PSD（位置敏感探測(cè)器）太陽敏感器作為微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心部件，其測(cè)量精度直接決定衛(wèi)星在軌姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。為PSD 太陽敏感器性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo) ——120° 圓錐形視場(chǎng)、入射角精度<0.5°、方位角精度< 1°。本文基于紫創(chuàng)測(cè)控luminbox太陽光模擬器搭建測(cè)試系統(tǒng)，通過模擬太空太陽輻照環(huán)境，對(duì)敏感器的入射角和方位角測(cè)量精度進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)試，為后續(xù)標(biāo)定優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)試系統(tǒng)組成

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太陽敏感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

PSD太陽敏感器的測(cè)試系統(tǒng)主要包括太陽光模擬器、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

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PSD太陽敏感器原理框圖

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)下太陽入射角與方位角的理論值。太陽光模擬器發(fā)出平行光束照射太陽敏感器，PSD 光電探測(cè)器將太陽光斑位置轉(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

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1.設(shè)備校準(zhǔn)與安裝：調(diào)節(jié)電控升降臺(tái)，使太陽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，確保安裝牢固無松動(dòng)。

2.太陽光模擬器預(yù)熱：打開太陽光模擬器，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；

6.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)算出太陽敏感器在各姿態(tài)測(cè)試點(diǎn)入射角的測(cè)試誤差；

7.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

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太陽敏感器標(biāo)定及優(yōu)化流程圖

通過該測(cè)試系統(tǒng)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可用于太陽敏感器的誤差建模、標(biāo)定和優(yōu)化。在研究中，基于這些數(shù)據(jù)可開展零點(diǎn)標(biāo)定、三次曲面擬合以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，最終能使太陽敏感器的入射角精度達(dá)到0.5°以內(nèi)（3σ），方位角精度達(dá)到1°以內(nèi)（3σ），顯著提升傳感器的實(shí)際性能。

綜上，本測(cè)試基于太陽光模擬器構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試系統(tǒng)，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)太空太陽輻照環(huán)境，通過多姿態(tài)、大樣本測(cè)試，有效驗(yàn)證了微小衛(wèi)星PSD 太陽敏感器的性能。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)化提供了可靠支撐，助力PSD 太陽敏感器達(dá)成設(shè)計(jì)精度指標(biāo)。

Luminbox全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器

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紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器可為PSD 太陽敏感器提供高精度測(cè)試與性能驗(yàn)證，能精準(zhǔn)模擬自然光環(huán)境，支持光譜/ 亮度 / 色溫調(diào)控。

全光譜覆蓋：350nm-1100nm光譜，貼近自然光權(quán)重

高動(dòng)態(tài)亮度：2 米處20,000-150,000Lux，滿足HUD 亮度響應(yīng)測(cè)試

強(qiáng)光抗擾驗(yàn)證：直射模擬復(fù)現(xiàn)圖像模糊/ 重影問題場(chǎng)景

多場(chǎng)景適應(yīng)：支持日間/ 夜間 / 隧道等光照動(dòng)態(tài)切換測(cè)試

紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器以精密光學(xué)的工程化應(yīng)用，可有效縮短從基礎(chǔ)研究到工業(yè)驗(yàn)證的周期，為小型衛(wèi)星搭載的太陽敏感器測(cè)試提供可靠的“人工太陽”。將實(shí)驗(yàn)室級(jí)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化能力，助力航空航天、汽車等領(lǐng)域的技術(shù)革新。