Солнечный датчик Советский патент 1992 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к космической технике, в частности к датчикам ориентации, устанавливаемым на космических аппаратах.

Известны солнечные датчики, содержащие диафрагму, оптическую систему, фото- приемник и блок обработки сигнала, позволяющие определить координаты Солнца.

Н е достатком из вести ы х устройств я в л я- ется низкая надежность вследствие наличия подвижных элементов и низкая точность.

Известен также солнечный датчик, содержащий диафрагму в виде круглого отвер- стия 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 входом 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.

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, (Г- 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 задающий 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 5 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

0 сравнения являются выходами соответствующих блоков управления.

Разбиение на зоны при считывании сигнала с фотоприемника осуществляется блоком управления счетом элементов, в

5 котором текущее значение опрашиваемого генератора импульсов элемента сравнивается в блоке 20 сравнения с заданным и запомненным в запоминающем устройстве числом, равным половине общего числа эле0 ментов N в строке, 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

5 разбиение на зоны 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

0 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.

5 Диафрагма в форме крестообразной щели 2 проектирует на поверхности фотоприемника 3 изображение, положение которого зависит от угловых координат Солнца. При анализе сигнала используем метод

0/ средневзвешенного.

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

Для текущих значений у:

5

от 1 до М/2 - 1 область

от М/2 до М - 2 область. Для текущих значений х:

oi 1 до N/2 от N/2 до N

Для каждой области цепочкой из эле- ментов 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

у, и среднее значение у, задаваясь постоянным значением х.

Определяем значения х и у для каждой из двух областей

в вычислителях 9 и 14 в соответствии с выражениями:

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

(D

ЈV|

Значения xi и ха определяются блоком 4 умножения, сумматором 5, сумматором 15 и блоком 6 деления. Постоянные значения У1 и у2 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, уравнение которой имеет вид

AIXI + Biyi + Ci 0l

AlX2 + Biy2 +

(2)

где С - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров и определяемый на стадии калибровки устройства.

Решаем систему уравнений известным образом относительно неизвестных коэффициентов AI и BL в блоке 7 вычисления коэффициентов определяем их.

Для текущих значений х поступаем аналогично:анализируем области

от 1 до N/2 от N/2 до N выбираем значения yiV2

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

-$ у4-ЈУ V

О)

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

А2ХЗ+ В2УЗ + С2 (Л А2Х4 + В2У4 С2 0.

(4)

Решаем уравнение (4) в вычислителе 13. По полученным коэффициентам определяем координаты центра солнечного диска

Уо 10

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 xt и номер строки yi, соответствующие положению изображения Солнца на поверхности чувствительного элемента ФПЗС 3 и

поступающие на вторые входы блоков 4 и 10 умножения со счетчиков 19 блоков управления 7 и 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 9 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

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 XQ и у0.

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.

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 коор- динаты Солнца, а также сумматора и двух

запоминающих устройств, при этом первые выходы каждого из блоков управления счетом соединены с соответствующими входами фоточувствительного прибора с 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 вычисления коэффициентов, выход фотоприемного блока соединен с входами блоков умножения и входом сумматора, выходом подключенного к вторым входам блоков деления.

4.Датчик по п.1, отл ичающийся тем, что блок формирования оптического сигнала выполнен в виде двух цилиндрических линз, одноименные оси которых расположены перпендикулярно друг другу.