CN105928508A - 一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，在立方星外部安装3至6个无线太阳敏感器，每个敏感器包括：遮光罩，底壳，内部电路板，内部电路板安装在底壳内，遮光罩和底壳两侧均设有螺孔，通过螺孔安装在一起并一同固定在立方星表面。本发明还涉及一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的工作方法。本发明自主供电式无线太阳敏感器和磁强计将会解决现有的有线太阳敏感器的复杂安装问题和磁场测量不准确的问题，自主供电和无线数据传输的特性使太阳敏感器和磁强计在卫星表面的安装更加灵活自由。

Description

一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，具体涉及一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统。

背景技术

立方星是1999年美国斯坦福大学的Tom Kenny教授对小卫星提出的新概念设计。立方星的标准是一个采用“1U”架构，尺寸为10×10×10cm的立方体，即体积1000cm³。在此基础上，立方星可以升级为“2U”、“3U”，甚至“12U”等多U结构。立方星以其体积小、质量轻、研发周期短、成本低等特点，受到越来越多航天机构的重视，特别是随着微机电系统、微电子技术以及精密制造技术的发展，立方星也得到了迅速发展，截止目前全世界已发射不同尺寸的立方星数百颗。西北工业大学陕西省立方星工程实验室从2011年国家985平台建设资助，用于开展立方星研究。目前正在开展“翱翔一号”,“翱翔之星”，“FL”系列在内的四颗立方星的研制，并将在2016年发射。

姿态确定与控制系统是立方星最重要的一个分系统，它的精度与可靠性决定了卫星所能实现的应用以及所具有的功能。因此，要实现卫星的高精度控制，首先要提高它的姿态确定精度。当前而言，应用的较广泛的做法是通过软件算法来间接的提高姿控精度，但这并未根本解决问题。同时考虑到立方星对体积、质量、功耗的苛刻要求，现有的高精度敏感器很难直接应用于立方星，所以，发展适用于立方星的高精度姿态确定敏感器势在必行。

常见的卫星姿态确定敏感器有磁强计、地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器、陀螺仪、重力梯度杆等，其中太阳敏感器的应用已经相当成熟，相比其它敏感器而言，其具有高精度、高可靠性、原理简单等特点，因此十分适合立方星的应用，但同时，传统太阳敏感器的体积、功耗、处理能力、视场角等因素制约了其在立方星上的应用。本发明基于微小卫星自身特性，设计和研究符合立方星实际应用要求的基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，使其在体积、功耗、视场角等方面有所突破，同时最大限度的发挥其高精度特点，为后续进行立方星的姿控系统研究和应用扩展提供坚实的基础。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，在立方星外部安装3至6个无线太阳敏感器，每个敏感器包括：

遮光罩，其中部设有正方形开孔，开孔距离电池片高度H用来控制投射到电池片的太阳光斑的大小；遮光罩外部贴有含太阳能电池片的电路板，并含有两块太阳能电池片，用以提供整个系统所需的能量；其中，两片太阳能电池片采用并联方式连接；

底壳，底壳底部设有一个正方形通孔，用以传输无线信号；

内部电路板，包含无线传输模块、数据处理模块、电源转换模块、磁强计模块、超级电容及图像传感器；在内部电路板的正中央安装有光电传感器，光电传感器由四块相同的光电池按照四象限组成，四象限太阳能电池片构成一个(X，Y)坐标系；

内部电路板安装在底壳内，遮光罩和底壳两侧均设有螺孔，通过螺孔安装在一起并一同固定在立方星表面。

进一步的，整个无线太阳敏感器系统的物理尺寸不大于30mm*30mm*15mm，系统不包括安装螺钉的质量小于40g。

进一步的，所述遮光罩尺寸为26mm*26mm*9.6mm，材质为铝合金；遮光罩上的太阳能电池片的尺寸为20mm*8mm；遮光罩上开孔为正方形沉孔，外孔径边长8mm，内孔径边长4mm，开孔厚度1mm，开孔高度1mm。

