JPS62211506A

JPS62211506A - デジタル太陽センサ

Info

Publication number: JPS62211506A
Application number: JP61054094A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Okamoto; 岡本　二彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1987-09-17
Also published as: US4874937A

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）この発明は、例えば三軸姿勢制御を行なう人工衛星ある
いはスピン方式人工衛星の姿勢を高精度に検出するため
に使用されるデジタル太陽センサに関する。

（従来の技術）周知のように、従来使用されているこの種のデジタル太
陽センサは大別して以下の２方式がある。

（１）■スリット型デジタル太陽センサ（２）　　グレ
イコードパターンを使用するデジタル太陽センサ上記（１）の方式は、スピン方式の衛星に使用されるも
のであり、第９図に示すようにスリットとフォトセル（
図示せず）からなる第１及び第２のセンサ１１．１２を
衛星上に略Ｖ字型となるよう配置したものである。すな
わち、第１のセンサ１１はスピン軸Ｓと平行して配置さ
れ、第２のセンサ１２は第１のセンサ１１より所定角度
θだけ離されると共に、スピン軸Ｓに対して角度Ａだけ
傾斜して配置される。このような構成において、衛星の
スピンにより太陽光ＳＢが各センサ１１．１２のスリッ
トをよぎると、これらセンサ１１．１２からはそれぞれ
第１０図（ａ）、（ｂ）に示すようなパルス信号が出力
される。そして、これらパルス信号の時間間隔ＴＳ及び
ＴＳＳを測定することにより、太陽方位角が計算して求
められる。

しかし、この方式においては、衛星上に第１及び第２の
センサ１１．１２を取付ける際、これらがなす角θ及び
第２のセンサ１２の傾斜角Ａを正確に設定することが難
しいため、アライメントの精度を向上することが困難で
あり、太陽入射角を１°以上の精度で検知することが不
可能であった。また、この方式は原理的に三軸姿勢制御
衛星には使用できないものであった。

一方、第１１図は前記（２）の方式のデジタル太陽セン
サの構成を示すものである。すなわち、石英からなるプ
リズム３１の表面にはスリット３２がエツチングされた
遮光膜３３が設けられ、裏面にはグレイコードパターン
３４がエツチングされた遮光膜３５が設けられている。

また、前記各グレイコードパターン３４にはそれぞれフ
ォトセル３６１が対向して配設されている。このように
構成されたセンサは前記スリット３２が衛星のスピン軸
Ｓに垂直となるよう配設される。しかして、角度θで入
射した太陽光ＳＢはスリット３２を通過してグレイコー
ドパターン３４に入射され、このグレイコードパターン
３４のいずれかを通過した光は対応するフォトセル３６
１によって受光される。

このフォトセル３６１からは入射−“１＃、入射せず−
“０“の出力信号が得られ、このフォトセル３６１の出
力信号は信号処理回路３７に供給される。

この信号処理回路３７では入射された信号のコードパタ
ーンより太陽入射角ＳＤが求められる。尚、前記遮光膜
３５にはグレイコードパターン３４の他に符号ビット用
パターン３８、及びスピン衛星の場合にはセンサの視野
とスピン軸のなす平面内に太陽が入ったことを示すサン
パルス用のパターン３９が設けられ、これらパターン３
８．３９にも同様にフォトセル３８２　、３８３が対向
して設けられる。これらフォトセル３８２　、３６３の
出力信号は前記信号処理回路３７に供給され、所定の信
号処理が行われてサンパルス信号ＳＰ等が出力されるよ
うになされている。

このような方式によれば、（１）の方式に比ベテ衛星に
対するセンサの取付けが容易となる利点を有している。

しかし、地球から見た場合、太陽光はＯ１５″の広がり
を持った平行光線であるため、グレイコードの最少パタ
ーン幅を０．５°に相当する幅量上に細かくしても、太
陽光の広がりにより分解能を向上させることができない
。したがって、この方式では太陽入射角を０．５°の精
度で検出するのが限界であり、これ以上精度を向上させ
るには０．５＠に相当する幅のパターンをいくつか用意
し、その配置を工夫すること以外にない。

