JP4097051B2

JP4097051B2 - 走行スリット式太陽センサ

Info

Publication number: JP4097051B2
Application number: JP37316698A
Authority: JP
Inventors: 圭太福原
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000193484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼロモーメンタム人工衛星その他の宇宙航行体に搭載される太陽センサ、地球センサ、惑星センサ、および天体センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星その他の宇宙航行体の姿勢制御をするために太陽センサや地球センサが使用されている。
従来技術の太陽センサの一例は特開平３−２８７０１０号に記載されている。本出願の図８に示したように、従来の太陽センサは、静止スリットを介して入射した太陽光を光検出器で受光し、光検出器の出力信号に基準レベルを設けて、基準レベル以上の出力信号に基づいて太陽角を演算するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、地球周辺以外、特に火星や木星などのような外惑星では、それらに達する太陽光量はそれぞれ地球の43％、3.7％まで減少する。そのため、地球周辺以外、特に外惑星では、太陽光強度が弱まり、光検出器の出力信号が設定された基準レベルに達せず、太陽角検出が不可能となる。
【０００４】
また、従来の太陽センサは、その構造上、衛星構体からの反射光などの環境光をも検知し、誤ったデータを出力する。これを防止するためには、図６に示したように、太陽センサの周囲に環境光防止のための遮蔽板を配置することが必要となり、その結果、センサが大型化する。
【０００５】
本発明の目的は、太陽光強度の弱い環境でも太陽角を検出することの可能な太陽センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、環境光の影響を受けることのない太陽センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記性能を備えた地球センサおよび惑星センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽センサは、所定速度で走行するエンドレスベルトを備え、このエンドレスベルトには２つの入射スリットが設けてある。エンドレスベルトの２つの入射スリットを同時に透過した太陽光は受光素子によって検知される。センサのデータ処理手段は、エンドレスベルトのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから、太陽光が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間を表す信号を出力する。入射スリットが基準点を通過したタイミングから太陽光が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの間の時間に基づいて太陽角を演算することができる。
このように、本発明の太陽センサにおいては、太陽角の算出は、時間計測に基づいて行われるので、検出精度が太陽光の強度に依存することがない。従って、外惑星のような太陽光強度の弱い環境でも、正確に太陽角を検出することができる。
【０００７】
好ましい実施態様においては、センサのデータ処理手段は、１サンプリング周期中の受光素子の太陽光検知回数を計測し、１サンプリング周期中の太陽光検知回数が２回以上の時は、環境光の入射を検知したとみなし、データを無効とする。
このようにすれば、環境光の影響を排除することができるので、遮蔽板が不要となり、センサを小型化することができる。
【０００８】
他の実施態様においては、前述したエンドレスベルトに代えて中空の回転ドラムが使用され、このドラムに２つの入射スリットが設けてある。太陽角の算出は、同様にして、ドラムのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから太陽光が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間に基づいて行われる。
【０００９】
他の観点においては、本発明は上記原理に基づく地球センサ、惑星センサおよび星数センサを提供するもので、それらは検出目的に応じて赤外線センサ、電磁波センサ、その他のセンサを検知素子として備えている。
本発明の上記特徴や効果並びに他の特徴や効果は以下の実施例の記載につれて更に明らかにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照しながら本発明の太陽センサの実施例を説明する。
図１を参照するに、太陽センサ１０はケース１２を備え、このケース１２には一対のドラム１４および１６が回転可能に装着されている。一方のドラム１４はモータ１８によって所定速度で回転駆動される。
ドラム１４および１６にはエンドレス遮光ベルト２０が巻回してあり、モータ１８の回転に応じてエンドレスベルト２０が走行するようになっている。
【００１１】
エンドレスベルト２０には、位相が１８０゜異なる位置に、２つの入射スリット２２および２４が形成してある。
