JP2014058176A - Earth sensor and earth edge detection method using earth sensor - Google Patents

Earth sensor and earth edge detection method using earth sensor Download PDF

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Yuji Tachihara
裕司 立原
Osamu Imaizumi
治 今泉
Yukio Inoue
由起夫 井上
Keiichi Hirako
敬一 平子
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and low cost earth sensor and an earth edge detection method using the earth sensor, suitable for mounting a small artificial satellite, in the present invention.SOLUTION: The earth sensor includes at least three earth edge detectors having a detection part including a plurality of thermopile elements arranged in a line shape or arranged in a skew in the vertical direction to the earth edge and a signal processing part for digitally converting and outputting a signal detected by the detection part, and can detect the earth edge 708 in arrangement of the thermopile elements, by determining arrangement De, Dn, Dw and Ds of the thermopile elements of becoming 1 in a digital value as an earth area 700 and arrangement of the thermopile elements of becoming 0 in the digital value as space, by being converted into the digital value with every thermopile element, by binarizing to a value of 0 or 1 with every thermopile element, by comparing an infrared radiation amount outputted with every thermopile element with a predetermined threshold value by the signal processing part.

Description

本発明は、人工衛星の姿勢制御に関し、特に、人工衛星に搭載された、地球の位置を検出する地球センサ及び地球センサを用いた地球エッジ検出方法に関する。   The present invention relates to attitude control of an artificial satellite, and more particularly to an earth sensor mounted on an artificial satellite for detecting the position of the earth and an earth edge detection method using the earth sensor.

人工衛星に搭載される地球センサは、人工衛星の姿勢制御に広く用いられている。宇宙空間における人工衛星の地球センサは、地球の位置を把握するために、地球の輪郭(すなわち、「地球エッジ」)を検出する。検出された地球エッジから、地球中心に対する人工衛星の姿勢角を求めることができ、低軌道周回衛星や静止衛星などの人工衛星の姿勢を制御することができる。   Earth sensors mounted on artificial satellites are widely used for attitude control of artificial satellites. An artificial earth sensor in outer space detects the outline of the earth (ie, the “earth edge”) in order to know the position of the earth. From the detected earth edge, the attitude angle of the artificial satellite with respect to the center of the earth can be obtained, and the attitude of the artificial satellite such as a low orbiting satellite or geostationary satellite can be controlled.

従来の地球センサは、様々な地球エッジの検出方法を採用している。地球エッジの検出方法を大別すると、地平線スキャナ方式、地平線トラッカ方式、静的熱平衡方式の3種類に分けることができる。いずれの方式も、赤外線検出器を用いて、地球からの赤外線の輻射(以下、単に「地球赤外輻射」という。)を検出するが、ほとんどの機器は昼夜に関係なく輻射強度が比較的安定している14〜16μm帯(地上高度約40kmのCO2層からの黒体輻射)の赤外線を検出している(図8参照)。 Conventional earth sensors employ various earth edge detection methods. The earth edge detection methods can be roughly classified into three types: a horizon scanner method, a horizon tracker method, and a static thermal balance method. Both methods use infrared detectors to detect infrared radiation from the earth (hereinafter simply referred to as “earth infrared radiation”), but most devices have a relatively stable radiation intensity regardless of day or night. The infrared rays in the 14-16 μm band (black body radiation from the CO 2 layer at an altitude of about 40 km) are detected (see FIG. 8).

図1は、従来例の地平線スキャナ方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。地平線スキャナ方式の地球センサのスキャン部100には、赤外線検出器(S赤外線検出器106、N赤外線検出器108)の焦点や視野角などを調整して地球110の像をとらえるレンズ102と、S赤外線検出器106によるスキャン方向112、N赤外線検出器108によるスキャン方向114を制御するスキャンミラー104とが含まれる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the operating principle of a conventional horizon scanner type earth sensor. The scanning unit 100 of the horizon scanner-type earth sensor includes a lens 102 that captures an image of the earth 110 by adjusting the focal point and the viewing angle of an infrared detector (S infrared detector 106, N infrared detector 108), and S And a scan mirror 104 that controls a scan direction 112 by the infrared detector 106 and a scan direction 114 by the N infrared detector 108.

スキャンミラー104は、縦の軸を中心にして回転させることで、地球110を左から右(または左から右)にスキャンすることができる。S赤外線検出器106およびN赤外線検出器108を用いて左から右(または、右から左)のスキャン方向112,114にスキャンすると、地球エッジ116を検出することができる。一般に、赤外線検出器は、宇宙空間に対しては、ほとんど赤外線の輻射を検出することがなく、赤外線検出器の出力はほぼゼロとなるが、地球に対しては、地球赤外輻射を検出して、宇宙空間に比べてより高い値の出力を示す。   The scan mirror 104 can scan the earth 110 from left to right (or from left to right) by rotating about the vertical axis. When scanning from left to right (or right to left) scan directions 112 and 114 using the S infrared detector 106 and the N infrared detector 108, the earth edge 116 can be detected. In general, an infrared detector hardly detects infrared radiation in outer space, and the output of the infrared detector is almost zero, but it detects earth infrared radiation for the earth. Output higher than that of outer space.

図1に示す従来例では、S赤外線検出器106が、左から右へのスキャン方向112にスキャンを行い、その出力の様子をS赤外線検出器出力波形126に示す。スキャンによって、S赤外線検出器106が宇宙空間から地球110をとらえたときに、S赤外線検出器出力波形126は、それまでの低い値から高い値に変化する。さらに、スキャンが進み、S赤外線検出器106が地球110を捉えている間は(すなわち、地球領域124では)、S赤外線検出器出力波形126は高い値を維持し、地球110から宇宙空間に外れたときに、S赤外線検出器出力波形126は、それまでの高い値から低い値に変化する。このように、S赤外線検出器出力波形126が変化する2箇所を地球エッジ116として検出することができる。N赤外線検出器についても同様に、N赤外線検出器出力波形128が変化する2箇所を地球エッジ116として検出することができる。   In the conventional example shown in FIG. 1, the S infrared detector 106 performs scanning in the scanning direction 112 from the left to the right, and the output state is shown in the S infrared detector output waveform 126. When the S infrared detector 106 captures the earth 110 from outer space by scanning, the S infrared detector output waveform 126 changes from the previous low value to the high value. In addition, while the scan progresses and the S infrared detector 106 is capturing the earth 110 (ie, in the earth region 124), the S infrared detector output waveform 126 remains high and deviates from the earth 110 into space. The S infrared detector output waveform 126 changes from a high value to a low value. Thus, two places where the S infrared detector output waveform 126 changes can be detected as the earth edge 116. Similarly, with respect to the N infrared detector, two places where the N infrared detector output waveform 128 changes can be detected as the earth edge 116.

以上のように検出された4箇所の地球エッジ情報を用いて、人工衛星において宇宙空間と地球領域124を把握して、衛星座標中心122が地球領域124を外れることなく、地球中心120に一致するように人工衛星の姿勢が制御される。   Using the earth edge information detected at the four locations as described above, the space space and the earth region 124 are grasped by the artificial satellite, and the satellite coordinate center 122 coincides with the earth center 120 without departing from the earth region 124. Thus, the attitude of the artificial satellite is controlled.

図2は、地平線トラッカ方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。地平線トラッカ方式の地球センサは、地球110の地平線(地球エッジ)と垂直方向に赤外線検出器の視野角202を微少振動(スキャントラッキング200)させて、地球エッジ116を検出することができる。具体的には、赤外線検出器出力波形(赤外線センサの出力)が大きく変化する箇所を、出力波形における地球エッジとして検出することができる。人工衛星は、赤外線検出器出力波形(赤外線センサの出力)における地球エッジを用いて、赤外線検出器の視野角202内に地球エッジ116をとらえるように姿勢を制御することができる。   FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the earth sensor of the horizon tracker system. The earth sensor of the horizon tracker type can detect the earth edge 116 by causing the viewing angle 202 of the infrared detector to vibrate slightly (scan tracking 200) in a direction perpendicular to the horizon (earth edge) of the earth 110. Specifically, a location where the infrared detector output waveform (infrared sensor output) greatly changes can be detected as the earth edge in the output waveform. The artificial satellite can control the attitude so as to capture the earth edge 116 within the viewing angle 202 of the infrared detector using the earth edge in the infrared detector output waveform (output of the infrared sensor).

図3は、静的熱平衡方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。静的熱平衡方式の地球センサは、対向する赤外線検出器で検知する地球赤外輻射量(赤外線検出器出力300のAnとAs、AwとAe)の割合から、人工衛星の衛星座標中心302と地球中心120のずれ(ロール角、ピッチ角など)を検出することができる。人工衛星は、検出されたロール角、ピッチ角などのずれの情報を用いて姿勢制御を行なうことができる。   FIG. 3 is a diagram for explaining the operating principle of a static thermal equilibrium earth sensor. The static thermal balance type earth sensor detects the satellite coordinate center 302 of the artificial satellite and the earth from the ratio of the amount of earth infrared radiation (An and As of the infrared detector output 300, Aw and Ae) detected by the opposite infrared detector. Deviations (roll angle, pitch angle, etc.) of the center 120 can be detected. The artificial satellite can perform attitude control using information on deviations such as the detected roll angle and pitch angle.

JERG-2-510-HB002 姿勢制御系コンポーネント技術ハンドブック、宇宙航空研究開発機構(JAXA)JERG-2-510-HB002 Attitude Control System Component Technology Handbook, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)

しかしながら、図1から図3に示す従来の地球センサには、改善すべき点がいくつかある。図1に示す地平線スキャナ方式では、スキャンミラー104と駆動部が必要となるため機器が大型で複雑化する。また、機械的駆動部の摩耗が大きくなる場合もある。図2に示す地平線トラッカ方式も、地平線スキャナ方式と同様に駆動部が必要となり、駆動系を有するため機器が大型化・複雑化し、駆動部に摩耗故障の恐れが生じる。   However, the conventional earth sensor shown in FIGS. 1 to 3 has several points to be improved. In the horizon scanner system shown in FIG. 1, the scan mirror 104 and the drive unit are required, so that the apparatus is large and complicated. In addition, wear of the mechanical drive unit may increase. The horizon tracker method shown in FIG. 2 also requires a drive unit as in the case of the horizon scanner method, and since it has a drive system, the equipment becomes large and complicated, and there is a risk of wear failure in the drive unit.

図3に示す静的熱平衡方式では、赤外線検出器によって検出される地球赤外輻射量が、地球の緯度や季節によっても変動する。その地球の経度や季節による変動が、赤外線検出器の出力結果に大きな影響を与え、人工衛星の姿勢をうまく制御できない可能性がある。そのため、静的熱平衡方式の地球センサの製作時に、赤外線検出器などの機器の感度特性の正確な熱的試験を行なって特性を把握しておく必要がある。   In the static thermal equilibrium system shown in FIG. 3, the amount of earth infrared radiation detected by the infrared detector varies depending on the latitude and season of the earth. The fluctuation of the earth's longitude and season greatly affects the output result of the infrared detector, and the attitude of the satellite may not be controlled well. Therefore, it is necessary to know the characteristics by conducting an accurate thermal test of the sensitivity characteristics of devices such as infrared detectors when manufacturing a static thermal equilibrium earth sensor.

