Солнечный датчик

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к датчикам ориентации , устанавливаемым на космических аппаратах . Целью изобретения является повышение точности измерения координат Солнца. Указанная цель достигается за счет того, в солнечном датчике, содержащем последовательно расположенные и оптически сопряженные светофильтр 1, блок 2 формирования оптического сигнала, фотоприемный блок 3 на основе прибора с зарядовой

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 С 21/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4845515/22 (22) 29.06.90 (46) 07.12.92. Бюл. N. 45 (71) Институт космических исследований

AH СССР (72) Б.С.Дунаев, Я.Л.Эиман и Ю,М.Чесноков (56) Патент Франции N 2116830, кл, G 01 С

21/00, 1975, Flamenbaum S, Austett P, Multlpurpouse зап sensor using СС0 detector Automatlccontrol In space 1982, Fd. Van. Woercom

Pergamon Press, 1982, р. 273-281, . Ж 1779931 А1 (54) СОЛНЕЧНЫЙ ДАТЧИК (57) Изобретение относится к космической технике, в частности к датчикам ориентации, устанавливаемым на космических аппаратах. Целью изобретения является повышение точности измерения координат

Солнца. Указанная цель достигается за счет того, sсолнечном датчике,,содержащем последовательно расположенные и оптически сопряженные светофильтр 1, блок 2 формирования оптического сигнала, фотоприемный блок 3 на основе прибора с зарядовой

1779931

30 связью, снабженного блоком управления счетом элементов и блоком 22 управления счетом строк, выход которого соединен с входом блока обработки сигнала, блок обработки сигнала содержит два канала, каждый из которых включает последовательно расположенные и соединенные по первым входам блок 4 умножения, сумматор 5, блок 6 деления, блок 7 вычисления коэффициентов и блок 9 вычисления соответствующей координаты Солнца, Кроме того, блок обработки содержит сумматор 11 и два запоминающих устройства 8 и 16. При этом первые выходы каждого из блоков управления соединены с соответствующими входами фоточувствительного прибора с зарядовой связью, вторые входы каждого из блоков управления соединены с входами соответственно первого и второго запоминающих устройств 8 и 16, каждое из которых соединеко с вторым входом блока вычисления коэффициентов, выход фотоприемного блоИзобретение относится к космической технике, в частности к датчикам ориентации, устанавливаемым на космических аппаратах.

Известны солнечные датчики, содержащие диафрагму, оптическую систему, фотоприемник и блок обработки сигнала, позволяющие определить координаты Солнцаа.

Недостатком известных устройств является низкая надежность вследствие наличия подвижных элементов и низкая точность.

Известен также солнечный датчик, содержащий диафрагму в виде круглого отверстия на непрозрачном экране, через которую свет от Солнца проектируется на элементы фоточувствительного прибора с зарядовой связью. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, Целью изобретения является повышение точности измерения координат Солнца.

Указанный недостаток устраняется тем, что в солнечном датчике, содержащем последовательно расположенные и оптически сопряженные светофильтр, блок формирования оптического сигнала, фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, снабженного блоком управления счетом элементов и блоком управления счетом строк, выход которого соединен с вхока 3 соединен с входами блоков 4 и 10 умножения и с входом сумматора, выход которого соединен соответственно с вторыми входами блоков 6 и 12 деления. Кроме того, блок управления счетом элементов и блок управления счетом строк выполнены в виде задающего генератора 18, счетчика 19 схемы сравнения и запоминающего устройства

21. При этом выход задающего генератора

18 является выходом блока и соединен с входом счетчика, выход которого является вторым выходом блока и соединен с входом схемы 10 сравнения, второй вход которой подключен к выходу запоминающего устройства 16, а выход схемы сравнения явля-ется третьим выходом блока. При этом блок

2 формирования оптического сигнала выполнен в виде крестообразной диафрагмы или двух цилиндрических линз, одноименные оси которых расположены перпендикулярно друг другу, 3 з.п, ф-лы, 1 ил. дом блока обработки сигнала, блок обработки сигнала содержит два канала, каждый из которых включает последовательно расположенные и соединенные по первым входам блок умножения, сумматор, блок деления, блок вычисления коэффициентов и блок вычисления соответствующей координаты

Солнца, кроме того, блок обработки содержит сумматор и два запоминающих устройства, при этом первые выходы каждого из блоков управления соединены с соответствующими входами фоточувствительного прибора с зарядовой связью, вторые входы каждого из блоков управления соединены с входом соответственно первого и второго запоминающих устройства, каждое из которых выходом подключено к второму входу блока вычисления коэффициентов, выход фотоприемного блока соединен с входами блоков умножения и с входом сумматора, выходом подключенного ко вторым входам блоков деления.

Кроме того, блок управления счетом элементов и блок управления счетом строк выполнены в виде задающего генератора, счетчика схемы сравнения и запоминающего устройства, при этом выход задающего генератора является выходом блока и соединен с входом счетчика, выход которого является вторым выходом блока и соединен с входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу запоминающего устройства, а выход схемы сравнения является третьим выходом блока.

1779931

20

30

40.