エンドレスベルト２０の下方においてケース１２内には太陽電池セルからなる受光素子２６が配置してあり、その出力はデータ処理回路２８に入力されている。ケース１２は、受光素子２６が受光する光を、２つの入射スリット２２および２４を通った光のみに限定する。
【００１２】
モータ１８はその出力軸に連動するロータリエンコーダ３０を備え、その出力もデータ処理回路２８に入力されている。ロータリエンコーダ３０は、いづれかの入射スリット２２又は２４が基準点（ゼロ点）を通過したことを検出する基準点通過検出手段として作用する。
ロータリエンコーダ３０は、例えば、１サンプリング周期（エンドレスベルト２０の１８０゜位相）毎に、即ち、２つのスリットのいづれかが基準点を通過する毎に、１つの“ゼロ点パルス”を出力する。そのため、ゼロ点パルスは、エンドレスベルトが１回転する間に２回出力される。基準点は、エンドレスベルトの周りの任意の位置に設定することができ、例えば、後述するように駆動ドラム１４の真横に設定することができる。
【００１３】
図２には、データ処理回路２８の構成の一例を示す。図２に示した実施例では、データ処理回路２８は、発振回路３２と、分周回路３４と、クロックカウンタ３６と、出力バッファ３８を有する。ロータリエンコーダ３０のゼロ点パルスはクロックカウンタ３６のリセット端子に入力され、受光素子２６の出力信号（サンパルス）は増幅回路４０で増幅された後クロックカウンタ３６のイネーブル端子に入力される。
【００１４】
次に、図３を併せて参照しながらデータ処理回路２８の動作並びに太陽センサ１０による太陽角の検出方法を説明する。
概略的には、データ処理回路２８は、ロータリエンコーダ３０が“ゼロ点パルス”の出力してから、入射スリット２２および２４を介して入射した太陽光を受光素子２６が検出したことを表す“サンパルス”を受光素子２６が出力するまでの間の時間を計測し、この計測時間に基づいて太陽入射角（＝太陽角）が算出される。
【００１５】
より詳しくは、モータ１８はエンドレスベルト２０を一定速度で駆動する。ロータリエンコーダ３０は、エンドレスベルト２０のいづれかの入射スリット２２又は２４が基準点（例えば、駆動ドラム１４の真横。これを位相０゜とする）に来る度にゼロ点パルスを出力する（図３）。
図３から分かるように、クロックカウンタ３６は、ゼロ点パルスにより１サンプリング周期毎にリセットされるもので、発振回路３２から出力され分周回路３４で分周されたクロックをカウントアップすることによりゼロ点パルスが出力されたタイミングから時間の計測を開始する。
【００１６】
エンドレスベルト２０の２つの入射スリット２２および２４の角度が太陽入射角θに等しくなり、これらのスリットが太陽に整列すると、太陽光は２つの入射スリット２２および２４を同時に透過して受光素子２６に入射し、受光素子２６は“サンパルス”を出力する（図３の（２）位相）。
クロックカウンタ３６のこの時までのクロックパルスのカウント値は出力バッファ３８を介して後段のコンピュータ（図示せず）などに出力され、太陽角の演算に使用される。
【００１７】
図４を参照するに、ドラム１４および１６の直径即ちスリット高さをＤ（mm）、スリット有効長をｅ（mm）とすると、本発明の太陽センサの受光素子２６にて検出することの可能な有効太陽角φは、簡易的には以式で求まる。
φ＝９０゜−｛ｔａｎ^−１（Ｄ／ｅ）｝
【００１８】
他方、モータ１８の回転数をＹ（rpm）、データ処理回路２８のクロック周波数（CLK）をＴ（Hz）とした場合、角度処理分解能Ｓは、簡易的には、以式から求まる。
Ｓ＝｛ｅ／（ＹπＤ／６０）｝／Ｔ
この計算式には、太陽光強度のパラメータは含まれず、モーター回転数などの機械的パラメータと、データ処理回路２８のクロック周波数による電気的パラメータのみとなる。従って、本発明の太陽センサにおいては、角度処理分解能は太陽光強度に依存しない。
【００１９】
各種パラメータを以下の様に決定した場合の本発明の太陽センサの性能を述べる。
モータ回転数：Ｙ＝４８０（rpm）
スリット高さ：Ｄ＝１０（mm）
スリット有効長：ｅ＝31.25（mm）
データ処理クロック周波数：Ｔ＝６５（kHz）
【００２０】
この場合の有効太陽入射角φは、上記式より、
φ＝１３０（度）
この１３０（度）という値は、スリット垂直方向から６５（度）の視野を遮蔽板を用いることなく実現するものである。従来の太陽センサでは、この６５（度）という視野を確保するためには遮蔽板をスリット表面から１０（mm）設けなければならず、高さ方向の寸法が大型化する。これに対し、本発明によれば、遮蔽板を用いることなく６５（度）の視野が実現されるので、太陽センサを小型化することができる。
【００２１】
また、本発明の太陽センサでは、ＬＳＢ（Least Significant Bit）精度Ｓは、
Ｓ＝０．０１５（度）
となる。
従来の太陽センサでは、受光部にＣＣＤを用いているので、検出精度はＣＣＤの感度に依存する。ＣＣＤの感度を１０２４（ピクセル）とし、同一形状とすると、ＬＳＢ精度Ｓ_Ｊは、
Ｓ_Ｊ＝ｔａｎ^−１｛（ｅ／1024）／Ｄ｝＝０．１７５（度）
となる。これから分かるように、本発明の太陽センサは従来技術の太陽センサの１０倍以上の精度で計測することが出来る。
【００２２】
太陽角は、次式で算出することができる。
ＬＳＢ精度Ｓ × “ゼロパルス”から“サンパルス”までのクロック数
【００２３】