いずれにしても、この方式では太陽光の０．５゜の広が
りが精度向上を拘束しており、上記以上の検出精度を望
むことは困難なものであった。

（発明が解決しようとする問題点）この発明は上記のように太陽入射角の検出が太陽光の広
がりに拘束されていた点を改善し、太陽入射角を高精度
に検出することができるデジタル太陽センサを提供する
ことを目的とする。

（問題点を解決するための手段）すなわち、この発明に係るデジタル太陽センサは、太陽
光の強度を波長に依存せず減衰させるＮＤフィルタと、
このＮＤフィルタの下部に配置され該ＮＤフィルタとの
接触面に太陽光を通過させるスリットを形成してなるプ
リズムと、このプリズムの下部に配置され該プリズムに
よって分散する太陽光のうち特定の波長域の光だけを通
過させるバンドパスフィルタと、このバンドパスフィル
タの下部に配置され前記スリットより所定間隔だけ離間
され該スリットと直交して配列され該スリットを通過し
回折した太陽光を受光する複数の受光部からなるリニア
アレイセンサと、このリニアアレイセンサからの出力信
号のピーク値を一定のレベルにする自動利得調整回路と
、この自動利得調整回路からの信号と所定のしきい値と
を比較する比較器と、前記リニアアレイセンサの１個の
受光部に相当する周波数の第１のクロックを生成する第
１のクロック生成手段と、この第１のクロック生成手段
で発生される第１のクロックの１／２周波数の第２のク
ロックを生成する第２のクロック生成手段と、前記第１
及び第２のクロックを前記比較器で入力信号がしきい値
以下のとき第１のクロックを、しきい値以上のとき第２
のクロックを選択的に導出するクロック切換手段と、こ
のクロック切換手段から導出されるクロックを計数する
Ｎ　（Ｎは自然数）ビット出力のカウンタと、上記第２
のクロックが最下位ビットに供給され他のビットには前
記カウンタのビット出力が供給されるラッチ回路とを具
備し、このラッチ回路の出力データから太陽光の分布の
中心を求めて太陽入射角を検出するようにしたことを特
徴とするものである。

（作用）つまり、スリットより所定間隔離間してかつこのスリッ
トと直交する方向にリニアアレイセンサを配置し、この
リニアアレイセンサにより前記スリットを通って入射さ
れた太陽光を受光すると共に、このリニアアレイセンサ
の出力信号と所定のしきい値とを比較し、この比較出力
信号が０“から“１″に変化する受光部（以下、画素と
呼ぶ）の位置までをリニアアレイセンサの１画素分に相
当する周波数のクロックでカウントし、比較出力信号が
“１″から“０”に変化する画素位置までは上記周波数
の１／２に相当するクロックでカウントすることにより
、太陽光の広がりの中心位置を１／２画素に相当する分
解能で求め、太陽入射角を検出しようとするものである
。

（実施例）以下、第１図乃至第７図を参照してこの発明の一実施例
を説明する。

まず、デジタル太陽センサの光学系について説明する。

第１図において、遮光膜４■の中央部には遮光膜４１の
長手方向と直交してスリット４２が設けられ、その加工
位置は遮光膜４１へのフォトレジストによりプリズム４
３の上面に形成される。プリズム４３は石英あるいは光
学ガラスからなる。プリズム４３の下面には透過する光
の波長域を制限するためのバンドパスフィルタ４４が配
設される。その下には、例えばＣＯＤリニアアレイセン
サ４５が設けられる。このＣＯＤリニアアレイセンサ４
５は、第２図に示すように、その画素４５１の配列方向
が前記スリット４２と直交するようになされ、かつ、全
画素長ノの１／２、つまり中央部がスリット４２と対向
するよう配設される。尚、太陽光の強度が増加したとき
ＣＯＤリニアアレイセンサ４５からの出力が飽和しない
ようにするため、第３図に示すように、スリット４２の
上にはＮＤフィルタ４６が配設される。