このように、従来の地球センサ(図1から図3に示す従来例)は、大型の人工衛星への搭載を前提に開発されてきた経緯から、地球エッジの検出は高精度に行うことは可能であるものの、ミラーや駆動部などが設けられるため大型なものとなり、さらに、駆動部の磨耗を防ぐための工夫などをしなければならず、一般的に機器製作のためのコストが高くなる。また、大型の地球センサは、小型の人工衛星には搭載することができない。そのため、小型の人工衛星への搭載に適した小型軽量の地球センサが求められている。   As described above, since the conventional earth sensor (conventional example shown in FIGS. 1 to 3) has been developed on the premise that it is mounted on a large artificial satellite, it is possible to detect the earth edge with high accuracy. However, since a mirror, a drive unit, and the like are provided, the size becomes large, and further, a device for preventing wear of the drive unit has to be taken, which generally increases the cost for manufacturing the device. In addition, a large earth sensor cannot be mounted on a small satellite. Therefore, there is a need for a small and lightweight earth sensor suitable for mounting on a small satellite.

このような課題を解決するために、本発明では、小型人工衛星搭載に適した小型で低コストの地球センサ及び当該地球センサを用いた地球エッジ検出方法を提供する。   In order to solve such a problem, the present invention provides a small and low-cost earth sensor suitable for mounting on a small artificial satellite, and an earth edge detection method using the earth sensor.

上記の課題を解決するために、本発明では新しい地球センサ及び当該地球センサに採用する地球エッジ検出方式(方法)(以下、「地平線デジタル検出方式」という。)を提案する。 In order to solve the above problems, the present invention proposes a new earth sensor and an earth edge detection method (method) (hereinafter referred to as “horizon digital detection method”) adopted for the earth sensor.

本発明に係る地球センサの1つの実施形態では、地球センサは、地球エッジに対して垂直方向に、ライン状に配列又は斜交配列された複数のサーモパイル素子を含む検出部と、前記検出部で検出された信号をデジタル変換して出力する信号処理部とを備える地球エッジ検出器を少なくとも3つ格納する筐体カバーと、
前記信号処理部からの出力値を外部に出力するための接続コネクタを備える筐体ベースとを含み、
前記検出部は、レンズを有する筒状のレンズ部と、前記複数のサーモパイル素子を配列した素子部からなり、
前記筐体カバーには、前記地球エッジ検出器の前記レンズ部を外部に露出するための穴が、前記地球センサの中心を基点として等しい角度間隔で設けられ、
前記地球エッジ検出器は前記等しい角度間隔で前記筐体カバーに格納され、
それぞれの前記地球エッジ検出器の前記検出部に含まれる複数のサーモパイル素子により赤外線の検出を行ない、サーモパイル素子毎に赤外輻射量を前記信号処理部に出力し、
前記信号処理部により前記サーモパイル素子毎に出力された赤外輻射量を、予め定められた閾値と比較して前記サーモパイル素子毎に0か1の値に二値化して、前記サーモパイル素子毎のデジタル値に変換し、
前記サーモパイル素子毎のデジタル値は、前記サーモパイル素子の配列に対応し、デジタル値が1となるサーモパイル素子の配列を地球領域、デジタル値が0となるサーモパイル素子の配列を宇宙空間と判定することで、前記サーモパイル素子の配列において地球エッジを検出することを特徴とする。
In one embodiment of the earth sensor according to the present invention, the earth sensor includes a detection unit including a plurality of thermopile elements arranged in a line or obliquely in a direction perpendicular to the earth edge, and the detection unit includes: A housing cover that stores at least three earth edge detectors including a signal processing unit that digitally converts and outputs detected signals;
A housing base including a connection connector for outputting an output value from the signal processing unit to the outside,
The detection unit includes a cylindrical lens unit having a lens and an element unit in which the plurality of thermopile elements are arranged,
The casing cover is provided with holes for exposing the lens part of the earth edge detector to the outside at equal angular intervals with the center of the earth sensor as a base point,
The earth edge detectors are stored in the housing cover at the equal angular intervals;
Infrared detection is performed by a plurality of thermopile elements included in the detection unit of each of the earth edge detectors, and an infrared radiation amount is output to the signal processing unit for each thermopile element,
The infrared radiation amount output for each thermopile element by the signal processing unit is compared with a predetermined threshold value, and binarized to a value of 0 or 1 for each thermopile element, and digital for each thermopile element Converted to a value,
The digital value for each thermopile element corresponds to the arrangement of the thermopile elements, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 1 is determined as the earth region, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 0 is determined as outer space. The earth edge is detected in the arrangement of the thermopile elements.

本発明に係る地球センサの好ましい実施形態では、前記地球センサは、前記筺体カバーは、前記地球エッジ検出器を装着したセンサブロックを少なくとも3つ格納し、
前記センサブロックは、前記地球エッジ検出器の前記レンズ部を外部に露出させるためのブロック開口部と、前記地球エッジを検出するための角度に対応した傾きを有する装着面とを有し、
前記地球エッジ検出器は、前記検出部と前記信号処理部を長方形状の基板上に有し、前記装着面に前記長方形状の基板を合わせて、前記ブロック開口部に前記レンズ部が配置されるように、前記センサブロックに装着され、
前記筐体カバーには、前記ブロック開口部から露出した前記レンズ部を外部に露出するため筐体開口部が、前記地球センサの中心を基点として等しい角度間隔で設けられ、
前記地球エッジ検出器を装着したセンサブロックは、前記地球センサの中心を基点として前記等しい角度間隔で、該センサブロックの長軸を縦にして前記センタ筐体に格納されることを特徴とする。
In a preferred embodiment of the earth sensor according to the present invention, the earth sensor stores at least three sensor blocks in which the enclosure cover is mounted with the earth edge detector,
The sensor block has a block opening for exposing the lens portion of the earth edge detector to the outside, and a mounting surface having an inclination corresponding to an angle for detecting the earth edge,
The earth edge detector has the detection unit and the signal processing unit on a rectangular substrate, the rectangular substrate is aligned with the mounting surface, and the lens unit is disposed in the block opening. Is attached to the sensor block,
In the case cover, the case openings are provided at equal angular intervals with the center of the earth sensor as a base point to expose the lens portion exposed from the block opening to the outside.
The sensor block on which the earth edge detector is mounted is stored in the center housing at the same angular interval with the center of the earth sensor as a base point, with the long axis of the sensor block being vertical.

本発明に係る地球センサのさらに好ましい実施形態では、前記地球センサは、第一から第四の地球エッジ検出器をそれぞれ装着した第一から第四のセンサブロックを有し、
前記第一から第四のセンサブロックは、それぞれ前記ブロック開口部側の前面、前記装着面側の背面、右側面、左側面の4つの面を有し、
前記第一から第四のセンサブロックは、前記地球センサの中心を基点に点対称となるように、
前記第一のセンサブロックの背面を前記第二のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第二のセンサブロックの背面を前記第三のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第三のセンサブロックの背面を前記第四のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第四のセンサブロックの背面を前記第一のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させることで卍状に組み合わされて、前記筐体カバーに格納されることを特徴とする。
In a further preferred embodiment of the earth sensor according to the present invention, the earth sensor has first to fourth sensor blocks mounted with first to fourth earth edge detectors, respectively.
Each of the first to fourth sensor blocks has a front surface on the block opening side, a back surface on the mounting surface side, a right side surface, and a left side surface,
The first to fourth sensor blocks are symmetric with respect to the center of the earth sensor,
The rear surface of the first sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the second sensor block,
The rear surface of the second sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the third sensor block,
The rear surface of the third sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the fourth sensor block,
The back surface of the fourth sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the first sensor block so as to be combined in a bowl shape and stored in the housing cover.

本発明に係る地球センサのさらに別の実施形態では、前記地球センサは、第一から第四の地球エッジ検出器を含むことを特徴とする。また、それぞれの前記地球エッジ検出器から得られた、前記サーモパイル素子毎のデジタル値とサーモパイル素子1つ当たりの視野角に基づいて、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算することを特徴とする。   In still another embodiment of the earth sensor according to the present invention, the earth sensor includes first to fourth earth edge detectors. Further, the pitch angle and roll angle of the artificial satellite are calculated based on the digital value for each thermopile element obtained from each of the earth edge detectors and the viewing angle for each thermopile element. .

第一から第四の地球エッジ検出器を有する地球センサの実施形態では、前記地球センサは、前記サーモパイル素子1つ当たりの視野角θ0と、
前記第一の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dnと、
前記第ニの地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dsと、
前記第三の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dwと、
前記第四の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Deと
を用いた式:
ピッチ角=θ0×(Ds−Dn)/2
ロール角=θ0×(Dw−De)/2
により、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算することを特徴とする。
In an embodiment of the earth sensor having first to fourth earth edge detectors, the earth sensor has a viewing angle θ 0 per thermopile element;
The number of thermopile elements Dn determined as the earth region by the first earth edge detector,
The number Ds of thermopile elements determined as the earth region by the second earth edge detector,
The number of thermopile elements Dw determined as the earth region by the third earth edge detector,
Formula using the number of thermopile elements De determined as the earth region by the fourth earth edge detector:
Pitch angle = θ 0 × (Ds−Dn) / 2
Roll angle = θ 0 × (Dw−De) / 2
Thus, the pitch angle and roll angle of the artificial satellite are calculated.

本発明に係る地球センサのその他の実施形態として、前記地球エッジ検出器の少なくとも1つは、サーモパイル素子に代えて、別の種類の赤外線検出素子を用いた赤外線検出器であることを特徴とする。   As another embodiment of the earth sensor according to the present invention, at least one of the earth edge detectors is an infrared detector using another kind of infrared detecting element instead of the thermopile element. .

本発明に係る地球エッジ検出方法の1つの実施形態では、地球エッジに対して垂直方向に、ライン状に配列又は斜交配列された複数のサーモパイル素子を含む検出部と、前記検出部で検出された信号をデジタル変換して出力する信号処理部とを備える地球エッジ検出器を少なくとも3つ含む地球センサの地球エッジ検出方法は、
それぞれの前記地球エッジ検出器の前記検出部に含まれる複数のサーモパイル素子により赤外線の検出を行ない、サーモパイル素子毎に赤外輻射量を前記信号処理部に出力するステップと、
前記信号処理部により前記サーモパイル素子毎に出力された赤外輻射量を、予め定められた閾値と比較して前記サーモパイル素子毎に0か1の値に二値化して、前記サーモパイル素子毎のデジタル値に変換するステップと、
それぞれの前記地球エッジ検出器から得られた、前記サーモパイル素子毎のデジタル値とサーモパイル素子1つ当たりの視野角に基づいて、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算するステップとを含み、
前記サーモパイル素子毎のデジタル値は、前記サーモパイル素子の配列に対応し、デジタル値が1となるサーモパイル素子の配列を地球領域、デジタル値が0となるサーモパイル素子の配列を宇宙空間と判定することで、前記サーモパイル素子の配列において地球エッジを検出することを特徴する。
In one embodiment of the earth edge detection method according to the present invention, a detection unit including a plurality of thermopile elements arranged in a line or obliquely in a direction perpendicular to the earth edge, and detected by the detection unit. An earth edge detection method for an earth sensor including at least three earth edge detectors including a signal processing unit that digitally converts the output signal and outputs the signal.
Performing infrared detection by a plurality of thermopile elements included in the detection unit of each of the earth edge detectors, and outputting an infrared radiation amount to the signal processing unit for each thermopile element;
The infrared radiation amount output for each thermopile element by the signal processing unit is compared with a predetermined threshold value, and binarized to a value of 0 or 1 for each thermopile element, and digital for each thermopile element Converting to a value;
Calculating the pitch angle and roll angle of the satellite based on the digital value for each thermopile element obtained from each of the earth edge detectors and the viewing angle per thermopile element,
The digital value for each thermopile element corresponds to the arrangement of the thermopile elements, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 1 is determined as the earth region, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 0 is determined as outer space. , Detecting an earth edge in the array of thermopile elements.