図５には、データ処理回路の他の実施例を示す。概略的に言えば、このデータ処理回路は、衛星構体からの反射光などの環境光の影響を排除するため、１サンプリング周期中の受光素子２８の太陽光検知回数を計測し、１サンプリング周期中の太陽光検知回数が２回以上の時は、環境光の入射を検知したとみなし、データを無効とするように構成されている。
このため、図５に示したデータ処理回路４２は、図２に示したデータ処理回路２８の構成要素に加えて、１サンプリング周期中に出力された“サンパルス”の数を計測するためのラッチパルスカウンタ４４と、出力バッファ３８を制御する有効／無効判定回路４６を有する。
ロータリエンコーダ３０のゼロ点パルスはラッチパルスカウンタ４４のリセット端子に入力され、増幅回路４０で増幅された受光素子２６の出力信号（サンパルス）はラッチパルスカウンタ４４のクロック端子に入力される。
【００２４】
図６を参照しながらデータ処理回路４２の動作を説明するに、ロータリエンコーダ３０が“ゼロ点パルス”を出力した後、受光素子２６が太陽光の直射により“サンパルス”を出力すると（図６の位相０〜９０゜）、ラッチパルスカウンタ４４の内蔵ラッチカウンタが反転し、ラッチパルスカウンタ４４はカウントアップする。
同一サンプリング周期中に、衛星構体からの反射光などの環境光がエンドレスベルト２０の２つの入射スリットを介して受光素子２６に入射し、新たな“サンパルス”が出力されると、ラッチカウンタが反転し、ラッチパルスカウンタ４４のカウントは“２”になる。
有効／無効判定回路４６はラッチパルスカウンタ４４の値を読みとり、カウントが“１”の場合は出力バッファ３８に対してイネーブルフラグを出力する。カウントが“２”以上の場合には、環境光の入射を検知したとみなし、「データ無効」とするため出力バッファ３８に対してディスエーブルフラグを出力する。
出力バッファ３８は、有効／無効判定回路４６からのイネーブルフラグが出力された時にのみ、後段のコンピュータに太陽角データ（実施例では、“ゼロパルス”から“サンパルス”までのクロックパルス数）を出力する。
【００２５】
図７には太陽センサの他の実施例を示す。前述した実施例の構成要素と共通する構成要素は同じ参照番号で示し、説明は省略する。相違点のみ説明するに、図７の実施例では、ケース１２には１つの中空のドラム４８が回転可能に支持してあり、モータ１８によって所定速度で回転駆動されるようになっている。位相が１８０゜異なる２つの入射スリット２２および２４はこのドラム４８の外周に形成してある。
図７の実施例においては、入射スリット２２および２４が太陽に整列する角位置にドラム４８が回転した時に“サンパルス”が出力される。データ処理回路２８又は４２の動作は図１から図６の実施例と基本的に同一であるので、改めて説明しない。
【００２６】
以上には本発明の特定の実施例を記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の修正や変更を施すことができ、それらも本発明の範囲に属する。
例えば、前述した全ての実施例を通じて、増幅回路４０のスレッショルド値（Ｖ_ＴＨ）を可変とすることができる。そうすれば、受光素子としての太陽電池セルの個別誤差やセルの経年劣化に対応することが可能となる。
【００２７】
また、図面には示さないが、変化形として、太陽電池セルからなる受光素子２６に代えて、赤外線検知素子を使用することができる。このようにすれば、このセンサは地球からの赤外線を検知することにより地球角データを出力する地球センサとして使用することができる。
或いは、熱源を持つ地球以外の惑星に対する惑星センサとして使用することができる。この場合には、データ処理回路の増幅回路４０のスレッショルド値（Ｖ_ＴＨ）を変更することにより、１台のセンサで複数の惑星センサとして使用することが可能である。
【００２８】
他の変化形として、受光素子としてＣＣＤを使用し、データ処理回路のスレッショルド値（Ｖ_ＴＨ）を検出したい星の明るさに合わせることにより、星センサとして使用することができる。また、有効／無効判定処理を行わず、スレッショルド値（Ｖ_ＴＨ）を低く設定すれば、視野内の星数を検出する星数センサとして使用することも可能である。
【００２９】
更に、図２および図５の発振回路３２と分周回路３４とクロックカウンタ３６に代えて、モータ１８のロータリエンコーダ３０からの出力信号に基づいて角度検出を行うことも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の太陽センサは、走行するスリットと静止した受光素子を備え、太陽角の算出は時間計測に基づいて行われるので、検出精度が太陽光の強度に依存することがない。従って、外惑星のような太陽光強度の弱い環境でも、正確に太陽角を検出することができる。
好ましい実施態様に従い、１サンプリング周期中の受光素子の太陽光検知回数を計測し、１サンプリング周期中の太陽光検知回数が２回以上の時はデータを無効とするようにした場合には、環境光の影響を排除し、誤検出を防止することができる。また、遮蔽板が不要となり、センサを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽センサの実施例の分解斜視図である。
【図２】図１に示した太陽センサのデータ処理回路のブロック図である。