进一步的，所述遮光罩的内部发黑处理，用以吸收电池片表面反射光的干扰。

进一步的，所述底壳尺寸为30mm*30mm*10mm，材料为铝合金。

进一步的，所述内部电路板尺寸为26mm*26mm*9.6mm。

本发明还提供了一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的工作方法，光电传感器采用的是四象限敏感器，即四片光电池，光电池在太阳光的照射下产生四路电流，电流流过电阻产生电压，采用运算放大器将其放大，放大后的四路电压经过ADC采集变成数字量交给数据处理模块的处理器计算，得出当前立方星的姿态信息，磁强计模块采集当前的磁场强度信息，通过SPI接口传输给数据处理模块的处理器，处理器对信号进行调制并通过无线方式将姿态信息和磁场强度信息传送给姿态确定与控制系统上的无线数据收发模块。

进一步的，由一个主机和与主机通过网络连接的至少三个从机完成工作，在立方星发射之前，将主机和第一、第二、第三从机的网络组好，主机和从机的处理器内核都处于休眠状态，但内部的RF内核处于工作状态维持网络的连接，立方星准备入轨之后，第一、第二、第三从机开始工作采集数据，并将数据发送出去；

在通信过程中，主机首先给第一从机发送一个指令，第一从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；然后主机给第二从机发送一个指令，第二从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；最后主机给第三从机发送一个指令，第三从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机，这样就完成一次完整的通信过程。

进一步的，无线组网有三种工作模式：上升模式、光照模式和阴影模式，上升模式工作在立方星入轨之前，光照模式工作在立方星入轨后处于光照区，阴影模式工作在立方星入轨后处于阴影区；

上升模式中只有CC2630内部的RF内核工作，维持组网系统的正常畅通；当立方星处在光照区，无线太阳敏感器系统的太阳电池片产生电能供系统工作，太阳敏感器测量太阳光与立方星的夹角，确定此时的太阳方向角，光照期电源系统还将系统剩余的能量存储在超级电容里；当立方星处在阴影区，太阳敏感器的储能部件的超级电容释放电能系统整个系统正常工作。

进一步的，当立方星运行在光照区时，太阳入射光最多可以照射立方星的三个平面，即最多只有三颗太阳敏感器接收太阳光照。

本发明公开的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，具有以下有益效果：

基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统安装在卫星的表面，其电气系统与姿态确定与控制系统完全独立，太阳敏感器使用太阳电池片提供的电能，将太阳入射角的角度信息转换成太阳角数字量，安装在卫星表面的磁强计免受内部电磁干扰的磁强计直接测量当前卫星所处位置的磁场强度数字量，这些数字量将通过无线技术传输给卫星内部的ADCS(姿态确定与控制系统)。自主供电式无线太阳敏感器和磁强计将会解决现有的有线太阳敏感器的复杂安装问题和磁场测量不准确的问题，自主供电和无线数据传输的特性使太阳敏感器和磁强计在卫星表面的安装更加灵活自由。

附图说明

图1是太阳敏感器示意图

图2是太阳敏感器遮光罩示意图

图3是太阳敏感器底壳示意图

图4是太阳敏感器工作原理图；

图5是太阳能电池片输入电压转换电路图；

图6是磁强计电路图；

图7是模数转换电路图；

附图标记说明：

1.遮光罩，2.底壳

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

本发明设计出一个体积小、低功耗、视场角大、精度高的基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，同时兼具模块化特点。自主供电解决了目前立方星无线太阳敏感器使用整星能量造成使用不方便的问题；使用了超级电容作为储能部件解决了目前无线太阳敏感器在光照条件弱及无光照情况下不能进行姿态确定及解算的问题，扩展了太阳敏感器的工作领域；采用了Zigbee无线通讯技术，和传统无线方式相比进一步降低了功耗并且提高了通讯稳定性；对多个无线太阳敏感器进行组网，使其协同工作，提高了多个太阳敏感器的工作效率及精度。