55 о; 1дой/2 от N/2до N

При этом блок формирования оптического сигнала выполнен.в виде крестообразной диафрагмы.

А блок формирования оптического сигнала выполнен в,виде двух цилиндрических линз, одноименные оси которых расположены перпендикулярно друг другу.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

При сравнении с другими техническими решениями не было выявлено аналогичных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия", На чертеже изображена блок-схема предложенного солнечного датчика, где 1— светофильтр, 2 — блок формирования оптического сигнала, 3 — фоточувствительный прибор с зарядовой связью,4- первый блок умножения, 5 — первый сумматор, 6 — первый блок деления, 7 — первый блок вычисления коэффициентов, 8 — первое запоминающее устройство, 9 — блок вычисления координаты Солнца, 10- второй блок умножения, 11 — второй сумматор, 12 — второй блок деления, 13 — второй блок вычисления коэффициентов, 14 — блок вычисления координаты Солнца, 15 — третий сумматор, 16 — второе запоминающее устройство, 17— блок управления счетом элементов, 18— первый задающий генератор, 19 — первый счетчик, 20 — первая схема сравнения, 21— третье запоминающее устройство, 22 - блок управления счетом строк, 23 — второй зада-. ющий генератор, 24 — первый счетчик, 25— вторая схема сравнения, 26 — четвертое запоминающее устройство.

Солнечный датчик содержит светофильтр 1, установленный перед блоком 2 формирования оптического сигнала, сопряженным оптически с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (ФПЗС) 3, соединенным с двумя каналами блока обработки сигнала, каждый из которых содержит последовательно расположенные блоки 4 и 10 умножения, сумматоры 5 и 11, блоки 6 и

12 деления, блоки 7 и 13 вычисления коэффициентов и блоки 9 и 14 вычисления координаты Солнца. Кроме того, блок обработки сигнала содержит сумматор 15, входом соединенный с выходом ФПЗС, а выходом — со вторыми входами блоков 6 и 12 деления, два

ЗУ 8 и 16, входом соединенные с выходом блоков 17 и 22 управления счетом элементов и счетом строк, а выходом подключенные соответственно к входам блоков 7 и 13 вычисления коэффициентов. При этом блоки управления 17 и 22 счетом элементов и счетом строк выполнены идентично и содержат задающие генераторы 18 и 23, выходом соединенные с входами счетчика 19 и

ФПЗСЗ. Выходы счетчиков 19 и 24 соединены с входом схем 20 и 25 сравнения, вторые входы которых соединены с выходом запоминающих устройств 21 и 26. Выходы счетчиков 19 и 24 и выходы схем 20 и 25 сравнения являются выходами соответствующих блоков управления.

Разбиение на эоны при считывании сигнала с фотоприемника осуществляется блоком управления счетом элементов, в котором текущее значение опрашиваемого генератора импульсов элемента сравнивается в блоке 20 сравнения с заданным и запомненным в запоминающем устройстве числом, равным половине общего числа элементов Nвстроке,,и при их равенстве выдает команду в запоминающее устройство 8.

Таким образом формируется команда для работы в каждой из областей разбиения.

Аналогичным образом производится и разбиение на эоны считывания и по координате у блоком 22 управления счетом строк.

Таким образом блоки 17 и 21 управления позволяют при наличии одного канала обработки сигнала по каждой из координат сформировать на выходе вычислителей Ф7 и 13 исходные данные для расчета коэффициентов А, В, С для уравнений (2) и (4).

Поясним сущность обработки сигнала в схеме.

Диафрагма в форме крестообразной щели 2 проектирует на поверхности фотоприемника 3 иэображение, положение которого зависит от угловых координат Солнца.

При анализе сигнала используем метод средневзвешенного.

Поверхность матричного фотоприемника разбивается на две равные области по каждой из координат.

Для текущих значений у: от 1 до М/2 — 1 область от M/2 до M — 2 область.

Для текущих значений х:

Для каждой области цепочкой из элементов 4, 5, 6 и 10, 11, 12 определяется среднее значение х — номера элемента, подсчитываемого счетчиками 19 и соответствующего ему значения сигнала Ui, и для каждой области определяется среднее значение х, задаваясь постоянным значением

1779931

В1С1 А1В1 !

ВгС2 АгВг

С1А1 А1В1 хо = я х ч М

X1= —, У =—

ЕЧ1 4

С2А2 А2В2

Уо = е xl vl 3 М

Х2 = — У2.=

ЕЧ 4

N e yi vi хз = уз

4, vi (3) 45

4 ЕЧ

Агхз+ Вгуз+ С2-0)

Агх4+ Вгу + сг О.) (4) 55 у, и среднее значение у, задаваясь постоянным значением х.

Определяем значения х и у для каждой из двух областей

Значения х1 и хг определяются блоком

4 умножения, сумматором 5, сумматором 15 и блоком 6 деления. Постоянные значения у1 и уг хранятся в ЗУ 8 и выдаются для каждой области в соответствии с приходом сигнала управления с блока 17 управления.

Световые сигналы от Солнца образуют на поверхности фотоприемника прямую линию в направлении, близком к оси у, урав- 20 нение которой имеет вид .

