度力矩？并通过实例来解释。
22. 刚体的引力梯度矩是怎样定义的？写出其计算表达式。
说明其性质。
23. 引力梯度力矩作用下，欧拉角如何定义？引力梯度力矩如何计算？欧拉运动学方程和动力学方程如何建立？24. 如何推导姿态动力学方程的线性化方程？从线性化方程可以看出姿态运动有什么特点？25. 怎样进行引力梯度稳定系统的稳定性分析？26. 详细解释ky-kr相平面的物理定义。
27. 如何在ky-kr相平面上表示引力梯度系统的稳定性条件（稳定域）？28. 引力梯度系统有什么特点？第三章29. 说明小推力器系统控制姿态的原理。
航天器姿态确定与姿态控制
光敏元件阵列是由一排相互平行且独立的
光电池条组成，其数量决定了太阳敏感器输出
编码的位数，从而在一定程度上影响到敏感器
的分辨率。
图4.3 两轴模拟式太阳敏感器
航天器姿态确定
红外地平仪
红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当 地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器，简称地平仪。
目前红外地平仪主要有3种形式：地平穿越式、边界跟踪式和辐射 热平衡式。
磁矩与地球磁场相互作用就可产生控制力矩，实现姿态控制。
航天器姿态控制
利用环境场产生控制力矩，最常用的除了磁力矩以外，还有重力 梯度力矩等。
磁力矩与轨道高度的3次方成反比，轨道高度越低，磁力矩越大。 所以磁力矩作为控制力矩比较适用于低轨道航天器。
重力梯度力矩适用于中高度轨道航天器。 太阳辐射力矩适用于同步轨道卫星等高轨道航天器。 气动力矩也适用于低轨道。 但是最后两种力矩较少用来作为控制力矩。利用环境力矩产生控 制力矩的装置可称为环境型执行机构。
单脉冲比相干涉仪是由光的干涉原理引伸而来，至少要采用两个接收 天线，其间矩为d，称为基线长度。当天线与地面距离比基线长度d大得 多时，有如下关系式：
cos 2 d
式中， 为两个天线接收电波的相位差，A为波长。由式可见， 是预先 确定的，因此只要测出两个天线接收信号的相位差，便可确定方向角 。
➢ 被动式
被动控制系统是用自然环境力矩源或物理 力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场、太阳辐 射力矩或气动力矩等以及它们之间的组合来控 制航天器的姿态。
其中地平穿越式地平仪扫描视场大，其余两种地平仪的工作视场较 小，只能适用于小范围的姿态测量，但精度较高。
航天器姿态确定
➢ 地平穿越式地平仪
地平穿越式地平仪的视场相对于地球作扫描运动。当视场穿越地平 线时，也就是说扫到地球和空间交界时，地平仪接收到的红外辐射能量 发生跃变，经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转变成电信号， 形成地球波形。然后通过放大和处理电路，把它转变成为前后沿脉冲。 最后通过计算电路，把前后沿脉冲与姿态基准信号进行比较，得出姿态 角信息，也就是滚动角或俯仰角。
一种新型太阳敏感器
得的高 信噪 比使 得检 测 比较 容易 实现 、抗干 扰能 力强 。当前大 多数 卫星 的能 源都 来 自于太 阳的 辐射 ，因而 配备 太阳敏 感 器也是 卫星 能 源安全 的 必备保 证 。
Ｏ 引 言
太 阳敏感 器是 卫星姿 态 控制 系统 中广泛 使 用的一 种 光 电敏 感 器 ，用于检 测卫 星轴 线 与太 阳矢量 之 间的 角度 。相 对于 其他 光 电敏 感 器（ 如星 敏感 器和 红 外地球 敏 感 器） ，太 阳敏 感 器相对 而 言原 理 简单 、可靠 且 由
ｅ ｒｅ ｃ ｄ ． ｌｄ ｅ—ｈ ｐ ｄｎ ｒｏ ｓｉ ｓ ｎｓｎ ｏ ｒｓｎｅ ， ｉｈｈ ｓａｖ ｒ ａｇ ｅｄｏ ｉｗ （ ７ ） ｎ ｓ ｍｅｇ ｎ ｅｍｏ ｅ Ａ ｄ ｒｓ ａ ｅ ａｒ ｗ ｌ ｕ ｅ ｓ ｒｉ ｐ ｅｅ ｔｄ ｗｈｃ ａ ｅ ｌｒ ｅｆ ｌ ｆｖｅ １ 。 ａ ｄｉ ａ ｔ ｓ ｙ ｉ ５
Ａ Ｎｅ Ｋ ｉ ｄ ｏ ｗ ｎ ｆＳｕ ｅ ｓ ｒ ｎＳ ｎ ｏ
ＷＥ ｈ－ｕ ，Ｌ Ｕ Ｘ ａ － ｎ Ｕ Ｚ ｅ ｇｘｎ Ｉ ｉ ｎ Ｚ ｊ Ｉ ｉｏｊ ，Ｌ ｈ ｎ －ｉ ｕ
（ ｅ ｉ ｎｔｕｅｏ ｏ ｔ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｂ ｉｎ ０ １０ Ｃ ｉ Ｂ ｉｎ ｓｉ ｔ ｆＣ ｎｒ Ｅ ｇｎ ｅｉ ， ｅ ｉ １ ０ ９ ， ｈｎ ｊ ｇＩ ｔ ｏ ｎ ｊｇ ａ）
第 ３ 卷 第 ５期 ７
２ １ 年 ５月 ００
光 电工程
Ｏｐ ｏ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃＥｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｔ — ｅ ｔｏ ｉ ｉ ｅ ｒｎ
超大视场太阳敏感器图像质心提取算法
超大视场太阳敏感器图像质心提取算法詹银虎;郑勇;张超;马高峰;骆亚波【摘要】太阳图像质心提取是利用太阳敏感器进行天文导航的关键技术之一，直接决定了太阳敏感器的观测精度。
