JP2009196496A

JP2009196496A - 人工衛星

Info

Publication number: JP2009196496A
Application number: JP2008040143A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Osada; 利明長田; Satoshi Kawashima; 聡川嶋; Sanae Itohiya; 早苗糸日谷; Ryoichi Araki; 亮一荒木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】太陽電池パドルの重心位置の変動を抑えるとともに、太陽非同期の周回軌道を周回する際に、太陽光の受光面積を出来得る限り広く取ることを目的とする。
【解決手段】太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心の近傍を通る軸線上に太陽電池パネルを回転させる駆動軸を配し、衛星本体に取付けられた太陽電池パドルと、太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部とを備えて、太陽電池パドルの駆動軸を、衛星の周回軌道の軌道面における法線方向に対して所定の傾斜角度を有して取付ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、太陽電池パドルを有し、太陽非同期の周回軌道を周回する人工衛星に関するものである。

人工衛星は、通常、太陽光のエネルギを電気エネルギに変換して衛星システムに電力を供給する太陽電池パネルを搭載している。太陽電池パネルは、複数の太陽電池セルから構成されて、衛星本体に取付けられる太陽電池パドルに設置される。

地球を観測する人工衛星は、観測機器やアンテナを常に地球に向けておく必要がある。太陽電池パネルは太陽の方向を向けておく必要があるため、駆動機構によって太陽電池パドルを所定の回転軸回りに回転させて、太陽電池パネルを太陽に向け、所要電力を確保する。通常の人工衛星は、衛星構体における太陽電池パドルの取付面の法線方向に対して、パドルの回転軸が平行になるように、パドルの駆動部を取付ける。

このような人工衛星では、衛星軌道面と太陽光のなす角度が季節によって変動する太陽非同期軌道の衛星については、太陽電池パドルを回転させるだけでは、季節によっては太陽電池パドルが太陽に対して正対せず、電力が低下してしまうという問題がある。

この問題を回避する技術として、例えば特許文献１に示すような人工衛星が知られている。この人工衛星は、パドル駆動部として２軸回転のものを用い、季節変動に応じて太陽電池パドルを２軸で回転させ、太陽電池アレイの姿勢を太陽光の方向に変化させて、太陽電池アレイの出力電力の増加を図るものである。

特開平１０−１１９８９９号公報（図６）

また、太陽電池パドルを衛星構体に対してある一定の角度へ傾けたもの（以下、キャントパドルと称する）も知られている。このキャントパドルは、太陽電池パネルをパドルの回転軸に対して傾けることにより、太陽光と太陽電池パネルが正対するように配置している（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−６２５３９号公報（図４）

しかしながら、特許文献１に示す従来技術のように、太陽電池パドルを２軸で回転する場合、パドルの重心位置が衛星本体に対して変動を生じ、パドルを回転させる度に、姿勢制御系へ影響を与えてしまうという問題がある。

また、従来のキャントパドルの場合は、太陽電池パドルの重心位置が変動しないため、姿勢制御系への影響はないものの、太陽光の方向によっては、太陽電池パネルが衛星構体の影に隠れてしまうため、発生電力が低下してしまうという問題がある。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、太陽電池パドルの重心位置の変動を抑えるとともに、太陽非同期の周回軌道を周回する際に、太陽光の受光面積を出来得る限り広く取ることを目的とする。

この発明による人工衛星は、軌道面において中心体を中心とする周回軌道を周回し、この中心体が太陽を中心とする軌道を周回することによって、衛星の太陽に対する方向が周期的に変化する人工衛星であって、上記衛星の周回軌道の周回中に、上記中心体に対して所定の姿勢を維持する衛星本体と、上記太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、上記太陽電池パネルを回転させる駆動軸を有し、上記衛星本体に取付けられた太陽電池パドルと、上記太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部とを備えて、上記太陽電池パドルの駆動軸が、上記衛星の周回軌道の軌道面における法線方向に対して所定の傾斜角度を有して取付けられたものである。

