СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДВУХ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СВЕТЯЩЕГОСЯ ОРИЕНТИРА И МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к приборам навигации космических аппаратов, в частности к приборам определения угловых координат направления на Солнце или иной светящийся ориентир.

Известен солнечный датчик [1], содержащий маску с отверстиями, матричный фотоприемник, устройство обработки сигнала и устройство информационного обмена.

Принцип действия датчика основан на определении положения светового пятна, формируемого с помощью отверстия в непрозрачной маске, на поверхности фотоприемника, состоящего из элементарных фотоприемников, расположенных на плоскости в виде матрицы. Две угловые координаты направления на Солнце вычисляются следующим образом:

$$\alpha =\arctan \frac{X_C}{F}$$ $$\beta =\arctan \frac{Y_C}{\sqrt{X_C^2+F^2}}\text{ (1)}$$

где Х_С и Y_С - координаты центроида светового пятна на поверхности матричного фотоприемника, F - расстояние от маски с отверстием до поверхности матричного фотоприемника.

Теоретически углы α и β могут принимать значения в диапазоне от -90° до +90° относительно перпендикуляра к поверхности матричного фотоприемника. Однако практически, поскольку светочувствительная поверхность матричного фотоприемника имеет ограниченные размеры, маска с отверстием имеет некоторую толщину и располагается на определенном расстоянии от матричного фотоприемника, диапазон измерения углов меньше. Другими словами поле зрения датчиков, реализующих указанный способ измерения, меньше полусферы и обычно [1], [2] ограничено величинами ±(60…64)°.

Кроме того, принимая во внимание условия эксплуатации датчика, можно отметить, что отверстие в экране является уязвимым местом, так как попадание космической пыли на экран может привести к закрытию отверстия или изменению его размеров и, как следствие, к нарушению работы датчика. Также можно отметить, что потеря работоспособности каких-либо элементарных фотоприемников, составляющих матрицу, приведет к ошибкам в определении угловых координат. Таким образом, надежность подобного датчика в некоторых случаях может оказаться недостаточной.

Известен панорамный датчик угловой координаты светящегося ориентира [2], состоящий из многоэлементного приемника оптического излучения и устройства обработки сигнала. Многоэлементный приемник оптического излучения состоит из элементарных фотоприемников, расположенных с заданным шагом на окружности.

На многоэлементный приемник оптического излучения попадает солнечное излучение, при этом одна часть элементарных фотоприемников оказывается освещенной, а другая часть находится в тени. Угловая координата Солнца определяется по порядковым номерам элементарных фотоприемников, которые начинают и заканчивают группу освещенных фотоприемников, или угловая координата ориентира определяется по отношению величин сигналов любых двух элементарных фотоприемников в группе освещенных. Угловая координата Солнца измеряется в диапазоне углов от 0° до 360°. Однако измеряется только одна угловая координата, что является недостатком этого датчика.

Целью предлагаемого изобретения является расширение поля зрения устройства, реализующего измерение двух угловых координат светящегося ориентира, повышение его надежности.

Указанная цель достигается тем, что для определения угловых координат используется фотоприемник, состоящий из элементарных фотоприемников. Элементарные фотоприемники располагаются с заданным угловым шагом относительно некоторой оси таким образом, чтобы относительно плоскости, перпендикулярной к этой оси, оси их диаграмм направленности были направлены под некоторым углом, отличным от прямого и нулевого (здесь и далее полагается, что ось диаграммы направленности совпадает с направлением на источник излучения, при котором сигнал фоточувствительного элемента имеет максимальную величину).

Приведенным условиям удовлетворяет, например, фотоприемник в виде усеченного конуса или усеченного конического многогранника. Фоточувствительные поверхности элементарных фотоприемников образуют коническую поверхность или поверхность конического многогранника.

Устройство фотоприемника поясняется на Фиг.1. Позициями обозначены: 1 - ось, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 2 - плоскость, ортогональная оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 3 - ось, относительно которой отсчитывается азимут и порядковые номера элементарных фотоприемников; 4 - n-й элементарный фотоприемник; 5 - (n±1)-й элементарный фотоприемник; 6 - угловой шаг расположения элементарных фотоприемников; 7 - ось диаграммы направленности (n±k)-го элементарного фотоприемника; 8 - угол наклона оси диаграммы направленности к плоскости, ортогональной оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 9 - направление на светящийся ориентир; 10 - азимут направления на светящийся ориентир; 11 - угол места направления на светящийся ориентир.

Плоскость, ортогональная оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, введена для наглядности. Очевидно, что угол места и угол наклона осей диаграмм направленности можно измерять непосредственно относительно оси, вокруг которой располагаются элементарные фотоприемники, принципиально это ничего не меняет.

