JPH03287010A - 太陽センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は例えば人工衛星の姿勢決定や姿勢制御に利用さ
れる太陽センサに関する。

（従来の技術） 一般に宇宙航行体はそのエネルギー源の一部に太陽光を
用いており、太陽が宇宙航行体の活動を支えていること
から、太陽センサは重要なセンサである。

第５図は従来の太陽センサの構成を示す図である。第５
図で１は太陽光の透過を遮断する遮光面であり、２は遮
光面１上に設けられた細長のスリットである。このスリ
ット２を太陽光が透過する際、太陽光は回折されて入射
角度に依存しない左右対称な強度分布で光検出器３に入
射される。光検出器３はスリット２の長手方向に対して
垂直な方向に複数個の検出素子４（例えばフォトダイオ
ード）が−直線に配置されているもので、遮光面１と平
行に設置されている。

光検出器３上には第６図（ａ）に示すような太陽光強度
分布が生じる。光検出器３は第６図（ｂ）に示すように
太陽光強度分布を各検出素子に対応した量子化された電
気信号に変換して出力する。

太陽光の入射角を求めるには、太陽光強度分布の中心位
置を測定する必要がある。太陽光強度分布の中心位置を
求めるには、まず太陽光と判断するために所定の電圧値
を基準レベルとして設定する。

そして第６ＥＩ（ｃ）に示すように、基準レベル以上を
“１“、基準レベル以下を“０”とする２値のデジタル
信号の値が“０′から“１″に変化する光検出器上の位
ＷＸ１と“１″から“０”に変化する光検出器上の位Ｗ
Ｘ、を検出素子数をカウントすることによって求め、そ
の中点Ｘｃを算出すればよい。

この中点Ｘｃから太陽光の入射角を導出する方法を第７
図を用いて説明する。第７図は第５図の太陽センサの断
面図を示し、太陽光入射角をθとし、遮光面１と光検出
器３との距離をり、光検出器３の全長をＬとする。

太陽光が太陽センサの光軸（光検出器の中心を通り遮光
面１及び光検出器３と垂直な直線、以下センサ光軸と呼
ぶ。）と平行に入射した場合には、光検出器３の中央に
（ア）のような強度分布が生じる。この場合は　Ｘｃ−
Ｌｉ２である。次に、太陽光入射角がθのときに生ずる
太陽光強度分布（図中（イ））の中心Ｘ、は第７図より
次の■式％式％ これより太陽入射角θは以下の■式から求めることがで
きる。

θ−ｊａｎ”　　（（２Ｘｃ　　　Ｌ）／２ｈ）−ｔａ
ｎ’　　（（ＸＩ　　＋Ｘ！−Ｌ）／２ｈ）−■よって
信号処理回路でＸ、、Ｘ、を算出し、■式これらをあて
はめることによりθを求めることができる。

以上の説明は、センサ光軸に直交する一軸方向の太陽入
射角を測定するものである。センサ光軸に対し互いに直
交する二軸成分の太陽角情報を得るためには、第８図に
示すように第５図のセンサを２個用意し、各々のスリッ
トが直交する様に配置すればよい。

ところで太陽入射角を測定できる領域、すなわち太陽セ
ンサの視野角αには制約があり、以下の関係がある。

ａ　５　　ｊａｎ”　　（Ｌ／　２　ｈ）　　　　　　
　　　　　　　　−■（ただしαは半頂角で示す。） Ｌは使用する光検出器で決まる値であり、一定値である
。前述のように太陽は宇宙航行体にとってエネルギー源
である。−旦宇宙航行体の姿勢が何らかの影響で乱れて
太陽センサ視野から太陽がはずれた場合、宇宙航行体は
姿勢制御により、再度太陽を捉えるまで消費電力を最小
に抑える等の非常処置を取る必要があり、ミッション達
成の上で大きな障害となりうる。

