Czujnik Słońca

instrument, który umożliwia satelicie określenie orientacji przestrzennej na orbicie

Czujniki słoneczne są nieodłącznym elementem struktury satelitów. Instrumenty określające pozycję satelity względem Słońca są szczególnie istotne w fazie odłączenia się satelity od rakiety, kiedy to zadaniem priorytetowym jest orientacja w przestrzeni oraz wyhamowanie ruchu wirującego. 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. W innych fazach misji, gdy konieczne jest ustawienie np. paneli fotowoltaicznych albo anten komunikacyjnych, wymagana jest większa precyzja, kosztem dynamiki sensora.

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.

Celem tego projektu jest budowa i eksploatacja w warunkach kosmicznych rozwiązania konstrukcyjnego czujnika słonecznego nadającego się do zastosowania na satelitach studenckich misji kosmicznych.

Aby spełnić to wymaganie czujnik musi się charakteryzować następującymi cechami:

  • czujnik musi składać się z tanich i łatwo dostępnych elementów i materiałów
  • konstrukcja musi być prosta w wykonaniu i integracji
  • uzyskiwana dokładność musi być na poziomie średnich dokładności czujników komercyjnych
  • wysoka niezawodność.

Opis budowy czujnika

Zaprojektowany czujnik jest czujnikiem dwuosiowym, dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie kierunku na Słońce w dwóch płaszczyznach. Elementy światłoczułe, określające natężenie padającego na nie światła, rozmieszczone są na czterech ściankach czujnika. W tym samym czasie promienie słoneczne padają na każdą ze ścianek pod różnym kątem, co pozwala określić pozycję Słońca. Dane o natężeniu światła z każdej ze ścianek są przekazywane do procesora, gdzie przy użyciu odpowiedniego programu i danych kalibracyjnych przeliczane są na wartości kątowe.

Teoretycznie czujnik może wyznaczać kierunek na Słońce z dokładnością nawet 0,1°. Niestety, w praktyce dokładność mechanicznego wykonania i integracji czujnika Słońca, procesy fizyczne zachodzące w półprzewodnikowych sensorach natężenia światła (szumy, zależności temperaturowe), oraz złożony proces kalibracji (np. trudności w uzyskaniu równoległej wiązki światła symulującej światło Słoneczne) znacznie pogarszają dokładność czujnika. Aktualnie wartość ta szacowana jest na około 1°.

Na początku projektu zakładano, że elementami światłoczułymi na ściankach czujnika Słońca będą ogniwa fotowoltaiczne. Napięcie elektryczne generowane przez panele jest proporcjonalne do natężenia padającego na nie światła. Sygnał analogowy z paneli fotowoltaicznych miał być przetwarzany na formę cyfrową za pomocą wysokorozdzielczych przetworników analogowo-cyfrowych. Dane cyfrowe byłyby następnie obrabiane przez mikrokontroler w czujniku w celu obliczenia kątów na Słońce.

Panele fotowoltaiczne podczas testów kątowych


Panele fotowoltaiczne podczas testów kątowych.

Ze względu na znaczną zależność temperaturową sygnału z paneli, konieczne było zapewnienie dokładnego pomiaru temperatury każdego panelu i kompensacja tego efektu.
Największą przeszkodą, która zaważyła o rezygnacji z rozwiązania opartego o panele fotowoltaiczne były problemy z wytwarzaniem odpowiednio małych ogniw. Różne metody cięcia powodowały niewielkie uszkodzenia krawędzi paneli, co bezpośrednio przekładało się na degradację charakterystyk ogniw w nieprzewidywalny sposób.

Jako rozwiązanie alternatywne wybrano scalone cyfrowe fotodiody ALS (ang. Ambient Light Sensor). Sygnał o natężeniu światła przekazywany jest w cyfrowej formie, bezpośrednio do mikrokontrolera. Czujniki charakteryzują się wysoką rozdzielczością i czułością. Wpływ temperatury na wynik pomiaru natężenia światła oraz charakterystyki kątowe czujników zostały dokładnie poznane. Dzięki niewielkim wymiarom czujników możliwe było ich zwielokrotnienie, co pozwoliło na uzyskanie potrójnej redundancji określanych przez czujnik Słońca kątów. SunS posiada pięć czujników temperatury, po jednym na każdej ze ścianek i na strukturze całego sensora.

Komunikacja z komputerem pokładowym satelity PW-Sat2 zapewniona jest za pośrednictwem magistrali I2C, która jest standardową magistralą używaną w satelitach typu CubeSat. Zasilany jest pojedynczym napięciem 3.3 V, a konsumpcja prądu podczas pomiaru nie przekracza kilku – kilkunastu miliamperów. Czas pomiaru jest regulowany w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset milisekund. Wydłużenie czasu pomiaru pozwala uzyskać lepsze parametry szumowe pomiaru światła, jednakże zmniejsza dynamikę sensora.

background
12
czujników światła
każdy o rozdzielczości 10 luksów
3
potrójna redundancja
czujników światła
100tysięcy
punktów kalibracyjnych

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.