ここで、上記ＮＤフィルタ４Ｂを通過した太陽光ＳＢは
スリット４２を通過した後、プリズム４３、バンドパス
フィルタ４４を経てＣＣＤリニアアレイセンサ４５上に
入射する。スリット幅を適当に選択することにより、太
陽光ＳＢはスリット４２通過時の回折現象により入射角
θに依存することなく、第４図（ａ）に示すように左右
対称な強度分布Ｉを存する像が得られる。ところが、ス
リット４２の下にはプリズム４３があるため、太陽光Ｓ
Ｂはプリズム４３に入ると分散現象が生じ、波長により
屈折角が異なるようになる。このため、プリズム４３が
なければ第４図（ａ）に示した強度分布（Ｉ）は同図（
ｂ）に示すように左右対称がくずれた歪んだ分布（ＩＩ
）になり、入射角θを検出する際に誤差源ΔＸとなる。

前記バンドパスフィルタ４４は太陽光の波長を制限する
ことにより、この分散の影響を除き、太陽光の分布が第
４図（ａ）に示す強度分布（Ｉ）、つまり左右対称とな
るようにするために使用される。尚、バンドパスフィル
タ４４の透過波長域は、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５
の分光感度特性を考慮して、例えば５５０［ｎｍ］近辺
に設定することが望ましい。

上記のようにスリット４２とＣＣＤリニアアレイセンサ
４５との間にプリズム４３を介在させる理由について説
明する。プリズム４３はデジタル太陽センサの視野を広
げると共に、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５の各画素の
色分解能を太陽入射角θに対して均一にすることができ
る利点を有している。すなわち、第３図に示したように
、スリット４２とＣＣＤリニアアレイセンサ４５間の距
離をｈ一定とすると、プリズム４３を設けた場合は、プ
リズム４３の屈折率をｎとすると、ｎ”ｗｌ、５＞１よ
りスネルの法則からｓｉｎθ５ｍｎ５ｉｎθ′ となり、プリズム４３のない場合における最大視野角θ
′に比べ、視野角を大きくすることができる。

また、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５の１画素当りの色
分解能ｄθは、プリズム４８を挿入しない場合、（但し
、ｄｘ−１画素長ニ一定値）となり、入射角θに大きく依存する。第５図は色分解能
ｄθと入射角θの関係を示すものであり、（Ｉ）はプリ
ズム４３を挿入しない場合、（ｎ）はプリズム４３を挿
入した場合を示すものである。ここで、入射角θが大き
くなると、色分解能が小さくなることがわかる。これに
対して、プリズム４３を設けた場合は、［ｄｅｇ　］となり、ｄθと入射角θとの関係は、第５図の（ＩＩ）
に示したように、１画素当りの色分解能ｄθは入射角θ
にほとんど依存せず一定となることがわかる。また、プ
リズム４３の厚さは、ＣＣＤ】リニアアレイセンサ４５の全画素長ノとセンサの視野角
θよりｈ−、ｌ？／ｌａｎθの関係より求められる。

ＣＣＤリニアアレイセンサ４５はその画素数が多くなれ
ばなるほど色分解能が向上するため、なるべく全画素数
の多い素子が使用される。例えば、２０４８画素を有す
るＣＣＤリニアアレイセンサを使用した場合、視野を±
５０″とすると、色分解能は第５図に示したように０．
０５°となる。

次に、このデジタル太陽センサの信号処理系について、
第６図及び第７図を用いて説明する。

第６図はその構成を示すもので、上記ＣＣＤリニアアレ
イセンサ４５はＣＯＤ駆動回路６１からのクロックＣＫ
Ｉによって駆動されており、その出力信号はプリアンプ
６２を経てＡＧＣ（自動利得制御）回路６３に入力され
、所定レベルまで増幅される。

このＡＧＣ回路゛６３の出力は比較器６４に入力される
。

この比較器６４は入力電圧ＶＡＮとしきい値電圧ＶＴＨ
と比較し、Ｖ　ＩＮ＜　Ｖ　Ｔｌ（テ　“Ｑ　”　、Ｖ
　ＩＮ＞　ＶＴＲテ“１″を出力するものである。この
比較器６４の出力は第１及び第２のワンショットマルチ
バイブレーク８５．　８６に与えられる。

