趙 媛，莫亞男，呂政欣

(北京控制工程研究所，北京100190)

新型編碼式太陽(yáng)敏感器誤差分析與修正方法研究*

趙 媛，莫亞男，呂政欣

(北京控制工程研究所，北京100190)

原有的太陽(yáng)敏感器采用多項(xiàng)式擬合進(jìn)行誤差補(bǔ)償，標(biāo)定精度較低.通過建模精確分析新型太陽(yáng)敏感器各誤差源的影響，提出一種新型誤差標(biāo)定方法，用于補(bǔ)償太陽(yáng)敏感器的幾何誤差，并給出了誤差補(bǔ)償方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法比標(biāo)定前精度提高3倍以上.

太陽(yáng)敏感器;誤差補(bǔ)償;標(biāo)定方法

0 引 言

編碼式太陽(yáng)敏感器以其大視場(chǎng)、高可靠、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類高、中、低軌道航天器.目前中國(guó)衛(wèi)星90%以上安裝了此類編碼式太陽(yáng)敏感器.為適應(yīng)未來宇航發(fā)展需求，太陽(yáng)敏感器不斷追求小型化、高精度以及輕質(zhì)量的技術(shù)途徑.

本文從太陽(yáng)敏感器設(shè)計(jì)原理、生產(chǎn)加工和測(cè)試等多方面分析，總結(jié)歸納了新型編碼式太陽(yáng)敏感器誤差分類、誤差產(chǎn)生的原因及其測(cè)試標(biāo)定測(cè)試方法.

1 工作原理

傳統(tǒng)的編碼式太陽(yáng)敏感器［1］由于沒有采用誤差補(bǔ)償技術(shù)，僅通過加工裝調(diào)工藝無(wú)法保證優(yōu)于0.05°(3σ)的高精度測(cè)量要求.

新型編碼式太陽(yáng)敏感器是在DSS-SiC-1型的研制基礎(chǔ)上采用小型化設(shè)計(jì)［2］，小型化設(shè)計(jì)后探頭部分尺寸僅為傳統(tǒng)探頭尺寸的2/3.編碼式太陽(yáng)敏感器的工作原理見圖1.光線透過柱面鏡玻璃底部的透光狹縫和碼盤玻璃，成像在碼盤玻璃的下表面，經(jīng)硅光電池產(chǎn)生粗碼、細(xì)碼、全開碼和監(jiān)視碼等13道感應(yīng)電流［3］.

圖1 編碼式太陽(yáng)敏感器工作原理圖Fig.1 Principle map of coded sun sensor

2 誤差分析

小型編碼式太陽(yáng)敏感器探頭組件的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示.通過分析小型太陽(yáng)敏感器的設(shè)計(jì)、加工、裝配和環(huán)境影響等因素，從產(chǎn)生誤差的原因可以概括地分類如圖2所示.下文將按圖2所示的各誤差項(xiàng)逐一展開分析.

表1 光學(xué)探頭組件的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 The main design targets of optical head module

2.1 光學(xué)探頭的細(xì)碼換算誤差

光線通過柱面鏡下表面的透光狹縫后將發(fā)生光學(xué)衍射，因高斯波形的高階分量能量很小，形成幾何級(jí)能量衰減.如果考慮高斯波形的高階分量影響，經(jīng)過推導(dǎo)［4］，細(xì)碼角度的換算誤差Δα可近似表示為

其中x為2°，α1為基波系數(shù)，α3為三次諧波系數(shù).

圖2 太陽(yáng)敏感器誤差樹Fig.2 Sun sensor error tree

DSS-SiC-1型傳統(tǒng)產(chǎn)品的誤差分布早在1999年高軌道“東三”衛(wèi)星在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)的誤差曲線以及產(chǎn)品在地面測(cè)試中都得到驗(yàn)證，由公式(1)可以看出在0°～0.5°范圍內(nèi)誤差分布呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，正是由于傳統(tǒng)產(chǎn)品具有此種誤差變化規(guī)律，通過對(duì)0°～0.5°(1'步距)內(nèi)的角度進(jìn)行誤差標(biāo)定并補(bǔ)償，在±60°視場(chǎng)范圍內(nèi)可將產(chǎn)品精度(3σ)提高50%以上，數(shù)據(jù)補(bǔ)償前后的波形圖見圖3所示.

