Солнечный датчик на оСнове интерференционной оптичеСкой СиСтемы

УДК 520.6
Солнечный датчик на основе интерференционной
оптической системы
М. Е. Прохоров, А. И. Захаров, А. О. Жуков, А. В. Миронов, О. Ю. Стекольщиков
Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга Московского
государственного университета имени М. В. Ломоносова (ГАИШ)
Солнечные датчики — это приборы, которые определяют направление на Солнце.
Солнечный датчик должен иметь широкое поле зрения (оптимально — 2π ср или
больше), а при использовании датчика для навигации, ещё и высокую точность.
Сочетание высокой точности и широкого поля зрения является основной проблемой
солнечных датчиков высокой точности. Наилучшие результаты сегодня достигнуты в
солнечных датчиках с объективом «рыбий глаз» — поле зрения 2π ср и точность направления на Солнце 1 угл. мин.
В работе предложен другой тип солнечного датчика, использующий свойства интерференционного фильтра на сферической поверхности, который при столь же широком поле зрения должен иметь более высокую (секундную) точность
Ключевые слова: ориентация, датчики направления на Солнце, сверхширокоуголная оптика, интерференционные фильтры.
Солнечные датчики — это приборы, которые определяют направление на
Солнце в системе координат, связанной с космическим аппаратом (КА).
Знание направления на Солнце необходимо для ориентации солнечных батарей, для защиты целевой аппаратуры от прямого солнечного излучения, для
ориентации в пространстве и для исследования Солнца. Точность, требуемая
для решения этих задач, очень сильно различается: для ориентации солнечных батарей достаточно точности в 10…20°, для ориентации и исследования
Солнца нужна секундная точность.
При высокоточном определении направления на Солнце проблемой всех
статических (неподвижных) солнечных датчиков является достижение компромисса между очень широким полем зрения и высокой точностью определения направления на Солнце. В общем случае, в системе координат, связанной с КА, Солнце может находиться в любой точке небесной сферы. С другой стороны, у Солнца малый угловой размер — 0,5°, что примерно в 360 раз
меньше полусферы.
Широкоугольными, согласно [Федосеев, Колосов, 2007], являются солнечные датчики с полем зрения 60° и больше. Заметим, что поле зрения в 60°
охватывает примерно 1/6 полусферы (1/12 небесной сферы).
Одним из типов солнечных датчиков, которые имеют достаточно высокую (минутную) точность, являются щелевые датчики. Основа этих прибоПрохоров Михаил Евгеньевич — заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук, доцент, mike.prokhorov@gmail.com
Захаров Андрей Игоревич — научный сотрудник, zakh@sai.msu.ru
Жуков Александр Олегович — старший научный сотрудник, доктор технических наук, доцент, aozhukov@mail.ru
Миронов Алексей Васильевич — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, almir@sai.msu.ru
Стекольщиков Олег Юрьевич — старший научный сотрудник, кандидат технических наук,
oct@inbox.ru
142
Солнечный датчик на основе интерференционной оптической системы
ров — маска с набором узких щелей,
изображения которых проецируются
на матричный или, чаще, линейный
приёмник излучения. Помимо высокой точности щелевые датчики
дёшевы, компактны и обладают широкими полями зрения.
Типичным примером высокоточного щелевого солнечного датчика является прибор ОСД разработки ИКИ РАН [ОСД, 2005] (рис. 1).
Погрешность этого прибора составляет 3…5 угл. мин при поле зрения
60×120° (примерно 1/4 полусферы).
Рис. 1. Солнечный датчик ОСД
Один из возможных путей расразработки ИКИ РАН
ширения поля зрения подобных
приборов без снижения точности —
установка в них нескольких оптических головок. Пример подобного решения — солнечный датчик БОКС-01 разработки «НПП «Оптэкс» [Бакланов
и др., 2011]. Этот прибор имеет две оптические головки, которые обладают
суммарным полем зрения 182×56° (примерно 1/3 полусферы) при погрешности не более 1 угл. мин (рис. 2). Он разработан на основе солнечного датчика
БОКС с одной оптической головкой [Бакланов и др., 2011].
Подобные же разработки датчиков с двумя, тремя и четырьмя оптическими головками на основе ОСД велись в ИКИ РАН [Аванесов и др., 2008].
Эти приборы дороже и сложнее своих прототипов и, как следствие, менее
надёжны. Для обработки поля зрения сложной формы (с зазорами) требуются
более сложные алгоритмы обработки. И, главное, вне зависимости от числа
оптических головок это приборы с минутной погрешностью.
Другое возможное решение — сканирующий датчик, например, за счёт
вращения щели. Примерами подобных солнечных датчиков является приборы 331К и 333К разработки «НПП «Геофизика-Космос» [Солнечные датчики, 2012; Пирогов, 2008]. Поле зрения этих приборов составляет 90×180°
(примерно 2/3 полусферы), а погрешность — 1 
угл. мин. Недостатком этого
прибора является наличие постоянно движущихся частей в конструкции.