上記の観点から、太陽センサの視野角αが広ければ、太
陽の捕捉、再捕捉が容易となるため姿勢制御系の見地か
らは視野が広く高精度の太陽センサが求められている。

視野角を広げるには■式からｈの値を小さくすればよい
が、光検出器の素子数が一定でｈだけを小さくすれば一
素子あたりの角度分解能が小さくなり■式のＸ、、Ｘ、
の位置決定精度が劣化する。

従って太陽センサの入射角検出精度が劣化してしまうと
いう欠点があった。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように、従来の太陽センサでは、視野角に制約
があり、視野角を広げると太陽光入射角の測定精度が劣
化してしまうという欠点があった。本発明は上記の欠点
に鑑みてなされたもので、センサの外形寸法や光検出器
の検出素子数を従来と変えることなく、視野角を約１．
５倍以上に拡大すると共に、太陽入射角がセンサ光軸付
近のときの測定精度を向上することができる太陽センサ
を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明では、太陽光の透過を
遮断する遮光面と、この遮光面に所定の間隔をおき長手
方向が互いに平行になるように配置された少くとも２本
以上のスリットと、前記遮光面の下部に所定の間隔をお
いて前記スリットに対して直交する方向に複数の検出素
子が一列に配列してなる光検出器と、この光検出器の出
力信号より太陽光入射角を算出する信号処理回路とによ
り構成される。

（作用） 遮光面に設けられた少くとも２本以上のスリットを透過
した太陽光は、複数の検出素子が一列に配列してなる光
検出器上に入射し、各スリットの位置に対応して光検出
器上に太陽光の回折像が生じる。回折像の数は太陽光の
入射角に依存し、太陽光の入射角が、大きい場合でも光
検出器上に回折像が生じるため、スリットが１本の場合
と比較してより広い視野角が得られる。また入射角が遮
光面と垂直に近い場合は、光検出器上に複数の回折像が
生じるためより測定精度が向上する。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の太陽センサの実施例を示す図である。

第１図で第５図と同一部分には同一符号を付す。第１図
に示すように、遮光面１上に２本のスリット２ａ、２ｂ
を長手方向が互いに平行となる様に設ける。光検出器３
は例えばりニアアレイセンサであり、複数の検出素子４
（例えばフォトダイオード）が−直線上に配列されてい
る。

第２図は第１図のセンサの断面を示す図である。

第２図で遮光面１と光検出器３との距離をｈとし、光検
出器３の全長をＬとする。さらに、各スリットを通過し
た太陽光の回折像（太陽光強度分布）をそれぞれ１１．
ｌｘとする。図示するようにスリット２ａとスリット２
ｂの間隔をＬ／２とする。またスリット２ａは、遮光面
１と垂直に入射する太陽光がスリット２ａを透過したと
き光検出器３上に生ずる太陽光強度分布の中心が光検出
器３の端部ＴからＬ／４にあたる位置にあるように形成
されている。光検出器３はＲ−、ｉｔに対応した信号を
出力する。すなわち第６図（ｂ）に示すような各検出素
子に対応する量子化された信号である。

太陽光強度分布Ｒ１，Ｉ；１２は太陽光の入射角により
その位置が変動し、入射角によって２．。

２、の両方が生ずる場合、２．のみ生ずる場合もしくは
２．のみが生ずる場合がある。

例えば第３図に示すように０≦θ＜　　ｔａｎ−’（Ｌ
　／４ｈ）の領域（θは太陽光とセンサ光軸と平行な直
線とのなす角である。）では、ｆｆ１１．Ｒ，両方の信
号が得られる。このとき２４．Ｒｔの中心位ｆｌｌＸｃ
＋とＸｃ２は従来と同様の方法で求めることができる。

従ってＸＣＩ　とＸＣ２の中点Ｘｃを求め、前述した■
式に代入することにより、太陽光入射角を求めることが
できる。これらの演算は、第１図の信号処理回路５で行
われる。