圖3 DSS-SiC-1型光學(xué)探頭細(xì)碼誤差分析Fig.3 Fine error analysis of DSS-SiC-1 optical head

那么，如果將上述誤差補(bǔ)償方法用在小型編碼式太陽(yáng)敏感器上，誤差補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)分析如圖4所示.

圖4 小型光學(xué)探頭細(xì)碼誤差分析Fig.4 Fine error analysis of the miniature optical head

通過圖4分析，細(xì)碼補(bǔ)償后精度提高不顯著，細(xì)碼角度計(jì)算誤差在小型探頭的綜合誤差中不是主要誤差.小型探頭正弦波不光滑，所以在誤差系統(tǒng)中仍有其他誤差因素的存在影響誤差曲線的光滑性，采用傳統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法不可行.

2.2 線路中AD轉(zhuǎn)換誤差

因線路使用0～5 V的8位AD轉(zhuǎn)換器，1 LSB≈20 mV.當(dāng)太陽(yáng)光以大角度最入射時(shí)，線路的信噪比最差.假設(shè)太陽(yáng)光入射角最大在64°時(shí)，F(xiàn)1=0 V、F2=0.85 V、F3=1.7 V、F4=0.85 V，可以計(jì)算出角度誤差Δα為

2.3 光學(xué)探頭中光電池的電流響應(yīng)不均勻性

碼盤光電池電流響應(yīng)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致碼道輸出電流的幅度產(chǎn)生誤差，從而引起細(xì)碼一致性誤差.

對(duì)±3%的細(xì)碼電流幅度誤差進(jìn)行仿真分析，細(xì)碼±3%的不一致性可造成約±24″誤差.

2.4 光學(xué)探頭中碼盤玻璃厚度偏差

假設(shè).碼盤玻璃厚度無(wú)加工誤差時(shí)，設(shè)光線的入射角度為α，光線照射到碼盤玻璃下表面的位置設(shè)為Δx;如果碼盤玻璃厚度有Δh的加工偏差，當(dāng)光線照射到碼盤玻璃下表面的位置仍保持Δx，則此位置對(duì)應(yīng)的光線入射角為α'，光線的入射角變化量設(shè)為Δα.建立如圖5所示的光路圖分析.

圖5 碼盤玻璃厚度偏差Fig.5 Thickness error of coded glass

根據(jù)上述有

通過式(2)和(3)可以推導(dǎo)出

從式(4)分析，當(dāng)碼盤玻璃厚度偏差Δh越小，碼盤玻璃的厚度h越大，測(cè)量誤差越小.

2.5 光學(xué)探頭中碼盤玻璃相對(duì)透光狹縫水平偏移

從式(5)分析:當(dāng)碼盤玻璃厚度h值越大，碼盤玻璃相對(duì)柱面鏡透光狹縫的水平偏移Δx越小，測(cè)角誤差越小.

2.6 光學(xué)探頭中柱面鏡厚度偏差

根據(jù)設(shè)計(jì)要求:柱面鏡曲率半徑R為4.124±0.002mm;厚度為R±Δd，厚度偏差Δd為0.003mm;玻璃折射率為n.參考圖5方法建模分析，有

從式(6)分析:當(dāng)柱面鏡曲率半徑R值越大，柱面鏡厚度偏差越小，測(cè)量誤差越小.

2.7 光學(xué)探頭中柱面鏡下表面光縫光刻偏心

根據(jù)設(shè)計(jì)要求:柱面鏡曲率半徑R為4.124± 0.002mm;柱面鏡的光縫偏心Δx為±0.003mm;玻璃折射率為n.參考上圖5方法建模分析，有

從式(7)分析:當(dāng)柱面鏡曲率半徑R值越大，柱面鏡下表面光刻的光縫偏心Δx就越小，測(cè)量誤差越小.

3 誤差分析總結(jié)

針對(duì)上述誤差源建模分析，對(duì)上面可定量分析的誤差項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)歸納，具體見表2所示.

表2 誤差項(xiàng)分析Tab.2 Error item analysis

經(jīng)表2分析可見，碼盤玻璃厚度和碼盤玻璃相對(duì)柱面鏡透光狹縫的水平偏移量所占綜合誤差比例較大，所以可以通過建立誤差補(bǔ)償公式，減少這兩種誤差因素的影響，從而提高敏感器的綜合精度.