この発明によれば、太陽電池パドルの回転による人工衛星の姿勢制御系への影響を抑えるとともに、太陽電池パドルに掛かる人工衛星本体の日影を極力抑えながら、太陽に対して太陽電池パドルを極力正対させて、太陽電池パドルの発生電力の向上を図ることができる。

図１は、この発明に係る実施の形態１による人工衛星の運用形態を示す図であり、宇宙空間で太陽電池パネルを展開した状態を示す。
図において、人工衛星（以下、衛星）１は、地球指向機器２を地球１００に向けた状態で、中心体である地球１００を中心とし衛星軌道面７を通る周回軌道に沿って、地球１００の周りを周回する。地球１００は、太陽４を中心とする公転軌道を周回することによって、衛星１の太陽４に対する方向が、周期的に毎日及び季節的に変化する。この周回軌道は、太陽非同期の周回軌道を構成する。

図２は、この発明に係る実施の形態１による人工衛星の構成を示す図である。
衛星１は、地球指向機器２と、太陽電池パドル３と、パドル駆動部５とが、衛星構体から成る衛星本体１０に取付けられて構成される。太陽電池パドル３は、太陽電池セルを配列して構成された太陽電池パネル１３が実装される。太陽電池パネル１３は、衛星に給電するために太陽エネルギを電力に変換する。太陽電池パネル１３の発生電力は、太陽電池パドル３から衛星本体１０に供給される。

地球指向機器２は、地上と通信を行うアンテナや、地上の画像や大気や海洋等を観測する観測機器を構成する。地球１００を観測する衛星１に関しては、地球指向機器２の指向方向２０を常に地球に向けておく必要がある。このため、人工衛星１の衛星本体１０は、軌道周回中に、地球１００に対して固定した姿勢に維持されている。

太陽電池パドル３は駆動軸としての回転軸６を有し、パドル駆動部５に回転駆動されて回転軸６の周りを回転する。太陽電池パドル３は、その重心位置９がパドル駆動部５の回転軸６上に配置されている。すなわち、太陽電池パネル１３の受光面に平行でかつ太陽電池パドル３の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、パドル駆動部５の回転軸６が設けられる。太陽電池パドル３は１つまたは２つ設けられ、衛星本体１０を構成する衛星構体パネルの外側に設けられた太陽電池パドル取付面３０に、衛星本体１０から突き出るように取付けられる。太陽電池パドル取付面３０は地球指向機器２の取付面３１とは異なる面に設けられ、例えば地球指向機器２の取付面３１に直交する衛星構体の外側面が利用される。また、２つの太陽電池パドル３を設ける場合、太陽電池パドル取付面３０として、衛星本体１０における、互いに平行な位置で対向した１対の面を用いる。こうすることで、図２に示すように、２つの太陽電池パドル３の重心位置９を通る直線が、地球指向機器２の指向軸（指向方向３０の延長線）上で交点を有するように配置できるので、２つの太陽電池パドル３を合わせた重心を、人工衛星１の重心位置の近傍に位置させることが可能となり、衛星全体の重心位置の調整が行い易くなる。また、太陽電池パドル３の太陽電池パネル１３は、アーム３２を介して太陽電池パドル取付面３０から所定の距離離れた位置に取付けられる。なお、太陽電池パドル３を１つのみで構成する場合は、太陽電池パドル３の取付け面との対向面に、太陽電池パドル３の重心位置とのバランスを取るためのバランサー（例えば、太陽電池パドル３と組み合わせた際の重心位置を、衛星本体の概略中心に配置させるような重量と重心を有した棒）を設けると良い。