地球エッジ検出器の検出部において、一定の視野角を持つ多素子ライン配列のサーモパイルアレーを採用することで、従来の地球エッジ検出器において必要とされた機械的駆動系を省くことができる。これにより、地球センサの機構を大幅に簡素化でき、地球センサの小型・軽量化、低コスト化を実現することができる。また、駆動部の摩耗や故障について対策する必要がない。   By adopting a multi-element line array thermopile array having a constant viewing angle in the detection part of the earth edge detector, the mechanical drive system required in the conventional earth edge detector can be omitted. As a result, the mechanism of the earth sensor can be greatly simplified, and the earth sensor can be reduced in size, weight, and cost. Moreover, it is not necessary to take measures against wear and failure of the drive unit.

事前に感度校正のなされた多素子ライン配列のサーモパイルアレーで、地球赤外放射を検出することにより、地球領域と宇宙領域の判別、すなわち地球エッジの検出をサーモパイル素子単位で行なうことができ、従来の地球エッジ検出器に比べてより簡便に地球エッジを検出することができる。この結果、人工衛星の姿勢角(ピッチ角/ロール角)の計算アルゴリズムを簡素化できる。なお、地球エッジ検出器の数が最低3つ以上であれば、人工衛星の姿勢角(ピッチ角/ロール角)の算出が可能ではあるが、4つの地球エッジ検出器を用いて地球センサを構成すると、より簡単にピッチ角とロール角を計算することができる。   A multi-element line array thermopile array, which has been calibrated in advance, can detect earth and space areas, that is, detect the earth edge in units of thermopile elements. The earth edge can be detected more easily than the earth edge detector. As a result, the algorithm for calculating the attitude angle (pitch angle / roll angle) of the artificial satellite can be simplified. If the number of earth edge detectors is at least three or more, the attitude angle (pitch angle / roll angle) of the artificial satellite can be calculated, but the earth sensor is configured using four earth edge detectors. Then, the pitch angle and roll angle can be calculated more easily.

さらに、地球エッジの判別において、地球エッジの閾値を適切に設定することにより、赤道域と極域での地球赤外輻射量の違いや変動量の影響を排除できる。また、より多くのサーモパイル素子からなるサーモパイルアレーを地球エッジ検出器として用いることで、1素子あたりの視野角を小さくすることができ、解像度をより向上させることができる。   Furthermore, in determining the earth edge, by appropriately setting the threshold value of the earth edge, it is possible to eliminate the difference in the amount of earth infrared radiation between the equatorial region and the polar region and the influence of the fluctuation amount. Further, by using a thermopile array composed of more thermopile elements as the earth edge detector, the viewing angle per element can be reduced, and the resolution can be further improved.

図1は、地平線スキャナ方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the operation principle of the earth sensor of the horizon scanner type. 図2は、地平線トラッカ方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the earth sensor of the horizon tracker system. 図3は、静的熱平衡方式の地球センサの動作原理を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the operating principle of a static thermal equilibrium earth sensor. 図4は、地球エッジ検出器として用いられるサーモパイルアレーを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a thermopile array used as an earth edge detector. 図5は、サーモパイルアレーの素子部におけるサーモパイル素子の配列の1つの実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing one embodiment of the arrangement of the thermopile elements in the element portion of the thermopile array. 図6は、サーモパイルアレーにおけるX−Y軸および視野角を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an XY axis and a viewing angle in the thermopile array. 図7は、サーモパイルアレーにおける赤外検出波長域を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing an infrared detection wavelength region in a thermopile array. 図8は、地球の低緯度域、中緯度域、極域における地球赤外輻射量と波長との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the amount of terrestrial infrared radiation and the wavelength in the low latitude region, middle latitude region, and polar region of the earth. 図9は、4つのサーモパイルアレーを地球エッジ検出器として用いた地球センサの1つの実施例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating one embodiment of an earth sensor using four thermopile arrays as earth edge detectors. 図10は、人工衛星の軌道高度と人工衛星に搭載された地球エッジ検出器の視野角の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the orbit altitude of the artificial satellite and the viewing angle of the earth edge detector mounted on the artificial satellite. 図11は、サーモパイルアレーを用いた地球エッジ検出器における地球エッジの検出方法を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a method of detecting an earth edge in an earth edge detector using a thermopile array. 図12は、サーモパイルアレーにおける各サーモパイル素子が出力する信号と閾値の関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between a signal output from each thermopile element in the thermopile array and a threshold value. 図13は、人工衛星の姿勢角の計算方法を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a method for calculating the attitude angle of the artificial satellite. 図14は、他の実施形態の地球エッジの検出方法を用いた際の各サーモパイル素子の出力信号と閾値との関係を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between an output signal of each thermopile element and a threshold value when the earth edge detection method according to another embodiment is used. 図15は、地球エッジ検出器を装着するためのセンサブロックを示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a sensor block for mounting the earth edge detector. 図16は、地球エッジ検出器を装着したセンサブロックを卍状に格納するための筐体カバーを示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a housing cover for storing the sensor block equipped with the earth edge detector in a bowl shape. 図17は、4つのセンサブロックを卍状に、筐体カバーに格納して固定した地球センサの上面図、側面図および断面図である。FIG. 17 is a top view, a side view, and a cross-sectional view of an earth sensor in which four sensor blocks are housed and fixed in a bowl shape in a housing cover. 図18は、4つのセンサブロックを卍状に装着することで小型化された地球センサの実施例を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing an embodiment of the earth sensor that is miniaturized by mounting four sensor blocks in a bowl shape. 図19は、小型化した地球センサのオフセット角を示す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating the offset angle of the downsized earth sensor. 図20は、小型化した地球センサを人工衛星の構体パネルに固定した場合の一例を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an example in which a downsized earth sensor is fixed to a structure panel of an artificial satellite.

以下に図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、実施の形態を説明するための全ての図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

図4は、本発明の1つの実施形態として、地球センサにおいて地球エッジ検出器として用いられるサーモパイルアレーを示す。サーモパイルアレー400は、基板405に検出部402と信号処理部404とを備える。検出部402は、図5に示されるように、複数のサーモパイル素子が素子番号1番から16番まで、1番の斜め後方に2番、2番の斜め後方に3番といったように、交互に二列で配列された素子部410とレンズ406を有する筒状のレンズ部408とからなる。図5のように、交互二列の配列を「斜交配列」と呼ぶことにする。複数のサーモパイル素子は、一直線状(ライン状)に配列することもできる。素子部410は、レンズ部408の内側の基板面上にある(図5参照)。また、信号処理部404において処理された電気信号をサーモパイルアレー400の外部の機器に向けて出力するための接続端子414を基板405に備える。基板405の形状は長方形であるが、長方形の他にも地球センサの筐体に収納するために最適な形状を採用することができる。   FIG. 4 shows a thermopile array used as an earth edge detector in an earth sensor as one embodiment of the present invention. The thermopile array 400 includes a detection unit 402 and a signal processing unit 404 on a substrate 405. As shown in FIG. 5, the detection unit 402 has a plurality of thermopile elements in which element numbers 1 to 16 are alternated, such that number 2 is behind the first and second is the second, and the third is behind the second. It consists of element parts 410 arranged in two rows and a cylindrical lens part 408 having a lens 406. As shown in FIG. 5, an alternate two-row array is called a “diagonal array”. The plurality of thermopile elements can also be arranged in a straight line (line shape). The element portion 410 is on the substrate surface inside the lens portion 408 (see FIG. 5). In addition, the substrate 405 is provided with a connection terminal 414 for outputting the electrical signal processed in the signal processing unit 404 to a device outside the thermopile array 400. The shape of the substrate 405 is a rectangle, but other than the rectangle, an optimum shape can be adopted for storage in the case of the earth sensor.

サーモパイルアレー400は、検出部402によって対象物からの赤外輻射を検出し、信号処理部404によって赤外輻射量に対応する電気信号を出力する。具体的には、レンズ406を有するレンズ部408を通って入射する赤外線を、素子部410の複数のサーモパイル素子によって検出して、信号処理部404によって検出した赤外線の赤外輻射量に応じて電気信号に変換されて接続端子414から外部に出力される。   The thermopile array 400 detects infrared radiation from the object by the detection unit 402 and outputs an electrical signal corresponding to the amount of infrared radiation by the signal processing unit 404. Specifically, the infrared rays incident through the lens unit 408 having the lens 406 are detected by a plurality of thermopile elements of the element unit 410, and the infrared rays are detected according to the infrared radiation amount detected by the signal processing unit 404. It is converted into a signal and output to the outside from the connection terminal 414.

本発明の別の実施形態では、地球エッジ検出器として、サーモパイルアレー400の複数のサーモパイル素子に代えて、別の赤外線検出素子がライン状に配列又は斜交配列された赤外線検出器を用いることもできる。   In another embodiment of the present invention, instead of the plurality of thermopile elements of the thermopile array 400, an infrared detector in which other infrared detection elements are arranged in a line or in an oblique arrangement may be used as the earth edge detector. it can.

図5は、図4で示したサーモパイルアレー400の素子部410におけるサーモパイル素子412の配列の1つの実施形態を示す。16個のサーモパイル素子412は、レンズ部408の内側の基板上に交互に二列で配列(すなわち、斜交配列)されている。図5では、左側のサーモパイル素子から順に1から16の素子番号が付されている。サーモパイル素子412は、対象物より放射される赤外線を検出する個々の素子であり、対象物の温度に比例した電圧を出力することができる。本発明の1つの実施形態で使用するサーモパイルアレー400は、サーモパイル素子412が2×8個斜交配列されたタイプであるが、人工衛星から地球の間のように対象物が十分に離れている場合は、1×16のライン状素子配列と見做すことができる。また、別の実施形態では、複数のサーモパイル素子をライン状に配列することもできる。さらに、サーモパイル素子412の数は、16個に限られるものではなく、地球エッジの検出精度の向上や低コスト化・小型化といった要求において増減することができる。一般的に、サーモパイル素子数を増加することで、1素子当たりの視野角を小さくでき、地球エッジ検出器の解像度が向上して、地球エッジの検出制度を改善することができる。   FIG. 5 shows one embodiment of the arrangement of the thermopile elements 412 in the element part 410 of the thermopile array 400 shown in FIG. The 16 thermopile elements 412 are alternately arranged in two rows on the substrate inside the lens unit 408 (that is, an oblique arrangement). In FIG. 5, element numbers 1 to 16 are assigned in order from the left thermopile element. The thermopile element 412 is an individual element that detects infrared rays emitted from an object, and can output a voltage proportional to the temperature of the object. The thermopile array 400 used in one embodiment of the present invention is a type in which 2 × 8 thermopile elements 412 are diagonally arranged, but the object is sufficiently distant from the satellite to the earth. In this case, it can be regarded as a 1 × 16 line element array. In another embodiment, a plurality of thermopile elements can be arranged in a line. Further, the number of the thermopile elements 412 is not limited to 16, and can be increased or decreased in response to demands for improving the detection accuracy of the earth edge, reducing costs, and reducing the size. Generally, by increasing the number of thermopile elements, the viewing angle per element can be reduced, the resolution of the earth edge detector can be improved, and the earth edge detection system can be improved.