本发明旨在设计出具有小体积、低功耗、大视场角、高精度的基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统。随着微小卫星技术的快速发展，原有的太阳敏感器难以满足微小卫星对体积、功耗等的苛刻需求。作为微小卫星姿态确定与控制的重要器件，每颗微小卫星都配备有3至6颗太阳敏感器，这些太阳敏感器用导线连接至姿态确定与控制系统会增加微小卫星装配复杂度，过长的导线将会衰减太阳敏感器的信号强度，降低了姿态确定与控制系统的精度。该基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统将在物理结构上与姿态确定与控制系统完全独立起来，通过无线将采集的微小卫星姿态信息反馈给姿态确定与控制系统，以较高的精度和简单的结构测量出立方星与太阳方向的夹角，完成微小卫星的姿态确定与控制。

见图1、图2、图3。一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，在立方星外部安装3至6个无线太阳敏感器，每个敏感器包括：

遮光罩1，其中部设有正方形开孔，开孔距离电池片高度H用来控制投射到电池片的太阳光斑的大小；遮光罩1外部贴有含太阳能电池片的电路板，并含有两块太阳能电池片，用以提供整个系统所需的能量；其中，两片太阳能电池片采用并联方式连接；

底壳2，底壳2底部设有一个正方形通孔，用以传输无线信号；

内部电路板，包含无线传输模块、数据处理模块、电源转换模块、磁强计模块、超级电容及图像传感器；在内部电路板的正中央安装有光电传感器，光电传感器由四块相同的4.2×4.2mm的光电池按照四象限组成，四象限太阳能电池片构成一个(X，Y)坐标系，该产品具有尺寸小、分辨率高，输出电流线性特性好等特点。

内部电路板安装在底壳2内，遮光罩1和底壳2两侧均设有螺孔，通过螺孔安装在一起并一同固定在立方星表面。

作为具体实施例，整个无线太阳敏感器系统的物理尺寸不大于30mm*30mm*15mm，系统不包括安装螺钉的质量小于40g，详见表2-1：

表2-1太阳敏感器质量预算表

作为具体实施例，所述遮光罩1尺寸为26mm*26mm*9.6mm，材质为铝合金；遮光罩1上的太阳能电池片的尺寸为20mm*8mm；遮光罩1上开孔为正方形沉孔，外孔径边长8mm，内孔径边长4mm，开孔厚度1mm，开孔高度1mm。

作为具体实施例，所述遮光罩1的内部发黑处理，用以吸收电池片表面反射光的干扰。

作为具体实施例，所述底壳2尺寸为30mm*30mm*10mm，材料为铝合金。

作为具体实施例，所述内部电路板尺寸为26mm*26mm*9.6mm。

该无线太阳敏感器的性能指标如表2-2所示：

表2-2太阳敏感器指标

当太阳光线沿着某一入射角至电池片时，每个象限分别产生不同的电流值I₁,I₂,I₃和I₄。由太阳能电池片的光伏特性可知，电池片符合余弦特性，即：

I()I₀cos S

式中，I₀为太阳垂直入射时产生的单位面积电流，为太阳入射角，S为受照面积。因此，四象限电池片的光生电流可分别表示为：

I₁＝I₀cos(L dx)(L dy)

I₂＝I₀cos(L dx)(L dy)

I₃＝I₀cos(L dx)(L dy)

I₄＝I₀cos(L dx)(L dy)

其中，L为遮光罩开孔边长的一半，(dx，dy)为太阳光斑的的中心坐标。

联立以上方程可以得到中心坐标的计算公式为：

$dx=L\frac{\left(\begin{array}{cc}{I}_1& I_4\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{I}_2& I_3\end{array}\right)}{I}$

$dy=L\frac{\left(\begin{array}{cc}{I}_1& I_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{I}_4& I_3\end{array}\right)}{I}$

进而可以解算出太阳的入射角和方位角：

$arctan\frac{\sqrt{\begin{array}{cc}{\mathrm{dx}}^2& {\mathrm{dy}}^2\end{array}}}{H}$

$arctan\frac{dx}{dy}$

基于四象限电池片的差动式太阳敏感器相较于普通的余弦式敏感器不仅具有精度高的特点，而且能够消除共模信号的干扰，此外温度对传感器的干扰也能很好的抵消，这就使得敏感器不需要考虑温度补偿的算法，大大提高了敏感器的可靠性。

