太阳敏感器原理与技术发展浅析

一、概述

太阳敏感器是在航空领域应用最广泛的一类敏感器，所有的卫星上都配备有太阳敏感器。太阳敏感器通过测量太阳相对卫星本体坐标系的位置来确定卫星的姿态。选择太阳作为参考目标是因为太阳视在圆盘的角半径几乎和航天器轨道无关并且很小，因此，对大多数应用而言，可以把太阳近似看作点光源。这样就简化了敏感器设计和姿态确定算法。并且，太阳的高亮度、高信噪比使得检测比较容易实现^[1]。

太阳敏感器除了能够为卫星提供姿态信息以外，还可以用来保护灵敏度很高的仪器，如星敏感器。

二、太阳敏感器的构成

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^[2]。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。

三、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。

1、"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。

2、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

（1）

其中，Iθ-太阳光束与光电池法线方向的夹角。₀-光电池的短路电流；

模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20°~30°左右，精度在1°左右，它判断出现太阳信号的阈值以不高于太阳信号的80%（一般为50%）为门限。如图1所示。

这样的精度对于通信卫星还可以，但对于对地观测的卫星来说，精度太低，因此，目前的通信卫星主要依赖这种模拟式的太阳敏感器。

3、数字式太阳敏感器

模拟式太阳敏感器的实现原理简单，但是其精度却难以满足卫星姿态控制系统日益提高的要求，并且，模拟式太阳敏感器容易受到地球反射光等其它光源的干扰使对姿态测量的结果产生误差，因此，数字式太阳敏感器得到了很大的发展。并且，数字式太阳敏感器能够满足越来越高的重量轻、功耗低、精度高、模块化等要求。

数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器，主要有CCD和APS两种，其中CCD太阳敏感器包括线列CCD数字式太阳敏感器和面阵CCD式太阳敏感器，而APS数字式太阳敏感器则以面阵为主。目前应用CCD的数字式太阳敏感器产品较多。

数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上，通过计算太阳成像偏离CCD中心的位置来计算太阳光的夹角。其工作波段多采用0.4mm~1.1mm的可见光波段。

虽然数字式太阳敏感器的视场很大，但真正用到的只是其中的一小段，在实际工作中它只对靠近光轴的主要区域重点探测，远离光轴的两侧只在较少时候进行探测；另外，为了避免被太阳能电池帆板等反射的太阳光干扰，太阳敏感器对偶然出现的较强信号也会将其滤除；最后，数字式太阳敏感器一般在CCD的前面要加滤光片，用来衰减太阳光强，使其不至于工作在饱和状态。

四、国外太阳敏感器的发展现状

随着卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星的发展，太阳敏感器逐渐向着小型化、模块化、标准化、长寿命的方向发展，并且要求其具有大视尝高精度和高可靠性，数字式太阳敏感器是能够满足这些要求的首选，因此，数字式太阳敏感器必将成为太阳敏感器的发展趋势，世界各国也越来越注重数字式太阳敏感器的发展。由原来的线阵CCD发展成面阵CCD，再发展到现在的APS面阵的数字式太阳敏感器，其精度越来越高，体积越来越小，质量越来越轻，寿命也越来