Другой вариант солнечных датчиков —
с широкими полями зрения — основан на
использовании объективов типа «рыбий
глаз». Такие объективы имеют поле зрения, близкое к 180°, т. е. могут охватить
всю полусферу. Но изображение Солнца
в таком кадре будет очень мало, для матрицы 1024×1024 пикселов — меньше 1,5 пикс
в диаметре.
Рис. 2. Солнечный датчик БОКС-01 разработки
НПП «Оптэкс» с двумя оптическими головками
143
М. Е. Прохоров, А. И. Захаров, А. О. Жуков, А. В. Миронов, О. Ю. Стекольщиков
Примерами солнечных датчиков с объективом «рыбий глаз» являются
приборы 338КМ1 и 347К разработки «НПП «Геофизика-Космос». Их поле
зрения охватывает полусферу, а погрешность составляет 1 угл. мин (у прибора
338КМ1 только в поле 140×140°, вне его — 2 угл. мин).
Все перечисленные варианты солнечных датчиков позволяют достичь
только умеренной (минутной) точности. Достичь секундных точностей очень
просто, для этого надо использовать прибор с узким полем зрения, в несколько градусов. В этом случае Солнце будет занимать существенную часть кадра
и можно будет очень точно определить направление на его центр. Однако такой прибор придётся наводить на Солнце и измерять положение его оптической оси также с секундной точностью.
Нами предложена новая конструкция солнечного датчика, сочетающая
оба качества: широкое поле зрения и высокую (секундную) точность. В нём
используется объектив типа «рыбий глаз» и матричный приёмник излучения
с соответствующим блоком электроники для обработки изображений. Эта
часть датчика подобна приборам 338КМ1 и 347К (рис. 3а). Помимо этого, перед объективом устанавливается тонкий полусферический мениск (рис. 3б),
внутренняя поверхность которого матирована рассеивающим свет покрытием, а на внешнюю поверхность нанесён интерференционный фильтр, пропускающий свет в узком интервале длин волн. Между объективом и приёмником излучения установлен один светофильтр — отсекающий (см. рис. 3б).
Объектив фокусируется не на бесконечность, а на внутреннюю поверхность
мениска.
а
б
Рис. 3. Схема устройства классического солнечного датчика: а — с объективом «рыбий глаз»; б — звёздного датчика с интерференционным мениском; 1 — блок электроники солнечного датчика; 2 — матричный приёмник излучения; 3 — широкоугольный
объектив («рыбий глаз»); 4 — мениск; 5 — интерференционный фильтр; 6 — матовая поверхность или рассеивающее покрытие; 7 — отсекающий фильтр; S — луч
от Солнца
144
Солнечный датчик на основе интерференционной оптической системы
Рис. 4. Изменение полосы пропускания узкополосного интерференционного фильтра
с ростом угла падения излучения
Принцип действия прибора основан на изменении полосы пропускания интерференционного фильтра при изменении угла падения излучения [Котликов и др. 2009]. На рис. 4 показаны полосы пропускания одного
и того же фильтра при различных углах наклона. Видно, что при нормальном падении фильтр пропускает излучение с наибольшей длиной волны,
а по мере увеличения угла падения — всё более и более коротковолновое.
Одновременно с ростом угла падения полоса пропускания становится шире
и теряет симметричность, однако можно выбрать несколько углов падения,
для которых полосы пропускания будут хорошо разделены.
Если мениск освещается Солнцем, то в подсолнечной точке угол падения
равен нулю, фильтр пропускает наиболее «красные» лучи. По мере удаления
от этой точки угол падения растёт, и начинают проходить всё более «синие»
лучи. Матовое покрытие на внутренней стороне мениска рассеивает это излучение и его можно регистрировать из любой точки внутри мениска. Если
«посмотреть» на внутреннюю поверхность мениска из его центра, можно
увидеть, что часть этой поверхности освещена и на освещённой части присутствует градиент длин волн пропущенного излучения — в направлении на
Солнце проходит наиболее длинноволновое излучение, а по мере отклонения
от направления на Солнце пропускается всё более коротковолновое излучение (рис. 5а). Если же «посмотреть» на мениск через отсекающий фильтр,
который пропускает длину волны, совпадающую с пропускаемой интерференционным фильтром при некотором (достаточно большом) угле падения
излучения, то вместо разноцветной освещённой полусферы можно увидеть
монохроматическое кольцо (или часть кольца), центр которого будет совпадать с направлением на Солнце (рис. 5б). Угловой размер кольца зависит
от выбора полосы пропускания отсекающего фильтра и может составлять несколько десятков градусов.
Объектив строит изображение этого кольца на матричном приёмнике излучения и, поскольку, в отличие от изображения непосредственно Солнца,
кольцо занимает много десятков или сотен пикселов, можно определить положение центра кольца (а соответственно и направление на Солнца) с высокой точностью.
Предложенный прибор имеет поле зрения, заметно превышающее 180°.