На Фиг.2. представлен приемник, в котором фоточувствительные поверхности элементарных фотоприемников образуют поверхность конического или конического многогранного отверстия. Позициями обозначены: 1 - n-й элементарный фотоприемник; 2 - (n±1)-й элементарный фотоприемник.

При облучении многоэлементного фотоприемника Солнцем можно выделить группу освещенных элементарных фотоприемников. Количество элементарных фотоприемников в группе освещенных зависит от взаимного положения фотоприемника и Солнца. Величина сигнала n-го элементарного фотоприемника - I{n) в группе освещенных определяется следующим образом:

I(n)=AF(n), F(n)>0

I(n)=0, F(n)≤0 (2)

F(n)=[cos(Ω)cos(Θ)cos(ω)cos(nϑ)+cos(Ω)sin(Θ)cos(ω)sin(ϑ)+sin(Ω)sin(ω)]

где A - максимально возможное значение величины сигнала (имеет место при совпадении оси диаграммы направленности элементарного фотоприемника с направлением на Солнце), Θ - азимут направления на Солнце, Ω - угол места направления на Солнце, ω - угол наклона оси диаграммы направленности элементарного фотоприемника относительно плоскости, перпендикулярной к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, угол nϑ - угловая координата n-го элементарного фотоприемника в плоскости, перпендикулярной к оси относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, n - порядковый номер элементарного фотоприемника, ϑ - угловой шаг расположения элементарных фотоприемников.

Из выражения (2) следует:

$$\Theta =\arctan \left[\frac{\frac{I(n)-I(n+k)}{I(n)-I(n+l)}\left[\cos (n\vartheta )-\cos ((n+l)\vartheta )\right]-\left[\cos (n\vartheta )-\cos ((n+k)\vartheta )\right]}{\left[\sin (n\vartheta )-\sin ((n+k)\vartheta )\right]-\frac{I(n)-I(n+k)}{I(n)-I(n+l)}\left[\sin (n\vartheta )-\sin ((n+l)\vartheta )\right]}\right]\text{ (3)}$$ $$\Omega =\arctan \left[\frac{I(n+k)\cos (\Theta -n\vartheta )-I(n)\cos (\Theta -(n+k)\vartheta )}{tg(\omega )(I(n)-I(n+k))}\right]\text{ (4)}$$ где I(n) - величина сигнала n-го элементарного фотоприемника в группе освещенных, I(n+k) - величина сигнала (n+k)-го элементарного фотоприемника в группе освещенных, I(n+l) - величина сигнала (n+l)-го элементарного фотоприемника в группе освещенных.

Выражения (3) и (4) позволяют сделать вывод, что для определения угловых координат направления на Солнце достаточно иметь в группе освещенных всего лишь 3 элементарных фотоприемника. Для полусферического поля зрения это условие выполняется для любых направлений на Солнце, если фотоприемник содержит не менее 7 элементарных фотоприемников. Однако интерес представляет фотоприемник, содержащий большее количество элементарных фотоприемников, например 1000, поскольку в этом случае избыточность можно использовать:

- для повышения точности измерений координат за счет усреднения результатов;

- для повышения надежности и живучести фотоприемника, так как единичные или групповые отказы элементарных фотоприемников не смогут помешать вычислению угловых координат.

Азимут Θ направления на Солнце при этом можно определять посредством нахождения центроида, что позволяет также упростить вычислительную процедуру:

$$\Theta =\vartheta \frac{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}nI(n)}}{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}I(n)}}\text{ (5)}$$

Угол места Ω направления на Солнце вычисляется следующим образом:

$$\Omega =\arctan \left[\frac{\left[\cos (\Theta -n\vartheta )-\cos (\Theta -(n+l)\vartheta )\right]{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}I(n)}}{(k2-k1+1)\tan (\omega )(I(n)-I(n+l))}-\frac{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}\cos (\Theta -n\vartheta )}}{(k2-k1+1)\tan (\omega )}\right]\text{ (6)}$$

где ϑ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; I(n) и I(n+l) - величины сигналов n-го и (n+l)-го освещенных фоточувствительных элементов соответственно, n и (n+l) выбираются на интервале от k1 до k2; k1 - порядковый номер первого, а k2 - порядковый номер последнего фоточувствительного элемента в группе освещенных, сигналы которых превышают заданный порог.

С целью облегчения адаптации устройства многоэлементного фотоприемника к существующим технологиям выражение (2) можно представить следующим образом:

I(n)=I₁(n)+I₂(n),

I₁(n)=B[cos(Ω)cos(Θ)cos(nϑ)+cos(Ω)sin(Θ)sin(nϑ)],

$$I_2(n)=C\sin (\Omega ),\text{ (7)}$$

В=Acos(ω), С=Asin(ω)

Выражение (7) означает, что элементарный фотоприемник состоит условно из двух частей. Одна часть генерирует сигнал I₂(n) и является его проекцией (проекцией фоточувствительной поверхности), например, на основание цилиндра, при этом другая часть генерирует сигнал I₁(n) и является проекцией на цилиндрическую поверхность. С и В - максимально возможные значения величин сигналов этих частей соответственно.