図5におけるFOV(X)およびFOV(Y)は、それぞれサーモパイルアレー400のX軸方向の視野角(FOV; Field Of View)とY軸方向の視野角を示す。地球エッジ検出器としてサーモパイルアレー400を用いた場合、X軸は地球エッジに対して垂直になる軸であり、Y軸は地球エッジに対して平行となる軸である。複数のサーモパイル素子412を、地球エッジに対して垂直方向(X軸方向)に配列することで、広い視野角FOV(X)で地球エッジをとらえることができる。   FOV (X) and FOV (Y) in FIG. 5 indicate the field angle of view (FOV) of the thermopile array 400 and the field angle of the Y axis direction, respectively. When the thermopile array 400 is used as the earth edge detector, the X axis is an axis perpendicular to the earth edge, and the Y axis is an axis parallel to the earth edge. By arranging the plurality of thermopile elements 412 in the direction perpendicular to the earth edge (X-axis direction), the earth edge can be captured with a wide viewing angle FOV (X).

図6は、地球エッジ検出器として用いられるサーモパイルアレー400におけるX−Y軸方向と視野角を示す。図6(a)は、サーモパイルアレー400の平面図であり、軸方向を示す。長方形状のサーモパイルアレー400の長軸方向をX軸とし、短軸方向をY軸とする。上述のとおり、サーモパイルアレー400を地球エッジ検出器として地球センサに搭載した場合には、X軸は地球の地球エッジに対して垂直となり、Y軸は平行となる。   FIG. 6 shows an XY axis direction and a viewing angle in a thermopile array 400 used as an earth edge detector. FIG. 6A is a plan view of the thermopile array 400 showing the axial direction. The major axis direction of the rectangular thermopile array 400 is the X axis, and the minor axis direction is the Y axis. As described above, when the thermopile array 400 is mounted on an earth sensor as an earth edge detector, the X axis is perpendicular to the earth edge of the earth, and the Y axis is parallel.

図6(b)はX軸方向の視野角FOV(X)の例を示す。視野角はレンズの焦点距離で決まるが、本発明の1つの実施形態として、サーモパイルアレー400を使用する地球エッジ検出器では、10.6mmの焦点距離を持ち、X方向の視野角FOV(X)が17°、Y方向の視野角FOV(Y)が2.5°となっている。X方向には16個の素子が並んでいるため、1素子あたりの視野角すなわちエッジ検出精度は約1°となる。   FIG. 6B shows an example of the viewing angle FOV (X) in the X-axis direction. Although the viewing angle is determined by the focal length of the lens, as one embodiment of the present invention, an earth edge detector using the thermopile array 400 has a focal length of 10.6 mm and a viewing angle FOV (X) in the X direction. Is 17 °, and the viewing angle FOV (Y) in the Y direction is 2.5 °. Since 16 elements are arranged in the X direction, the viewing angle per element, that is, the edge detection accuracy is about 1 °.

図7は、サーモパイルアレーにおける赤外検出波長域を示すグラフである。グラフの縦軸は赤外線の透過率であり、横軸は波長である。本発明の地球エッジ検出器(図4の実施例では、サーモパイルアレー400)で使用するレンズ406の1つの実施形態として、非コーティングシリコンレンズ(G12)を用いることができる。図7のグラフ中のSTANDARDラインは従来のレンズの赤外検出波長域を表し、G12ラインは非コーティングシリコンレンズ(G12)を使用した場合の赤外検出波長域を示す。STANDARDラインで示される従来のレンズに比べて、G12ラインで示される非コーティングシリコンレンズ(G12)は、広い波長域で一定の透過率となるという特性を有していることが分かる。   FIG. 7 is a graph showing an infrared detection wavelength region in a thermopile array. The vertical axis of the graph is the infrared transmittance, and the horizontal axis is the wavelength. An uncoated silicon lens (G12) can be used as one embodiment of the lens 406 used in the earth edge detector of the present invention (thermopile array 400 in the example of FIG. 4). The STANDARD line in the graph of FIG. 7 represents the infrared detection wavelength range of a conventional lens, and the G12 line represents the infrared detection wavelength range when an uncoated silicon lens (G12) is used. It can be seen that the non-coated silicon lens (G12) indicated by the G12 line has a characteristic of a constant transmittance in a wide wavelength range, compared to the conventional lens indicated by the STANDARD line.

図8は、地球の低緯度域、中緯度域、極域における地球赤外輻射量と波長との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は赤外輻射量(放射輝度)であり、横軸は波長である。従来型地球センサの多くが、赤外線の検出波長域としてCO2の吸収帯である14〜16μm(CO2バンド)を採用している(図8中の(1)従来の地球センサの検出波長域)。その理由としては、CO2プロファイルが大気圏上層部で形成されることから、対流圏における気象変動の影響が少なく赤外輻射量が安定しているためである。図8に示す(a)低経度域、(b)中経度域、(c)極域のいずれもグラフからも、14〜16μm(CO2バンド)の波長域におけるほぼ一定の値(50前後)で安定していることが理解できる。これら従来型地球センサでは、通常CO2プロファイル(赤外輻射量)データを内部に持っており、ピークレベルに対する相対強度が1/2となる位置を「地球エッジ」として検出する方式をとっている。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the amount of terrestrial infrared radiation and the wavelength in the low latitude region, middle latitude region, and polar region of the earth. The vertical axis of the graph is the amount of infrared radiation (radiance), and the horizontal axis is the wavelength. Many conventional earth sensor, the absorption band of CO 2 as a detection wavelength range of infrared 14~16Myuemu (CO 2 bands) is adopted (in FIG. 8 (1) Detection wavelength range of conventional earth sensor ). The reason is that the CO 2 profile is formed in the upper layer of the atmosphere, so that the influence of weather fluctuations in the troposphere is small and the infrared radiation amount is stable. From the graphs of (a) low longitude region, (b) medium longitude region, and (c) polar region shown in FIG. 8, almost constant values in the wavelength region of 14 to 16 μm (CO 2 band) (around 50) It can be understood that it is stable. These conventional earth sensors usually have CO 2 profile (infrared radiation amount) data inside and detect a position where the relative intensity with respect to the peak level is ½ as an “earth edge”. .

しかしながら、CO2プロファイルは安定しているとはいえ、緯度や経度、季節、時間帯等による様々な変動要因があり、高精度な地球センサではそれらの変動要因に対する補正も行うので、姿勢角の計算がかなり複雑になる。 However, although the CO 2 profile is stable, there are various fluctuation factors depending on the latitude, longitude, season, time zone, etc., and the high-accuracy earth sensor also corrects for these fluctuation factors. Computation becomes quite complicated.

一方、本発明で使用する地球エッジ検出器は、非コーティングシリコンレンズ(G12)を採用することにより、図7に示すように検出波長域が遠赤外領域においてフラットな特性となっている。図8に示す地球赤外輻射のほとんどの波長範囲(図8中の(2)本発明に係る地球エッジ検出器の波長域))を検出するようになっている。   On the other hand, the earth edge detector used in the present invention employs an uncoated silicon lens (G12), so that the detection wavelength region is flat in the far infrared region as shown in FIG. Most of the wavelength range of the earth infrared radiation shown in FIG. 8 ((2) the wavelength range of the earth edge detector according to the present invention in FIG. 8) is detected.

これは、各検出素子を、地球領域(地球赤外輻射が有る)と宇宙領域(地球赤外輻射が無い)との判別のみにデジタル的に使用しており、CO2バンドによる高精度な検出を行う必要がないためである。これにより、レンズのコーティング処理や複雑なパラメータ計算処理に伴うコストを抑えている。 This is because each detection element is digitally used only for distinguishing between the earth region (with earth infrared radiation) and the space region (without earth infrared radiation), and highly accurate detection using the CO 2 band. This is because there is no need to perform. As a result, costs associated with lens coating processing and complicated parameter calculation processing are reduced.

図9は、4つのサーモパイルアレー400を地球エッジ検出器として用いた地球センサの1つの実施形態を示す。なお、人工衛星の姿勢を制御するためには、最低3つの地球エッジ検出器があれば、それぞれ地球エッジを検出して、地球の位置を把握することができる。つまり、少なくとも3つの地球エッジ検出器を用いて地球センサを構成することは可能である。   FIG. 9 illustrates one embodiment of an earth sensor using four thermopile arrays 400 as earth edge detectors. In order to control the attitude of the artificial satellite, if there are at least three earth edge detectors, it is possible to detect the earth edge and grasp the position of the earth. That is, it is possible to configure an earth sensor using at least three earth edge detectors.

本発明の1つの実施形態である地球センサ500は、4つの地球エッジ検出器を格納する筐体カバー502と筐体ベース504とからなる。また、筐体ベース504には、接続コネクタ506が設置されている。地球センサ500における4つの地球エッジ検出器には、図4および図5に示した16素子のサーモパイルアレー400を4つ用いることができる。それぞれのサーモパイルアレー400の接続端子414から出力される電気信号を処理して、制御情報(ピッチ角およびロール角といった姿勢制御角など)を生成する制御情報生成部(図示せず)を地球センサ500に含めることもできる。制御情報生成部からの出力(制御情報)は、接続コネクタ506を介して、地球センサ500に接続された人工衛星本体に送信される。   An earth sensor 500 according to an embodiment of the present invention includes a housing cover 502 that houses four earth edge detectors and a housing base 504. In addition, a connection connector 506 is installed on the housing base 504. As the four earth edge detectors in the earth sensor 500, the four 16-element thermopile arrays 400 shown in FIGS. 4 and 5 can be used. A control information generation unit (not shown) that processes electric signals output from the connection terminals 414 of each thermopile array 400 to generate control information (such as a posture control angle such as a pitch angle and a roll angle) serves as an earth sensor 500. Can also be included. The output (control information) from the control information generation unit is transmitted to the artificial satellite body connected to the earth sensor 500 via the connection connector 506.

また、別の実施形態では、4つの地球エッジ検出器として、別の赤外線検出素子からなる赤外線検出器を用いることができ、サーモパイルアレー400と組合せて用いることも可能である。   In another embodiment, an infrared detector composed of another infrared detecting element can be used as the four earth edge detectors, and can be used in combination with the thermopile array 400.

4つの地球エッジ検出器は、地球センサ500の中心を基点として、90°間隔で、筐体カバー502に格納され、サーモパイルアレー400のレンズ406およびレンズ部408が外向きになるように配置して筐体カバー502の内側に固定される。つまり、筐体カバー502の内側において、4個の地球エッジ検出器(便宜的に、第一から第四の地球エッジ検出器と呼ぶ)は、地球センサ500の中心に対して対称的に、第一の地球エッジ検出器と第二の地球エッジ検出器が配置され、地球センサの中心に対して対称的に、第三の地球エッジ検出器と第四の地球エッジ検出器が配置される。このとき、前記第一の地球エッジ検出器と前記第二の地球エッジ検出器を結ぶ直線は、前記第三の地球エッジ検出器と前記第四の地球エッジ検出器を結ぶ直線と直角に交わる。   The four earth edge detectors are stored in the housing cover 502 at 90 ° intervals with the center of the earth sensor 500 as a base point, and are arranged so that the lens 406 and the lens portion 408 of the thermopile array 400 face outward. It is fixed inside the housing cover 502. In other words, four earth edge detectors (referred to as first to fourth earth edge detectors for convenience) inside the housing cover 502 are symmetrical with respect to the center of the earth sensor 500. One earth edge detector and a second earth edge detector are arranged, and a third earth edge detector and a fourth earth edge detector are arranged symmetrically with respect to the center of the earth sensor. At this time, a straight line connecting the first earth edge detector and the second earth edge detector intersects with a straight line connecting the third earth edge detector and the fourth earth edge detector at a right angle.

