DE3810291C2

DE3810291C2 -

Info

Publication number: DE3810291C2
Application number: DE3810291A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Yokohama Jp Tsuno; Yoshihiko Tokio/Tokyo Jp Kameda; Satoshi Yokohama Jp Akabane
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1992-10-08
Also published as: US4810870A; DE3810291A1; CA1292357C

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnensensor, der z. B. zum Messen der Flug lage eines künstlichen Satelliten, des Neigungswinkels von Solarzellenpaddeln usw. dient

Ein künstlicher Satellit mißt allgemein den Einfalls winkel von Sonnenlicht mittels eines Sonnensensors; auf der Grundlage dieser Messung korrigiert er seine eigene Fluglage und den Neigungswinkel des Solarzellenpaddels. Im folgenden sind an sich bekannte Arten von Sonnensen soren beschrieben, die derzeit in künstliche Satelliten eingebaut sind und die den Einfallswinkel der Sonnen strahlung mit hoher Genauigkeit zu messen vermögen (vgl. hierzu auch DE 31 25 184 A1 und US 39 51 550).

1) Ein Sonnensensor des Analogtyps verwendet ein ein periodisches Muster aufweisendes Schlitzgitter, z. B. eine Maskenplatte mit einem Schlitz-Gittermuster.

2) Ein Sonnensensor des Digitaltyps besteht aus einer Kombination aus einem CCD-Lineararraysensor und ei nem Schlitz.

Gemäß Fig. 1 weist der zuerst genannte Sonnensensor ei nen Meß-Kopf 21 mit vier Lichtempfangsteilen A bis D auf, von denen jeder aus ersten und zweiten Schlitzgittern 22 und 23 und einem photoelektrischen Wandlerelement, z. B. einer Solarzelle 24, gebildet ist. Jedes Schlitz gitter 22 und 23 weist ein periodisches Muster aus Lichtdurchlaßteilen und Abschattungsteilen auf, die in einer bandartigen Form mit einer vorbestimmten Breite vorgesehen und in jeweils derselben Richtung angeordnet sind. Die Muster des ersten Schlitzgitters 2 in ersten bis vierten Lichtempfangsteilen A bis D sind jeweils um 0°, 90°, 180° bzw. 270° zu denen des jeweiligen zweiten Schlitzgit ters 23 in den betreffenden Lichtempfangsteilen versetzt angeordnet. Nur das durch die Lichtdurchlaßteile der ersten und zweiten Schlitzgitter 22 und 23 jedes Lichtempfangs teils A bis D hindurchfallende Licht kann das photoelektrische Wandlerelement 24 erreichen.

Genauer gesagt: das unter einem Einfallswinkel R auf den Kopf 21 fallende Sonnenlicht S wird durch die Abschattungs teile des erstsen Schlitzgitters 22 teilweise abgeschattet, und es erreicht sodann das zweite Schlitzgitter 23, wobei sich die resultierende Lichtinten sitätsverteilung durch die Funktion f(R) ausdrücken läßt. Außerdem wird das Sonnenlicht S auch durch die Abschattungsteile des zweiten Schlitzgitters 23 teil weise abgeschattet, bevor es das photoelek trische Wandlerelement 24 erreicht. Der in diesem Wandler element 24 fließende Strom läßt sich mithin durch die Funktion g(R) ausdrücken, die eine Funktion des Einfalls winkels R des Sonnenlichts ist.

Wenn der Abstand zwischen ersten und zweiten Schlitzgit tern 22 bzw. 23 und die Breiten der Durchlaß- und Abschat tungsteile der jeweiligen Schlitzgitter 22, 23 auf zweck mäßige Größen gesetzt sind, kann die die Lichtintensitäts verteilung repräsentierende Funktion f(R) unter Berück sichtigung des Streuungs- und Beugungseffekts des Sonnen lichts angenähert wie folgt ausgedrückt werden:

f(R) = α + β sin (γR)
(mit α, β und γ = Konstanten).

Es sei angenommen, daß sich der Strom g(R), der dann er zeugt wird, wenn das durch die Funktion f(R) ausgedrückte Sonnenlicht durch das Schlitzgitter 23 teilweise blockiert und dann vom photoelektrischen Wandlerele ment 24 empfangen wird, angenähert wie folgt ausdrücken läßt:

g(R) = α′ + β′ sin (γ′R)

Genauer gesagt: da die Muster des ersten Schlitzgitters 22 in den ersten bis vierten Lichtempfangsteilen A bis D um jeweils 0°, 90°, 180° bzw. 270° gegenüber denen des zwei ten Schlitzgitters 23 in den betreffenden Lichtempfangs teilen versetzt sind, können die in den jeweiligen Licht empfangsteilen A bis D des photoelektrischen Wandlerelements 24 erzeugten Ströme g_A(R) und g_D(R) wie folgt ausgedrückt werden:

g_A(R) = α′ + β′ sin (γ′R)
g_B(R) = α′ + β′ cos (γ′R)
g_C(R) = α′ + β′ sin (γ′R)
g_D(R) = α′ + β′ cos (γ′R).