На Фиг.3 показано сечение n-го элементарного фотоприемника. Позициями обозначены: 1 - чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника; 2 - ось диаграммы направленности n-го элементарного фотоприемника (перпендикулярна к чувствительной поверхности); 3 - угол наклона оси диаграммы направленности n-го элементарного фотоприемника относительно плоскости, перпендикулярной к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 4 - ось, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 5 - чувствительная поверхность первой части n-го элементарного фотоприемника (проекция на основание цилиндра); 6 - ось диаграммы направленности первой части элементарного фотоприемника, параллельная оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 7 - чувствительная поверхность второй части n-го элементарного фотоприемника (проекция на цилиндрическую поверхность); 8 - ось диаграммы направленности второй части элементарного фотоприемника, перпендикулярная к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники.

Проекции могут также рассматриваться на основание многогранника и многогранной поверхности соответственно.

Из выражения (7) и Фиг.3 следует, что диаграмма направленности каждого элементарного фотоприемника является суперпозицией диаграмм направленности первой и второй его частей, а угол наклона оси диаграммы направленности определяется отношением максимальных величин сигналов этих частей.

Практическая реализация фотоприемника, основанная на таком делении, показана на Фиг.4. Позициями обозначены: 1 - первая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника (проекция на основание цилиндра); 2 - вторая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника (проекция на цилиндрическую поверхность).

Другим вариантом является исполнение фотоприемника в соответствии с Фиг.5. Позициями обозначены: 1 - первая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника (проекция на основание цилиндра); 2 - вторая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника (проекция на цилиндрическую поверхность); 3 и 4 - бленды, которые ограничивают поле зрения цилиндрической и плоской частей соответственно и позволяют получить диаграмму направленности составного элементарного фотоприемника, аналогичную диаграмме направленности элементарного фотоприемника на Фиг.1.

Использование оптических элементов, изменяющих направление хода световых лучей (призмы или зеркала), позволяет расположить обе части элементарного фотоприемника на одной поверхности, в частности на плоскости. Сечение такого элементарного фотоприемника показано на Фиг.6. Позициями обозначены: 1 - n-й элементарный фотоприемник; 2 - первая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника, ось диаграммы направленности которого параллельна оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 3 - вторая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника, ось диаграммы направленности которого перпендикулярна оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 4 - ось диаграммы направленности первой чувствительной поверхности; 5 - ось диаграммы направленности второй чувствительной поверхности; 6 - ось, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники; 7 - призма; 8 - непрозрачное покрытие.

Подход, основанный на разложении фоточувствительной поверхности элементарного фотоприемника на ортогональные проекции и суперпозиции их диаграмм направленности, применим и для случая, когда оси диаграмм направленности двух частей элементарного фотоприемника направлены под разными, отличными от прямого и нулевого, углами к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники. На Фиг.7. показано сечение этого элемента. Позициями обозначены: 1 - n-й элементарный фотоприемник; 2 - первая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника; 3 - вторая чувствительная поверхность n-го элементарного фотоприемника; 4 - ось диаграммы направленности первой чувствительной поверхности; 5 - ось диаграммы направленности второй чувствительной поверхности; 6 - ось, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники.

Первая часть может быть представлена в виде двух ортогональных проекций. Аналогичным образом в виде двух ортогональных проекций представляется также и вторая часть. Получаются четыре части, две из которых имеют оси диаграмм направленности параллельные, а две другие имеют оси диаграмм, перпендикулярные оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники. Две части, которые имеют оси диаграмм направленности, параллельные оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, можно рассматривать, как одну часть, сигнал которой равен сумме сигналов составляющих ее частей. Две части, которые имеют оси диаграмм направленности, перпендикулярные оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, аналогичным образом можно заменить одной. Получившиеся новые две части являются ортогональными проекциями некоторого элементарного фотоприемника, для которого, как уже отмечалось в пояснении к Фиг.3, угол наклона оси результирующей диаграммы направленности определяется отношением максимальных величин сигналов его ортогональных проекций.

Следовательно, предлагаемый способ определения двух угловых координат светящегося ориентира может быть реализован как с помощью фотоприемника, содержащего элементарные фотоприемники, оси диаграмм направленности которых наклонены под некоторым углом, отличным от прямого и нулевого, к оси, относительно которой они располагаются, так и содержащего элементарные фотоприемники, каждый из которых состоит из двух частей, причем оси диаграмм направленности этих частей наклонены под некоторым углом к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники.