针对超大视场太阳敏感器非圆形太阳图像质心提取问题，首先提出像面椭圆拟合算法，较好地解决了椭圆及近似椭圆形太阳图像的质心提取问题，然后进一步提出了球面圆拟合算法。
该算法根据相机的投影和畸变模型，将太阳图像的边缘点映射到物方空间，对物方空间的边缘点进行球面圆拟合，从而确定太阳质心位置。
在估计球面圆拟合算法的精度时，需要将太阳质心位置映射回像面。
理论上，球面圆拟合算法不再需要顾及太阳图像的形状，算法更为严谨。
将椭圆拟合算法和球面圆拟合算法应用到实测的太阳图像质心提取中。
结果表明，椭圆拟合算法更适合处理半视场角70°～803．°的太阳图像，平均精度约为00．75 pi x el s；球面圆拟合算法更适合处理半视场角大于803．°的太阳图像，平均精度约为00．82 pi x el s。
%Sun image centroid algorithm is one of the key technologies of celestial navigation using sun sensors ,which directly determine the precision of the sensors .Due to the limitation of centroid algorithmfor non‐circular sun image of the sun sensor of large field of view,firstly ,the ellipse fitting algorithm is proposed for solving elliptical or sub‐elliptical sun images .Then t he spherical circle fitting algorithm is put forward .Based on the projection model and distortion model of the camera ,the spherical circle fitting algorithm is used to obtain the edge points of the sun in the object space ,and then the centroid of the sun can be determined by fitting the edge points as a spherical circle .In order to estimate the precision of spherical circle fitting algorithm ,the centroid ofthe sun should be projected back to the image space . Theoretically ,the spherical circle fitting algorithm is no longer need to take into account the shape of the sun image ,the algorithm is more precise .The results of practical sun images demonstrate that the ellipse fitting algorithm is more suitable for the sun image with 70°~80 .3° half angle o f view , and the mean precision is about 0 0.75 pixels;the spherical circle fitting algorithmis more suitable for the sun image with a half angle of view larger than 80 3.° ,and the mean precision is about 0 0.82 pixels .【期刊名称】《测绘学报》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】7页(P1078-1084)【关键词】天文导航;太阳图像;质心提取算法;边缘检测;最小二乘拟合【作者】詹银虎;郑勇;张超;马高峰;骆亚波【作者单位】信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州450001;信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州450001;信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州450001;信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州450001;郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】P2281 引言太阳敏感器是一种通过观测太阳方向矢量确定载体姿态的传感器，在航空航天领域应用极其广泛。