本発明の1つの実施形態である地球センサ500では、サーモパイルアレー400のレンズ部408は、筐体カバー502の開口部から露出している。別の実施形態では、筐体カバー502の開口部からレンズ406だけを露出させて、レンズ部408は露出させないように構成することも可能である。   In the earth sensor 500 that is one embodiment of the present invention, the lens portion 408 of the thermopile array 400 is exposed from the opening of the housing cover 502. In another embodiment, only the lens 406 may be exposed from the opening of the housing cover 502 and the lens unit 408 may not be exposed.

それぞれ反対側に位置する地球エッジ検出器は、一方の地球エッジ検出器の視野角の中心軸と他方の地球エッジ検出器の視野角の中心軸とがオフセット角θoffsetをなすように配置することができる。オフセット角θoffset は、人工衛星の軌道高度に応じて定まる。
図9では、例として、それぞれ反対側に位置する1組の地球エッジ検出器のオフセット角θoffset を示しているが、もう1組の地球エッジ検出器も同様のオフセット角をなすように配置される。
The earth edge detectors located on opposite sides should be arranged such that the center axis of the viewing angle of one earth edge detector and the center axis of the viewing angle of the other earth edge detector form an offset angle θ offset. Can do. The offset angle θ offset is determined according to the orbital altitude of the artificial satellite.
In FIG. 9, as an example, the offset angle θ offset of one set of earth edge detectors located on the opposite sides is shown, but the other set of earth edge detectors are also arranged to form the same offset angle. The

図10は、人工衛星の軌道高度と人工衛星に搭載された地球エッジ検出器の視野角の関係を示す。地球センサ500を搭載した人工衛星が、軌道高度900km(H=900km)の宇宙空間602を飛んでいるとした場合に、それぞれ反対側に位置する地球エッジ検出器間のオフセット角θoffset を123°にしておけば、姿勢角がピッチ/ロール角共に0°の時、すなわち人工衛星が地球600の中心を向いている時に、各地球エッジ検出器の赤外線検出素子(すなわち、サーモパイル素子)の配列の中央の素子で地球エッジをとらえることができる。図5の例では、サーモパイルアレー400の16個のサーモパイル素子のうち、素子番号8又は9の素子もしくは素子番号8と9の間で地球エッジをとらえることができる。オフセット角θoffset を調整することで、様々な予定軌道高度の人工衛星への搭載が可能となる。 FIG. 10 shows the relationship between the orbital altitude of the artificial satellite and the viewing angle of the earth edge detector mounted on the artificial satellite. When an artificial satellite equipped with the earth sensor 500 is flying in the outer space 602 with an orbital altitude of 900 km (H = 900 km), the offset angle θ offset between the earth edge detectors located on the opposite sides is set to 123 °. If the attitude angle is 0 ° in both the pitch / roll angles, that is, when the artificial satellite is facing the center of the earth 600, the arrangement of the infrared detection elements (ie, thermopile elements) of each earth edge detector. The edge of the earth can be captured by the central element. In the example of FIG. 5, among the 16 thermopile elements of the thermopile array 400, the earth edge can be captured between the element number 8 or 9 or the element numbers 8 and 9. By adjusting the offset angle θ offset , it is possible to mount the satellites on various orbital altitudes.

ここで、図11(a)から(c)を参照して、サーモパイルアレー400を用いた地球エッジ検出器における地球エッジの検出方法を説明する。人工衛星に搭載された地球センサの4つの地球エッジ検出器は、前述のように姿勢角がピッチ/ロール角共に0°の時に地球エッジ708が視野706の中央に来るように配置されている。このとき、地球赤外領域700における地球中心702に、人工衛星の衛星座標中心704が重なることになる。視野706の1マスは、サーモパイルアレー400の素子部410に配列された1つのサーモパイル素子412に対応する。   Here, with reference to FIGS. 11A to 11C, a method for detecting the earth edge in the earth edge detector using the thermopile array 400 will be described. The four earth edge detectors of the earth sensor mounted on the artificial satellite are arranged so that the earth edge 708 comes to the center of the visual field 706 when the attitude angle is 0 ° in both the pitch angle and the roll angle as described above. At this time, the satellite coordinate center 704 of the artificial satellite overlaps the earth center 702 in the earth infrared region 700. One square of the visual field 706 corresponds to one thermopile element 412 arranged in the element unit 410 of the thermopile array 400.

図5では、16個のサーモパイル素子412が配列されているが、図11では、簡略化のために視野706におけるマスを16個よりも少ない数で表示している。   In FIG. 5, 16 thermopile elements 412 are arranged. However, in FIG. 11, the number of squares in the visual field 706 is displayed by a number smaller than 16 for simplification.

図11(a)のように人工衛星の姿勢角が変化した場合、各地球エッジ検出器の視野706(An,As,Aw,Ae)において検出する地球エッジ708の位置が、中央からずれることになる。   When the attitude angle of the artificial satellite changes as shown in FIG. 11A, the position of the earth edge 708 detected in the field of view 706 (An, As, Aw, Ae) of each earth edge detector is shifted from the center. Become.

図11(b)は、人工衛星の姿勢が右方向へ変化した場合、すなわち検出器の視野706(Ae)において地球エッジが左方向へずれた場合の模式図である。この例では、視野706の8マスに対応するサーモパイル素子のうち、左から1から4番目のマスに対応するサーモパイル素子が地球赤外輻射をとらえており、左から4番目と5番目のマスに対応するサーモパイル素子の検出結果から地球エッジ708を検出することができる。具体的な検出方法は、図11(c)を用いて説明する。   FIG. 11B is a schematic diagram when the attitude of the artificial satellite changes to the right, that is, when the earth edge shifts to the left in the field of view 706 (Ae) of the detector. In this example, among the thermopile elements corresponding to 8 squares in the field of view 706, the thermopile elements corresponding to the 1st to 4th squares from the left capture the earth infrared radiation, and the 4th and 5th squares from the left The earth edge 708 can be detected from the detection result of the corresponding thermopile element. A specific detection method will be described with reference to FIG.

図11(c)は、図11(b)の例において、視野706(Ae)の各マスに対応するサーモパイル素子の信号出力(電圧出力)を示す。すなわち、地球赤外領域700をとらえているサーモパイル素子および宇宙領域701をとらえているサーモパイル素子は、それぞれその赤外輻射強度に応じた電圧出力が得られることになるが、宇宙領域701の温度は極めて低い(絶対温度3k)ことから出力はほぼゼロに近い一定値となる。そこで、地球/宇宙領域判定用の閾値を設定することで、境界点を地球エッジとして検出することができる。   FIG.11 (c) shows the signal output (voltage output) of the thermopile element corresponding to each square of the visual field 706 (Ae) in the example of FIG.11 (b). That is, the thermopile element that captures the earth infrared region 700 and the thermopile element that captures the space region 701 can obtain voltage outputs corresponding to the infrared radiation intensity, respectively, but the temperature of the space region 701 is Since the temperature is extremely low (absolute temperature 3 k), the output is a constant value almost close to zero. Therefore, the boundary point can be detected as the earth edge by setting a threshold value for determining the earth / space region.

図12は、サーモパイルアレーにおける各サーモパイル素子が出力する信号と閾値の関係を示す。地表より外縁の大気層では、赤外輻射強度が地表からの高度に応じて減衰するプロファイルを持ち、宇宙領域では出力がゼロに近い一定値に至る。図10に示した本発明の1つの実施形態のように、軌道高度900km、視野角17°で16素子の地球エッジ検出器の場合、地球エッジでの視野領域は約1065kmとなり、1素子あたりの視野領域は約67kmとなる。大気層の厚さは(季節や時間帯による若干の変動はあるものの)約100kmとすると,最大3つの素子に亘り大気層の影響による中間的な値を出力することになる。   FIG. 12 shows the relationship between the signal output from each thermopile element in the thermopile array and the threshold value. In the atmosphere layer outside the ground surface, the infrared radiation intensity has a profile that attenuates according to the altitude from the ground surface, and in the space region, the output reaches a constant value close to zero. As in one embodiment of the present invention shown in FIG. 10, in the case of a 16-element earth edge detector with an orbital altitude of 900 km and a viewing angle of 17 °, the viewing area at the earth edge is approximately 1065 km. The visual field area is about 67 km. If the thickness of the atmospheric layer is about 100 km (although there are slight variations depending on the season and time zone), an intermediate value due to the influence of the atmospheric layer is output over a maximum of three elements.

本発明にかかる地球エッジ検出器の赤外波長域は、広範囲(例えば、図8中の(2)の範囲)に及ぶため、緯度や時間帯による変動、大気中のO3やH20による吸収等様々な変動要因が存在し,大気層やその付近の地球領域の赤外輻射強度も不安定であることが予想される。その中でも最も不安定で従来の地球センサにおいて誤認識の要因になってきたのが、図8に挙げる低緯度(赤道)域と極域での赤外輻射量の大きさの違いと変動量の予想の困難さである。 Since the infrared wavelength range of the earth edge detector according to the present invention covers a wide range (for example, the range (2) in FIG. 8), it varies depending on the latitude and time zone, and depends on O 3 and H 2 0 in the atmosphere. There are various fluctuation factors such as absorption, and it is expected that the infrared radiation intensity of the atmosphere layer and the surrounding earth region is also unstable. Among them, the most unstable and the cause of misrecognition in the conventional earth sensor is the difference in the amount of infrared radiation and the amount of fluctuation in the low latitude (equator) and polar regions shown in FIG. It is difficult to predict.

本発明の1つの実施形態であるサーモパイルアレー400を用いた地球エッジ検出器は、より広い波長帯の赤外輻射に感応することから、図8の地球赤外輻射を、ほぼ全波長帯にわたって積分した量を出力する。すなわち、図12(a)から(c)のように、地球赤外領域内部では、各々の地域(低緯度域、中緯度域、極域)での赤外輻射積分量に応じた出力になり、当該出力は宇宙領域での一定値に向けて減衰していくことになる。   Since the earth edge detector using the thermopile array 400 which is one embodiment of the present invention is sensitive to infrared radiation in a wider wavelength band, the earth infrared radiation in FIG. 8 is integrated over almost the entire wavelength band. Output the amount. That is, as shown in FIGS. 12 (a) to 12 (c), within the earth infrared region, the output is in accordance with the infrared radiation integration amount in each region (low latitude region, middle latitude region, polar region). The output is attenuated toward a constant value in the space region.

そこで本発明では、閾値を可能な範囲で低い値(宇宙領域の輻射量よりも少し高い値で、地球大気の赤外輻射の影響を検出し始めた高度)に設定することにより、地域による赤外輻射量の大きさの違いや変動量による影響を極力排除することができる。   Therefore, in the present invention, the threshold value is set to a low value within a possible range (a height slightly higher than the amount of radiation in the cosmic region and the altitude at which the influence of infrared radiation in the earth's atmosphere has begun to be detected). The influence of the difference in the amount of external radiation and the fluctuation amount can be eliminated as much as possible.

図12(a)から(c)のグラフにおける1と0の列は、サーモパイルアレー400の検出部402で検出した赤外輻射量に対応する電気信号が、上述のように予め設定された閾値よりも大きい(あるいは閾値以上である)場合には、信号処理部404から出力されるデジタル値を1とし、閾値以下である(あるいは閾値よりも小さい)場合にはデジタル値を0とすることを表している。すなわち、デジタル値が1となるサーモパイル素子の配列を地球赤外領域(地球領域)、デジタル値が0となるサーモパイル素子の配列を宇宙空間(宇宙領域)と判定することで、サーモパイル素子の配列において地球エッジを検出することができる。   The columns 1 and 0 in the graphs of FIGS. 12A to 12C indicate that the electrical signal corresponding to the amount of infrared radiation detected by the detection unit 402 of the thermopile array 400 is greater than the threshold set in advance as described above. Is larger (or greater than or equal to the threshold value), the digital value output from the signal processing unit 404 is set to 1, and when it is less than or equal to the threshold value (or smaller than the threshold value), the digital value is set to 0. ing. In other words, by determining the array of thermopile elements with a digital value of 1 as the earth infrared region (earth region) and the array of thermopile elements with a digital value of 0 as space (space region), The earth edge can be detected.

