PSD太陽(yáng)敏感器設(shè)計(jì)指標(biāo)的地面測(cè)試驗(yàn)證（日光輻射太陽(yáng)光模擬器）

PSD太陽(yáng)敏感器作為微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心敏感元件，其測(cè)量精度直接關(guān)系到衛(wèi)星在軌姿態(tài)控制的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。為驗(yàn)證該型PSD太陽(yáng)敏感器是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求——即具備120°圓錐形視場(chǎng)，入射角測(cè)量精度優(yōu)于0.5°，方位角測(cè)量精度優(yōu)于1°

本文基于科迎法電氣太陽(yáng)光模擬器搭建專用測(cè)試系統(tǒng)，通過模擬太空中的太陽(yáng)輻照環(huán)境，對(duì)敏感器的入射角和方位角測(cè)量精度開展了系統(tǒng)性測(cè)試，旨在為后續(xù)的標(biāo)定與性能優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)試系統(tǒng)組成

太陽(yáng)敏感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

PSD太陽(yáng)敏感器的測(cè)試系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)光模擬器、雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)控制器、電控升降臺(tái)、手動(dòng)平移臺(tái)、固定高度平板、直流電源、PC機(jī)、USB-I2C適配器等設(shè)備。太陽(yáng)光模擬器是該系統(tǒng)的核心光源，采用氙燈配合光學(xué)濾光片，能夠模擬AM0標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光譜，輸出穩(wěn)定的1370 W/m2輻照強(qiáng)度，符合國(guó)際IEC60904和ASTM E927標(biāo)準(zhǔn)。其光強(qiáng)輸出穩(wěn)定、光照均勻，確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性與可靠性。

測(cè)試原理

PSD太陽(yáng)敏感器原理框圖

通過步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)繞x、y 軸按預(yù)設(shè)步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)，模擬不同姿態(tài)下太陽(yáng)入射角與方位角的理論值。太陽(yáng)光模擬器發(fā)出平行光束照射太陽(yáng)敏感器，PSD 光電探測(cè)器將太陽(yáng)光斑位置轉(zhuǎn)換為四路電流信號(hào)，經(jīng)放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出電壓值。根據(jù)電壓信號(hào)計(jì)算光斑重心位置，進(jìn)而推導(dǎo)太陽(yáng)入射角與方位角實(shí)際測(cè)量值，對(duì)比理論值與測(cè)量值的偏差，實(shí)現(xiàn)敏感器精度驗(yàn)證。

測(cè)試流程詳解

1.       設(shè)備校準(zhǔn)與安裝：調(diào)節(jié)電控升降臺(tái)，使太陽(yáng)光模擬器光束中心軸線與雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線重合，保證入射光線垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面；將PSD 太陽(yáng)敏感器通過轉(zhuǎn)接板固定在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面中心，確保安裝牢固無(wú)松動(dòng)。

2.       太陽(yáng)光模擬器預(yù)熱：打開太陽(yáng)光模擬器，預(yù)熱0.5 小時(shí)，待輸出功率穩(wěn)定后，用光功率計(jì)確認(rèn)輻照強(qiáng)度維持在1370W/m2（AM0 標(biāo)準(zhǔn)）左右。

3.       姿態(tài)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置：考慮太陽(yáng)敏感器視場(chǎng)FOV為120° 圓錐形視場(chǎng)，設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)為3°。轉(zhuǎn)臺(tái)繞x 軸從 - 60° 旋轉(zhuǎn)至 + 60°，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度點(diǎn)，y 軸同步從 - 60° 旋轉(zhuǎn)至 + 60°（或反向旋轉(zhuǎn)），，共采集2000組數(shù)據(jù)。，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度可直接換算為入射角與方位角理論值。

4.       數(shù)據(jù)讀取與計(jì)算：讀取各測(cè)試點(diǎn)太陽(yáng)敏感器的四路輸出電壓并取平均值，計(jì)算出各姿態(tài)測(cè)試點(diǎn)方位角、入射角的測(cè)量值；

5.       誤差分析：將計(jì)算出的測(cè)量值、與轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)測(cè)試點(diǎn)方位角、入射角的理論值相比較，計(jì)算出太陽(yáng)敏感器在各姿態(tài)測(cè)試點(diǎn)入射角的測(cè)試誤差；

6.       精度驗(yàn)證：繪制誤差隨入射角變化的散點(diǎn)圖，計(jì)算誤差平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，判斷太陽(yáng)敏感器測(cè)量精度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試結(jié)果的應(yīng)用

太陽(yáng)敏感器標(biāo)定及優(yōu)化流程圖

通過該測(cè)試系統(tǒng)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可為PSD太陽(yáng)敏感器的誤差建模、標(biāo)定與優(yōu)化提供基礎(chǔ)支撐。研究過程中，基于所采集的數(shù)據(jù)開展了零點(diǎn)標(biāo)定、三次曲面擬合以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，最終使太陽(yáng)敏感器的入射角測(cè)量精度優(yōu)于0.5°（3σ），方位角測(cè)量精度優(yōu)于1°（3σ），顯著提升了傳感器的實(shí)際性能水平。

綜上所述，本研究基于太陽(yáng)光模擬器構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)太空環(huán)境中的太陽(yáng)輻照條件。通過對(duì)傳感器進(jìn)行多姿態(tài)、大樣本的系統(tǒng)性測(cè)試，有效驗(yàn)證了適用于微小衛(wèi)星的PSD太陽(yáng)敏感器的核心性能。所得測(cè)試數(shù)據(jù)為零點(diǎn)標(biāo)定、三次曲面擬合及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等環(huán)節(jié)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，助力該型PSD太陽(yáng)敏感器全面達(dá)到設(shè)計(jì)精度指標(biāo)。