Из вышеприведенных формул и устройства многоэлементного фотоприемника на Фиг.1 следует, что угловая координата - Θ может быть вычислена в диапазоне от 0° до 360°, а угловая координата - Ω может быть вычислена в диапазоне от +90° до -(90°-ω). Таким образом, предлагаемый фотоприемник в отличие от прототипа [1] позволяет определить две угловые координаты Солнца, находящегося в любой точке сферы относительно ее центра за исключением сферического сегмента, отсекаемого конусом с углом при вершине - ω, ось которого совпадает с осью, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники.

Необходимо также отметить, что в заявляемом многоэлементном фотоприемнике элементарные фотоприемники непосредственно воспринимают солнечное излучение, поэтому какие-либо маски, формирующие и направляющие световой поток, отсутствуют. Как результат, уменьшаются масса и габариты прибора, повышается надежность. Кроме того, вследствие устранения необходимости в задании определенного пространственного положения маски и фотоприемников улучшается технологичность датчиков угловых координат и повышается стабильность их метрологических характеристик.

Устройство заявляемого фотоприемника позволяет изготавливать его в виде интегральной микросхемы. В качестве элементарных фотоприемников можно использовать фотодиоды, которые формируются с применением технологии APS (Active Pixel Sensor), лазерного микрофрезерования и травления. При этом, например, в случае Фиг.5 первой чувствительной поверхности соответствует поверхность кристалла, параллельная р-n переходу, а второй чувствительной поверхности соответствует поверхность, перпендикулярная р-n переходу фотодиода.

Кроме того, поскольку элементарные фотоприемники, например, в соответствии с Фиг.4 и Фиг.5 занимают периферийную часть кристалла, то внутреннюю его часть можно использовать для размещения аналого-цифрового преобразователя, вычислительного устройства, устройства управления и устройства информационного обмена. Таким образом, получается не просто фотоприемник, а законченный датчик угловых координат. Электрическое подключение такого датчика осуществляется через одно или несколько отверстий, получаемых с помощью лазера на внутренней части кристалла.

Источники информации

1. Патент на изобретение США №7552026, МПК G06F 3/00, 2009.

2. The Officine Galileo Digital Sun Sensor, F.Boldrini, E.Monini, IAA-B3-1308P, 3rd IAA Symposium on Small Sattelite for Earth Observation, Berlin, 2001.

3. Патент на изобретение РФ №2327952, МПК G01В 11/26, 2006.

Изобретение относится к приборам навигации космических аппаратов по Солнцу или иным светящимся ориентирам. Целью изобретения является расширение поля зрения и повышение надежности устройства, измеряющего две угловые координаты светящегося ориентира. Указанная цель достигается за счет расположения определенным образом в пространстве элементарных фоточувствительных элементов, образующих многоэлементный фотоприемник, и извлечения из величин их сигналов, порядковых номеров, величины углового шага и угла наклона осей диаграмм направленности информации о двух угловых координатах светящегося ориентира. Устройство многоэлементного приемника, обуславливаемое методом определения угловых координат, позволяет реализовать датчик угловых координат в виде полупроводниковой интегральной микросхемы, добавив к нему аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство, устройство управления и устройство информационного обмена. 4 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения двух угловых координат светящегося ориентира с помощью многоэлементного фотоприемника, который заключается в том, что элементарные фотоприемники располагаются в потоке излучения светящегося ориентира с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, при этом оси диаграмм направленности элементарных фотоприемников наклонены под некоторым углом к оси, относительно которой располагаются элементарные фотоприемники, определяются величины сигналов элементарных фотоприемников, обусловленные излучением светящегося ориентира, по величинам сигналов, порядковым номерам, величине углового шага расположения и величине угла наклона осей диаграмм направленности элементарных фотоприемников вычисляются угловые координаты светящегося ориентира.

2. Применение для определения двух угловых координат светящегося ориентира многоэлементного фотоприемника, который состоит не менее чем из семи элементарных фотоприемников, расположенных с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, угол наклона к которой осей диаграмм направленности элементарных фотоприемников отличен от прямого и нулевого.

3. Многоэлементный фотоприемник, состоящий из элементарных фотоприемников, расположенных с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, отличающийся тем, что количество элементарных фотоприемников не менее семи, оси диаграмм направленности элементарных фотоприемников расположены под некоторым углом, отличным от прямого и нулевого, к оси, относительно которой элементарные фотоприемники располагаются.

4. Многоэлементный фотоприемник, состоящий из элементарных фотоприемников, расположенных с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, отличающийся тем, что количество элементарных фотоприемников не менее семи, каждый элементарный фотоприемник состоит из двух частей, оси диаграмм направленности этих частей расположены под некоторыми углами к оси, относительно которой элементарные фотоприемники располагаются.