见图5、图6和图7，图5是太阳能电池片输入电压转换电路，图6是磁强计测量电路，图7是模数转换数据读取电路。无线太阳敏感器的四象限传感器部分将入射的太阳光能转换成电能(光电流)，根据太阳光入射角度的不同四个象限内的敏感器产生的光电流不同，光电流经过一定的信号调理电路被处理成模拟电压量，经高精度的模数转换芯片采集后变成数字信号。数字信号经处理器计算得出立方星当前的太阳方向角，并通过无线将数据发送给姿态确定与控制系统。安装在立方星外，磁强计可以避免卫星内部的电磁干扰，准确的测量出卫星所在处的磁场强度，并将测量的数据传输给处理器，并通过无线将数据发送给姿态确定与控制系统。

立方星外部安装的3至6个无线太阳敏感器与姿态确定与控制系统上安装的无线数据传输系统进行组网通信，提高系统数据的传输效率，降低外部系统的功耗。

见图4，本发明还公开了一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的工作方法，光电传感器采用的是四象限敏感器，即四片光电池，光电池在太阳光的照射下产生四路电流，电流流过电阻产生一定的电压，由于传感器输出电压较小，需要采用运算放大器将其放大，放大后的四路电压经过ADC采集变成数字量交给数据处理模块的处理器计算，得出当前立方星的姿态信息，磁强计模块采集当前的磁场强度信息，通过SPI接口传输给数据处理模块的处理器，处理器对信号进行调制并通过无线方式将姿态信息和磁场强度信息传送给姿态确定与控制系统(ADCS)上的无线数据收发模块。

作为具体实施例，在无线通信组网系统中，将会由一个主机、3个与主机通过网络连接的第一、第二、第三从机(一般为3-6个，这里假设为3个)，在立方星发射之前，将主机和第一、第二、第三从机的网络组好，主机和从机的处理器内核都处于休眠状态，但内部的RF内核处于工作状态维持网络的连接，立方星准备入轨之后，第一、第二、第三从机开始工作采集数据，并将数据发送出去；

在通信过程中，主机首先给第一从机发送一个指令，第一从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；然后主机给第二从机发送一个指令，第二从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；最后主机给第三从机发送一个指令，第三从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机，这样就完成一次完整的通信过程。

作为具体实施例，无线组网有三种工作模式：上升模式、光照模式和阴影模式，上升模式工作在立方星入轨之前，光照模式工作在立方星入轨后处于光照区，阴影模式工作在立方星入轨后处于阴影区；

上升模式中只有CC2630内部的RF内核工作，维持组网系统的正常畅通；当立方星处在光照区，无线太阳敏感器系统的太阳电池片产生电能供系统工作，太阳敏感器测量太阳光与立方星的夹角，确定此时的太阳方向角，光照期电源系统还将系统剩余的能量存储在超级电容里；当立方星处在阴影区，太阳敏感器的储能部件的超级电容释放电能系统整个系统正常工作。

太阳电池片产生的电能和太阳光的入射角有关，产生能量的大小和入射角近似一个余弦的关系。本发明中两片太阳电池片采用并联方式连接，可以防止因一片电池损坏造成系统的供电不足。已知在入射角为0°的时候太阳电池片可以获得当前条件下的最大功率51.76mW，可得2片电池片的功率为：

P₁ 2 P_MAX 103.52mW

当立方星运行在光照区时，太阳入射光最多可以照射立方星的三个平面，即最多只有三颗太阳敏感器接收太阳光照。由于立方星的姿态未知，当入射光在某一个平面达到一定角度时，在(90°,)和(,90°)区间内(假设0 90°，下面将给出的具体角度)，太阳电池片产生的电能不足以使太阳敏感器工作。在立体几何中，当太阳光沿着立方体的空间对角线入射时，入射光将与立方体的三个平面的夹角同时呈现最小值(即入射角同时最大)，此时的最大入射角此时的可用功率：

