PSD太阳敏感器设计指标的地面测试验证-日光辐射太阳光模拟器

PSD太阳敏感器设计指标的地面测试验证（日光辐射太阳光模拟器）

PSD太阳敏感器作为微小卫星姿态控制系统的核心敏感元件，其测量精度直接关系到卫星在轨姿态控制的准确性与稳定性。为验证该型PSD太阳敏感器是否满足设计指标要求——即具备120°圆锥形视场，入射角测量精度优于0.5°，方位角测量精度优于1°

本文基于科迎法电气太阳光模拟器搭建专用测试系统，通过模拟太空中的太阳辐照环境，对敏感器的入射角和方位角测量精度开展了系统性测试，旨在为后续的标定与性能优化提供可靠的数据支撑。

测试系统组成

太阳敏感器测试系统示意图

PSD太阳敏感器的测试系统主要包括太阳光模拟器、双轴电动转台、步进电机控制器、电控升降台、手动平移台、固定高度平板、直流电源、PC机、USB-I2C适配器等设备。太阳光模拟器是该系统的核心光源，采用氙灯配合光学滤光片，能够模拟AM0标准的太阳光谱，输出稳定的1370 W/m²辐照强度，符合国际IEC60904和ASTM E927标准。其光强输出稳定、光照均匀，确保测试结果的可重复性与可靠性。

测试原理

PSD太阳敏感器原理框图

通过步进电机控制器驱动双轴电动转台绕x、y 轴按预设步长旋转，模拟不同姿态下太阳入射角与方位角的理论值。太阳光模拟器发出平行光束照射太阳敏感器，PSD 光电探测器将太阳光斑位置转换为四路电流信号，经放大、滤波及模数转换后输出电压值。根据电压信号计算光斑重心位置，进而推导太阳入射角与方位角实际测量值，对比理论值与测量值的偏差，实现敏感器精度验证。

测试流程详解

1.       设备校准与安装：调节电控升降台，使太阳光模拟器光束中心轴线与双轴电动转台中心轴线重合，保证入射光线垂直于转台台面；将PSD 太阳敏感器通过转接板固定在转台台面中心，确保安装牢固无松动。

2.       太阳光模拟器预热：打开太阳光模拟器，预热0.5 小时，待输出功率稳定后，用光功率计确认辐照强度维持在1370W/m²（AM0 标准）左右。

3.       姿态测试点设置：考虑太阳敏感器视场FOV为120° 圆锥形视场，设定转台旋转步长为3°。转台绕x 轴从 - 60° 旋转至 + 60°，每旋转一个角度点，y 轴同步从 - 60° 旋转至 + 60°（或反向旋转），，共采集2000组数据。，转台旋转角度可直接换算为入射角与方位角理论值。

4.       数据读取与计算：读取各测试点太阳敏感器的四路输出电压并取平均值，计算出各姿态测试点方位角、入射角的测量值；

5.       误差分析：将计算出的测量值、与转台姿态测试点方位角、入射角的理论值相比较，计算出太阳敏感器在各姿态测试点入射角的测试误差；

6.       精度验证：绘制误差随入射角变化的散点图，计算误差平均值与标准差，判断太阳敏感器测量精度是否满足设计要求。

测试结果的应用

太阳敏感器标定及优化流程图

通过该测试系统获取的实验数据，可为PSD太阳敏感器的误差建模、标定与优化提供基础支撑。研究过程中，基于所采集的数据开展了零点标定、三次曲面拟合以及深度神经网络优化，最终使太阳敏感器的入射角测量精度优于0.5°（3σ），方位角测量精度优于1°（3σ），显著提升了传感器的实际性能水平。

综上所述，本研究基于太阳光模拟器构建了标准化的测试系统，能够精准复现太空环境中的太阳辐照条件。通过对传感器进行多姿态、大样本的系统性测试，有效验证了适用于微小卫星的PSD太阳敏感器的核心性能。所得测试数据为零点标定、三次曲面拟合及深度神经网络优化等环节提供了可靠的数据支持，助力该型PSD太阳敏感器全面达到设计精度指标。