Czujnik Słońca

Czujniki słoneczne są nieodłącznym elementem struktury satelitów. Ich rodzaj, gabaryty oraz parametry zależą od misji. Są istotne w fazie odłączenia się satelity od rakiety, kiedy to stosowane w tym celu ładunki pirotechniczne powodują wirowanie satelity w przestrzeni. W takiej chwili zadaniem priorytetowym jest orientacja w przestrzeni oraz wyhamowanie ruchu wirującego. Dla tej fazy misji używane są czujniki o mniejszej dokładności lecz szybszym działaniu, gdyż ważna jest jak najszybsza orientacja statku kosmicznego w celu uniknięcia sytuacji zagrażających żywotności i sprawności działania podsystemów satelity.

Stanowisko do testowania Czujnika Słońca pod koniec czerwca 2014

Stanowisko do testowania Czujnika Słońca pod koniec czerwca 2014

Czujniki określające pozycję satelity względem Słońca są stosowane m.in. do ochrony wrażliwych na promieniowanie słoneczne urządzeń pomiarowych oraz innych czujników (np. czujnik gwiazdowy). Dodatkowo czujniki słoneczne dostarczają informacji potrzebnych do prawidłowego ustawienia paneli słonecznych tak, aby maksymalnie wykorzystać energię pochodzącą od promieniowania słonecznego, która często jest jedynym źródłem zasilania dla statków kosmicznych. Pośrednio systemy kontroli położenia pozwalają zachować separację od licznych obiektów znajdujących się na orbicie okołoziemskiej. Dokładność wyznaczania pozycji jest nie mniej ważna przy misjach obserwacyjnych, gdy głównym zadaniem satelity jest monitorowanie obszarów kosmicznych lub terenów i obiektów na Ziemi.

Rodzaj czujników stosowanych na satelicie, ich liczba oraz stopień zaawansowania (poziom dokładności) jest ściśle zależna od rodzaju misji. Są jednak konkretne fazy misji wspólne dla wszystkich statków kosmicznych wynoszonych na orbitę Ziemską. Jedną z takich faz jest faza odłączenia się satelity od rakiety nośnej. W tej fazie wymagania dotyczące dokładności są zmniejszone, ponieważ ważniejsze jest jak najszybsze określenie pozycji satelity w przestrzeni kosmicznej. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie szybkich czujników słonecznych, które charakteryzują się wysoką niezawodnością. Jedyne ograniczenie stosowania sensorów słonecznych wystąpi gdy fazie odłączenia satelity będzie przebiegała w cieniu Ziemi.

Analiza różnych rodzajów czujników słonecznych pozwala stwierdzić, że jednym z ważniejszych cech czujnika wpływających na jego dokładność i pole widzenia jest jego konstrukcja geometryczna oraz usytuowanie przestrzenne. W niektórych czujnikach to właśnie dzięki odpowiedniemu ustawieniu elementów światłoczułych unikano niejednoznaczności sygnału, która powoduje błędne określenie pozycji. Można pokazać, że przy użyciu prostych materiałów jest możliwe zbudowanie czujnika słonecznego mającego dokładność rzędu dziesiątych części stopnia.

Najprostszym rozwiązaniem wykorzystującym ogniwa fotowoltaiczne jest rozmieszczenie pojedynczych ogniw lub innych elementów światłoczułych na każdej ze ścian satelity. Celem tego projektu jest budowa i eksploatacja w warunkach kosmicznych rozwiązania konstrukcyjnego czujnika słonecznego na bazie czujników światła nadającego się do zastosowania na satelitach studenckich misji kosmicznych. Aby spełnić to wymaganie czujnik musi się charakteryzować następującymi cechami:

  • konstrukcja musi być prosta zarówno w opisie matematycznym jak i wykonaniu fizycznym
  • czujnik musi składać się z tanich i łatwo dostępnych materiałów
  • uzyskiwana dokładność musi być na poziomie średnich dokładności czujników komercyjnych
  • wysoka niezawodność.

Opis budowy czujnika

Budowa czujnika jest bardzo prosta. Dodatkowym atutem jest fakt, że przy tak mało skomplikowanej geometrii jest możliwe stworzenie czujnika dwuosiowego. Cztery zestawy czujników światła (ALS – ambient light sensor) rozmieszczono w taki sposób, aby czujnik mógł wyznaczać kierunek na Słońce w dwóch płaszczyznach.

Płytka SunS-a w obudowie wydrukowanej w technologii 3D.

Płytka SunS-a w obudowie wydrukowanej w technologii 3D w październiku 2016.

W tym samym czasie promienie słoneczne padają na każdą ze ścianek pod różnym kątem, co pozwala określić pozycję Słońca. Dane w postaci różnych wartości napięcia pochodzące z każdego czujnika są dostarczane do procesora, gdzie przy użyciu odpowiedniego programu przeliczane są na wartości określające pozycję Słońca względem układu związanego z czujnikiem.