Die Ausgangsströme g_A(R) bis g_D(R) werden einem Operationsschaltungsteil gemäß Fig. 2 zuge führt, von dem g_a(R) und g_C(R) einer Subtrahierstufe 31a eingespeist werden, die ihrerseits das folgende Ausgangs signal liefert:

g_A(R) - g_C(R) = {α′ + β′ sin (γ′R)} - {α′ - β′ sin (γ′R} = 2β′ sin (γ′R).

Andererseits werden die Ausgangsströme g_B(R) und g_D(R) einer Subtrahierstufe 31b zugeführt, die ihrereseits das folgende Ausgangssignal liefert:

g_B(R) - g_D(R) = {α′ + β′ cos (γ′R)} - {α′ - β′ cos (γ′r} = 2β′ cos (γ′R).

Ein Bezugssignalgenerator 32 erzeugt ein Sinuswellensignal sinA und ein Kosinuswellensignal cosA, wobei A allmählich größer wird. Sodann werden das Ausgangs signal 2β′ sind (γ′R) von der Subtrahierstufe 31a und das Ko sinuswellensignal cosA in einer Multiplizierstufe 33a multi pliziert, und das Ausgangssignal 2β′cos(γ′R) von der Sub trahierstufe 31b und das Sinuswellensignal sinA werden in einer Multiplizierstufe 33b multipliziert. Die resultieren den Ausgangssignale von den Multiplizierstufen werden zu einer Subtrahierstufe 34 geliefert, die ihrerseits ein Aus gangssignal 2β′sin(A-γ′R) zu einem Nulldurchgangsdetektor 35 liefert, der seinerseits ein Stopsignal S_TP erzeugt, so oft das Eingangssignal den Nullpegel kreuzt. Der Bezugs signalgenerator 32 beendet die Änderung von A in Abhängig keit vom Stopsignal S_TP und liefert den Wert A (=R), der zu die sem Zeitpunkt erhalten wird, als Einfalls winkel. Damit kann der Einfallswinkel R ermittelt werden.

Bei der beschriebenen Konstruktion ergibt sich jedoch das folgende Problem. Die Meßgenauigkeit des Einfallswinkels R bestimmt sich entsprechend dem Grad, mit dem die Funk tion f(R), welche die am Schlitzgitter ermittelte Lichtintensitätsverteilung angibt, der Sinuswelle angenähert werden kann. Da in der Praxis jedoch das Sonnenlicht gestreut worden ist und beim Durchgang durch das Schlitzgitter dem Beugungseffekt unterliegt, ist diese ausreichende Annäherung an die Sinuswelle schwierig. Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit erscheint da her unmöglich. Weiterhin ist es dabei nötig, vier Sätze von Schlitzgittern und ein photoelektrisches Wandlerele ment vorzusehen, wodurch sich der Meß-Kopf vergrößert.

Andererseits ist der Sonnensensor der zweitgenannten Art gemäß den Fig. 3 bis 5 mit einem Schlitz 42 und einem CCD- Lineararraysensor 45 versehen. Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau des Meß-Kopfes; Fig. 4 verdeutlicht die Lagenbeziehung zwischen dem Schlitz 42 und dem CCD- Sensor 45, und Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 3. Gemäß den Fig. 3 bis 5 sind ein Spektral-Prisma 41, ein Bandpaßfilter 44, das nur Licht einer vorbestimmten Wellenlänge durchläßt, ein CCD-Licht empfangselement 451 und ein Strahldämpfungs- ND-Filter 46 vorgesehen.

Bei diesem Sonnensensor wird die Stelle auf der Licht empfangsfläche des CCD-Sensors 45, auf die durch den Schlitz 42 hindurchfallendes Sonnenlicht S auftrifft, auf der Grundlage eines Ausgangssignals vom Sensor 45 erfaßt, um damit den Azimut (Einfallswinkel R) des Sonnenlichts abzuleiten. Bei diesem Sonnensensor wird der Schwerpunkt auf der Grundlage eines vom Sensor 45 geliefer ten Signals erfaßt (vgl. Fig. 6(a)). Wahlweise kann gemäß Fig. 6(b) das Zentrum einer durch Filtern des Ausgangssi gnals vom Sensor 45 erhaltenen Welle erfaßt werden, um damit die Meßgenauigkeit für die Einfalls stellung des Sonnenlichts auf der Lichtempfangsfläche des Sensors 45 zu verbessern.