Так, если Солнце расположено на 90° от оси прибора (на условном «горизонте»), то в кадре будет присутствовать половина кольца. Это увеличит случайную погрешность определения направления на Солнце примерно в 1,4 раза,
но прибор будет вполне работоспособен.
145
М. Е. Прохоров, А. И. Захаров, А. О. Жуков, А. В. Миронов, О. Ю. Стекольщиков
а
б
Рис. 5. Вид внутренней поверхности мениска солнечного датчика из центра мениска:
а — без отсекающего фильтра: чёрным цветом показана часть мениска, не освещённая Солнцем, на освещённой части наблюдается радиальный цветовой градиент; б —
с отсекающим фильтром: видно только яркое монохроматическое кольцо, остальная
поверхность мениска тёмная (для удобства показана серым цветом). Чёрное кольцо
(реально не наблюдается) отмечает положение подсолнечной точки мениска. Центр
монохроматического кольца, образующегося после прохождения отсекающего светофильтра, совпадает с подсолнечной точкой
При угловом радиусе кольца, равном 60°, прибор сможет работать,
пока в кадре будет присутствовать заметная часть кольца, т. е. пока угол
между осью прибора и Солнцем не превышает примерно 135° (примерно
на 45° ниже условного «горизонта» прибора). Это соответствует полю зрения 270×270°. Конечно, поле шириной более 180° будет реализовано, если
Солнце не будет экранироваться корпусом КА. Для этого, например, солнечный датчик можно установить на штанге. Установка двух противоположно
ориентированных солнечных датчиков на разных сторонах КА позволит охватить всю небесную сферу.
Литература
[Аванесов и др., 2008] Аванесов Г. А., Зиман Я. Л., Зарецкая Е. В., Куделин М. И., Ники­
тин А. В., Форш А. А. Оптический солнечный датчик. Особенности конструкции
и испытательного оборудования // Всерос. научно-технич. конф. «Современные
проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов». Россия, Таруса, 22–25 сент. 2008: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2008. С. 78–89.
[Бакланов и др., 2011] Бакланов А. И., Бунтов Г. В., Жевако В. В., Забиякин А. С., Коно­
нова Л. Ф., Фокин В. А. Прибор определения координат Солнца БОКС-01 // 2-я
Всерос. научно-технич. конференция «Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов». Россия, Таруса, 13–16 сент. 2010: сб. тр. // Под
ред. Г. А. Аванесова. 2011. № 2. С. 141–148.
[Солнечные датчики, 2012] Солнечные датчики // Геофизика-Космос. URL: http://
www.geofizika-cosmos.ru/ru/pro_sunny.html. 2012. Date: 01.09.2014.
[Котликов и др., 2009] Котликов Е. Н., Варфоломеев Г. А., Лавровская Н. П., Тро­
пин А. Н., Хонинева Е. В. Проектирование, изготовление и исследование интерференционных покрытий. СПб.: ГУАП, 2009. 189 с.
146
Солнечный датчик на основе интерференционной оптической системы
[ОСД, 2005] Буклет «Солнечный датчик ОСД. Современный статус». URL: http://
www.iki.rssi.ru/ofo/pdf/OSD_r.pdf. 2005. Data: 01.09.2014.
[Пирогов, 2008] Пирогов М. Г. Новое поколение приборов ОАО «НПП «ГеофизикаКосмос» // Информационные спутниковые системы. 2008. № 5. С. 17–18.
[Федосеев, Колосов, 2007] Федосеев В. И., Колосов М. П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Логос, 2007.
Solar tracker with interference optical system
M. E. Prokhorov, A. I. Zakharov, A. O. Zhukov, A. V. Mironov, O. Yu. Stekolshchikov
Sternberg Astronomical Institute of Lomonosov Moscow State University (SAI MSU)
Solar tracker are devices that determine the direction to the Sun. The solar tracker should
have a wide field of view (2π steradian or more) and high accuracy (if device using for navigation). The optimal combination of high accuracy and wide field of view is the general problem
for high precision solar trackers. Present day best results were achieved in the solar trackers
with «fish-eye» lens — 2π steradian field of view and directions accuracy about 1ʹ.
In this paper we propose a different type of solar sensor that use the properties of an interference filter on a spherical surface. This device has more 2π steradian field of view. Its expected accuracy is the order of arcsecond
Keywords: attitude determination, solar tracker, super widefield lenses, interference filter.
Prokhorov Mikhail Eugenyevich — head of a laboratory, doctor of physico-mathematical sciences,
associate professor, mike.prokhorov@gmail.com
Zakharov Andrey Igorevich — scientist, zakh@sai.msu.ru
Zhukov Aleksandr Olegovich — senior scientist, doctor of technical sciences, associate professor,
aozhukov@mail.ru
Mironov Aleksey Vasilyevich — senior scientist, candidate of physico-mathematical sciences,
almir@sai.msu.ru
Stekolschikov Oleg Iurievich — senior scientist, PhD, oct@inbox.ru