図13は、地球中心に対する人工衛星の姿勢角(ピッチ角/ロール角)の計算方法を説明するための図である。図12に示したように、各地球エッジ検出器における素子の信号出力が閾値よりも大きい(地球領域)と判定された(すなわち、1となる)素子の数を求める。4つの地球エッジ検出器を用いた地球センサの場合、図13に示されるように、地球領域と判定された素子数を、それぞれDn,Ds,Dw,Deとし、1素子の視野角をθ0 とすると、地球中心に対する人工衛星の姿勢角(ピッチ角/ロール角)は、
ピッチ角=θ0×(Ds−Dn)/2
ロール角=θ0×(Dw−De)/2
の式で計算することができる。
FIG. 13 is a diagram for explaining a method of calculating the attitude angle (pitch angle / roll angle) of the artificial satellite with respect to the earth center. As shown in FIG. 12, the number of elements determined that the signal output of the elements in each earth edge detector is larger than the threshold (earth area) (that is, 1) is obtained. In the case of an earth sensor using four earth edge detectors, as shown in FIG. 13, the number of elements determined as the earth region is Dn, Ds, Dw, and De, respectively, and the viewing angle of one element is θ 0. Then, the attitude angle (pitch angle / roll angle) of the artificial satellite with respect to the earth center is
Pitch angle = θ 0 × (Ds−Dn) / 2
Roll angle = θ 0 × (Dw−De) / 2
It can be calculated by the following formula.

例えば、図9に示した本発明の1つの実施形態である地球センサ500では、4つのサーモパイルアレー400のそれぞれの信号処理部404から接続端子414を介して出力されたデジタル値(1または0)を加算することで、それぞれDn,Ds,Dw,Deの値を求めることができる。そして、地球センサにおける制御情報生成部(図9には図示せず)によって、上記の式を用いて算出されたピッチ角とロール角を含む制御情報を生成することができる。   For example, in the earth sensor 500 that is one embodiment of the present invention shown in FIG. 9, the digital value (1 or 0) output from the signal processing unit 404 of each of the four thermopile arrays 400 via the connection terminal 414. Can be added to obtain the values of Dn, Ds, Dw, and De, respectively. Then, control information including a pitch angle and a roll angle calculated using the above equations can be generated by a control information generation unit (not shown in FIG. 9) in the earth sensor.

図11から13に示されるような地球エッジ検出方法及び人工衛星の姿勢角(ピッチ角/ロール角)の計算方法は、極めてシンプルであるが、地球エッジ検出器の信号出力を0と1にデジタル化するため、ピッチ角およびロール角の計算精度は、1素子の視野角θ0に依存することになる。 Although the earth edge detection method and the satellite attitude angle (pitch angle / roll angle) calculation method as shown in FIGS. 11 to 13 are extremely simple, the signal output of the earth edge detector is digitally set to 0 and 1. Therefore, the calculation accuracy of the pitch angle and the roll angle depends on the viewing angle θ 0 of one element.

そこで、地球エッジを検出した地域(低緯度域/中緯度域/極域)による地球赤外輻射量の違いによる影響等を排除しつつ、更に姿勢角精度を高める方法として、他の実施形態の地球エッジ検出方法および姿勢角の計算方法を用いることができる。他の実施形態では、先の実施形態とは異なり、地球エッジ検出器の信号出力をデジタル化せずアナログ電圧値のまま利用する。   Therefore, as a method for further improving the attitude angle accuracy while eliminating the influence of the difference in the amount of earth infrared radiation depending on the region (low latitude region / mid latitude region / polar region) where the earth edge is detected, The earth edge detection method and the attitude angle calculation method can be used. In other embodiments, unlike the previous embodiment, the signal output of the earth edge detector is not digitized but is used as an analog voltage value.

図14は、他の実施形態の地球エッジ検出方法および姿勢角の計算方法を説明するための図であり、当該地球エッジの検出方法を用いた際の各サーモパイル素子の出力信号と閾値との関係を示す。図14に示されるように、地球エッジ検出器により検出される地球赤外領域の信号出力電圧は、低緯度域/中緯度域/極域といった各地域の温度によって異なるという特徴があることが分かる。   FIG. 14 is a diagram for explaining the earth edge detection method and the attitude angle calculation method according to another embodiment, and the relationship between the output signal of each thermopile element and the threshold value when the earth edge detection method is used. Indicates. As shown in FIG. 14, it is understood that the signal output voltage in the earth infrared region detected by the earth edge detector has a characteristic that it varies depending on the temperature of each region such as low latitude region / mid latitude region / polar region. .

当該特徴を利用して、人工衛星の姿勢角を計算するための方法は、まず、地球エッジ検出器毎に、完全に地球領域に視野が向いた素子からの信号出力を用いて、地球赤外輻射量(VR_low, VR_middle, VR_high)を決定する。次に、地球エッジ検出器毎に、地球エッジを視野に含む素子からの信号出力を、地球エッジ輻射量(VE_low, VE_middle, VE_high)とする。また、完全に宇宙領域に視野が向いた素子からの信号出力を用いて、宇宙赤外輻射量(VR_space)を決定する。   A method for calculating the attitude angle of an artificial satellite using this feature is as follows. First, for each earth edge detector, a signal output from an element whose field of view is completely directed to the earth region is used. The amount of radiation (VR_low, VR_middle, VR_high) is determined. Next, for each earth edge detector, the signal output from the element including the earth edge in the field of view is set as the earth edge radiation amount (VE_low, VE_middle, VE_high). Further, the amount of cosmic infrared radiation (VR_space) is determined by using a signal output from an element whose field of view is completely directed to the space region.

地球エッジ検出器毎に、地球赤外輻射量と宇宙赤外輻射量の差(VR_low - VR_space, VR_middle - VR_space, VR_high - VR_space)を求め、これに対する各々の地球エッジ輻射量(VE_low, VE_middle, VE_high)を1素子の視野角θ0内で重み付け配分することにより、視野角θ0よりも精度の高い姿勢角を計算することができる。 For each earth edge detector, the difference between the earth infrared radiation amount and the cosmic infrared radiation amount (VR_low-VR_space, VR_middle-VR_space, VR_high-VR_space) is obtained, and the respective earth edge radiation amounts (VE_low, VE_middle, VE_high) ) Is weighted and distributed within the viewing angle θ 0 of one element, a posture angle with higher accuracy than the viewing angle θ 0 can be calculated.

このように、他の実施形態に基づく地球エッジ検出方法および姿勢角の計算方法は、使用する地球エッジ検出器の1素子の視野角θ0が数度以上と広い場合でも、より正確に視野角θ0以内の姿勢角を決定することが可能である。 As described above, the earth edge detection method and the attitude angle calculation method based on the other embodiments are more accurate even when the viewing angle θ 0 of one element of the earth edge detector to be used is as wide as several degrees or more. A posture angle within θ 0 can be determined.

本発明の別の実施形態として、更に小型化した地球センサの1つ実施形態を図15から20に示す。   As another embodiment of the present invention, one more miniaturized earth sensor embodiment is shown in FIGS.

図15は、地球エッジ検出器を装着するためのセンサブロックを示す。図15(a)および(b)に示されるように、センサブロック800は、前面にブロック開口部802と筐体カバーとの固定面804を有し、背面に装着面808を有する。固定面804および固定面812は、筐体カバー900(図16)に固定するための面である。また、センタブロックの左右には、左側面806と右側面810を有する。図15(c)および(d)は、アルミ材質のセンサブロック800に、地球エッジ検出器(例えば、サーモパイルアレー400)を装着した検出器付センサブロック801を示す。   FIG. 15 shows a sensor block for mounting the earth edge detector. As shown in FIGS. 15A and 15B, the sensor block 800 has a fixing surface 804 between the block opening 802 and the housing cover on the front surface, and a mounting surface 808 on the back surface. The fixed surface 804 and the fixed surface 812 are surfaces for fixing to the housing cover 900 (FIG. 16). The center block has a left side 806 and a right side 810 on the left and right sides. FIGS. 15C and 15D show a sensor block 801 with a detector in which an earth edge detector (for example, a thermopile array 400) is mounted on a sensor block 800 made of aluminum.

図16は、地球エッジ検出器を装着したセンサブロックを卍状に格納するための筐体カバーを示す。小型化を図った地球センサの1つの実施形態では、それぞれ地球エッジ検出器を装着した検出器付センサブロック801を、4つ格納する筐体カバー900と筐体ベース906(図17,18参照)からなる。図16(a)を参照すると、筐体カバー900は、地球エッジ検出器のレンズを露出させるための筐体開口部902と、人工衛星の本体に地球センサの筐体を固定するための固定フランジ904を有する。   FIG. 16 shows a housing cover for storing the sensor block equipped with the earth edge detector in a bowl shape. In one embodiment of a downsized earth sensor, a housing cover 900 and a housing base 906 (see FIGS. 17 and 18) for storing four sensor blocks with detectors 801 each equipped with an earth edge detector. Consists of. Referring to FIG. 16A, the housing cover 900 includes a housing opening 902 for exposing the lens of the earth edge detector, and a fixing flange for fixing the housing of the earth sensor to the main body of the artificial satellite. 904.

図16(b)に示されるように、地球エッジ検出器を装着した検出器付センサブロック801は、筐体カバー900内に挿入され、筐体カバー900の外側にある穴と検出器付センサブロック801の固定面804および固定面812にある穴に、ネジなどの固定部材を通して、検出器付センサブロック801を筐体カバー900の内側に固定する。   As shown in FIG. 16 (b), the sensor block with detector 801 fitted with the earth edge detector is inserted into the housing cover 900, and the sensor block with detector and the hole on the outside of the housing cover 900 are provided. The sensor block with detector 801 is fixed to the inside of the housing cover 900 through a fixing member such as a screw in the holes in the fixing surface 804 and the fixing surface 812 of 801.

このように地球エッジ検出器とセンサブロックを一体化することにより、地球エッジ検出器のみを奥まった筐体内部に固定する作業に比べて、筐体カバーへの挿入の作業が簡便となり確実で正確な固定が可能となる。   By integrating the earth edge detector and the sensor block in this way, the work of inserting the earth edge detector into the housing cover is simpler, more reliable and more accurate than the work of fixing only the earth edge detector inside the housing. Can be fixed.

また、地球エッジ検出器として、図4に示したサーモパイルアレー400を用いた場合、レンズ部408と基板405は、センサブロック800に固定された上で筐体カバー900にしっかり固定されることになり振動耐性が高まる。更に、筐体カバー900のアルミ厚に加えてセンサブロック800のアルミ厚を確保することができ、地球エッジ検出器に対する筐体外側(宇宙空間)からの宇宙放射線の遮蔽効果を高めることができる。   When the thermopile array 400 shown in FIG. 4 is used as the earth edge detector, the lens unit 408 and the substrate 405 are fixed to the housing cover 900 after being fixed to the sensor block 800. Increases vibration resistance. Furthermore, the aluminum thickness of the sensor block 800 can be secured in addition to the aluminum thickness of the housing cover 900, and the effect of shielding cosmic radiation from the outside of the housing (space) against the earth edge detector can be enhanced.