第１のワンショットマルチバイブレータ６５は比較器６
４の出力が“０”から“１”に変化するときパルスＰ１
を発生して第１及び第２のＳ−Ｒフリップフロップｆｉ
フ、　６８のセット端子Ｓに供給するものである。また
、第２のワンショットマルチバイブレーク６６は比較器
６４の出力が“１“から“θ″に変化するときパルスＰ
２を発生して第１のＳ−Ｒフリップフロップ６７のリセ
ット端子Ｒに供給すると共に、後述するラッチ回路７４
のクロック端子Ｃに供給するものである。

上記第１のフリップフロップ６７のＱ出力はＡＮＤゲー
ト６９の一方の入力端に供給され、第２のフリップフロ
ップＧ８のΦ出力はＡＮＤゲート７０の一方の入力端に
供給される。これらＡＮＤゲート６９．７０の各他方の
入力端にはそれぞれＣＯＤ駆動回路６１で発生されるク
ロックＣＫＩが供給される。ＡＮＤゲート６９の出力は
第３の（Ｄラッチ型）Ｓ−Ｒフリップフロップ７１のク
ロック端子Ｃに供給される。このフリップフロップ７１
のセ・ソト端子Ｓは接地され、Φ出力端はＤ入力端に接
続される。

そして、そのＱ出力は上記ＡＮＤゲート７０の出力と共
にＯＲゲート７２の各入力端に供給されると共に、ラッ
チ回路７４の１ビツト入力端に供給される。

上記ＯＲゲート７２の出力はカウンタ７３のクロック端
子Ｃに供給される。

このカウンタ７３の各ビット出力端Ｑ１〜ＱＮはそれぞ
れラッチ回路７４の２〜Ｎ＋１ビツト入力端に接続され
ており、このラッチ回路７４の出力は出力回路（例えば
メモリ）７５に一旦保持される。つまり、この出力回路
７５に読出しクロックＣＫ３を与えることによってデー
タＤ　ＯＵＴを取出すことができる。

尚、上記ＣＯＤ駆動回路Ｂ１は所定タイミングでリセッ
トパルスＲＰを発生しており、このリセットパルスＲＰ
は第２及び第３のフリップフロップ６８、カウンタ７３
の各リセット端子Ｒに供給される。

すなわち、前記構成の光学系を経てＣＣＤリニアアレイ
センサ４５で受光される太陽光の強度分布は入射角θに
依存せず、第７図（ａ）に示すように左右対称になる。

ＣＣＤリニアアレイセンサ４５からは、ＣＣＤ駆動回路
６１より第７図（ｃ）に示すような１周期がＣＣＤリニ
アアレイセンサ４５の１画素に対応するクロックＣＫＩ
が供給されており、このクロック信号ＣＫＩに同期して
太陽光の強度分布に対応する各画素からの出力電圧が、
第７図（ｂ）に示すように時分割されて順次出力される
。この時分割信号はプリアンプ８２によっである程度増
幅された後、ＡＧＣ回路６３に供給される。

このＡＧＣ回路６３の機能は、入射光の強度が太陽の入
射角θの余弦関数となり、信号が変化する　゛場合にお
いても出力電圧のピーク値が常に一定値となるように回
路の利得を制御する。これによって太陽の入射角が大き
くなり、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５からの出力が低
下した場合でも、常に同一レベルの電圧として同一条件
下で信号を処理することができ、測定精度の変動を防止
できる。

このＡＧＣ回路６８の出力信号は比較器６４にて、第７
図（ｂ）に示すように、しきい値電圧ＶＴＲと比較され
る。しかして、比較器６４からは、第７図（ｄ）に示す
ように、入力信号がしきい値電圧ＶＴＲ以下の場合“０
″レベル、しきい値電圧ＶＴＲ以上の場合“１”レベル
の信号が出力される。

そこで、第７図（ｄ）に示す比較器６４の出力から、太
陽光の分布の中心を求める。すなわち、第７図（ｄ）に
おいて、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５の一方の最端部
画素位置を０とし、比較器６４の出力信号が“Ｏ”から
“１”に変化する画素位置をｘｌ、“１°から“Ｏ“に
変化する画素位置をｘ２とすると、太陽光の広がり中心
位置はｘｌ＋方法を説明する。

