Сонячні датчики (англ. Sun Sensors) — це оптичні прилади, що використовуються в системах орієнтації космічних апаратів, літальних апаратів та наземних систем для визначення напрямку на Сонце. Вони є одним із найпростіших і найнадійніших засобів для первинної орієнтації в просторі, особливо на ранніх етапах польоту, коли інші системи навігації ще не активовані або тимчасово недоступні.

Завдяки своїй простоті, малій вазі, низькому енергоспоживанню та високій надійності, сонячні датчики стали стандартним компонентом багатьох супутників, включно з малими CubeSat-апаратами.

Основні характеристики

Параметр Типові значення / діапазони
Типи Курсопоказуючі, аналогові, цифрові (електронні), багатоосеві
Кутове поле зору (FoV) 30° – 120° (залежить від конструкції)
Кутова точність Від 0.01° до 1°
Частота оновлення 1–100 Гц
Температурний діапазон –40 °C … +85 °C або ширше (залежно від платформи)
Маса Від кількох грамів до кількох сотень грамів
Споживання енергії Від 0.05 Вт до 2 Вт
Вихідні інтерфейси Аналогові сигнали, цифрові інтерфейси (SPI, I²C, RS-422, CAN)

Принцип роботи

Сонячні датчики працюють за принципом визначення напрямку на Сонце шляхом вимірювання освітленості світлочутливих елементів (фотодіодів, ПЗС-матриць або CMOS-сенсорів), розташованих під різними кутами до горизонту. Положення Сонця на небі дозволяє визначити орієнтацію апарата у космічному просторі або відносно локальної координатної системи.

Основні типи:

  • Аналогові сонячні датчики: вимірюють співвідношення сигналів із кількох фотодіодів, розташованих у різних площинах.
  • Цифрові (електронні): використовують оптичні системи (лінзи/отвори) і камери для точного визначення положення тіні або світлової плями.
  • Курсопоказуючі (coarse): визначають напрямок на Сонце з низькою точністю, але великою зоною охоплення (часто використовуються як резервні).

Основні формули

1. Кут падіння променя Сонця:

Якщо ( V_1 ) і ( V_2 ) — сигнали від двох фотодіодів на протилежних сторонах:

θ = arctan[(V_1 - V_2) / (V_1 + V_2)]

де
θ — кут відносно нормалі,
( V_1 ), ( V_2 ) — інтенсивності світла на сенсорах.

2. Сонячний вектор у системі координат:

Якщо кут падіння визначено по двох осях (x, y), тоді сонячний вектор:

S = [sin(θ_x), sin(θ_y), sqrt(1 - sin²(θ_x) - sin²(θ_y))]

Цей вектор використовується у блоках обчислення орієнтації.

Основні компоненти

  1. Оптична система — отвір або лінза, яка формує зображення світлової плями на фоточутливій поверхні.
  2. Детектори світла — фотодіоди, CMOS або CCD-матриці.
  3. Електроніка обробки сигналу — аналізує положення плями/тіні та розраховує кут падіння.
  4. Обчислювальний блок — визначає сонячний вектор та передає дані в систему орієнтації.
  5. Інтерфейси зв’язку — для передачі координат сонячного вектора або кутів.

Застосування

  • Космічні апарати: первинне та резервне визначення орієнтації.
  • Супутники: підтримка сонячної орієнтації для максимальної ефективності панелей.
  • CubeSats: завдяки компактності та енергоефективності — основне рішення.
  • Автоматизовані наземні системи: для слідкування за Сонцем (солярні трекери).
  • Військові й оборонні системи: резервні датчики орієнтації для БПЛА або боєприпасів.

Переваги

  • Простота конструкції.
  • Низька вартість і енергоспоживання.
  • Висока надійність.
  • Автономна робота (не потребують зовнішніх сигналів).

Недоліки

  • Не працюють у тіні або при затемненні Сонця.
  • Можуть бути зашумлені яскравими відбиттями, наприклад, від Землі або інших об’єктів.
  • Обмежена точність у курсопоказуючих моделях.

Типи сонячних датчиків за призначенням

Тип Опис
Coarse Sun Sensor (CSS) Простий, з великою зоною охоплення, низька точність
Fine Sun Sensor (FSS) Точний, обмежене поле зору
Digital Sun Sensor (DSS) Використовує камери або матриці
Hemispherical Sun Sensor Повне 360° покриття по азимуту

Сонячні датчики є незамінним елементом систем орієнтації для космічних апаратів та супутників, особливо на ранніх етапах польоту. Їхня простота, автономність і надійність забезпечують базову орієнтацію навіть у складних умовах. Хоча вони мають обмеження (наприклад, не працюють у тіні), в поєднанні з іншими сенсорами (INS, GPS, зоряними датчиками) вони формують надійну систему орієнтації та навігації.

OPIR – космічна система інфрачервоного спостереження з постійним оглядом

Дещо інше: