JPS61105300A - 輻射平衡型地球センサ - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、人工衛星等の姿勢制御に用いる輻射平衡型
地球センサに関する。

〔発明の技術的背景と間ツ点〕

人工衛星のシステノ・は、衛星の機能維持に必要な電力
を制御する電源系　衛星構体内部の温度を制御する熱制
御系、衛星のロール・ピッチ・ヨーの各軸やアンテナ等
を所定方向に指向させるための姿勢制御系、地上局から
コマンド信号を受信し地上局へデータを送信するテレメ
トリ・コマンド系９通信機器、観＃装置等のミフン！ｌ
イ系から構成されている。

衛星の姿勢制御は、搭載されているミンシッン機器のア
ンテナや逼像装置を地球などへ指向させ、その指向安定
度を維持することを目的としており、その制御方法には
、スピン制御方式と三輪制御がある。

ところで、宇宙、環境には、衛星の姿勢を乱す外乱トル
クとして、空気力１重力傾度、地磁気、太陽放射圧など
があり、これらの外乱トルクによって衛星の指向方向に
大きな誤差が生じたり、姿勢の安定性が乱れたりする。

このため、地球センサ。

太陽センサなどの姿勢制御用センサを用いて指向方向と
指向安定度を檎出し、誤差を修正することによって姿勢
制御を行なっている。

姿勢制御用センサの中、地球センサは、地球方向を検出
することにより衛星の姿勢を検出するものであり、実際
に地球方向を検出するために用いている地球は、王とし
て大気層を含む地平線であり、地平線センサとも呼ばれ
ている。そして、安定した地球像を検出するために、一
般に、１４〜１６μｍ（ＣＯｔ吸収帯）、２０〜３３μ
ｍ　（１１２０吸収帯）等の熱赤外域の波長が用いられ
ている。

三軸制御方式用の地球センサには種々のタイプがあるが
、大別するとスキャン型地球センサと輻射平衡型地球セ
ンサの２つに分けら゛れる。スキャン型地球センサは、
２個のセンサを視線が円錐形状になるようにスキャンし
、その視線が地球を横切る幅を、それぞれのセンサで検
出し、その差異により、衛星の姿勢情報を得るものであ
る。

一方、輻射平衡型地球センサは、地球の対向する地平線
からの入力エネルギー差により姿勢情報を得るものであ
る。第１図はかかる輻射平衡型地球センサにおける光学
系の焦点面の地球像を示すもので、１は姿勢誤差がない
ときの地球像であり、２、、、　２−、、・・・・・・
、２．は、この焦点面の地球像１に沿って相対向するよ
うに等間隔で配列された、サーモバイルやサーモカップ
ルからなる輻射エネルギー検出器である。なお、１′は
姿勢誤差がある場合の焦点面上の地球像を示す。

このように配置されている検出器において、例えば検出
器２−１と２−３．検出器２−３と２−７等の如く、そ
れぞれ対向して配置されている検出器への地平線からの
入射エネルギーの差は、姿勢誤差がない場合は生じない
が、姿勢誤差が生じ地球像が点線図示の如く移動すると
、それぞれ対向する検出器への入射エネルギーの差が生
じ、そのエネルギー差は衛星姿勢誤差に対応して発生す
る。したがって、この入射エネルギーの差を検出するこ
とにより衛星の姿勢を検出することができる。

−この輻射平衡型地球センサは、スキャン機構部を必要
とするスキャン型地球センサに比べ、メカニズム部分の
ない完全スタテック型にでき、高信頼性が得やすいもの
である。しかし、この方式は、地球からの輻射強度（放
射輝度：ｗ／ｍ”　　・ｓ　ｔｒ）が地表の季節、ｖｓ
度等により大きく　（最大３倍程度）変化することによ
る姿勢検出誤差を受けやすく、これを避けるため、第２
図に示すように、地球放射輝度ａのうち、高層の大気層
からの放射輝度ａｔ、ａａのみをそれぞれ対向する検出
器で検出する方式（ｌｉｍｂ−ｂａｌａｎｃｅ　−ｔｙ
ｐｅ）とか、第３図に示すように、地平線の各検出部分
３．４．５゜６にそれぞれ複数個の検出器：Ｌ、、Ｌ、
、、Ｌ、。

４−１．　４−！、　　　４−ｘ、　　　５’−＋、　
　　５−ｚ、　　　ｓ−コ、　　　６−１＋　　　６−
２．６−ｓを配置して規格化する方式がとられるように
なっている。

ところで、地球センサに用いられる検出器には、小型で
高信頼性をもたせるため熱型赤外検出器が用いられるが
、上記の輻射平衡型地球センサの場合には、高感度並び
高安定性を得るために、Ｒｉ／Ｔｅ、　Ｓｂ／Ｂｉ等の
サーモバイル、又はシュワルツ型サーモカップル等が用
いられる。

ところが、これらの検出器を使用する場合、その恒温部
（ｃｏｌｄ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ側）の温度を一定にして
おく必要があるが、その温度設定が極めて困難である。

したがって、上記の゛如き高層の大気層からの輻射のみ
を利用する方式や、一つの検出部に数個の検出器を配置
して規格化する方式を採用しても、上記恒温部の温度不
均一性（サーマルオフセット）による誤差が発生し、こ
れが、例えば第１表に示すように、地球センサの姿勢検
出精度の大きな誤差源になっている。

また、複数の検出器を使用する場合、対向する検出器の
出力特性の差異や、接続される各プリアンプ特性を含む
各検出器ペア毎の特性の差異などの検出器の電気的不均
一性（エレクトロニックオフセット）が存在する。これ
らの電気的特性の差異は、地球センサの組立・調整工程
において、真空チャンバを使用したシュミレータを用い
プリアンプ部の調整を行なうと共に、アライメント調整
などを行ない、かなり入念な調整が行われるけれども、
回避できないエレクトロニックオフセントが残り、この
オフセントも第１表に示すように、地球センサの姿勢検
出精度の誤差源になっている。

なお、第１表は静止衛星用輻射平衡型地球センサの各オ
フセントに基づく誤差例である。

したがって、これらの誤差源となるサーマルオフセット
及びエレクトロニックオフセットを極力軽減することが
、この種の地球センサの最も大きな技術的課題になって
いる。

第１表 〔発明の目的〕 本発明は、従来のサーモパイル、サーモカップル等を検
出器とした輻射平衡型地球センサの問題点を解決すべく
なされたもので、晶度不均−性（サーマルオフセント）
及び電気的特性の不均一性（エレクトロニックオフセッ
ト）による衛星の姿勢検出誤差のない高精度で高倍転性
の輻射平衡型地球センサを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、熱電素子の温接点及び冷接点配置部分をそれ
ぞれ受光部とした温度差検出器を構成し、該検出器の各
受光部に、地球の対向する地平線からの輻射エネルギー
を４人し、１個の温度差検出器により地平線からの輻射
エネルギー差を検出して姿勢誤差信号を得るようにし、
サーマルオフセット及びエレクトロニックオフセットに
よる検出誤差をなくして地球センサの高精度化を計るも
のである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例について説明する。

第４閲＾は、本発明の輻射平衡型地球センサに用いる温
度差検出器として用いるサーモパイルの一構成例を示す
斜視図、第４図（８１はその断面図、第４図（０はその
裏面図である。

図において、１１はポリエチレンテレフタレートフィル
ム、ポリイミドフィルム（カプトン−０ｕＰｏｎ　を社
商品名）などの薄型フィルムからなるジャンクション支
持部で、該支持部１１は一面には、所定間隔をおいて、
それぞれ熱電対の温接点部並びに冷接点部を構成する金
等からなる電極１２．１３が蒸着等により形成されてお
り、該電極！２．１３間には例えば、Ｓｂ、　Ｂｉなど
の２種の熱電対材料１４が、交互に線状に蒸着等により
設けられている。一方このように熱電対材料１４を設け
た支持部１１の他面には、該支持部１１を保持するため
の保持部材１５が固着されている。そして保持部材１５
には、熱電対材料１４の温接点部並び冷接点部を形成す
る電極１２゜１３部分に対応する位置に受光窓１６．１
７が形成されており、また、該受光窓ｔｓ、　ｔ’ｙの
対応する支持部１１の裏面部には、金をｌ　ｔｏｒｒ前
後で蒸着して赤外域の吸収率の高い合焦（ｂｌａｃｋｅ
ｄ−ｇｏｌｄ）膜等を設け、それぞれ温接点側受光部１
８と冷接点側受光部１９を形成し、温度差検出器１０を
構成している。

なお、保持部材１５は温度差検出器１０のヒートソンク
部となるもので、その素材は検出器の熱時定数や感度に
も関係するものであるが、通常はＣｕあるいはセラミッ
クスが用いられる。

そして、第５図に示すこの発明の第１実施例においては
、２つの光学系２１．２２を用いて、それらの焦点面に
おいて、地球像２３の対向する地平線像２３’、２３″
が非常に接近した位置に形成されるように構成し、その
先竿系の焦点面に前記温度差検出器１０を配置して、温
接点側受光部１８と冷接点側受光部１９にそれぞれ対向
する地平線像２３’、２３’を結像させ、対向する地平
線からの輻射エネルギーを受光するようにして地球セン
サを構成している。なお、２４は検出器１０の温度差出
力信号を増幅するプリアンプであり、第６図は、第５図
に示した実施例における焦点面上の検出器ｌＯの配置態
様を示す図である。

このように構成された地球センサは、単一の温度差検出
器１０の２つの受光部１８．、１９にそれぞれ対向する
地平線像を入射させ、その入射エネルギーを検出して、
その入射エネルギー差による温度差に基づいて姿勢誤差
信号を得て、それにより衛星等の姿勢を制御するもので
ある。なお、この検出器により得られる姿勢誤差信号の
信号処理系は従来のものをそのまま適用することができ
る。

したがって、輻射平衡型地球センサの最も大きな技術的
課題であるサーマルオフセントによる誤差の発生をなく
すことができ、また、組立て・調整工程における調整作
業がかなり軽減され、その結果エレクトロニックオフセ
ットによる誤差も、無視できる、例えば、０．００２ｄ
ｅｇ程度まで大幅に軽減することができる。また、冗長
構成法が容易となり、小型軽量で低電力の地球センサが
得られる。

特に静止地球指向衛星におけるピンチ軸や、姿勢更新系
をもつ極軌道衛星におけるロール軸等に対して地球セン
サを用いて姿勢誤差を検出する場合等には、地球輻射変
動の最も少ない状態で使用できるので、かかる場合に用
いる地球センサとして上記本発明による地球センサを適
用すれば、一層高精度の姿勢誤差検出を行なうことがで
きる。

上記実施例では、２つの光学系を用いて２つの地球像を
温度差検出器配置面に結像させるようにしたものを示し
たが、１つの第１光学系と第２光学系を組み合わせて、
１つの地球像から対向する地平線像を１つの温度差検出
器に入射させるように構成することもできる。

第７図は、本発明の第２実施例を示す概略図で、１つの
地球像から対向する地平線像を検出器に入射させるよう
にしたものである。この実施例では、第１光学系たる主
レンズ２５の結像面に、地球像２６に内接するような円
形スクリーン２７を配置し、地球の対向する地平線から
の赤外輻射エネルギーのみを、２つの凹面ミラー２８．
２９からなる第２光学系を介して温度差検出器１０の２
つの受光部へ入射させるように構成している。

また、第８図は、更に他の実施例を示す概略図で、主レ
ンズ３１に対して２個の屈折系の第２光学系３２．３３
を配置して、地球の対向する地平線像を温度差検出器１
０の２つの受光部に結像させるように構成したもので、
これら第７図及び第８図に示すように構成した地球セン
サも、第１実施例の地球センサと同様な作用効果が得ら
れる。

また、上記各実施例のように、対向する地球の地平線を
レンズ系を用いて結像さすないで、オプティカル・ホー
ン等を用いて、対向する地平線の輻射エネルギーを温度
差検出器の各受光部へ導入するように構成することもで
きる。

第５図及び第６図に示した本発明の第１実施例において
、温度差検出器１０を配置した地球像の焦点面上にはか
なりの余裕スペース部分がある。このスペース部分を利
用して、複数個の従来構成のサーモパイルを、第９図に
示すような位置に配置することにより、捕捉用検出系を
もつ輻射平衡型地球センサを得ることができる。すなわ
ち、焦点面における地球像の対向する地平線像の近接部
分に、第１実施例と同様に、本発明による温度差検出器
１０を配置すると共に、従来構成のサーモパイル４Ｌ　
４２．４３．４４を、焦点面における２つの地球像の地
平線像に沿って配設し、サーモパイル４１と４３、サー
モパイル４２と４４とで検出器ペアを形成する。そして
、温度差検出器１０で高精度用検出器を、サーモパイル
４１〜４４で姿勢捕捉用検出器を構成する。

このように構成することによって、地球センサを高精度
センサとして使用する場合に要求される仕ＰＪ（例えば
、狭視野角、高事青度、低周波数特性等）と、地球セン
サを姿勢捕捉あるいはセーフティモード等で使用する場
合に要求される仕様（広視野角、低精亥、高周波数特性
等）を、それぞれ別個に設計し最適化でき、且つ１つの
地球センサで両者の仕様を満たすことができる。また、
この場合の冗長系も容易に構成できる。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づき詳細に説明したように、本発明は熱
電素子の温接点及び冷接点配置部分をそれぞれ受光部と
して温度差検出器を構成し、前記各受光部に地球の対向
する地平線か乙の輻射エネルギーをそれぞれ導入するよ
うにし、１つの温度差検出器により姿勢誤差信号を得て
姿勢を制御するようにしたので、動的機構部分のない完
全スタテック型であると共に、サーマルオフセットをな
くし、エレクトロニックオフセットを大幅に減小でき、
簡単な構成で高精度且つ高信鯨性の地球センサを得るこ
とができる。

また冗長系を容易に構成できるので、小型軽量で且つ低
電力の地球センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の輻射平衡型地球センサの基本構成を示
す概略図、第２図は、地球放射譚度分布を示す図、第３
図は、従来の輻射平衡型地球センサの他の構成例を示す
概略図、第４図＾は、本発明に係る地球センサに用いる
温度差検出器の一例を示す斜視図、第４図（Ｂｌは、そ
の断面図、第４図（Ｃ１は、その裏面図、第５図は、本
発明に係る地球センサの一実施例の概略図、第６因は、
第５図に示した地球センサの焦点面上の検出器の配置態
様を示す図、第７図は、本発明の第２実施例を示す概略
図、第８図は、本発明の第３実施例を示す概略図、第９
図は、本発明の更に他の実施例を示す概略図である。 図において、１０は温度差検出器、１１はジャンクシラ
ン支持部、１２．１３は電極、１４は熱電対材料、１５
は保持部材、１６．１７は受光窓、１８は温接点側受光
部、１９は冷接点側受光部、２１．２２は光学系、２３
は地球像、２３’、２３’は対向する地平線像、２５は
主レンズ、２６は地球像、２７は円形スクリーン、２８
゜２９は凹面ミラー、３１は王レンズ、３２．３３は第
２光学系、４１〜４４は従来構成のサーモパイルを示す
。 １８１図　　　　　第３図 第２図 第５図 第６図 ＠７５１１ 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 地球の対向する地平線からの輻射エネルギーの差を検出
   することにより姿勢検出を行なう輻射平衡型地球センサ
   において、熱電素子の温接点及び冷接点配置部分をそれ
   ぞれ受光部として温度差検出器を構成し、前記各受光部
   に地球の対向する地平線からの輻射エネルギーをそれぞ
   れ導入するようにしたことを特徴とする輻射平衡型地球
   センサ。