JP6945394B2 - Sun capture device, control system and space structure - Google Patents
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Description
本発明は、太陽捕捉装置、制御システムおよび宇宙構造物に関するものである。 The present invention relates to sun capture devices, control systems and space structures.
人工衛星に搭載される姿勢角を検出するセンサとして、太陽センサおよび恒星センサ等がある。従来、太陽センサまたは恒星センサを使用して太陽方向へ指向することが行われている。万が一、センサが故障した際にも、太陽を捕捉して電力を確保できるといった、ロバスト性およびサバイバビリティの要求が高まっている。また、近年、小型衛星のような搭載機器に制約のある人工衛星が増えている状況でセンサ削減も課題となっている。 As a sensor for detecting the attitude angle mounted on an artificial satellite, there are a sun sensor, a stellar sensor, and the like. Conventionally, a sun sensor or a stellar sensor is used to direct toward the sun. In the unlikely event that a sensor fails, there is an increasing demand for robustness and survivability, such as being able to capture the sun and secure power. Further, in recent years, the number of artificial satellites having restrictions on on-board equipment such as small satellites is increasing, and the reduction of sensors is also an issue.
特許文献1には、専用の太陽電池セルまたは電力発生用の太陽電池セルを太陽センサとして用いて太陽を捕捉する技術が記載されている。具体的には、宇宙機をX軸周りに回転させ、太陽センサの出力が最大になる位置で停止させた後、宇宙機をY軸周りに回転させ、太陽センサの出力が最大になる位置で停止させることで、宇宙機を太陽指向姿勢に制御する技術が記載されている。
特許文献1に記載の技術では、宇宙機をX軸周りに回転させた後、さらに宇宙機をY軸周りに回転させなければならないため、太陽を捕捉するのに時間がかかる。
In the technique described in
本発明は、迅速に太陽を捕捉することを目的とする。 An object of the present invention is to capture the sun quickly.
本発明の一態様に係る太陽捕捉装置は、
太陽電池セルを搭載する宇宙構造物が前記太陽電池セルの受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角で傾斜する回転軸を中心として回転したときに前記太陽電池セルより発生した電流の、前記回転軸を中心とする回転角によって異なる電流値を取得する取得部と、
前記傾斜角と前記取得部により取得された電流値とから、前記回転軸に対する太陽方向角を算出する算出部とを備える。
The sun trapping device according to one aspect of the present invention is
The current generated from the solar cell when the space structure on which the solar cell is mounted rotates about a rotation axis that is inclined at an arbitrary inclination angle with respect to the direction perpendicular to the light receiving surface of the solar cell. An acquisition unit that acquires different current values depending on the rotation angle around the rotation axis,
It is provided with a calculation unit for calculating the sun direction angle with respect to the rotation axis from the inclination angle and the current value acquired by the acquisition unit.
本発明では、宇宙構造物を、太陽電池セルの受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角で傾斜する回転軸を中心として回転させれば、太陽を捕捉することができる。すなわち、迅速に太陽を捕捉することができる。 In the present invention, the sun can be captured by rotating the space structure around a rotation axis that is tilted at an arbitrary tilt angle with respect to the direction perpendicular to the light receiving surface of the solar cell. That is, the sun can be captured quickly.
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、以下に説明する実施の形態は、部分的に実施されても構わない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals. In the description of the embodiment, the description will be omitted or simplified as appropriate for the same or corresponding parts. The present invention is not limited to the embodiments described below, and various modifications can be made as needed. For example, the embodiments described below may be partially implemented.
実施の形態1.