Bei diesem Sonnensensor erstreckt sich jedoch ein durch das durch den Schlitz 42 hindurchfallende Sonnenlicht S entworfenes Bild nur über einige Bildelemente bis zu einem Mehrfachen von zehn Bildelementen, so daß ein Ausgangssi gnal des Sensors 45 durch teilweise Unregelmäßigkeit der CCD-Lichtempfangselemente beeinflußt ist (z. B. Schwankung in den Dunkelströmen der Lichtempfangselemente und Differen zen in ihrer Ansprechempfindlichkeit), wodurch die Fähig keit zur Lagenmessung unregelmäßig wird. In diesem Fall kann eine gleichmäßige Lagenmeßfähigkeit erzielt werden, indem der Abstand h zwischen dem Schlitz 42 und dem Sen sor 45 groß eingestellt wird, um damit das durch das Son nenlicht S entworfene Bild zu vergrößern und den maximalen Meßwinkel für jedes Licht empfangselement zu verkleinern. Mit dieser Maßnahme ver größern sich aber Abmessungen und Gewicht des Sonnensen sors, so daß dieser praktisch ungünstig wird.

Wie beschrieben, wird beim bisherigen Sonnensensor mit dem Schlitzgitter eines periodischen Musters die Meß genauigkeit durch Streuungs- und Beugungseffekt des Sonnenlichts bestimmt; dabei erscheint eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit unmöglich. Die Meß genauigkeit kann durch den im Analogbetrieb verur sachten Fehler herabgesetzt werden; zudem besteht da bei das Problem einer Vergrößerung des Meß-Kopfes. Beim Digitaltyp-Sonnensensor mit einer Kombination aus dem genannten CCD-Sensor und einem Schlitz können anderer seits leicht Fehler infolge einer teilweisen Unregel mäßigkeit der Lichtempfangselemente auftreten; eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit bedingt dabei eine Vergrößerung von Abmessungen und Gewicht des Sensorkopfes.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Sonnensensors, mit dem der Einfallswinkel des Sonnen lichts ohne Vergrößerung der Abmessungen des Meß- Kopfes mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sonnensensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 2 bzw. 3 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 4 bis 6.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Meß-Kopfes eines herkömmlichen Analogtyp-Sonnensensors mit einem periodischen Schlitzgittermuster,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Operationsschaltungsteils beim Sonnensensor nach Fig. 1,

Fig. 3 bis 5 Darstellungen eines herkömmlichen Digital typ-Sonnensensors mit einem Meß-Kopf, der eine Kombination aus einem CCD-Linearsensorarray und einem Schlitz aufweist,

Fig. 6 graphische Darstellungen von Möglichkeiten zum Messen des Sonnenlichts-Einfallswinkels beim Digi taltyp-Sonnensensor,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Meß-Kopfes bei einem Sonnensensor gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Signalverarbeitungsteils,

Fig. 9 graphische Darstellungen von Möglichkeiten für Azimutmessung,

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Signalverarbeitungsteils bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 11 graphische Darstellungen von Möglichkeiten für Azimutmessung.

Die Fig. 1 bis 6 sind eingangs bereits erläutert worden.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Fig. 7 bis 9 beschrieben.

Die Anordnung gemäß Fig. 7 umfaßt ein Schlitzgitter aus bandförmigen Lichtdurchlaßteilen a und Lichtabschirm teilen b jeweils einer vorbestimmten Breite, die unter Bil dung eines periodischen Musters in jeweils gleicher Richtung angeordnet sind, und einem CCD-Linear arraysensor (im folgenden einfach als CCD-Sensor bezeich net) mit in einer Reihe angeordneten CCD-Lichtempfangsele menten c. Der Sensor 12 ist so unter dem Schlitzgitter 11 angeordnet, daß die Richtung des CCD-Arrays mit der Er streckungsrichtung des Musters des Schlitzgitters 11 über einstimmt.

Unter einem Einfallswinkel R einfallendes Sonnenlicht wird durch die Lichtabschirmteile b des Schlitzgitters 11 teil weise abgefangen, so daß nur das durch die Lichtdurchlaßteile a hindurchtretende Sonnenlicht S die Lichtempfangsfläche des CCD-Sensors 12 im Meß- Kopf erreichen kann. Es sei angenommen, daß der Abstand zwischen dem Schlitzgitter 11 und dem CCD-Sensor 12 gleich H und der Einfallswinkel des Sonnenlichts S gleich R ist.

