太阳敏感器作为航天器姿态控制的核心部件，其性能直接关系到卫星在轨姿态控制的精度。在地面验证过程中，传统的太阳敏感器测试方法存在光照角度固定、无法模拟全空间动态光照环境等局限性，无法有效考核太阳敏感器的动态捕获性能。本设计基于微小型两轴转台与太阳光模拟器的光学信号动态激励系统，解决传统验证方法的局限，满足控制分系统闭路验证的全场景需求。

一、系统设计需求

为模拟卫星在轨全姿态运动状态，系统需突破以下技术瓶颈：

实现 360° 全空间范围的信号激励覆盖；

支持连续无约束运转，不受累积角度限制；

激励信号动态响应需匹配动力学仿真系统的实时输出；

保证激励矢量的高静态与动态指向精度；

由动力学仿真系统实时驱动激励信号变化；

模拟光特性需逼近真实太阳光的辐照度、准直度等关键指标。

二、系统总体构型与核心组件

1. 系统整体架构

太阳敏感器动态激励引入闭路验证系统数据流

系统由微小型两轴转台、太阳光模拟器及控制电路构成，采用 “光源固定、敏感器机动” 的设计思路。闭路验证流程中，姿轨控动力学仿真系统实时计算太阳矢量并发送给两轴转台，驱动太阳敏感器运动以接收不同角度的模拟光信号，其输出数据经 AOCS 控制器融合处理后反馈至仿真系统，形成闭环控制。

2. 太阳光模拟器结构与性能

太阳光模拟器结构

太阳光模拟器由椭球聚光镜、短弧氙灯、光学积分器及准直镜等组成。短弧氙灯发出的光经聚光镜汇聚后，由光学积分器分割为均匀辐照区域，再经准直镜输出平行光。实测数据显示，该太阳光模拟器辐照度≥0.5 等效太阳常数且连续可调，有效口径内光束平行度优于 32′，辐照不均匀度≤±4.0%，辐照不稳定度≤±1.5%/h，工作距离 101mm，完全满足太阳光特性模拟要求。

3. 微小型两轴转台设计

转台采用 U 形支撑结构，由俯仰轴、方位轴等组成，以 7009/P4 轴承支撑、J80LY028 直流力矩电机驱动。借助导电滑环实现 360° 连续旋转，零位状态下太阳光模拟器光轴与转台转轴交点重合误差≤0.02°，实测角度控制精度优于 0.02°，角速度 ±0.001~±15 (°)/s，两轴垂直度≤0.01°，精准匹配动态激励需求。

三、动态激励控制算法设计

1. 空间姿态矢量映射

通过姿态转移矩阵运算，将 J2000 惯性系下的太阳矢量转换为太阳敏感器测量系的方位矢量，再解算出转台的方位角 α 与俯仰角 β，实现太阳矢量与转台运动的精准映射，确保敏感器运动轨迹与仿真姿态一致。

2. 双轴伺服控制

采用位置、速度、电流三闭环控制策略，结合数字 PID 算法与前馈补偿技术。电流闭环保障驱动稳定性，速率闭环改善低速性能，位置闭环通过光电绝对角编码器实现高精度反馈，最终实现转台的高动态响应与定位精度。

四、试验验证与结果分析

系统应用于卫星控制分系统闭路验证，完成太阳搜索、远地点点火及全天球姿态机动三项核心试验：太阳搜索试验中，卫星从初始姿态稳定转入对日巡航模式，综合姿态精度优于 ±0.45°；远地点点火试验中，太阳敏感器输出与理论值偏差≤±0.3°；全天球姿态机动试验中，敏感器 5 片电池片可根据受照状态输出连续光电流或零值，与太阳矢量变化规律完全一致。试验结果表明，系统能有效激励太阳敏感器的动态性能，满足闭路验证各项技术要求。

本系统将含光学组件的太阳敏感器接入控制分系统闭路验证，通过太阳光模拟器的高精度光特性模拟、两轴转台的全空间高精度控制及优化的控制算法，实现了卫星在轨全姿态场景下的动态激励。系统突破了传统验证方法的空间覆盖与精度局限，扩展了控制分系统的测试覆盖范围，为太阳敏感器的分系统级验证提供了高效可靠的技术方案。

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