太陽電池パドル３は、その回転軸６の軸線が太陽電池パドル取付面３０の法線方向に対して所定の角度を有して傾斜した方向に取付けられる。同様に、パドル駆動部５は、太陽電池パドル３の回転軸６の軸線上に配置されて、太陽電池パドル３を回転自在に支持する。また、２つの太陽電池パドル３を設ける場合、２つの太陽電池パドル３の回転軸６は互いに平行２線の位置関係となるように平行に配置されると良い。パドル駆動部５は、太陽電池パドル３を回転自在に支持する駆動機構と、太陽電池パドル３の回転角を検出する検出器と、太陽電池パドル３を回転させるモータと、制御器を備える（図示略）。この制御器は、検出器により検出される太陽電池パドル３の回転角度と、衛星本体１０に設けられた太陽センサにより検出される太陽光の入射方向、もしくは人工衛星１の軌道情報に基づいて推定される太陽の方向に基づいて、太陽電池パドル３の回転角度を制御する。太陽電池パドル３は太陽４の方向を向けておく必要があるため、パドル駆動部５により太陽電池パドルを回転軸６の周りに回転させ、太陽電池パドル３における太陽電池パネルの受光面を太陽に向けることで、衛星の所要電力を確保する。この際、パドル駆動部５は、太陽電池パネル１３の受光面の法線方向が太陽４を追跡するように太陽電池パドル３を回転させることによって、太陽電池パドル３の電力を極力増加させる。太陽電池パドル３をパドル駆動部５により回転軸６の周りに回転させても、その重心位置９は常に回転軸６上にあるので、変化しない。このため、太陽電池パドル３が回転軸６の周りを周回しても、衛星１の姿勢を制御する姿勢制御系に影響を与えることはない。

太陽電池パドル３は、太陽光８が衛星軌道面７に対して傾いている場合であっても、太陽４に対して太陽電池パドル３における太陽電池パネル１３の受光面を極力正対させることで、太陽電池パドルの発生電力を向上させることができる。図１に示すように、例えば、地球の南北軸を通る平面の法線方向に対する太陽光８の入射角度は、季節変動に応じて、夏至のときに角度２３．５度、冬至のときに角度−２３．５度、秋分および春分のときに角度０度となる。このとき、衛星軌道面７が南北方向からθ度傾斜している場合、太陽電池パネルの受光面を、秋分および春分のときの太陽光８の入射方向に向けると良い。地球指向機器２の指向方向２０が常に地球の中心を向いた状態で、人工衛星が衛星軌道面７を航行しているとすると、この地球指向機器２の指向方向２０に対し、太陽電池パネル１３がθ度傾斜するように、太陽電池パドル３を取付けると良い。

次に、実施の形態１による太陽電池パドルを用いた人工衛星と、従来のキャントパドルを用いた人工衛星との違いについて説明する。図３は、図１、２と同じ実施の形態１による人工衛星を示す図であり、（ａ）は太陽光が太陽電池パネル１３の受光面に垂直に入射する場合、（ｂ）は太陽光が太陽電池パネル１３の受光面に対し傾いて入射する場合について、衛星本体の衛星構体による日影の状態を示す図である。また、図４は従来のキャントパドルを用いた人工衛星を比較例として示す図であり、（ａ）は太陽光が太陽電池パネル１３の受光面に正対して入射する場合、（ｂ）は太陽光が太陽電池パネル１３の受光面に対し傾いて入射する場合について、衛星本体の衛星構体による日影の状態を示す図である。

図４に示す従来のキャントパドル５５では、パドル取付面５０の法線方向に垂直にパドル駆動部５１の回転軸５４を配置し、パドル駆動部５１の回転軸５４から傾斜して突き出るようにアーム５２を取付けて、アーム５２に傾斜方向と反対方向に傾斜するように、太陽電池パネル５３を取付ける。これによって、太陽電池パネル５３が太陽電池パドル取付面５０に対して所定の角度で傾斜する。また、太陽電池パネル５３を回転させても、その重心位置５４は常にパドル駆動部５１の回転軸５４の延長線上に位置し、パドルの回転によって重心位置が変化しないという点では、図１乃至３に示す実施の形態１における太陽電池パドルと同様である。