In diesem Fall kann die Lichtintensitätsverteilung auf der CCD-Lichtempfangsfläche durch das in Fig. 9(a) darge stellte Muster wiedergegeben werden. In die ser Figur bedeuten x=Abstand oder Strecke in Richtung des CCD-Arrays und t=Übertragungszeit.

Ein Signalverarbeitungsteil gemäß Fig. 8 umfaßt einen Impuls generator zum Erzeugen eines Zeittaktimpulses CK1 für Übertragungs- und Ansteuerungsoperationen und eines Bezugsimpulses CK2, der mit dem Zeittaktimpuls CK1 synchroni siert und so vorgegeben ist, daß er dem Durch laßgrad "1" (positiv) am Lichtdurchlaß teil a des Schlitzgitters 11 und dem Durchlaßgrad "0" (nega tiv) am Lichtabschattungsteil b entspricht, wenn der Ein fallswinkel R des Sonnenlichts S gleich 0 ist. Der Zeit taktimpuls CK1 wird dem CCD-Sensor 12 über einen CCD-Tei lerkreis 14 zugeführt, und der Bezugsimpuls CK2 wird einer Phasensteuerung durch einen Phasenschieber 15 unterworfen und dann einer Multiplizierstufe 16 einge speist. Ein der Lichtintensitätsverteilung entsprechendes Zeitreihensignal wird in Abhängigkeit vom Zeittaktimpuls CK1 aus dem CCD-Sensor 12 ausgelesen, über einen Vestär ker 17 der Multiplizierstufe 16 zugeführt, mit einem Aus gangssignal (im folgenden als Replika- oder Nachbildungs signal bezeichnet) des Phasenschiebers 15 multipliziert, durch einen Integrator 18 integriert und in ein Gleichspan nungssignal umgewandelt und schließlich einer Phasenschiebe steuerung 19 eingespeist. Letztere bewirkt Phasensteuerun gen eines Ausgangssignals vom Phasenschieber 15 um eine Größe entsprechend der Pegeländerung eines Eingangssignals mittels eines Phasenschieberegisters 20. Der Phasenschie ber 15, die Multiplizierstufe 16, der Integrator 18, die Phasenschiebesteuerung 19 und das Phasenschieberegister 20 sind dabei zu einer Phasenregelschleife (PLL-Schal tung) zusammengefaßt.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist nachstehend erläutert.

Der Bezugsimpuls CK2 wird in bezug auf das Muster des Schlitzgitters 11 mit dem in Fig. 9(b) Zeit takt erzeugt. Wenn ein Zeitreihensignal durch die Multiplizierstufe 16 mit einem Nachbildungssignal multi pliziert wird, während der CCD-Sensor 12 das der Lichtinten sitätsverteilung gemäß Fig. 9(a) entsprechende Zeitreihen signal erzeugt, kann in einer Anfangsphase ein in Fig. 9(c) gezeigtes Signal erhalten werden. Gemäß Fig. 9(c) weist ein Ausgangssignal der Multiplizierstufe 16 eine positive Periode t1 und eine negative Periode t2 auf, die sich entsprechend dem Einfallswinkel R ändern. Wenn das Signal durch den Integrator 18 integriert und geglättet wird, wird eine Spannung erhalten, die zum Zeitpunkt t1=t2 den Pegel "0" besitzt, zum Zeitpunkt t1<t2 positiv und zum Zeitpunkt t1<t2 negativ ist.

Die Ausgangsspannung des Integrators 18 wird als Fehler spannung der Phasenschiebesteuerung 19 zugeführt. Letztere steuert die Größe der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 15 über das Phasenschieberegister 20 auf der Grundlage von Polarität und Pegel einer Eingangsspannung. Genauer gesagt: das Nachbildungssignal wird einer Phasenverschiebung gemäß Fig. 9(d) unterworfen; die durch Integrieren eines Ausgangssi gnals von der Multiplizierstufe 18 in der positiven Periode t1 und der negativen Periode t2 erhaltenen integrierten Spannungswerte werden einander gleich eingestellt (vgl. Fig. 9(e)); und eine durch den Integrator 18 erzeugte Fehlerspannung wird so geregelt, daß sie "0" beträgt. Dabei erscheint der Anstieg des Nachbildungssi gnals im Zentrum der Lichtintensitätsverteilungswelle. Demzufolge ist die Phasenverschiebungsgröße für den Pha senschieber 15 dem Einfallswinkel R des Sonnenlichts S proportional.

Genauer gesagt: die Korrelationsgröße zwischen dem Zeitreihensignal f(t) und dem Nachbildungs signal g(t) läßt sich wie folgt ausdrücken:

C = ∫ f(t) · g(t)dt.