地球エッジ検出器をセンサブロックに取り付ける際には、接続端子を取り外して配線ケーブルを制御回路基板との間で直付けする。例えば、地球エッジ検出器としてサーモパイルアレー400を用いる場合、サーモパイルアレー400の基板405にある接続端子414を取り外して、配線ケーブルを制御回路基板との間で直付けすることになる。これにより、地球エッジ検出器を装着した検出器付センサブロック801を収納する筐体カバー900の高さを低く抑えることができ、地球センサを小型化することができる。   When attaching the earth edge detector to the sensor block, the connection terminal is removed and the wiring cable is directly attached to the control circuit board. For example, when the thermopile array 400 is used as the earth edge detector, the connection terminal 414 on the board 405 of the thermopile array 400 is removed, and the wiring cable is directly attached to the control circuit board. Thereby, the height of the housing cover 900 for housing the sensor block with detector 801 equipped with the earth edge detector can be kept low, and the earth sensor can be miniaturized.

また、センサブロック800の地球エッジ検出器を装着する装着面808の傾きを設定することにより、容易に衛星軌道高度のオフセット角に対応できる。   Also, by setting the inclination of the mounting surface 808 on which the earth edge detector of the sensor block 800 is mounted, it is possible to easily cope with the offset angle of the satellite orbit altitude.

図17には、4つのセンサブロックを卍状に、筐体カバーに格納して固定することで、小型化した地球センサの上面図、側面図および断面図を示す。4つの検出器付センサブロック801(便宜的に、第一のセンサブロック、第二のセンサブロック、第三のセンサブロックおよび第四のセンサブロックと呼ぶ)を筐体カバー900に格納する際に、第一から第四のセンサブロックは、地球センサの中心を基点に点対称となるように、第一のセンサブロックの背面(装着面808)を第二のセンサブロックの右側面810(又は左側面806)に対向させ、第二のセンサブロックの背面(装着面808)を第三のセンサブロックの右側面810又は左側面806に対向させ、第三のセンサブロックの背面(装着面808)を第四のセンサブロックの右側面810(又は左側面806)に対向させ、第四のセンサブロックの背面(装着面808)を第一のセンサブロックの右側面810(又は左側面806)に対向させることで、互い違いに組み合わされている。図17に示されるように、互い違いに組み合わせることを、ここでは、「卍状に組み合わせる」という。図17に示す実施形態では、一方のセンサブロックの背面を他方のセンサブロックの右側面に対向させているが、左側面に対向させることもできる。   FIG. 17 shows a top view, a side view, and a cross-sectional view of a downsized earth sensor by storing and fixing four sensor blocks in a bowl shape in a housing cover. When storing four sensor blocks with detectors 801 (for convenience, the first sensor block, the second sensor block, the third sensor block, and the fourth sensor block) in the housing cover 900, The first to fourth sensor blocks are point-symmetric with respect to the center of the earth sensor so that the back surface (mounting surface 808) of the first sensor block is the right side surface 810 (or left side surface) of the second sensor block. 806), the rear surface (mounting surface 808) of the second sensor block is opposed to the right side surface 810 or the left side surface 806 of the third sensor block, and the rear surface (mounting surface 808) of the third sensor block is The right side 810 (or left side 806) of the fourth sensor block is opposed to the back side (mounting surface 808) of the fourth sensor block, and the right side 810 (or left side) of the first sensor block. By made to face the surface 806) are alternately combined. As shown in FIG. 17, combining in a staggered manner is referred to herein as “combining in a bowl shape”. In the embodiment shown in FIG. 17, the back surface of one sensor block is opposed to the right side surface of the other sensor block, but may be opposed to the left side surface.

図17(a)は、小型化した地球センサの側面を示す。地球センサの筐体は、筐体カバー900と筐体ベース906からなる。図17(b)は、図17(a)に示されたb−bの断面図を示す。筐体4つの検出器付センサブロック801が卍状に組み合わされていることが確認できる。   FIG. 17A shows a side view of the downsized earth sensor. The case of the earth sensor includes a case cover 900 and a case base 906. FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the line bb shown in FIG. It can be confirmed that the sensor blocks 801 with a detector of the four cases are combined in a bowl shape.

図17(c)は、小型化した地球センサの上側面を示す。卍状に組合された4つの地球エッジ検出器のレンズが四方向に向いていることが確認できる。図17(d)は、図17(d)に示されたd−dの断面図を示す。筐体カバー900内で一方の検出器付センサブロック801の背面(装着面側)が、他方の検出器付センサブロック801の右側面に向き合っていることが確認できる。また、4つの地球エッジ検出器は、センサブロック800に装着され、筐体カバー900内に卍状に密着固定され、制御回路基板の納まった筐体ベース906によって閉じられる。   FIG. 17C shows the upper surface of the downsized earth sensor. It can be confirmed that the lenses of the four earth edge detectors combined in a saddle shape are oriented in four directions. FIG. 17D is a sectional view taken along the line dd shown in FIG. It can be confirmed that the back surface (mounting surface side) of one detector-equipped sensor block 801 faces the right side surface of the other detector-equipped sensor block 801 in the housing cover 900. The four earth edge detectors are mounted on the sensor block 800, are closely fixed in a bowl shape in the casing cover 900, and are closed by a casing base 906 in which a control circuit board is housed.

図18は、小型化した地球センサの斜視図である。図18(a)には、筐体カバー900と筐体ベース906からなる地球センサを、筐体ベース906側からみた図を示す。筐体ベース906は、接続コネクタ910を備えるコネクタブラケット908を有する。接続コネクタ910を介して、地球センサの地球エッジ検出器で検出された出力信号、又は、ピッチ角/ロール角などの姿勢制御情報を、人工衛星の本体に伝達することができる。例えば、地球エッジ検出器としてサーモパイルアレー400を用いた場合に、図18(b)に示されるように、筐体カバー900の筐体開口部902からレンズ406が露出する。   FIG. 18 is a perspective view of a downsized earth sensor. FIG. 18A shows a view of the earth sensor including the housing cover 900 and the housing base 906 as seen from the housing base 906 side. The housing base 906 includes a connector bracket 908 that includes a connection connector 910. Through the connection connector 910, an output signal detected by the earth edge detector of the earth sensor or attitude control information such as a pitch angle / roll angle can be transmitted to the main body of the artificial satellite. For example, when the thermopile array 400 is used as the earth edge detector, the lens 406 is exposed from the housing opening 902 of the housing cover 900 as shown in FIG.

図19は、小型化した地球センサのオフセット角を示す。図9に示した地球センサと同様に、それぞれ反対側に位置する地球エッジ検出器は、一方の地球エッジ検出器の視野角の中心軸と他方の地球エッジ検出器の視野角の中心軸とがオフセット角θoffset をなすように配置することができる。 FIG. 19 shows the offset angle of a miniaturized earth sensor. Similarly to the earth sensor shown in FIG. 9, the earth edge detectors located on opposite sides of each other have a central axis of the viewing angle of one earth edge detector and a central axis of the viewing angle of the other earth edge detector. It can arrange | position so that the offset angle (theta) offset may be made.

図20は、小型化した地球センサを人工衛星の構体パネルに固定した場合の一例を示す。搭載時は、衛星構体パネルに地球センサの筐体相当の穴を開けて外側から挿入し、接続コネクタ910を人工衛星の内部の接続コネクタと接続する。そして、筐体カバー900の側面にある固定フランジ904によって衛星構体パネルに固定する。これにより、衛星構体の外側の宇宙空間に晒される突出部はレンズ視野部分のみの最少範囲にとどめることができ、検出器と制御回路基板に対する宇宙からの厳しい熱的環境と放射線環境を軽減することができる。   FIG. 20 shows an example in which a downsized earth sensor is fixed to a structure panel of an artificial satellite. At the time of mounting, a hole corresponding to the case of the earth sensor is made in the satellite structure panel and inserted from the outside, and the connection connector 910 is connected to the connection connector inside the artificial satellite. And it fixes to a satellite structure panel with the fixing flange 904 in the side surface of the housing | casing cover 900. FIG. As a result, protrusions exposed to outer space outside the satellite structure can be limited to the minimum range of the lens field of view, reducing the severe thermal and radiation environment from space for the detector and control circuit board. Can do.

本発明に係る地球エッジ検出方法は、宇宙分野における小型衛星搭載用地球センサの地球エッジ検出方法として利用できる。また、本発明に係る地球センサは、小型衛星にも搭載可能であるので、様々な人工衛星に広く用いることができる。   The earth edge detection method according to the present invention can be used as an earth edge detection method of an earth sensor mounted on a small satellite in the space field. In addition, since the earth sensor according to the present invention can be mounted on a small satellite, it can be widely used for various artificial satellites.

100 スキャン部
102 レンズ
104 スキャンミラー
106 S赤外線検出器
108 N赤外線検出器
110 地球
112,114 スキャン方向
116 地球エッジ
120 地球中心
122 衛星座標中心
124 地球領域
126 S赤外線検出器の出力波形
128 N赤外線検出器の出力波形
200 スキャントラッキング
202 赤外線検出器の視野角
300 赤外線検出器出力
302 衛星座標中心
400 サーモパイルアレー
402 検出部
404 信号処理部
405 基板
406 レンズ
408 レンズ部
410 素子部
412 サーモパイル素子
414 接続端子
500 地球センサ
502 筐体カバー
504 筐体ベース
506 接続コネクタ
600 地球
602 宇宙空間
700 地球赤外領域
701 宇宙領域
702 地球中心
704 衛星座標中心
706 視野
708 地球エッジ
800 センサブロック,
801 検出器付センサブロック
802 ブロック開口部
804,812 固定面
806 左側面
808 装着面
810 右側面
900 筐体カバー
902 筐体開口部
904 固定フランジ
906 筐体ベース
908 コネクタブラケット
910 接続コネクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Scan part 102 Lens 104 Scan mirror 106 S infrared detector 108 N infrared detector 110 Earth 112,114 Scan direction 116 Earth edge 120 Earth center 122 Satellite coordinate center 124 Earth region 126 Output waveform of S infrared detector 128 N Infrared detection Output waveform 200 scan tracking 202 infrared detector viewing angle 300 infrared detector output 302 satellite coordinate center 400 thermopile array 402 detection unit 404 signal processing unit 405 substrate 406 lens 408 lens unit 410 element unit 412 thermopile element 414 connection terminal 500 Earth sensor 502 Case cover 504 Case base 506 Connector 600 Earth 602 Space 700 Earth infrared region 701 Space region 702 Earth center 704 Satellite coordinate center 706 Field of view 70 8 Earth Edge 800 sensor block,
801 Sensor block with detector 802 Block opening 804, 812 Fixed surface 806 Left side 808 Mounting surface 810 Right side 900 Case cover 902 Case opening 904 Fixing flange 906 Case base 908 Connector bracket 910 Connector

Claims (10)

