低成本小型无线自动太阳敏感器设计与实现

0 引 言

姿态信息对于卫星等航天器非常重要。只有获得姿态信息并进行控制,卫星才能实现初始消旋、三轴姿态稳定以及载荷对目标的定向等。卫星通过姿态敏感器感知外界参照物、场的信息,从而获得本体姿态信息。常用的姿态敏感器为:地球敏感器、磁强计、太阳敏感器、星敏感器等[1]。太阳敏感器通过获取太阳矢量信息得到与自身相固联的卫星姿态信息[2],通常可分为模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器[3]。数字式太阳敏感器一般使用电荷耦合器件(charged couple device, CCD)或互补式金属氧化物半导体有源像素传感器(complementary metal-oxide semiconductor active pixel sensor, CMOS APS)作为感光部件,精度可达到1″。而模拟式太阳敏感器多采用四象限探测器或位置灵敏探测器(position sensitive device, PSD),精度在0.15°～2°[4-6]。其中,模拟式太阳敏感器由于体积小、功耗低、结构简单等特点,在立方星等微小卫星中得到了广泛应用[7-8]。目前,绝大多数模拟式太阳敏感器需要通过导线输出模拟信号,这使得卫星在星载/姿态控制计算机中预留有专门接插件以及多路模拟/数字(analog to digital, A/D)转换电路用于太阳敏感器输出信号的采集。一般来说,一颗卫星需要多个太阳敏感器进行姿态确定。以西北工业大学自主研制的“翱翔一号”2U立方星为例,该卫星安装了3个太阳敏感器,使用了21根导线、12路A/D转换电路以及6个接插件实现信号传输。

1 无线自动太阳敏感器研究简介

无线传感器组网的有关概念最初由美国加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles, UCLA)提出[9],荷兰应用科学研究组织(netherlands organization for applied scientific research, TNO)与荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of technology, TU Delft)在此基础上联合提出无线太阳敏感器的概念[10-13]。无线太阳敏感器的测量数据通过无线通信方式传输,不需要专门接插件以及外部A/D转换电路,减少了对卫星内部走线的约束,可以实现即插即用。同时,去除了导线与接插件也减轻了卫星重量,有利于太阳敏感器在卫星上的安装与布局,提高了系统可靠性[14]。TNO与TU Delft联合研发了如图1(a)所示的模拟式太阳敏感器(auto-wireless sun sensor, AWSS),并在TU Delft研制的Delfi-C3 3U 立方星(2007年发射)上成功进行了在轨试验[15]。在此基础上,双方又成功研发了如图1(b)所示的基于专用集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)的 μDSS系列无线数字太阳敏感器[1,16-17]。

图1 AWSS和μDSS
Fig.1 AWSS and μDSS

针对微小卫星特别是立方星的应用需求,西北工业大学与TU Delft共同研发了如图2所示的小型无线自动太阳敏感器(micro wireless automatic sun sensor, μWASS)。该敏感器体积小、重量轻、功耗低,采用了ZigBee无线通信协议实现无线数据传输,所有器件均采用了商用货架器件(commercial off-the-shelf, COTS),大幅降低了系统成本。

图2 μWASS原理样机
Fig.2 Prototype of μWASS

2 小型无线自动太阳敏感器设计

μWASS基本原理如图3所示。电源系统主要包括三结砷化镓太阳电池片、电压变换调节单元以及超级电容。太阳矢量采集单元包括四象限探测器和模拟信号采集与放大电路。处理与通信单元包括CC2530片上系统(system on a chip,SoC)以及天线等外设电路。其中,CC2530片上系统采用了集成2.4G ZigBee通信协议的低功耗51单片机内核。此外,在设计中还考虑了空间环境辐射与高低温变化,增加了额外的温度控制与保护单元等。

图3 μWASS原理图
Fig.3 Schematic of μWASS

μWASS的主要性能指标如表1所示。

表1 μWASS主要性能指标
Table 1 Specifications of μWASS

2.1 太阳矢量采集单元

μWASS使用四象限探测器获取太阳矢量信息[13,18]。四象限探测器是将边长为L的4个性能完全相同的方形光电池片(Q1、Q2、Q3和Q4)按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件,其工作原理如图4所示。

图4 四象限探测器工作原理
Fig.4 Working principle of four-quadrant detector

当太阳光线通过遮光罩中心的方孔照射到感光平面时,会在4个象限上分别形成光斑(S1、S2、S3和S4),并产生相应的光生电流。相较于传统的余弦式模拟太阳敏感器,四象限差动式太阳敏感器测量精度更高,而且能够消除共模信号的干扰[7]。

各感光器件上产生的光生电流为

Ii(θ)=I0·cos θ·Si

(1)