Somit kann C mittels der Multiplizierstufe 16 und des Inte grators 18 abgeleitet werden. Mit anderen Worten: die Korre lationsgröße C ist auf die Phasendifferenz zwischen dem Zeitreihensignal f(t) und dem Nachbildungssignal g(t) be zogen; sie beträgt "0" bei einer Phasendifferenz von 90°, und sie wird bei einer Phasendifferenz, die größer oder kleiner ist als 90°, positiv oder negativ. Die Fig. 9(b) und 9(c) veranschaulichen einen Fall, in welchem die Pha sendifferenz größer ist als 90°; die Fig. 9(d) und 9(e) veranschaulichen jeweils einen Fall, in welchem die Pha sendifferenz auf 90° gesetzt ist bzw. der Phasenfehler (Korrelationsgröße C) auf "0" gesetzt ist.

Da beim beschriebenen Sonnensensor die Phasenverschiebungs größe des Phansenschiebers 15 eingestellt wird, um die Differenz zwischen den Phasenverschiebungs größen des Zeitreihensignals f(t) und des Nachbildungssi gnals g(t) zu Null zu reduzieren, kann somit eine Informa tion bezüglich des Sonnenazimuts (Einfallswinkels) R auf der Grundlage der Phasenverschiebungsgröße gewonnen werden, wobei der Winkel R von der Azimutinforma tion abgeleitet werden kann. Es ist einfach, die Phasen verschiebungsgröße des Phasenschiebers 15 innerhalb einer Zeitspanne einzustellen, die kürzer ist als die Zeit, welche der CCD-Sensor 12 zum Erzeugen eines Ausgangs signals für ein volles Bildelement benötigt, so daß auf die beschriebene Weise ein Sonnensensor eines hohen Genauig keitsgrades und einer großen Lagenmeßfähigkeit realisiert werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Sonnensensor können wirksam alle Probleme beim herkömmlichen Analogtyp-Sonnen sensor mit dem Schlitzgitter eines periodischen Musters gelöst werden, beispielsweise Schwierigkeit der Verbesse rung der Genauigkeit auf Grund von Steuerungs- und Beugungs effekten des Sonnenlichts, Präzisions- oder Genauigkeits beeinträchtigung auf Grund eines im Analogbetrieb auftre tenden Fehlers und vergrößerte Abmessungen des Meß-Kopfes. Zudem können damit auch die Probleme beim Digitaltyp-Son nensensor mit einer Kombination aus CCD-Lineararraysensor und Schlitz gelöst werden, wie Auftreten eines Fehlers auf Grund teilweiser Unregelmäßigkeit der Lichtempfangselemente sowie Vergrößererung von Abmessungen und Gewicht des Meß- Kopfes als Folge des Bestrebens, seine Meßgenauigkeit zu verbessern. Der erfindungsgemäße Sonnensensor gewährleistet somit eine hohe Meßgenauigkeit bei kleineren Abmessungen.

Außerdem ist es dabei möglich, ein Ausgangssignal des CCD- Lineararraysensors 12 zur Beseitigung von Störsignalkompo nenten zu filtern. In einem solchen Fall ist es allerdings nötig, die Zeitverzögerung auf Grund der Filteroperation zu kompensieren.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der Erfindung an Hand der Fig. 10 und 11 erläutert.

Da der Meß-Kopf des Sonnensensors gemäß dieser Ausführungs form denselben Aufbau wie beim Meß-Kopf gemäß Fig. 7 auf weist, kann auf eine nähere Beschreibung verzichtet wer den. Zu erwähnen ist lediglich, daß die Lichtdurchlaßteile a und die Lichtabschattungsteile b des Schlitzgitters 11 mit ausreichend schmalen Breiten ausgebildet sind, welche eine ausreichende Beugung des die Lichtdurchlaßteile a passierenden Sonnenlichts S bewirken und den CCD-Sensor 12 ein Zeitreihensignal erzeugen lassen, das im wesentlichen der Sinuswellenform entspricht.