Zostało udowodnione, że teoretycznie czujnik może wyznaczać kierunek na Słońce z dokładnością do 0,1°. Niestety, praktycznie procesy zachodzące w elektronice są bardziej złożone i uzyskanie takiej dokładności wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń kontrolujących pracę czujnika. Jednym z parametrów, który ma wpływ na odczyty, jest temperatura, która ulega ciągłym zmianom w wyniku nagrzewania się ogniw. Aktualnie szacujemy dokładność czujnika na ok. 1°.

Proponowaną koncepcję czujnika słonecznego można rozwinąć. Na rysunku przedstawiono propozycje podobnego czujnika z dodatkową parą ogniw. Wszystkie pary są ustawione do siebie pod kątem 120°. Taka konstrukcja miałaby miała następujące zalety:

  • większa niezawodność
  • eliminacja obszarów niedokładności spowodowanych zależnością natężenia od kąta padania promieni słonecznych w funkcji kosinusa
  • zmniejszenie obszaru martwego.

 

Projekt czujnika przedstawia pewien sposób określania pozycji Słońca względem układu tego czujnika. Jego rozmiary będą zależały od wielkości satelity. Dokładność, od środków finansowych i stopnia zaawansowania układu. Sama metoda detekcji jest dość prosta, a liczba możliwych do określenia przez użytkownika parametrów sprawia, że koncepcja może być bardziej uniwersalna.

Bibliografia

  1. „Instrukcja do ćwiczeń. Badanie elektrowni słonecznej.”, Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej. Sarniak Mariusz T., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2008.
  2. Giancarlo Rufinoa, Grassib Michele, Perrottac Alessandro, Development and Validation of a Modern CMOS Digital Sun Sensor at UniNa, DISIS-Department of Space Science and Engineering, University of Naples „Federico II”, Napoli, Italy 2004.
  3. Griffin Michael Douglas, Space vehicle design, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, 2004.
  4. Katsuhiko Tsuno, Takahisa Yamamoto, Masahito Kubo, Yoshifumi Shimizu, Eiji Hirokawa, Tatsuaki Hashimoto, CCD SUN SENSORS ON BOARD “HINODE” SOLAR OBSERVATORY, Japan Aerospace Exploration Agency, Yoshinodai, Sagamihara, KANAGAWA, JAPAN, 2006.
  5. Klugmann-Radziemska Ewa, Fotowoltaika: w teorii i praktyce, BTC, Legionowo, 2010.
  6. Kobiera A.: Techniki Kosmiczne – wykłady dla studentów PW, Warszawa, 2010.
  7. Le Goff Roland: Optique Spatial – wykłady dla studentów IPSA, Paryż, 2010.
  8. Liebe Carl Christian, Sohrab Mobasser, Youngsam Bae, Wrigley Chris J., Schoeder Jeffrey R., Howard Ayanna M., Micro Sun Sensor, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA, 2001.
  9. Meyer Rudolf X., Elements of Space Technology for aerospace engineers, Academic Press, Los Angeles, 1999.
  10. Pedersen Martin, Hales Jan H., Fléron René W., Two-Axis MOEMS Sun Sensor for Pico Satellites, Mikroelektronik Centret (MIC) Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark 2003
  11. Pisacane Vincent L. (editor), Fundamentals of Space Systems, Oxford University Press, New York, 2005.
  12. Scholz Artur, Jiun-Jih Miau, Jyh-Ching Juang, Cheng-Chang Ker, Bo-Chang Chen, Hung-Lin Chiu, Jung-Kuo Tu, Development of Digital CMOS Sun Sensors at NCKU, National Cheng Kung University, Taiwan.
  13. Sidi Marcel J., Spacecraft Dynamics and Control: A Practical Engineering Approach, Cambridge University Press, USA, 1997.
  14. Sohrab Mobasser, Liebe Carl Christian, Howard Ayanna, Fuzzy Image Processing in Sun Sensor, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA, 2001
  15. Spacecraft Sun Sensors, NASA/SP-8047, June, 1970.
  16. Wertz James R. (editor), Attitude System Operation Spacecraft Attitude Determination and Control, Computer Sciences Corporation, D. Reidel Publishing Company, Dortrecht, Holland, 1978
  17. Wertz James R., Larson Wiley J. (editors), Space Mission Analysis and Design, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 2005.
  18. Winetraub Yonatan, Heller Anna B., Attitude Determination – Advanced Sun Sensors for Pico-satellites, Handasaim School, Tel-Aviv University, Israel 2007.
  19. Артюхин Ю. П., Каргу Л.И., Симаев В.Л., Системы управления космических аппаратов, стабилизированных вращением, Издательство Наука, Москва, 1979.
  20. Казанкова Е.А., Иванова Д.А., Реферат по межпредметному семинару на тему: Приборы ориентации и навигации космических аппаратов, Московский физико-технический институт, (Государственный университет) , 2010.

Comments are closed