P₂ P₁*cos 59.76mW

故在最极端的情况下，至少有一组太阳电池片的最小功率P_MIN为59.76mW。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，在立方星外部安装3至6个无线太阳敏感器，每个敏感器包括：

遮光罩，其中部设有正方形开孔，开孔距离电池片高度H用来控制投射到电池片的太阳光斑的大小；遮光罩外部贴有含太阳能电池片的电路板，并含有两块太阳能电池片，用以提供整个系统所需的能量；其中，两片太阳能电池片采用并联方式连接；

底壳，底壳底部设有一个正方形通孔，用以传输无线信号；

内部电路板，包含无线传输模块、数据处理模块、电源转换模块、磁强计模块、超级电容及图像传感器；在内部电路板的正中央安装有光电传感器，光电传感器由四块相同的光电池按照四象限组成，四象限太阳能电池片构成一个(X，Y)坐标系；

内部电路板安装在底壳内，遮光罩和底壳两侧均设有螺孔，通过螺孔安装在一起并一同固定在立方星表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，整个无线太阳敏感器系统的物理尺寸不大于30mm*30mm*15mm，系统不包括安装螺钉的质量小于40g。

3.根据权利要求1所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，所述遮光罩尺寸为26mm*26mm*9.6mm，材质为铝合金；遮光罩上的太阳能电池片的尺寸为20mm*8mm；遮光罩上开孔为正方形沉孔，外孔径边长8mm，内孔径边长4mm，开孔厚度1mm，开孔高度1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，所述遮光罩的内部发黑处理，用以吸收电池片表面反射光的干扰。

5.根据权利要求1所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，所述底壳尺寸为30mm*30mm*10mm，材料为铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统，其特征在于，所述内部电路板尺寸为26mm*26mm*9.6mm。

7.一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的工作方法，其特征在于，光电传感器采用的是四象限敏感器，即四片光电池，光电池在太阳光的照射下产生四路电流，电流流过电阻产生电压，采用运算放大器将其放大，放大后的四路电压经过ADC采集变成数字量交给数据处理模块的处理器计算，得出当前立方星的姿态信息，磁强计模块采集当前的磁场强度信息，通过SPI接口传输给数据处理模块的处理器，处理器对信号进行调制并通过无线方式将姿态信息和磁场强度信息传送给姿态确定与控制系统上的无线数据收发模块。

8.一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的无线组网工作方法，其特征在于，由一个主机和与主机通过网络连接的至少三个从机完成工作，在立方星发射之前，将主机和第一、第二、第三从机的网络组好，主机和从机的处理器内核都处于休眠状态，但内部的RF内核处于工作状态维持网络的连接，立方星准备入轨之后，第一、第二、第三从机开始工作采集数据，并将数据发送出去；

在通信过程中，主机首先给第一从机发送一个指令，第一从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；然后主机给第二从机发送一个指令，第二从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机；最后主机给第三从机发送一个指令，第三从机接收指令后采集数据并将数据发送给主机，这样就完成一次完整的通信过程。

9.根据权利要求8所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的无线组网工作方法，其特征在于，无线组网有三种工作模式：上升模式、光照模式和阴影模式，上升模式工作在立方星入轨之前，光照模式工作在立方星入轨后处于光照区，阴影模式工作在立方星入轨后处于阴影区；

上升模式中只有CC2630内部的RF内核工作，维持组网系统的正常畅通；当立方星处在光照区，无线太阳敏感器系统的太阳电池片产生电能供系统工作，太阳敏感器测量太阳光与立方星的夹角，确定此时的太阳方向角，光照期电源系统还将系统剩余的能量存储在超级电容里；当立方星处在阴影区，太阳敏感器的储能部件的超级电容释放电能系统整个系统正常工作。

10.根据权利要求9所述的一种基于自主供电的组网式无线太阳敏感器系统的无线组网工作方法，其特征在于，当立方星运行在光照区时，太阳入射光最多可以照射立方星的三个平面，即最多只有三颗太阳敏感器接收太阳光照。