本実施の形態について、図1から図10を用いて説明する。
The present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
***構成の説明***
図1および図2を参照して、本実施の形態に係る人工衛星10の構成を説明する。
*** Explanation of configuration ***
The configuration of the
人工衛星10は、制御システム11と、姿勢ダイナミクス等のダイナミクスを含む被制御プラント12とを備える。
The
制御システム11は、太陽電池セル21と、太陽電池セル21の発生電力をもとに太陽方向を算出する太陽捕捉装置31と、太陽捕捉装置31の算出結果に応じて人工衛星10の姿勢を制御する制御器41とを備える。
The
必須ではないが、制御システム11は、恒星センサ22と、太陽センサ23と、恒星センサ22または太陽センサ23の観測結果をもとに太陽方向を算出する太陽方向計算器32と、太陽方向計算器32の算出結果に応じて人工衛星10の姿勢を制御する制御器42とをさらに備える。
Although not essential, the
制御システム11は、制御器41,42による姿勢の制御を実現するために、制御器41からの指令を、被制御プラント12に適用される物理的な作用に変換するアクチュエータ51をさらに備える。
The
太陽捕捉装置31は、コンピュータまたはマイクロコンピュータである。図示していないが、太陽捕捉装置31は、プロセッサおよびメモリといったハードウェアを備える。プロセッサは、例えば、CPUである。「CPU」は、Central Processing Unitの略語である。メモリは、例えば、フラッシュメモリまたはRAMである。「RAM」は、Random Access Memoryの略語である。
The
太陽捕捉装置31は、機能要素として、取得部33と、算出部34とを備える。取得部33および算出部34の機能は、ソフトウェアにより実現される。取得部33および算出部34の機能を実現するプログラムは、メモリからプロセッサに読み込まれ、プロセッサによって実行される。
The
***動作の説明***
図1および図2のほかに、図3から図10を参照して、本実施の形態に係る制御システム11の動作を説明する。制御システム11の動作は、本実施の形態に係る姿勢制御方法に相当する。
*** Explanation of operation ***
In addition to FIGS. 1 and 2, the operation of the
各図中、Sは太陽方向ベクトル、XBは衛星座標系X軸、YBは衛星座標系Y軸、ZBは衛星座標系Z軸、ωsは太陽指向軸、αは任意の角度、δは太陽方向の角度、θは回転角度を表している。本実施の形態の目的は、太陽指向軸を太陽方向に向けることである。太陽方向の角度δは、太陽指向軸からの太陽方向のずれに相当する。 In each figure, S is the sun direction vector, X B is the satellite coordinate system X axis, Y B is the satellite coordinate system Y axis, Z B is the satellite coordinate system Z axis, ω s is the sun direction axis, and α is an arbitrary angle. δ represents the angle in the direction of the sun, and θ represents the rotation angle. An object of the present embodiment is to direct the sun-directed axis toward the sun. The angle δ in the direction of the sun corresponds to the deviation in the direction of the sun from the axis of the sun.
本実施の形態において、制御システム11は、太陽電池セル21より発生した電力をもとに、図3に示すように人工衛星10を太陽方向に指向させる。具体的な動作は以下の通りである。
In the present embodiment, the
まず、制御システム11は、図4に示すように、太陽電池セル21の受光面に対して任意の角度α分だけ傾けたωs軸周りに人工衛星10を回転させる。
First, as shown in FIG. 4, the
図5に示すように、太陽方向ベクトルSと−ZB軸とのなす角が最も小さいとき、すなわち、太陽電池セル21の発生電流が最大の姿勢を、ωs軸周りの回転角θが0°の姿勢とすると、図6に示すように、逆に回転角θが180°のときの発生電流は最も小さくなる。
As shown in FIG. 5, when the angle formed by the solar direction vector S and the −Z B axis is the smallest, that is, the posture in which the generated current of the
このときの衛星座標系から見たωs軸と太陽方向ベクトルSおよび発生電流との関係を図7および図8に示す。Amaxは最大発生電流、Aaveは平均発生電流、Aminは最小発生電流を表している。 The relationship between the ω s axis seen from the satellite coordinate system at this time, the solar direction vector S, and the generated current is shown in FIGS. 7 and 8. A max represents the maximum generated current, A ave represents the average generated current, and A min represents the minimum generated current.
