ДАТЧИК УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ СОЛНЦА Российский патент 2005 года по МПК G01C21/24 G01J1/20 

Датчик предназначен для определения угловых координат светящегося ориентира и, в частности, для определения направления на Солнце в системе координат космического аппарата.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику является датчик [1], состоящий из двух идентичных каналов, служащих для измерения угловых координат в двух взаимно ортогональных плоскостях. Каждый канал состоит из линейного прибора с зарядовой связью, над которым на заданном расстоянии на параллельной плоскости располагаются оптический ослабляющий фильтр, оптический полосовой фильтр и щелевая маска. Кроме того, в каждом канале имеются: генератор тактовых импульсов, усилитель сигналов прибора с зарядовой связью, пороговое устройство, счетчик импульсов, выходной регистр и устройство для запоминания признака присутствия Солнца. На выходе датчика формируется цифровой код, соответствующий порядковому номеру фоточувствительного элемента прибора с зарядовой связью, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных через щель в маске солнечными лучами.

Недостатком данного датчика является необходимость выполнения для нахождения угловых координат вычислений по формуле

α=arctg[x(n-(N+1)/2)/d],

где α - угловая координата; d - расстояние от поверхности прибора с зарядовой связью до плоскости, на которой находится щелевая маска; х - шаг расположения фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных солнечными лучами, N - общее количество фоточувствительных элементов в приборе с зарядовой связью.

Другим недостатком является маленькая величина поля зрения - 66°(±33°), что обусловлено дискретностью прибора с зарядовой связью и точностью вычисления функции вида γ=arctg(x) для значений аргумента, больших 1.

Целью изобретения является получение угловых координат без выполнения вычислительных операций и расширение поля зрения.

Указанная цель достигается тем, что заявляемый датчик содержит многоэлементный фоточувствительный приемник, причем фоточувствительные элементы располагаются не на прямой линии на плоскости, а на кривой, в частности на дуге окружности, вследствие чего угловая координата Солнца оказывается связанной с номером среднего освещенного элементарного фотоприемника через выражение

α=[n-(N+1)/2]γ,

где α - угловая координата; γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента, который является средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных солнечными лучами, N - общее количество фоточувствительных элементов в многоэлементном фотоприемнике. То есть имеет место линейная зависимость между угловой координатой и номером среднего фоточувствительного элемента.

Устройство предлагаемого датчика в части фотоприемника и щелевой маски поясняется чертежом, где 1 - многоэлементный фотоприемник; 2 - один из элементарных фотоприемников; 3 - угловой шаг расположения элементарных фоточувствительных элементов; 4 - ось координат; 5 - щель в маске, 6 - угловая координата Солнца; 7 - Солнце.

Датчик содержит также пороговые устройства, регистр фотоприемника, счетчик импульсов, выходной регистр, генератор тактовых импульсов.

Работает датчик следующим образом. Солнечные лучи, прошедшие через щелевую маску, попадают на многоэлементный фоточувствительный приемник, где преобразовываются в электрический сигнал. Электрический сигнал с каждого элементарного фотоприемника поступает на пороговое устройство для преобразования в цифровой сигнал, который принимает значение логического нуля или единицы в зависимости от того, освещен фоточувствительный элемент или нет. Выходные сигналы пороговых устройств фиксируются в регистре фотоприемника, из которого считываются по команде последовательно и синхронно с тактовыми импульсами. Одновременно с началом вывода сигнала из регистра фотоприемника счетчик начинает считать тактовые импульсы. Как только на выходе регистра фотоприемника появляется сигнал, соответствующий освещенному элементарному фотоприемнику, счетчик начинает считать импульсы с частотой, в 2 раза меньшей, чем тактовая частота. После этого, как только на выходе регистра фотоприемника появится сигнал, соответствующий неосвещенному элементарному фотоприемнику, счетчик прекращает счет, а полученный на счетчике код запоминается в выходном регистре. Таким образом, определяется номер среднего освещенного элементарного фотоприемника и соответственно угловая координата Солнца.

Многоэлементный фотоприемник может быть изготовлен по планарной технологии из известных полупроводниковых материалов. Получение фоточувствительных элементов, лежащих на заданной кривой, производится за счет вырезания в пластине полупроводника отверстия заданного профиля с помощью лазера.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый датчик отличается от прототипа отсутствием необходимости вычисления значения функции вида arctg[x(n-(N+1)/2)/d].

Отсутствие тригонометрических вычислений позволяет расширить поле зрения датчика и при использовании датчика на борту космического аппарата уменьшить время, необходимое для определения пространственной ориентации, что повышает надежность космического аппарата и уменьшает его энергопотребление.

Источник информации

1. Патент на изобретение США №4794245, НКИ 250/203R, 1988.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для определения угловых координат светящегося ориентира, в частности для определения направления на Солнце в системе координат космического аппарата. Датчик угловой координаты Солнца содержит оптический спектральный фильтр, щелевую маску, многоэлементный фоточувствительный приемник, пороговые элементы, регистр фотоприемника, счетчик, выходной регистр, генератор тактовых импульсов. Многоэлементный фоточувствительный приемник состоит из элементарных фотоприемников, располагающихся друг за другом на кривой второго порядка. Нормали к чувствительным площадкам каждого элементарного фотоприемника и кривая второго порядка лежат в одной плоскости. Технический результат состоит в возможности получения угловых координат Солнца без выполнения тригонометрических вычислений, расширении поля зрения датчика, снижении энергопотребления и времени определения пространственной ориентации космического аппарата. 1 ил.

Датчик угловой координаты Солнца, содержащий оптический спектральный фильтр, щелевую маску, многоэлементный фоточувствительный приемник, пороговые элементы, регистр фотоприемника, счетчик, выходной регистр, генератор тактовых импульсов, отличающийся тем, что многоэлементный фоточувствительный приемник состоит из элементарных фотоприемников, располагающихся друг за другом на кривой второго порядка таким образом, что нормали к чувствительным площадкам каждого элементарного фотоприемника и кривая второго порядка лежат в одной плоскости.