(2)

式中,Ii(i=1,2,3,4)为第i个感光器件产生的光电流;I0为太阳光线垂直入射时产生的单位面积电流;θ为太阳光线入射角;Si(i=1,2,3,4)为第i个感光器件上的光斑面积;l为遮光罩中心的方孔边长(设计l=L);x为光斑中心与四象限探测器中心沿水平方向上的偏差;y为光斑中心与四象限探测器中心沿竖直方向上的偏差。

光斑中心坐标及太阳矢量角计算公式为

(3)

(4)

式中,(dx,dy)为太阳光斑的中心坐标;L为方形感光器件的边长;α为太阳光线入射角在水平方向上的分量;β为太阳光线入射角在竖直方向上的分量;h为遮光罩距离四象限探测器感光平面的高度。

μWASS视场角(Field of View, FOV)及其与太阳矢量角之间的关系为

(5)

FOV=2·αmax

(6)

图5给出了遮光罩距离感光平面高度h、开孔边长l与视场角FOV的关系。

图5 h、l与FOV之间的关系
Fig.5 Relation between h, l and FOV

2.2 电源设计与系统工作模式

μWASS电源系统主要包括一次电源太阳能电池片,二次电源超级电容以及电压变换调节单元。

为了提供足够的电能,一次电源采用了转换效率超过28.6 %的三结砷化镓太阳电池片,其具体指标如表2所示。

表2 三结砷化镓太阳能电池片指标
Table 2 Specifications of triple-junction GaAs solar panels

之前设计的无线太阳敏感器中一般没有二次电源,这会使得太阳能电池片输出电压在卫星飞行过程中受到阴影区、半影区以及卫星姿态的影响,从而导致太阳敏感器立刻停止输出。具体来说,存在以下问题:

(1) 卫星的姿态运动会造成太阳敏感器瞬时失去太阳光线信号(但卫星依然在光照区),导致前一时刻测量的太阳矢量信息因断电无法输出,从而造成卫星姿态测量信息的丢失;

(2) 光照条件改变以及太阳矢量信息收发瞬间造成的电流波动,影响系统正常工作;

(3) 在阴影区,系统温度会降低,但此时由于失去电能,无法进行系统加热;当再次进入光照区时,系统中商用器件可能由于瞬时温度过低,无法立刻正常工作。

针对上述问题,系统设计时增加了二次电源来进行能量存储与调节。与传统的立方星等微小卫星多使用锂电池作为能量存储单元相比,使用超级电容具有如下优势[19-22]:

(1) 没有记忆效应,内部电容、电阻值稳定。卫星在飞行过程中,一个轨道周期内可能会频繁充放电。随着充放电次数和深度的增加,锂电池容量会逐渐下降,而超级电容不会出现相关问题;

(2) 功率密度高,内阻低,可以瞬间释放大电流;

(3) 结构简单,可靠性高,不需要复杂的外部电路,内部能量存储和释放过程中不存在化学反应;

(4) 能在较宽温度范围(-30～+60℃)内保持性能稳定,而锂电池在低温环境下性能下降显著;

(5) 长寿命,可充放电10万次以上;

(6) 电压值直接反映了电荷容量,方便进行存储电量估计。

电压变换调节单元将太阳能电池输出的电压信号进行稳压与变换,为系统正常运行提供电能,同时为二次电源进行充电。

μWASS在光照区和非光照区分别按照如图6所示的两种模式工作。

卫星处于光照区时,系统采集信号后,将数据通过无线方式发送给姿态确定系统。卫星处于阴影区时,μWASS首先判断是否需要启动加热器。当系统温度低于-5 ℃时,启动加热器;待温度上升到0℃后,加热器停止工作。

2.3 无线收发与数据处理单元

表3为可用于航天器内部通信的商用无线标准,包括低功耗蓝牙(802.15.1)、Wi-Fi(802.11b)、Wi-Fi(802.11a)、Wi-Fi(802.11g)和ZigBee (802.15.4)等[23]。

可以看出,ZigBee虽然通信速率较低,但具有组网便捷、功耗低等特点,完全可以满足μWASS的使用要求。

图6 光照区与非光照区工作模式
Fig.6 The operation mode of μWASS in the sunlight and eclipse

表3 可用于航天器内部通信的商用无线标准
Table 3 Specifications of COTS wireless standards which can be used for intra-spacecraft

μWASS采用CC2530作为无线收发与数据处理单元,该芯片集成了基于ZigBee的无线通信模块。μWASS的无线系统具有如下特点:

(1) 支持传感器动态加入:当一颗卫星中有多个μWASS同时工作时,会根据传感器是否有太阳矢量信息输出以及输出数据的质量,动态地进行系统中传感器添加与删除;