まず、比較器６４の出力信号が“Ｏ”から“１′に変化
すると、これと同時に第１のワンショットマルチバイブ
レーク６５よりパルスＰ１が発生し、第２のフリップフ
ロップ６８がセットされ、これによって第２のフリップ
フロップθＢのζ出力は“１ｍから“Ｏｍへ変化する。

すると、ＡＮＤゲート６９の出力は、第６図に示すよう
に、フリップフロップ６８のζ出力が“１″レベルであ
る間、第７図（ｅ）に示すようにＣＣＤ駆動回路６１か
らのクロックＣＫＩを出力する。このクロックはＯＲゲ
ート７２を経てカウンタ７３に入力され、ここで画素数
ｘ１が計数される。

このカウンタ７３はＣＣＤリニアアレイセンサ４５の全
画素数を計数可能なＮビットの出力を有するものを使用
する。例えば、全画素数が２０４８画素のＣＯＤリニア
アレイセンサを使用する場合にはＮ−１１となるから、
１１ビット以上の計数が可能なカウンタを使用する。

７図（ｄ）に示す画素位置ｘ１で比較器６４の出力信号
が“０１から“１”レベルに変化すると、第１のワンシ
ョットマルチバイブレータ６５よりバルスＰ１が発生し
、これによって第１のフリップフロップ６７がセットさ
れる。このため、フリップフロップ６７のＱ出力は“Ｏ
”から“１″に変化する。

次に、第７図（ｄ）に示す画素位置ｘ２で比較器Ｂ４の
出力信号が“１″から“０″レベルに変化すると、第２
のワンショットマルチバイブレータ８８よりパルスＰ２
が発生し、これによって第１のフリップフロップＢ７が
リセットされる。このため、フリップフロップ６丁のＱ
出力は“１″から“Ｏ”に変化する。

上記第１のフリップフロップ８７のＱ出力が“１”レベ
ルである間、ＣＣＤ駆動回路６１からのクロックＣＫｌ
はＡＮＤゲート８９を通過して第３のフリップフロップ
７１に入力される。ここでフリップフロップ７１のＱ出
力に入力クロック周波数を１／２とした第７図（ｆ）に
示すクロックＣＫ２が発生する。このクロックＣＫ２は
ＯＲゲート７２を経てカウンター３で計数される。つま
り、第７図（ｆ）のクロックの数は画素位置ｘｉからＸ
２までの画２−ｘｉ素数の半分、すなわち□に相当する。

ＯＲゲート７２からの出力は第７図（ｇ）に示すように
なり、カウンタ７３に入力されている。これに２−ｘｉよりｘｌ＋□を１画素に相当する分解能で求めることができる。すなわち、ｘ２−２−ｘｉｘｌが奇数個であった場合、□は実際には第７図（ｆ）
のクロック数に１／２を加えたものとなるが、カウンタ
７３ではこの１／２を計算することはできないため、太
陽光の分布の中心位置は１画素より細かい分解能で求め
ることはできない。

そこで、さらに分解能を１／２画素まで上げるため、第
３のフリップフロップ７１のＱ出力は画素位置がｘ２で
比較器６４の出力信号が“１″から“０”に変化すると
き、ｘ２−ｘｉが偶数ならば“０”レベル、奇数ならば
“１”レベルに保持されるので、この信号とカウンタ７
３の出力信号とを、第２のワンショットマルチバイブレ
ーク６６より発生するパルスＰ２を用いて、Ｎ＋１ビツ
トのラッチ回路７４にラッチする。このラッチ回路７４
に保持されたデータは１／２画素の分解能で検出したＣ
ＯＤリニアアレイセンサ４５上での太陽光の分布の中心
位置であり、これにより太陽入射角を検出することがで
きる。尚、データは出力回路７５によりこのデータを利
用する機器とのインターフェースがとれるようなフォー
マットに編集され、例えば相手側機器からの読出しクロ
ックＣＫ３に同期して出力される。