Der Signalverarbeitungsteil des Sonnensensors gemäß dieser Ausführungsform ist nachstehend an Hand von Fig. 10 im ein zelnen erläutert. Die Schaltung gemäß Fig. 10 enthält einen Taktimpulsgenerator 52 zum Erzeugen eines Übertragungsan steuer-Taktimpulses CK gemäß Fig. 7 bzw. 11, der seiner seits den CCD-Sensor 12 sequentiell ansteuert. Der CCD- Sensor 12 erzeugt ein Zeitreihensignal, das einem Vertei lerkreis 53 zugeführt wird, der seinerseits ein erstes Torschaltsignal einer Rechteckwellenform mit einer Periode entsprechend den Breiten der Lichtdurch laßteile a und Lichtabschattungsteile b des Schlitzgitters 11 auf der Grundlage des Übertragungsansteuer-Taktimpulses CK erzeugt und weiterhin zweite bis vierte Tor schaltsignale mit Phasendifferenzen von 90°, 180° und 270° relativ zum ersten Torschaltsignal bildet und anschließend Zeitreihensignale nach Maßgabe der Torschaltsignale erzeugt und verteilt. Die verteilten Zeitreihensignale vom Vertei lerkreis 53 werden jeweils über nicht dargestellte Band paßfilter Integratoren 54a bis 54d eingespeist, deren inte grierte Ausgangssignale einer Operationsschaltung 55 als die vorher erwähnten Signale g_A(R), g_B(R), g_C(R) und g_D(R) zugeführt werden. Die Operationsschaltung 55 besitzt im wesentlichen denselben Schaltungsaufbau wie die Operations schaltung nach Fig. 2, so daß auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann.

Nachstehend ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung an Hand von Fig. 11 erläutert.

Gemäß Fig. 11(a) wird ein die Lichtintensitätsverteilung repräsentierendes Zeitreihensignal f(R, x) (mit x=Rich tung der Meßzeile des CCD-Sensors) in Form einer Sinuswelle vom CCD-Lineararraysensor 12 des Meß- Kopfes erzeugt und dem Verteilerkreis 13 zugeführt. Wie erwähnt, bildet der Verteilerkreis 53 auf der Grundlage des Taktimpulses CK erste bis vierte Torschaltsignale einer Rechteckwellenform mit gegenseitigen Phasendifferenzen von 0°, 90°, 180° und 270° und mit einer Periode entsprechend den Breiten der Durchlaßteile a und Abschattungsteile b des Schlitzgitters 11 (vgl. Fig. 11(b) bis 11(e)), und er bewirkt eine Torsteuerung des Zeitreihen signals mittels der betreffenden Torschaltsignale sowie die Erzeugung der torgeschalteten oder getasteten Zeitreihen signale. Auf diese Weise erfüllt der Verteilerkreis 53 elek trisch dieselbe Funktion wie das zweite Schlitzgitter der Lichtempfangsteile A bis D beim herkömmlichen Sonnensensor.

Die Zeitreihensignale a bis d, die mittels der Torschalt signale intermittierend verteilt werden, werden jeweils durch Integratoren 54a bis 54d über x integriert. Da bei ist es möglich, den Integratoren 54a bis 54d vorgeschal tete Bandpaßfilter vorzusehen, um erforderlichenfalls har monische Anteile oder Komponente zu beseitigen. Die Inte grationsergebnisse koinzidieren mit Strömen g_A(R) bis g_D(R), die mittels des photoelektrischen Wandlers 24 der Licht empfangsteile A bis D des herkömmlichen Sonnensensor-Kopfes gemäß Fig. 1 gewonnen oder abgeleitet werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Sonnensensor die Signale elektrisch verar beitet werden, können sie im Vergleich zur bisherigen An ordnung in bezug auf R genauer der Sinuswelle angenähert werden. Infolgedessen kann der Sonnenlicht-Einfallswinkel R mit größerer Genauigkeit ermittelt werden, indem die Inte grationsergebnisse als g_a(R) bis g_D(R) der Operationsschal tung 55 mit demselben Schaltungsaufbau wie beim Operations schaltungsteil gemäß Fig. 2 eingespeist wer den.

Da der Meß-Kopf des erfindungsgemäßen Sonnensensors nur durch ein einziges Schlitzgitter und einen CCD-Lineararray sensor gebildet ist, kann er im Vergleich zum Meß-Kopf beim herkömmlichen Analogtyp-Sonnensensor mit vier Lichtempfangs teilen A bis D mit kleinen Abmessungen ausgelegt sein. Da weiterhin die die Lichtintensitätsverteilung repräsentieren den Meßausgangssignale der Sinuswelle genau angenähert wer den können, kann die Operationsverarbeitung des Sonnensen sors in der Weise vorgenommen werden, daß der Sonnenlicht Einfallswinkel mit hoher Genauigkeit be stimmt werden kann.

Während der beschriebene Sonnensensor gemäß der Erfindung einen CCD-Lineararraysensor verwendet, kann er auch einen zweidimensionalen CCD-Arraysensor verwenden und mehr Daten ansammeln, so daß der Zufallsfehler ver ringert und eine höhere Genauigkeit bezüglich der Messung des Einfallswinkels erzielt wird. Weiterhin kann eine noch höhere Meßgenauigkeit erreicht werden, wenn das Schlitzgitter zur Nutzung der räumlichen Lichtintensi tätsverteilung leicht geneigt wird.