4 建立誤差補(bǔ)償公式

假設(shè).碼盤玻璃厚度不計(jì)加工誤差時(shí)，設(shè)光線的入射角度為α，光線照射到碼盤玻璃下表面的位置設(shè)為Δx1.

如果碼盤玻璃厚度有Δh的偏差，碼盤玻璃水平偏移Δx(即原碼盤玻璃的中心軸O1距現(xiàn)碼盤玻璃的中心O2偏移Δx)，當(dāng)光線照射到碼盤玻璃下表面的位置仍保持距柱面鏡O1偏心Δx1的距離，則原入射角度α的光線實(shí)際照射到現(xiàn)碼盤玻璃(現(xiàn)碼盤玻璃的中心為O2)下表面的Δx2位置，此Δx2位置對(duì)應(yīng)的光線入射角為α'，光路分析見圖6所示.

通過對(duì)圖6所示的光路進(jìn)行建模分析，有

圖6 光路圖Fig.6 Light path picture

同時(shí)為有效剔除常值誤差θ影響，上述公式可寫為

綜合式(1)和式(2)，最終公式為

式(13)中共有 3個(gè)參數(shù):K1、K2和K3.該式(13)即為綜合誤差補(bǔ)償公式.

5 誤差補(bǔ)償分析

利用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、太陽(yáng)模擬器及處理計(jì)算機(jī)構(gòu)搭建相應(yīng)的標(biāo)定系統(tǒng)［5-6］，完成相應(yīng)的標(biāo)定以及測(cè)試工作.經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后常值誤差得到修正(常值誤差為圖7中的虛線所示)，綜合精度為補(bǔ)償前的3倍以上，圖7為當(dāng)測(cè)量角α=0°時(shí)誤差補(bǔ)償前后的測(cè)量精度對(duì)比圖.系統(tǒng)誤差補(bǔ)償前: 3σ≈0.11°;系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后:3σ≈0.03°.系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后常值誤差得到修正，綜合精度為補(bǔ)償前的3倍.

圖7 誤差補(bǔ)償前后精度對(duì)比圖Fig.7 Comparison picture of error compensation before and after

6 結(jié) 論

目前，衛(wèi)星上安裝的太陽(yáng)敏感器主要包括:CCD太陽(yáng)敏感器、APS太陽(yáng)敏感器、粗太陽(yáng)敏感器和編碼式太陽(yáng)敏感器等.CCD、APS和粗太陽(yáng)敏感器一般采用多項(xiàng)式逼近方法進(jìn)行綜合誤差補(bǔ)償［7-8］，此傳統(tǒng)方法誤差補(bǔ)償效率低，補(bǔ)償無(wú)針對(duì)性，未能剝離各項(xiàng)誤差影響.

此誤差修正方法是通過在分析系統(tǒng)內(nèi)各誤差源影響，對(duì)所占綜合誤差貢獻(xiàn)比例較大的誤差項(xiàng)提出系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方案:補(bǔ)償公式僅使用3個(gè)補(bǔ)償參數(shù)，可有效修正常值誤差，針對(duì)性強(qiáng)，補(bǔ)償效果顯著.

本文可為太陽(yáng)敏感器及其他光電類敏感器的誤差修正方法提供新思路，為提高敏感器綜合精度開辟新途徑.

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Error Analysis and Modify Method of the New Coded Sun Sensor

ZHAO Yuan，MO Yanan，LV Zhengxin
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Polynomial fitting method is usually used to compensate the error of sun sensors，and the calibration precision is relatively low.According to the modeling analysis of the influence of various error sources，a new calibration method is proposed，and an error compensation method is provided to compensate the geometric error.The experimental results show that the calibration accuracy is over 3 times higher than the ordinary one.

sun sensor;error compensation;calibration method

V448.2

:A

:1674-1579(2016)02-0038-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.007

趙 媛(1984—)，女，工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)敏感器設(shè)計(jì);莫亞男(1971—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)敏感器設(shè)計(jì);呂政欣(1976—)男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)敏感器設(shè)計(jì)及測(cè)試.

*中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(GFZX0301030108).

2015-12-01