小型CMOS太阳敏感器
耗为 ７ ０ ５ ｍＷ．包括 处理 电路在 内的整个结构尺寸为 ８ ｍ ８ｍｍｘ ５ ０ ｍｘ ０ ３ ｍｍ．
Ｃ Ｓ图像传感器的出现和普及为满足这种要求提供 了可能。目前我国取得成功应用的太阳敏感器还是以 ＭＯ
模拟式和编码式为主要型号 。 而基于 Ｃ Ｓ的新型数字式太阳敏感器的研制 ，国内才刚刚起步 ， ＭＯ 各性能指 标 与 国外相 比还有 很大 差距 ¨ 。 Ｊ
本文介 绍 了一 种小 型 Ｃ ＭＯＳ数字 式太 阳敏 感器 的工作 原理 、系统设 计 。通过 对 其 光学 系统设 计参 数的
己ｌ 吉 Ｊ● 口
太阳敏感器是以太阳为基准方位 ，用以测量太阳视线与卫星等航天器某一体轴或坐标平面之间夹角的
一
种姿 态敏 感器 。主要有 模 拟式 、一 般 数内外
航天器过去所常用，其所用光敏探测元件多为半导体光电池（ｉ ｓ 及光电导 器件（ ｄ ） ） Ｃ Ｓ。以光电池为光敏探测 元件的模拟式太阳敏感器由于基于光伏特性 ，模拟量输 出，分辨率和测量精度低。一般数字式太阳敏感器 较模拟式太阳敏感精度有所提高 ，但是也很难满足微型航天器高精度，小型化 的要求。Ｆ Ｇ 以及高性能 ＰＡ
ｐ ｒ ｍｅｅ ｆ ｉ ｐ ｉ ｙ ｅ Ｗａ ｅ ｅ ｔ ｄ ｒ ａ ｏ ａ ｌ．Ｃｅ ｔ ｉ ｉ ｇ ｅ ｔｍａｉ ｎ ｏ ｈ ｕ ｍａ ｅ Ｗａ ｃ ｕ ｒ ｄ ｗｉ ａ ａ ｔ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔｃ ｓ ｓ ｍ ｓ ｓ ｌ ｃｅ ｅ ｎ ｂ ｙ ｓ ｔ ｓ ｎｒ ｄｎ ｓｉ ｔ ｆｔｅ ｓ ｎ ｉ ｇ ｓ ａ ｑ ｉ ｔ ｏ ｏ ｅ ｈ ｅ ｎ ｒ ｉ ｉ ｇ ａｇ ｒｔ ｍ， ｎ ａ ｔ ｑ ａ ｅｅ ｕ ｔ ｎ ｒ ｓ ｏ ａ ｉ ｒｔｏ ｆ ｈ ｕ ｎ ｏ ． ｐ ｒｍｅ ｔ ａａ ｓ ｏ ａ ｅ ｔｏｄ ｎ ｌ ｏ ｉ ｈ ａ ｄ ｌ ｓ ｕ ｒ ｑ ａ ｉ ｓｗｅ ｅｕ ｅ ｆ ｒ ｌ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｓ ｎ ｓ ｓ ｒ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｗｓｔ ｔ ｅ ｓ ｏ ｄ ｃ ｂ ｔ ｅ ｄ ｈ ｔ ｅ ｓ ｎ ｓ ｎ ｏ ａ ｉ ｈ ｆ ２ ０ ，ａ ｖ ｌ ｍｅ ｏ ０ ｈ ｕ ｅ ｓ ｒｈ ａ ｗｅ ｇ ｔｏ ５ ｇ ｏ ｕ ｆ ８ ｍｍｘ ０ ｓ ８ ｍｍｘ ５ ３ ｍｍ，ａ ｄ ａ ｐ ｗｅ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｏ ５ ｍＷ．Ｔｈ ｎ ｏ ｒｃ ｎ ｕ ｔ ｆ ７ ０ ｏ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｆ ｈ ｕ ｅ ｓ ｒｉ Ｏ ０ 。ａ ｄ ｔ ｅｍ￣ ｉ ｍ ｅ ｄｏ ｖ ｅ ｉ ６ 。 ６ ￣ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｔ ｅ ｓ ｎｓ ｎ ｏ ． ５ ｎ ｓ ｈ ｍｕ ｆ ｌ ｆ ｉｗ ０ ｘ ０ ． ｉ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｒ Ｏｐ ｉ ａ ｙ ｅ ； ｎ ｒ ｉ ｉｇ ａｇ ｒｔ ｍ； Ｐ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｓ ｎ ｓ ｎ ｏ ； ｔ ｌ ｓ ｍｓ Ｃｅ ｔｏ ｄ ｎ ｌ ｏ ｉ ｃ ｓｔ ｈ Ｆ ＧＡ
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太阳敏感器原理
太阳敏感器是星载传感器之一，是用来检测太阳方向的仪器。
它是由多个定义太阳方向、用于对星敏感的光电元件构成，可对太阳扫描、追踪和指向。
太阳敏感器的工作原理是基于光电效应和反射法。
它的主要部件包括感光元件、信号处理电路和控制设备。
感光元件是太阳敏感器的核心部件，它能够将光信号转换成电信号。
常见的感光元件有光电二极管和光电单元等。
这些感光元件的灵敏度很高，可以通过接收来自太阳的光线来检测太阳的位置。
太阳敏感器的信号处理电路负责将感光元件采集到的光信号转换成数字信号，并通过控制设备发出指令，控制整个系统对太阳的追踪和指向。
控制设备是太阳敏感器的另一个重要部分，负责对信号处理电路发出的指令进行响应，控制太阳敏感器对太阳进行精确的追踪和指向。
为了保证太阳敏感器的稳定性，一般会在其上加装惯性陀螺仪等元件，以提高其精度和稳定性。
太阳敏感器的应用十分广泛，除了应用在卫星和空间探测器等领域之
外，太阳敏感器也被应用到一些工业领域，例如太阳能电池板的跟踪控制等。
总之，太阳敏感器是一种基于光电效应和反射法原理的检测太阳方向的仪器。
它的主要工作原理是通过感光元件将光信号转换成电信号，并通过信号处理电路和控制设备对系统进行操作，实现对太阳的追踪和指向。
在未来，太阳敏感器有望在更多领域得到应用，并进一步提高其精度和稳定性。