Claims

1. Sonnensensor zum Messen des Einfallswinkel (R) des einfallenden Sonnenlichts (S), mit:
einem ein periodisches Muster aufweisenden Schlitzgitter (11) mit jeweils einer Vielzahl von derart zueinander abwechselnd angeordneten bandförmigen Lichtdurchlaßteilen (a) und band förmigen Lichtabschattungsteilen (b), daß das Sonnenlicht (S) durch die in regelmäßigen Ab ständen angeordneten Lichtdurchlaßteile hin durchfallen kann,
einer in einem vorbestimmten Abstand (4) unter dem Schlitzgitter (11) angeordneten photoelektrischen Wandlereinheit (12) zum Emp fangen des durch die Lichtdurchlaßteile (a) des Schlitzgitters (11) hindurchfallenden Son nenlichts (S), mit einer Vielzahl von Licht empfangsteilen (c), die linear angeordnet sind und Ladungen entsprechend der Menge des empfan genen Lichts speichern,
einer Übertragungsimpuls-Erzeugungseinrich tung (13, 14, 52) zum Erzeugen von Impulssigna len (CK1, CK2) für die Übertragung der in den Lichtempfangsteilen (c) der photoelektrischen Wandlereinheit (12) gespeicherten Ladungen in Form eines Zeitreihensignals,
einer Bezugsphasensignal-Erzeugungseinrichtung (53) zum Erzeugen eines Bezugsphasensignals mit einer Periode, die der Periode des Zeitreihensignals entspricht, und
Einrichtungen (15, 16, 18, 19, 20, 53, 54a-54d) zum Ermitteln des Sonnenlicht-Einfallswinkels (R), wobei die Phasendifferenz zwischen dem Bezugsphasen signal von der Bezugsphasensignal-Erzeugungseinrich tung (53) und dem übertragenen, von der photoelek trischen Wandlereinheit (12) erzeugten Zeitreihensi gnal geliefert wird, so daß auf ihrer Grundlage der Einfallswinkel (R) des Sonnenlichts (S) bestimmbar ist.

2. Sonnensensor zum Messen des Einfallswinkels (R) des einfallenden Sonnenlichts (S), mit:
einem ein periodisches Muster aufweisenden Schlitzgitter (11) mit jeweils einer Vielzahl von zueinander abwechselnd angeordneten bandförmigen Lichtdurchlaßteilen (a) und bandförmigen Lichtab schattungsteilen (b), daß das Sonnenlicht (S) durch die in regelmäßigen Abständen angeordneten Licht durchlaßteile hindurchfallen kann,
einer in einem vorbestimmten Abstand (4) unter dem Schlitzgitter (11) angeordneten photoelektri schen Wandlereinheit (12) zum Empfangen des durch die Lichtdurchlaßteile (a) des Schlitzgitters (11) hindurchfallenden Sonnenlichts (S), mit einer Viel zahl von Lichtempfangsteilen (c), die linear ange ordnet sind und Ladungen entsprechend der Menge des empfangenen Lichts speichern,
einer Übertragungsimpuls-Erzeugungseinrichtung (13, 14) zum Erzeugen von Impulssignalen für die Übertragung der in den Lichtempfangsteilen (c) der photoelektrischen Wandlereinheit (12) gespeicherten Ladungen in Form enes Zeitreihensignals,
einer Bezugsphasensignal-Erzeugungseinrichtung (53) zum Erzeugen eines Bezugsphasensignals, dessen Polarität bezüglich des Zeitreihensignals invertiert ist,
einer Fehlerspannung-Detektoreinrichtung (16, 18, 20) zum Empfangen eines von der Bezugsphasensignal- Erzeugungseinrichtung (13, 15) erzeugten Bezugspha sensignals und eines von der photoelektrischen Wand lereinheit (12) erzeugten Zeitreihensignals, zum Multiplizieren der empfangenen Signale miteinander und zum Integrieren des Multiplikationsergebnisses zwecks Bestimmung einer Fehlerspannung entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Phasen der beiden empfangenen Signale sowie
einer Einrichtung (15, 19, 20) zum Bestimmen des Einfallswinkels des Sonnenlichts (S), wobei die Pha senverschiebung des Bezugsphasensignals mittels der von der Fehlerspannung-Detektoreinrichtung (16, 18, 20) erfaßten Fehlerspannung eingestellt wird, und wobei die letztere Einrichtung (15, 19, 20) ihrer seits die Fehlerspannung auf Null setzt und die Grö ße der Phasenverschiebung des Bezugsphasensignals als Einfallswinkel (R) des Sonnenlichts (S) aus gibt.