地球エッジに対して垂直方向に、ライン状に配列又は斜交配列された複数のサーモパイル素子を含む検出部と、前記検出部で検出された信号をデジタル変換して出力する信号処理部とを備える地球エッジ検出器を少なくとも3つ格納する筐体カバーと、
前記信号処理部からの出力値を外部に出力するための接続コネクタを備える筐体ベースとを含み、
前記検出部は、レンズを有する筒状のレンズ部と、前記複数のサーモパイル素子を配列した素子部からなり、
前記筐体カバーには、前記地球エッジ検出器の前記レンズ部を外部に露出するための穴が、前記地球センサの中心を基点として等しい角度間隔で設けられ、
前記地球エッジ検出器は前記等しい角度間隔で前記筐体カバーに格納される地球センサであって、
それぞれの前記地球エッジ検出器の前記検出部に含まれる複数のサーモパイル素子により赤外線の検出を行ない、サーモパイル素子毎に赤外輻射量を前記信号処理部に出力し、
前記信号処理部により前記サーモパイル素子毎に出力された赤外輻射量を、予め定められた閾値と比較して前記サーモパイル素子毎に0か1の値に二値化して、前記サーモパイル素子毎のデジタル値に変換し、
前記サーモパイル素子毎のデジタル値は、前記サーモパイル素子の配列に対応し、デジタル値が1となるサーモパイル素子の配列を地球領域、デジタル値が0となるサーモパイル素子の配列を宇宙空間と判定することで、前記サーモパイル素子の配列において地球エッジを検出することを特徴とする地球センサ。
A detection unit including a plurality of thermopile elements arranged in a line or obliquely in a direction perpendicular to the earth edge, and a signal processing unit that digitally converts and outputs a signal detected by the detection unit. A housing cover for storing at least three earth edge detectors;
A housing base including a connection connector for outputting an output value from the signal processing unit to the outside,
The detection unit includes a cylindrical lens unit having a lens and an element unit in which the plurality of thermopile elements are arranged,
The casing cover is provided with holes for exposing the lens part of the earth edge detector to the outside at equal angular intervals with the center of the earth sensor as a base point,
The earth edge detector is an earth sensor stored in the housing cover at the equal angular interval,
Infrared detection is performed by a plurality of thermopile elements included in the detection unit of each of the earth edge detectors, and an infrared radiation amount is output to the signal processing unit for each thermopile element,
The infrared radiation amount output for each thermopile element by the signal processing unit is compared with a predetermined threshold value, and binarized to a value of 0 or 1 for each thermopile element, and digital for each thermopile element Converted to a value,
The digital value for each thermopile element corresponds to the arrangement of the thermopile elements, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 1 is determined as the earth region, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 0 is determined as outer space. An earth sensor for detecting an earth edge in the array of thermopile elements.
前記筺体カバーは、前記地球エッジ検出器を装着したセンサブロックを少なくとも3つ格納し、
前記センサブロックは、前記地球エッジ検出器の前記レンズ部を外部に露出させるためのブロック開口部と、前記地球エッジを検出するための角度に対応した傾きを有する装着面とを有し、
前記地球エッジ検出器は、前記検出部と前記信号処理部を長方形状の基板上に有し、前記装着面に前記長方形状の基板を合わせて、前記ブロック開口部に前記レンズ部が配置されるように、前記センサブロックに装着され、
前記筐体カバーには、前記ブロック開口部から露出した前記レンズ部を外部に露出するため筐体開口部が、前記地球センサの中心を基点として等しい角度間隔で設けられ、
前記地球エッジ検出器を装着したセンサブロックは、前記地球センサの中心を基点として前記等しい角度間隔で、該センサブロックの長軸を縦にして前記センタ筐体に格納されることを特徴とする請求項1に記載の地球センサ。
The enclosure cover stores at least three sensor blocks equipped with the earth edge detector,
The sensor block has a block opening for exposing the lens portion of the earth edge detector to the outside, and a mounting surface having an inclination corresponding to an angle for detecting the earth edge,
The earth edge detector has the detection unit and the signal processing unit on a rectangular substrate, the rectangular substrate is aligned with the mounting surface, and the lens unit is disposed in the block opening. Is attached to the sensor block,
In the case cover, the case openings are provided at equal angular intervals with the center of the earth sensor as a base point to expose the lens portion exposed from the block opening to the outside.
The sensor block equipped with the earth edge detector is stored in the center housing at the same angular interval with the long axis of the sensor block as a vertical axis from the center of the earth sensor as a base point. Item 10. The earth sensor according to item 1.
前記地球センサは、第一から第四の地球エッジ検出器をそれぞれ装着した第一から第四のセンサブロックを有し、
前記第一から第四のセンサブロックは、それぞれ前記ブロック開口部側の前面、前記装着面側の背面、右側面、左側面の4つの面を有し、
前記第一から第四のセンサブロックは、前記地球センサの中心を基点に点対称となるように、
前記第一のセンサブロックの背面を前記第二のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第二のセンサブロックの背面を前記第三のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第三のセンサブロックの背面を前記第四のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させ、
前記第四のセンサブロックの背面を前記第一のセンサブロックの右側面又は左側面に対向させることで卍状に組み合わされて、前記筐体カバーに格納されることを特徴とする請求項2に記載の地球センサ。
The earth sensor has first to fourth sensor blocks mounted with first to fourth earth edge detectors, respectively.
Each of the first to fourth sensor blocks has a front surface on the block opening side, a back surface on the mounting surface side, a right side surface, and a left side surface,
The first to fourth sensor blocks are symmetric with respect to the center of the earth sensor,
The rear surface of the first sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the second sensor block,
The rear surface of the second sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the third sensor block,
The rear surface of the third sensor block is opposed to the right side surface or the left side surface of the fourth sensor block,
The back of the fourth sensor block is opposed to the right side or left side of the first sensor block so as to be combined in a bowl shape and stored in the housing cover. The earth sensor described.
前記地球センサは、第一から第四の地球エッジ検出器を含むことを特徴とする請求項1に記載の地球センサ。   The earth sensor according to claim 1, wherein the earth sensor includes first to fourth earth edge detectors. それぞれの前記地球エッジ検出器から得られた、前記サーモパイル素子毎のデジタル値とサーモパイル素子1つ当たりの視野角に基づいて、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の地球センサ。   The pitch angle and roll angle of an artificial satellite are calculated based on a digital value for each thermopile element obtained from each of the earth edge detectors and a viewing angle for each thermopile element. The earth sensor as described in any one of 1-4. 前記サーモパイル素子1つ当たりの視野角θ0と、
前記第一の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dnと、
前記第ニの地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dsと、
前記第三の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dwと、
前記第四の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Deと
を用いた式:
ピッチ角=θ0×(Ds−Dn)/2
ロール角=θ0×(Dw−De)/2
により、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算することを特徴とする請求項3または4に記載の地球センサ。
Viewing angle θ 0 per one thermopile element,
The number of thermopile elements Dn determined as the earth region by the first earth edge detector,
The number Ds of thermopile elements determined as the earth region by the second earth edge detector,
The number of thermopile elements Dw determined as the earth region by the third earth edge detector,
Formula using the number of thermopile elements De determined as the earth region by the fourth earth edge detector:
Pitch angle = θ 0 × (Ds−Dn) / 2
Roll angle = θ 0 × (Dw−De) / 2
The earth sensor according to claim 3 or 4, wherein the pitch angle and the roll angle of the artificial satellite are calculated by the above.
前記地球エッジ検出器の少なくとも1つは、サーモパイル素子に代えて、別の種類の赤外線検出素子を用いた赤外線検出器であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の地球センサ。   The at least one of the earth edge detectors is an infrared detector using another type of infrared detection element instead of a thermopile element. Earth sensor. 地球エッジに対して垂直方向に、ライン状に配列又は斜交配列された複数のサーモパイル素子を含む検出部と、前記検出部で検出された信号をデジタル変換して出力する信号処理部とを備える地球エッジ検出器を少なくとも3つ含む地球センサの地球エッジ検出方法において、
それぞれの前記地球エッジ検出器の前記検出部に含まれる複数のサーモパイル素子により赤外線の検出を行ない、サーモパイル素子毎に赤外輻射量を前記信号処理部に出力するステップと、
前記信号処理部により前記サーモパイル素子毎に出力された赤外輻射量を、予め定められた閾値と比較して前記サーモパイル素子毎に0か1の値に二値化して、前記サーモパイル素子毎のデジタル値に変換するステップと、
それぞれの前記地球エッジ検出器から得られた、前記サーモパイル素子毎のデジタル値とサーモパイル素子1つ当たりの視野角に基づいて、人工衛星のピッチ角およびロール角を計算するステップとを含み、
前記サーモパイル素子毎のデジタル値は、前記サーモパイル素子の配列に対応し、デジタル値が1となるサーモパイル素子の配列を地球領域、デジタル値が0となるサーモパイル素子の配列を宇宙空間と判定することで、前記サーモパイル素子の配列において地球エッジを検出することを特徴する地球エッジ検出方法。
A detection unit including a plurality of thermopile elements arranged in a line or obliquely in a direction perpendicular to the earth edge, and a signal processing unit that digitally converts and outputs a signal detected by the detection unit. In an earth edge detection method of an earth sensor including at least three earth edge detectors,
Performing infrared detection by a plurality of thermopile elements included in the detection unit of each of the earth edge detectors, and outputting an infrared radiation amount to the signal processing unit for each thermopile element;
The infrared radiation amount output for each thermopile element by the signal processing unit is compared with a predetermined threshold value, and binarized to a value of 0 or 1 for each thermopile element, and digital for each thermopile element Converting to a value;
Calculating the pitch angle and roll angle of the satellite based on the digital value for each thermopile element obtained from each of the earth edge detectors and the viewing angle per thermopile element,
The digital value for each thermopile element corresponds to the arrangement of the thermopile elements, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 1 is determined as the earth region, and the arrangement of the thermopile elements with a digital value of 0 is determined as outer space. An earth edge detection method comprising detecting an earth edge in the array of thermopile elements.
前記地球センサは、第一から第四の地球エッジ検出器を含み、
前記地球センサの中心に対して対称的に、第一の地球エッジ検出器と第二の地球エッジ検出器が設置され、
前記地球センサの中心に対して対称的に、第三の地球エッジ検出器と第四の地球エッジ検出器が設置され、
前記第一の地球エッジ検出器と前記第二の地球エッジ検出器を結ぶ直線は、前記第三の地球エッジ検出器と前記第四の地球エッジ検出器を結ぶ直線と直角に交わり、
前記人工衛星のピッチ角およびロール角を計算するステップは、
前記サーモパイル素子1つ当たりの視野角θ0と、
前記第一の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dnと、
前記第ニの地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dsと、
前記第三の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Dwと、
前記第四の地球エッジ検出器で地球領域と判定されたサーモパイル素子数Deと
を用いた式:
ピッチ角=θ0×(Ds−Dn)/2
ロール角=θ0×(Dw−De)/2
により、前記ピッチ角と前記ロール角を計算することを特徴とする請求項8に記載の地球エッジ検出方法。
The earth sensor includes first to fourth earth edge detectors;
A first earth edge detector and a second earth edge detector are installed symmetrically with respect to the center of the earth sensor,
A third earth edge detector and a fourth earth edge detector are installed symmetrically with respect to the center of the earth sensor,
A straight line connecting the first earth edge detector and the second earth edge detector intersects with a straight line connecting the third earth edge detector and the fourth earth edge detector,
Calculating the pitch angle and roll angle of the satellite;
Viewing angle θ 0 per one thermopile element,
The number of thermopile elements Dn determined as the earth region by the first earth edge detector,
The number Ds of thermopile elements determined as the earth region by the second earth edge detector,
The number of thermopile elements Dw determined as the earth region by the third earth edge detector,
Formula using the number of thermopile elements De determined as the earth region by the fourth earth edge detector:
Pitch angle = θ 0 × (Ds−Dn) / 2
Roll angle = θ 0 × (Dw−De) / 2
The earth edge detection method according to claim 8, wherein the pitch angle and the roll angle are calculated by:
前記地球エッジ検出器の少なくとも1つは、サーモパイル素子に代えて、別の種類の赤外線検出素子を用いた赤外線検出器であることを特徴とする請求項8又は9に記載の地球エッジ検出方法。   The earth edge detection method according to claim 8 or 9, wherein at least one of the earth edge detectors is an infrared detector using another type of infrared detecting element instead of a thermopile element.
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