ここで、ωs軸周りの回転角θ、−ZB軸とωs軸とのなす角α、および、太陽方向ベクトルSとωs軸とのなす角δとを用いて太陽方向ベクトルSを表すと、次式のようになる。
さらに、−ZB軸方向の単位ベクトルeと太陽方向ベクトルSとの内積を取ることにより、回転角θについての発生電流A(θ)を、太陽電池セル21の受光面に垂直に太陽光が当たる場合の発生電流A0を用いて次のように表すことができる。
回転角θが0°のときに得られる最大発生電流Amax、回転角θが90°または270°のときに得られる平均発生電流Aave、および、回転角θが180°のときに得られる最小発生電流Aminは、次式のようになる。
本実施の形態では、太陽捕捉装置31の取得部33が、人工衛星10がωs軸を中心として回転したときに太陽電池セル21より発生した電流の、ωs軸を中心とする回転角θによって異なる電流値を取得する。ωs軸は、太陽電池セル21の受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角αで傾斜する回転軸である。太陽捕捉装置31の算出部34は、取得部33により取得された電流値の中から、少なくとも最大値Amaxと最小値Aminとを特定する。
In this embodiment, the acquiring unit 33 of the
図9に示すような最大発生電流Amaxと最小発生電流Aminとの差ΔAを計算し、平均発生電流Aaveで割ることにより、次式が得られる。
ωs軸と−ZB軸とのなす角αは既知の量であるため、次式により太陽方向ベクトルSとωs軸とのなす角δを算出することができる。
本実施の形態では、太陽捕捉装置31の算出部34が、傾斜角αと取得部33により取得された電流値とから、ωs軸に対する太陽方向角δを算出する。そのために、算出部34は、前述した式のうち少なくとも一部の式を計算するか、あるいは、その式の計算と同等の処理を実行する。
In the present embodiment, the
具体的には、算出部34は、取得部33により取得された、人工衛星10がωs軸を中心として回転したときに太陽電池セル21より発生した電流の最大値Amaxと最小値Aminとの差ΔAおよび平均Aaveを用いて、太陽方向角δを算出する。
Specifically, the
あるいは、回転角θが0°のときに太陽電池セル21より発生した電流の電流値が最大値Amaxであるとしたとき、算出部34は、取得部33により取得された、回転角θが0°のときの電流値と回転角θが180°のときの電流値との差、および、回転角θが90°または270°のときの電流値を用いて、太陽方向角δを算出する。
Alternatively, assuming that the current value of the current generated from the
最後に、制御システム11は、算出された太陽方向の角度δに基づき、角度δを0°に近づけるように人工衛星10の姿勢を制御することで、図10に示すようにωs軸を太陽方向に向ける。
Finally, the
以上の動作を繰り返すことで、常に人工衛星10を太陽方向に指向することが可能となる。
By repeating the above operation, the
***実施の形態の効果の説明***
本実施の形態では、人工衛星10を、太陽電池セル21の受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角αで傾斜する回転軸を中心として回転させれば、太陽を捕捉することができる。すなわち、迅速に太陽を捕捉することができる。よって、迅速に太陽方向に人工衛星10の姿勢を制御することができる。すなわち、ほぼ常に人工衛星10を太陽方向に指向することが可能となる。
*** Explanation of the effect of the embodiment ***
In the present embodiment, the sun can be captured by rotating the
本実施の形態では、制御システム11が、信頼性の高いセンサとして、人工衛星10に搭載されている太陽電池セル21を使用して太陽を捕捉する。具体的には、制御システム11が、太陽電池セル21の発生電力をもとに人工衛星10を太陽方向へ指向する。動作原理は、まず太陽電池セル21の受光面に対して任意の角度αで傾けたωs軸周りに人工衛星10を回転させ、次に太陽電池セル21の発生電力の最大値、最小値および平均値から太陽方向を算出し、最後に算出した太陽方向に基づいて太陽電池セル21が太陽方向に向くように人工衛星10の姿勢を制御する、というものである。本原理の採用により、太陽センサ23および恒星センサ22を使用しなくても、人工衛星10に搭載されている太陽電池セル21の発生電力を使用して太陽方向へ人工衛星10の姿勢を制御することが可能となる。そのため、万が一、太陽センサ23または恒星センサ22が故障した場合でも、太陽方向へ姿勢を向けて電力を確保することができ、ロバスト性およびサバイバビリティを向上させることができる。また、人工衛星10が、小型衛星のような搭載機器に制約のあるものであっても、本実施の形態を適用することで太陽センサ23および恒星センサ22を搭載しないという選択が可能になる。
In the present embodiment, the
***他の構成***
本実施の形態は、太陽電池セル21を搭載する宇宙構造物であれば、人工衛星10だけでなく、宇宙ステーション等、他の種類の宇宙構造物にも適用することができる。
*** Other configurations ***
This embodiment can be applied not only to the
本実施の形態では、太陽捕捉装置31の取得部33および算出部34の機能がソフトウェアにより実現されるが、変形例として、取得部33および算出部34の機能がハードウェアにより実現されてもよい。具体的には、取得部33および算出部34の機能は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックIC、GA、FPGAまたはASICといった専用のハードウェアにより実現されてもよい。「IC」は、Integrated Circuitの略語である。「GA」は、Gate Arrayの略語である。「FPGA」は、Field−Programmable Gate Arrayの略語である。「ASIC」は、Application Specific Integrated Circuitの略語である。
In the present embodiment, the functions of the acquisition unit 33 and the
別の変形例として、取得部33および算出部34の機能がソフトウェアとハードウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。すなわち、取得部33および算出部34の機能の一部が専用のハードウェアにより実現され、残りがソフトウェアにより実現されてもよい。