【図３】図１に示した太陽センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示した太陽センサの模式的側面図である。
【図５】図２に示したデータ処理回路の変化形のブロック図である。
【図６】図５に示したデータ処理回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の太陽センサの第２実施例の分解斜視図である。
【図８】従来の太陽センサの模式図である。
【符号の説明】
１０：太陽センサ
１４、１６：ドラム
１８：モータ（駆動手段）
２０：エンドレスベルト
２２、２４：入射スリット
２６：受光素子（太陽電池セル）
２８：データ処理回路
３０：ロータリエンコーダ（基準点通過検出手段）

Claims

平行に配置された一対のドラムに巻回され、ベルト走行方向に離間された２つの入射スリットを有するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトを所定速度で駆動する駆動手段と、
エンドレスベルトの走行中にいづれかの入射スリットが基準点を通過したことを検出する基準点通過検出手段と、
エンドレスベルトに面して配置され、エンドレスベルトの走行中にその２つの入射スリットを同時に透過して入射した太陽光を検知する受光素子と、
エンドレスベルトのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから太陽光が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間を計測してそれを表す信号を出力するデータ処理手段、
とを備えていることを特徴とする太陽センサ。
回転方向に離間された２つの入射スリットを有する中空の回転ドラムと、
前記ドラムを所定速度で回転駆動する駆動手段と、
前記ドラムの回転中にいづれかの入射スリットが基準点を通過したことを検出する基準点通過検出手段と、
前記ドラムに面して配置され、ドラムの回転中に２つの入射スリットを同時に透過して入射した太陽光を検知する受光素子と、
前記ドラムのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから太陽光が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間を計測してそれを表す信号を出力するデータ処理手段、
とを備えていることを特徴とする太陽センサ。
前記データ処理手段は、１サンプリング周期中の受光素子の太陽光検知回数を計測し、１サンプリング周期中の太陽光検知回数が２回以上の時は、環境光の入射を検知したとみなし、データを無効とすることを特徴とする請求項１又は２に基づく太陽センサ。
前記受光素子は太陽電池セルであることを特徴とする請求項１又は２に基づく太陽センサ。
平行に配置された一対のドラムに巻回され、ベルト走行方向に離間された２つの赤外線入射スリットを有するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトを所定速度で駆動する駆動手段と、
エンドレスベルトの走行中にいづれかの入射スリットが基準点を通過したことを検出する基準点通過検出手段と、
エンドレスベルトに面して配置され、エンドレスベルトの走行中に地球からの赤外線がエンドレスベルトの２つの入射スリットを同時に透過したことを検知する赤外線検知素子と、
地球角を演算するため、エンドレスベルトのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから地球の赤外線が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間を計測してそれを表す信号を出力するデータ処理手段、
とを備えていることを特徴とする地球センサ。
平行に配置された一対のドラムに巻回され、ベルト走行方向に離間された２つの電磁波入射スリットを有するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトを所定速度で駆動する駆動手段と、
エンドレスベルトの走行中にいづれかの入射スリットが基準点を通過したことを検出する基準点通過検出手段と、
エンドレスベルトに面して配置され、エンドレスベルトの走行中に惑星からの電磁波がエンドレスベルトの２つの入射スリットを同時に透過したことを検知する電磁波検知素子と、
エンドレスベルトのいづれかの入射スリットが基準点を通過したタイミングから惑星からの電磁波が２つの入射スリットを同時に透過したタイミングまでの時間を計測してそれを表す信号を出力するデータ処理手段、
とを備えていることを特徴とする惑星センサ。
平行に配置された一対のドラムに巻回され、ベルト走行方向に離間された２つの電磁波入射スリットを有するエンドレスベルトと、
前記エンドレスベルトを所定速度で駆動する駆動手段と、
エンドレスベルトに面して配置され、エンドレスベルトの走行中に星からの電磁波がエンドレスベルトの２つの入射スリットを同時に透過したことを検知する電磁波センサと、
１サンプリング周期中の前記電磁波センサの電磁波検知回数を計測することにより視野内の星数を演算するためのデータを出力するデータ処理手段、
とを備えていることを特徴とする人工衛星搭載用星数センサ。
前記駆動手段はモータを備え、前記基準点通過検出手段は、モータに付設されたエンコーダであることを特徴とする請求項１から８のいづれかに基づくセンサ。