しかし、図３に示す実施の形態１における太陽電池パドル３は、図４に示す従来のキャントパドル５５に対して、衛星本体１０の影が入りにくいという利点を有する。以下、これについて説明する。
まず、実施の形態１の太陽電池パドル３において、図３（ａ）のように、太陽電池パネル１３に対して太陽光８が垂直に入射した場合を例示する。この場合、衛星本体の衛星構体による影１１は長さＬ２を有して太陽電池パドル３に掛かるが、太陽電池パネル１３の端部位置を適当に調整することで、影１１が太陽電池パネル１３に僅かしか入らないような構成を取ることができる。また、太陽電池パネル１３をパドル取付面３０からより長い距離だけ離すことで、太陽電池パネル１３に衛星本体の影１１が全く落ちないように配置することも可能である。

一方、図４（ａ）のような従来のキャントパドル５５では、太陽電池パネル５３に対して太陽光８が垂直に入射した場合、衛星本体１０の衛星構体による影１１は長さＬ１を有してキャントパドル５５に掛かる。この場合、衛星本体の影１１が太陽電池パネル１３の上に落ち、太陽電池パネルの発生電力を低下させてしまう。

このように、図４（ａ）に示すキャントパドル５５の影１１の大きさＬ１と、実施の形態１による影の大きさＬ２を比べると、実施の形態１の影１１の大きさＬ２の方が小さく、実施の形態１の方が、パドルに対する衛星本体の影１１が入りにくいことを示している。これは、パドルの回転によりパドル重心位置が移動しないようにするための、アームの構成の違いによる。端的に言えば、キャントパドル５５の方が、太陽電池パドル３に比べて、パドル取付面から太陽電池パネルへの距離が幾分長くなることと、キャントパドル５５の方が、２つの太陽電池パネルをそれぞれ含んだ平面間の距離が長いことに起因する。

次に、実施の形態１の太陽電池パドル３において、図３（ｂ）のように、太陽光８が太陽電池パネル１３に対して傾いて入射する場合について述べる。この場合は、衛星本体１０による影１１は長さＬ２‘を有して太陽電池パドル３に掛かる。

一方、図４（ｂ）のような従来のキャントパドル５５では、太陽電池パネル５３に対して太陽光８が斜めに入射した場合、衛星本体１０による影１１は、比較的大きい長さＬ１‘を有して太陽電池パドル３に掛かることとなる。

図３（ｂ）と図４（ｂ）を見比べて判るように、衛星本体１０による影１１の掛かりにくさの違いは、図３（ａ）と図４（ａ）との違いに比べて、より顕著なものとなる。
すなわち、図４（ｂ）に示す従来のキャントパドル５５の影１１の大きさＬ１‘と、図３（ｂ）に示す実施の形態１による太陽電池パドル３の影１１の大きさＬ２’とを比べると、太陽電池パドル３の影１１の大きさＬ２‘の方が影の大きさが遥かに小さく、実施の形態１の太陽電池パドル３はキャントパドル５５に対して、衛星本体の影１１がより落ちにくいことを示している。

次に、図９は、この実施の形態１による太陽電池パドル３の他の態様を示す図である。
図に示すように、太陽電池パドル３のパドル駆動部５と回転軸６を、衛星本体の角部近辺にまでずらして配置することで、太陽電池パネル１３に対し、衛星本体１０による影１１が全く入らないようにすることができる。

このように、実施の形態１による太陽電池パドル３は、衛星本体に対して傾斜配置した太陽電池パネル１３を用いることで、太陽電池パドル３の回転による重心変動を抑制し、太陽電池パドルの回転による人工衛星の姿勢制御系への影響を抑えることができる。更に、この太陽電池パドル３は、従来のキャントパドルに比べても、衛星本体から太陽電池パネルへ落ちる影の大きさを極力抑えながら、太陽に対して太陽電池パネルを極力正対させて、太陽電池パネルの発生電力を向上させることが可能となる。