3. Sonnensensor zum Messen des Einfallswinkels (R) des einfallenden Sonnenlichts (S), mit:
einem ein periodisches Muster aufweisenden Schlitzgitter (11) mit jeweils einer Vielzahl von derart zueinander abwechselnd angeordneten bandför migen Lichtdurchlaßteilen (a) und bandförmigen Lichtabschattungsteilen (b), daß das Sonnenlicht (S) durch die in regelmäßigen Abständen angeordneten Lichtdurchlaßteile hindurchfallen kann, und
einer in einem vorbestimmten Abstand (4) unter dem Schlitzgitter (11) angeordneten photoelektri schen Wandlereinheit (12) zum Empfangen des durch die Lichtdurchlaßteile (a) des Schlitzgitters (11) hindurchfallenden Sonnenlichts (S), das eine sinus förmige Intensitätsverteilung liefert, mit einer Vielzahl von Lichtempfangsteilen (c), die linear an geordnet sind und Ladungen entsprechend der Menge des empfangenen Lichts speichern,
einer Übertragungsimpuls-Erzeugungseinheit (52) zum Erzeugen von Impulssignalen für die Übertragung der in den Lichtempfangsteilen (c) photoelek trischen Wandlereinheit (12) gespeicherten Ladung in Form eines Zeitreihensignals,
einer Verteilungsausgangseinheit (53) zum Erzeu gen von ersten bis vierten Torschaltsignalen einer Periode entsprechend der Periode des Zeitreihen signals, wobei die zweiten bis vierten Torschalt signale Phasendifferenzen von 90°, 180° bzw. 270° aufweisen, und zum Torsteuern des durch die photoelektrische Wandlereinheit (12) erzeugten Zeitreihensignals mittels der erstsen bis vierten Torschaltsignale zwecks Teilung des Zeitreihen signals in erste bis vierte Zeitreihensignale und Ausgabe derselben,
erster bis vierter Integriereinheit (54a- 54d) zum Integrieren der von der Verteilungsaus gangseinheit (53) jeweils gelieferten ersten bis vierten Zeitreihensignale und
einer Sonnenlichteinfallswinkel-Rechenein richtung (31a, 31b, 32, 33a, 33b, 34, 35) zum Be rechnen eines Einfallswinkels des Sonnenlichts (S) auf der Grundlage der ersten bis vierten inte grierten Signale von den ersten bis vierten Inte griereinheiten (54a-54d).

4. Sonnensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Sonnenlichteinfallswinkel-Rechenein richtung (31a, 31b, 32, 33a, 33b, 34, 35) umfaßt:
eine erste Subtrahierstufe (31a), um von er ster und dritter Integriereinheit (54a, 54c) eine Differenz zwischen ersten und dritten integrier ten Signalen abzuleiten,
eine zweite Subtrahierstufe (31b), um von zweiter und vierter Integriereinheit (54b, 54d) eine Differenz zwischen zweiten und vierten inte grierten Signalen abzuleiten,
einen Bezugssignalgenerator (32) zum Erzeugen von Bezugs-Sinuswellen- und -Kosinuswellensigna len (sinA und cosA) mit gleichen Phasenwinkeln (A), die einstellbar sind,
eine erste Multiplizierstufe (33a) zum Mul tiplizieren eines Ausgangssignals von der ersten Subtrahierstufe (31a) mit dem Kosinuswellensi gnal (cosA) vom Bezugssignalgenerator (32),
eine Multiplizierstufe (33b) zum Multi plizieren eines Ausgangssignals von der zweiten Subtrahierstufe (31b) mit dem Sinuswellensignal (sinA) vom Bezugssignalgenerator (32),
eine dritte Subtrahierstufe (34) zum Ablei ten einer Differenz zwischen den Ergebnissen der durch erste und zweite Multiplizierstufe (33a, 33b) durchgeführten Multiplikation,
eine Winkeleinstelleinheit (35) zum Einstel len des Phasenwinkels (A) des Bezugssignals vom Bezugssignalgenerator (32), um das Subtraktions ergebnis der dritten Subtrahierstufe (34) auf Null zu setzen, und
eine Einheit zum Messen des Einfalls winkels (R) des Sonnenlichts (S) auf der Grund lage des Winkels (A) des Bezugssignals vom Be zugssignalgenerator (32), wenn das Ausgangssi gnal von der dritten Subtrahierstufe (34) gleich Null ist.

5. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs teile (c) der photoelektrischen Wandlereinheit (12) Ladungsverschiebeelemente (CCD) sind.

6. Sonnensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Licht durchlaßteile (a) und der Lichtabschattungsteile (b) des Schlitzgitters (11) jeweils gleich groß gewählt sind.