As another modification, the functions of the acquisition unit 33 and the
10 人工衛星、11 制御システム、12 被制御プラント、21 太陽電池セル、22 恒星センサ、23 太陽センサ、31 太陽捕捉装置、32 太陽方向計算器、33 取得部、34 算出部、41 制御器、42 制御器、51 アクチュエータ。 10 Artificial satellite, 11 Control system, 12 Controlled plant, 21 Solar cell, 22 Star sensor, 23 Sun sensor, 31 Sun capture device, 32 Sun direction calculator, 33 Acquisition unit, 34 Calculation unit, 41 Controller, 42 Controller, 51 actuators.
Claims (4)
前記傾斜角と前記取得部により取得された電流値とから、前記回転軸に対する太陽方向角を算出する算出部と
を備え、
前記算出部は、前記取得部により取得された、前記宇宙構造物が前記回転軸を中心として回転したときに前記太陽電池セルより発生した電流の最大値と最小値との差および平均を用いて、前記太陽方向角を算出する太陽捕捉装置。 The current generated from the solar cell when the space structure on which the solar cell is mounted rotates about a rotation axis that is inclined at an arbitrary inclination angle with respect to the direction perpendicular to the light receiving surface of the solar cell. An acquisition unit that acquires different current values depending on the rotation angle around the rotation axis,
A calculation unit that calculates the sun direction angle with respect to the rotation axis from the inclination angle and the current value acquired by the acquisition unit.
With
The calculation unit uses the difference and average of the maximum value and the minimum value of the current generated from the solar cell when the space structure rotates about the rotation axis, which is acquired by the acquisition unit. , it calculates the solar direction angle solar capture device.
前記傾斜角と前記取得部により取得された電流値とから、前記回転軸に対する太陽方向角を算出する算出部と
を備え、
前記回転角が0°のときに前記太陽電池セルより発生した電流の電流値が最大値であり、
前記算出部は、前記取得部により取得された、前記回転角が0°のときの電流値と前記回転角が180°のときの電流値との差、および、前記回転角が90°または270°のときの電流値を用いて、前記太陽方向角を算出する太陽捕捉装置。 The current generated from the solar cell when the space structure on which the solar cell is mounted rotates about a rotation axis that is inclined at an arbitrary inclination angle with respect to the direction perpendicular to the light receiving surface of the solar cell. An acquisition unit that acquires different current values depending on the rotation angle around the rotation axis,
A calculation unit that calculates the sun direction angle with respect to the rotation axis from the inclination angle and the current value acquired by the acquisition unit.
With
When the rotation angle is 0 °, the current value of the current generated from the solar cell is the maximum value.
The calculation unit is the difference between the current value when the rotation angle is 0 ° and the current value when the rotation angle is 180 °, and the rotation angle is 90 ° or 270, which is acquired by the acquisition unit. ° used, be that solar capture device calculates the solar direction angle a current value when the.
前記算出部の算出結果に応じて前記宇宙構造物の姿勢を制御する制御器と
を備える制御システム。 The sun trapping device according to claim 1 or 2,
A control system including a controller that controls the posture of the space structure according to the calculation result of the calculation unit.
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