したがって、デジタル太陽センサを上記のように構成す
れば、検出精度が０．５’という太陽光の広がりに制約
を受けることがないので、スリット回折による太陽光の
左右対称な強度分布の中心位置をＣＯＤリニアアレイセ
ンサの１画素の１／２に相当する角分解能まで精度を向
上させることができる。例えば、視野±５０°、２０４
８画素を有するＣＯＤリニアアレイセンサを使用した場
合、１画素に相当する角分解能は０．０５’であり、検
出の最少分解能は０．０２５″と飛躍的に向上させるこ
とができる。

また、このデジタル太陽センサを視野方向となる座標軸
に垂直な二次元の検出器として使用する場合には、第８
図に示すように、センサの光学系を２個使用し、互いの
スリット４２１　、４２２を直交して配置すればよい。

さらに、リニアアレイセンサはＣＯＤリニアアレイセン
サに限定されるものではない。

その他、この発明の要旨を変えない範囲で種々変形して
も実施可能であることは言うまでもない。

［発明の効果］以上詳述したようにこの発明によれば、太陽入射角を高
精度に検出することができるデジタル太陽センサを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至Ｔ５７図はこの発明に係るデジタル太陽セン
サの一実施例を説明するためのもので、第１図は光学系
の構成を示す斜視図、第２図は第１図の要部構成を説明
するために示す図、第３図は第１図の光学系の側断面図
、第４図は第１図のバンドパスフィルタの作用を説明す
るために示す波形図、第５図は入射角対角分解能の特性
を示す図、第６図は信号処理系の回路構成を示す図、第
７図は第６図の動作を説明するために示す波形図、第８
図はこの発明に係る他の実施例を示す斜視図、第９図は
従来のデジタル太陽センサを説明するために示す概略構
成図、第１０図は第９図の動作を説明するために示す波
形図、第１１図は第９図とは異なる従来のデジタル太陽
センサを説明するために示す概略構成図である。４１・・・遮光膜、４２・・・スリット、４８・・・プ
リズム、４４・・・バンドパスフィルタ、４５・・・Ｃ
ＣＤリニアアレイセンサ、４Ｂ・・・ＮＤフィルタ、６
２・・・プリアンプ、６３・・・ＡＧＣ回路、Ｂ４・・
・比較器、６５．８６・・・ワンショットマルチバイブ
レーク、８７．８８・・・Ｓ−Ｒフリップフロップ、８
９．７０・・・ＡＮＤゲート、７１・・・Ｄラッチ型Ｓ
−Ｒフリップフロップ、７２・・・ＯＲゲート、７３・
・・カウンタ、７４・・・ラッチ回路、７５・・・出力
回路、ＶＴＩ＋・・・しきい値電圧。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

　太陽光の強度を波長に依存せず減衰させるＮＤフィル
タと、このＮＤフィルタの下部に配置され該ＮＤフィル
タとの接触面に太陽光を通過させるスリットを形成して
なるプリズムと、このプリズムの下部に配置され該プリ
ズムによって分散する太陽光のうち特定の波長域の光だ
けを通過させるバンドパスフィルタと、このバンドパス
フィルタの下部に配置され前記スリットより所定間隔だ
け離間され該スリットと直交して配列され該スリットを
通過し回折した太陽光を受光する複数の受光部からなる
リニアアレイセンサと、このリニアアレイセンサからの
出力信号のピーク値を一定のレベルにする自動利得調整
回路と、この自動利得調整回路からの信号と所定のしき
い値とを比較する比較器と、前記リニアアレイセンサの
１個の受光部に相当する周波数の第１のクロックを生成
する第１のクロック生成手段と、この第１のクロック生
成手段で発生される第１のクロックの１／２周波数の第
２のクロックを生成する第２のクロック生成手段と、前
記第１及び第２のクロックを前記比較器で入力信号がし
きい値以下のとき第１のクロックを、しきい値以上のと
き第２のクロックを選択的に導出するクロック切換手段
と、このクロック切換手段から導出されるクロックを計
数するＮ（Ｎは自然数）ビット出力のカウンタと、上記
第２のクロックが最下位ビットに供給され他のビットに
は前記カウンタのビット出力が供給されるラッチ回路と
を具備し、このラッチ回路の出力データから太陽光の分
布の中心を求めて太陽入射角を検出するようにしたこと
を特徴とするデジタル太陽センサ。