(2) 支持无线信道检错与纠错:利用冗余校验方法,提高数据信道的输出质量;

(3) 支持动态休眠:根据目前的工作状态,通过休眠降低系统通信频率,控制功耗;

(4) 支持自动无线数据交换与故障检测:一颗卫星的多个μWASS之间可以通过短报文实现通信,以完成传感器之间的数据交换,并通过将自身状态互相发送来实现故障判断与检测,保障系统正常工作。

CC2530集成了51处理器内核。和其他处理器内核相比,51处理器具有功耗低、可靠性高、抗空间辐射能力强等特点。目前已经发射的700多颗立方星中,有超过1/3的立方星使用了51处理器内核。

2.4 温控与辐射保护单元

为了提高可靠性,保护内部电路正常工作,μWASS除了采用表面黑色阳极化等被动温度控制措施,还增加了薄膜电加热片用于主动温度控制。主动温度控制系统工作流程如图7所示。

图7 μWASS主动温度控制系统工作流程图
Fig.7 The operation flow chart of μWASS temperature control system

考虑到空间环境辐射的影响,系统还增加了辐射保护单元。辐射保护单元工作模式如下:

(1) 针对软故障

对于空间辐射造成的单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)等软故障,系统通过与星载计算机的周期性握手信号以及看门狗程序等进行监控与保护。

(2) 针对硬故障

对于空间辐射造成的单粒子栓锁(single event latchup, SEL)等硬故障,系统利用可熔断保险丝以及电流反馈进行快速回路切断,保障系统不会出现烧毁等不可修复故障。

3 系统测试与标定

3.1 无线通信系统测试

针对μWASS的无线系统,开展了一系列通信测试,包括接收信号强度指标(received signal strength indication,RSSI)测试、网络数据传输效率测试和网络鲁棒性测试。

(1) RSSI测试

将μWASS放置到室外,在不同通信距离下进行测试,测试结果如表4所示。

表4 RSSI测试结果
Table 4 Test result of RSSI

可以看到,即使通信距离达到12 m,丢包率依然低于0.5%。

(2) 网络数据传输效率测试

通过多个节点向网络协调器发送固定大小的数据包。在通信距离为2 m的环境下,节点分别在10 ms、20 ms、50 ms的间隔下向协调器发送数据,测试时间均为300 s。测试结果如表5所示。

表5 网络数据传输效率测试结果
Table 5 Test result of net transfer efficiency

(3) 网络鲁棒性测试:

网络鲁棒性定义为网络自主修复和自主重新建网的能力。测试过程中,让网络连续工作72 h。记录的数据显示,测试期间有节点由于干扰短期退出网络,但短时间内可以自动再次加入网络。

3.2 太阳敏感器标定与测试

如图8所示,太阳敏感器标定与测试平台包括太阳模拟光源、高精度两轴转台、伺服控制器等。其中,模拟光源为满足AM0指标的太空稳态太阳模拟器,转台控制精度小于0.001°。

图8 太阳敏感器标定与测试平台
Fig.8 Sun sensor calibration and test facility

测试时,以3°为步长,在μWASS整个视场范围内沿太阳敏感器感光平面的水平和竖直方向分别测试。确定每个姿态测试点处太阳光线入射角α和β的理论值。建立5次曲面拟合方程,即

(7)

式中,pij与qij为太阳敏感器内部参数;αr与βr为太阳光线入射角水平分量和竖直分量的测量值;αk与βk为相应的理论值。

代入αr与βr,使如式(8)所示的残差δα k和δβ k最小,即

(8)

(9)

当所有残差的平方和F1与F2均达到最小时,计算式(9)中的qij与pij,即可实现太阳敏感器的最小二乘法[24]标定。

标定后,μWASS水平和竖直方向上的太阳光线入射角测量误差散点图如图9所示。

图9 μWASS入射角测量误差散点图
Fig.9 Scatter plot of μWASS incident angle measurement error

根据测试数据得出,μWASS视场角可达到120°×120°,精度小于0.5° (1σ),满足设计要求。

4 结 论

设计并实现了新型低成本无线自动太阳敏感器(μWASS)。μWASS视场角为120°×120°,在整个视场范围内精度<0.5°(1σ),平均功耗为30 mW。和有线太阳敏感器相比,μWASS大幅度降低了太阳敏感器在卫星上的安装难度和使用复杂度,提高了系统可靠性。此外,μWASS创新性地使用了长寿命、高功率密度、宽温度范围的超级电容作为二次电源,以保证传感器能够在各种条件下可靠工作。未来,μWASS将用于包括“翱翔”系列立方星在内的多颗微小卫星姿态确定与控制系统。