А1х1+ В1у1+ С> -0

А1х2+ В1уг+ С1-О! {2)

25 где С вЂ” козффициейт, зависящий от конструктивных параметров и определяемый на стадии калибровки устройства.

Решаем систему уравнений известным образом относительно неизвестных коэф- 30 фициентов А1 и 81, в блоке 7 вычисления коэффициентов определяем их.

Для текущих значений х поступаем аналогично: анализируем области 35 от 1 до N/2 от 1ч /2 до N выбираем значения yiv2

Для каждой области определяются 40 средние значения цепочкой блока 10, 11, 12;

Определяем коэффициенты прямой, образованной на поверхности фотоприемника второй щелью диафрагмы в направлении, близком к оси х для каждой области;

Решаем уравнение (4) в вычислителе 13.

По полученным коэффициентам определяем координаты центра солнечного диска в вычислителях 9 и 14 в соответствии с выражениями: где выражения в скобках являются матрицами, образованными коэффициентами прямых, образованных на поверхности фотоприемника изображением Солнца.

Устройство работает следующим образом, Сигнал от Солнца, прошедший через светофильтр, формируется в виде изображения оптической системой 2 на поверхности фоточувствительного прибора с зарядовой связью ФПЗС 3, с которого электрический сигнал. пропорциональный освещенности фоточувствительной поверхности, поступает на блоки 4 и 10 умножения, где умножается на номер элемента х1 и номер строки уь соответствующие положению иэображения Солнца на поверхности чувствительного элемента ФПЗС 3 и поступающие на вторые входы блоков 4 и 10 умножения со счетчиков 19 блоков управления 7и 22 ФПЗС.

Последующая схема в виде трех сумматоров 5, 11 и 15, двух блоков 6 и 12 деления позволяет вычислить значения номера элементов строки х и строк у в соответствии с выражениями (1) и (3). При этом средневзвешенные значения х и у определяются для каждой из областей, на которую разбита поверхность матричного фотоприемника 3.

Счет элементов строк для каждой области производится блоком управления счетом элементов 17 путем подсчета импульсов с задающего генератора 18 в счетчике 19 и сравнения их с заданным числом элементов, запомненным запоминающим устройством 21. Формирование областей подсчета строк производится аналогичным образом блоком 22 управления счетом строк, выполненным аналогично блоку 23 управления, В запоминающих устройствах 8 и 16 хранятся пары значений у и х, вычисленные по формулам (1) и (3) и являющиеся постоянными величинами. Считываются они в соответствии с сигналом управления формируемым блоками 17 и 22 управления.

Таким образом в вычислителе 7 и 13 коэффициентов через запоминающие устройства 8 и 16 подаются постоянные значения х и у, вычисленные для каждой из двух

1779931 областей в соответствии с формируемыми блоками 17 и 22 управления сигналами. В вычислителях 7 и 13 коэффициентов производится вычисление коэффициентов уравнений прямых в направлении, близком к оси у (2) и к оси х (4), путем решения системы уравнений из двух неизвестных для каждой из них, по которым в соответствии с выражением (5) производится вычисление координат центра солнечного диска хо и уо.

Предложенный солнечный датчик позволяет повысить точность определения координат Солнца в 3-5 раз вследствие использования более протяженного изображения Солнца и применения метода средневзвешенного при его анализе.

Составитель И.Зуевская

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Филь

Редактор И.Савиниа

Заказ 4429 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

1. Солнечный датчик, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные светофильтр, блок формирования оптического сигнала, фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, снабженный блоком управления счетом элементов и блоком управления счетом строк, выход которого соединен с входом блока обработки сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения координат Солнца, блок обработки сигнала содержит два канала, каждый из которых выполнен в виде последовательно расположенных и соединенных по первым входам блока умножения, сумматора, блока деления, блока вычисления коэффициентов и блока вычисления соответствующей координаты Солнца, а также сумматора и двух запоминающих устройств, при этом первые выходы каждого из блоков управления счетом соединены с соответствующими входами фоточувствительного прибора с

5 зарядовой связью, вторые входы каждого из блоков управления соединены с входами соответственно первого и второго запоминающих устройств, каждое из которых выходом подключено к второму входу блока

10 вычисления коэффициентов, выход фотоприемного блока соединен с входами блоков умножения и входом сумматора, выходом подключенного к вторым входам блоков деления.

15 2. Датчик по п.1, отл и ч а ю щи и с я тем, что блок управления счетом элементов и блок управления счетом строк выполнены в виде задающего генератора, счетчика, схемы сравнения и запоминающего устройст20 ва, при этом выход задающего генератора является выходом блока и соединен с входом счетчика, выход которого является вторым выходом блока и соединен с входом схемы сравнения, второй вход которой под25 ключен к выходу запоминающего устройства, а выход схемы сравнения является третьим выходом блока.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок формирования оптического

30 сигнала выполнен в виде крестообразной диафрагмы.

4. Датчик по п,1, отличающийся тем, что блок формирования оптического сигнала выполнен в виде двух цилиндриче35 ских линз, одноименныеоси которых расположены перпендикулярно друг другу.