次に、θがｊａｎ”　　（Ｌ／４ｈ）より大きくなると
回折像は２．あるいは２！のいずれかとなる。

この場合には２．又は２□の位置からθを求めることが
できる。すなわち、次に示すＸｃを求めることにより、
従来と同様の方法で求めることができる。

２、の場合：　Ｘｃ　−ｘｃ＋＋Ｌ／４２２の場合：　
Ｘｃ　−ＸＣ２Ｌ／　４このとき回折像が２．か２２の
いずれであるかは次の条件から容易に判別できる。

ＸＣＩ又はＸ、２＞Ｌ／２ならば回折像は２ＩＸＣＩ又
はＸｃ２くＬ／２ならば回折像は２゜なお、第４図に示
すように、θ−ｔａｎ−’　　（Ｌ／４ｈ）付近では一
方の回折像が光検出器の端部にかかり、像が欠ける場合
が生ずる。このようなケースでは、第６図（Ｃ）のデジ
タル信号の波形におけるＸ、〜Ｘ２の間隔、即ち“１２
レベルの間隔が本来の間隔と比べて短い場合は１回折像
が１つのケースと同様に処理するようにあらかじめ設定
しておくことにより、太陽入射角の誤った算出を防止す
ることができる。

本実施例では、スリットを２本設けることによって、０
≦θ＜　　ｊａｎ’　　（Ｌ／４ｈ）の領域では前記し
た２、と２．の２つの位置情報を用いて信号処理回路で
太陽光入射角の算出を行っている。従って従来のような
１つの位置情報の場合より約ｆ７倍の入射角算出精度の
向上が見こまれる。

般に宇宙航行体は太陽を捕捉した後は太陽入射角が００
付近での太陽センサの入射角検出精度は、視野端部と比
較してより良い精度が要求されている。本実施例では入
射角Ｏ°付近の測定には２１゜２、の２つの位置情報を
用いていることから特に有効となる。

また、スリットを２本設けることにより、センサの視野
角を最大ｔａｎ’　　（３Ｌ　／　４　）まで広げるこ
とが可能となるため、従来の視野角αの約１゜５倍の角
度まで入射角の測定が可能となる。

本実施例ではスリット間の間隔をＬ／２としたが、Ｌ／
２以上とすれば視野領域は更に増大する。

また２本以上のスリットを光検出器端部に配置した場合
は、視野領域は従来の約２倍とすることができる。

本発明はスリット２本に限ったものではなく、２本以上
の場合でも適用可能であり、スリットをｎ本（ｎｋ２）
とした場合は、センサ光軸付近の測定精度を（ＦＶ倍向
上することが可能である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、従来の太陽センサの
外形寸法や光検出器の測定精度を変更することなくその
視野角を拡大すると共に更にセンサ光軸中心付近の精度
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す図であり、
第２図は第１図の断面を示す図であり、第３図及び第４
図は太陽光入射角に対応する太陽光強度分布とデジタル
信号を示す図であり、第５図は従来の太陽センサの構成
を示す図であり、第６図は太陽光入射角の算出方法を説
明するための図であり、第７図は第５図に示す従来の太
陽センサの断面を示す図であり、第８図は太陽光の２構
成分の入射角を検出する従来の太陽センサの上面を示す
図である。 ｌ・・・遮光面 ２・・・スリット ２ａ、２ｂ・・・スリット ３・・・光検出器 ４・・・検出素子 ５・・・信号処理回路 事７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 太陽光の透過を遮断する遮光面と、前記遮光面に太陽光
   を透過させるために設けられ、所定の間隔をおき互いに
   平行になるように配置された少くとも２本以上のスリッ
   トと、前記遮光面の下部に設けられ、遮光面と所定の間
   隔をおき前記スリットに対し直交する方向に複数の検出
   素子が一列に配列されてなる光検出器と、前記光検出器
   の出力信号より太陽光の入射角を算出する信号処理回路
   とを具備することを特徴とする太陽センサ。