以上説明したとおり、実施の形態１による人工衛星は、軌道面において中心体を中心とする周回軌道を周回し、この中心体が太陽を中心とする軌道を周回することによって、衛星の太陽に対する方向が周期的に変化する人工衛星であって、上記衛星の周回軌道の周回中に、上記中心体に対して所定の姿勢を維持する衛星本体と、上記太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、上記太陽電池パネルを回転させる駆動軸を有し、上記衛星本体の衛星構体に取付けられた太陽電池パドルと、上記太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部とを備えて、上記太陽電池パドルの駆動軸が、上記衛星の周回軌道の軌道面における法線方向に対して所定の傾斜角度を有して衛星本体から突き出すように取付けられたものである。また、互いに平行に対向したパドル取付面を有した衛星本体と、太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、太陽電池パネルを回転させる駆動軸を有し、上記衛星本体の対向した外側面にそれぞれ取付けられた２つの太陽電池パドルと、上記それぞれの太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部とを備えて、上記それぞれの太陽電池パドルの駆動軸は上記衛星本体の各パドル取付面に対して所定の傾斜角度を有して衛星本体から突き出すように取付けられ、かつ上記２つの太陽電池パドルの駆動軸が互いに平行に配置しても良い。

これにより、太陽電池パドルの回転による人工衛星の姿勢制御系への影響を抑えるとともに、太陽電池パドルに掛かる人工衛星本体の日影を極力抑えながら、太陽に対して太陽電池パドルを極力正対させて、太陽電池パドルの発生電力の向上を図ることができる。

この発明に係る実施の形態１による人工衛星の運用形態を示す図である。この発明に係る実施の形態１による人工衛星の構成を示す図である。この発明に係る実施の形態１による太陽電池パドルについて、衛星本体による日影の状態を示す図であり、（ａ）太陽光が太陽電池パネルの受光面に垂直に入射する場合、（ｂ）太陽光が太陽電池パネルの受光面に対し傾いて入射する場合を示す。従来のキャントパドルによる太陽電池パドルについて、衛星本体による日影の状態を示す図であり、（ａ）太陽光が太陽電池パネルの受光面に垂直に入射する場合、（ｂ）太陽光が太陽電池パネルの受光面に対し傾いて入射する場合を示す。この発明に係る実施の形態１による太陽電池パドルの他の態様を示す図である。

符号の説明

１人工衛星、２アンテナ、３太陽電池パドル、４太陽、５パドル駆動部（駆動機構）、６回転軸（駆動軸）、７衛星軌道面、８太陽光、９パドル重心位置、１０衛星本体、１１影、１３太陽電池パネル、３０パドル取付面、３２アーム、１００地球。

Claims

軌道面において中心体を中心とする周回軌道を周回し、この中心体が太陽を中心とする軌道を周回することによって、衛星の太陽に対する方向が周期的に変化する人工衛星であって、
上記衛星の周回軌道の周回中に、上記中心体に対して所定の姿勢を維持する衛星本体と、
上記太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、上記太陽電池パネルを回転させる駆動軸を有し、上記衛星本体に取付けられた太陽電池パドルと、
上記太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部と、
を備え、
上記太陽電池パドルの駆動軸は、上記衛星の周回軌道の軌道面における法線方向に対して所定の傾斜角度を有して取付けられたことを特徴とする人工衛星。
互いに平行に対向したパドル取付面を有した衛星本体と、
太陽電池パネルの受光面に平行でかつ自己の重心もしくは重心の近傍を通る軸線上に、太陽電池パネルを回転させる駆動軸を有し、上記衛星本体の対向した外側面にそれぞれ取付けられた２つの太陽電池パドルと、
上記それぞれの太陽電池パドルを駆動軸周りに回転させるパドル駆動部と、
を備え、
上記それぞれの太陽電池パドルの駆動軸は上記衛星本体の各パドル取付面に対して所定の傾斜角度を有して取付けられ、かつ上記２つの太陽電池パドルの駆動軸が互いに平行に配置されたことを特徴とする人工衛星。