JPS6275307A - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、人工衛星の姿勢制御および姿勢の計測のた
め、衛星と太陽のなす角度を検出するために用いられる
太陽センサに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、従来使用されているこの種のディジタル
太陽センサは大別して以下の２方式（１）■スリット型
ディジタル太陽センサ、（２）　　グレイコードパター
ンを使用するディジタル太陽センサ、 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６図に示すごとくスリットと７オトセル（
図示せず）からなる第１．第２のセンサ７１１１２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
離されるとともに、スピン軸Ｓに対して角度Ａ傾斜して
配設される。

このような構成において、衛星のスピンによす太陽光Ｓ
１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７図（＆）　、　（
ｂ）に示すよりなノ（ルス信号が出力される。そして、
これら）くルス信号の時間間隔Ｔ８およびＴ’ｓｓ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゜第２のセ
ンサｌｌ、１２を取り付ける際、これらがなす角θおよ
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、太陽方位角を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開用で
きないものであった。

一方、第８図は前記（２）の方式を示すものである。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。

角度θで入射した太陽光Ｓ、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の何れかを通過した光は対応するフォト
セル３６１によって受光される。このフォトセル３６１
からは入射＝「１」は入射せず＝「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、入力さ
れた信号のコードパターンより太陽方位角ＳＤが求めら
れる。

なお、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およ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３８．３９にも同様にフォトセル３６２
゜３６３が対向して設けられる。

これらフォトセル３６２，３６３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など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）の方式に比べて衛星に
対するセンナ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０．５゜の拡がり
を持った平行光線であるため、グレイコードの最小パタ
ーン幅を０．５°に相当する幅板上に細かくしても、太
陽像の拡がりにより分解能を同上させることができない
。

したがって、この方式では、太陽方位角を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０５°に相当する幅のパターンを幾つか用意し、
その配置を工夫することによって０．２５°程度の１４
度を実現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゜の拡が
り力埼青度向上を拘束しておシ、上記以上の検出精度を
望むことは困難なものであった。

〔発明の目的〕

この発明は上記従来の欠点を除去するためになされたも
ので、入射した太陽の位置を極めて高い精度で測定する
ことができ、３軸姿勢制御衛星などの高精度化が必要な
衛星に適用できる太陽センサを提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

この発明の太陽センサは、数多くの画素を一次元のライ
ン状に配置した一次元リニアアレイセンサによる検出器
を構成し、この検出器上にスリットを配置し、このスリ
ットを通過して検出器上に入射した太陽光の像を検出器
で検出し、その検出信号処理回路に入力して内挿計算し
、入射した太陽光の像の位置を決定するようにしたもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の太陽センサの実施例について説明する
が、まずディジタル太陽センサの光学系について説明す
る。第１図はこの発明の太陽センサの一実施例の光学系
の構成を示す斜視図であり、第２図は第１図の要部の構
成を説明するだめの図である。

この第１図において、遮光膜４１の中央部には遮光膜４
ノの長手方向と直交してスリット４２が設けられる。こ
のスリット４２は幅が１５０μｍ程度であり、たとえば
フォトレジストによる加工または機械的な加工によって
形成される。

この遮光膜４１はたとえば矩形状の石英あるいは光学ガ
ラスからなるプリズム４３の表面に設けられる。このプ
リズム４３の裏面部にはバンドパスフィルタ４４を介し
て、たとえばＣ０Ｄ（電荷転送素子）リニアアレイセン
サ４５が設けられる。

とのＣＣＤリニアアレイセンサ４５は第２図に示すごと
く、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ｔ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て検出
器が構成されている。

ＣＣＤ　ＩＪニアアレイセンサ４５はその画素数が多く
なればなるほど角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。たとえば、２０４８画素
を有するＣＣＤ　ＩＪ　ニアアレイセンサを使用した場
合、視野を±５０°とすると一画素当りの角分解能は０
．０５°となる。

なお、太陽光が前記プリズム４３内に入射すると、分散
が起り、波長によって屈折角が異なる現象を生ずる。前
記バンドパスフィルタ４４はＣＣＤリニアアレイセンサ
４５に入射する太陽光の波長を制限し、前記分散の影響
を少なくしている。

また、バンドパスフィルタ４４の透過波長域はＣＣＤ　
ＩＪ　ニアアレイセンサ４５の分光感度特性を考慮し、
たとえば６００±５　Ｑ　ｎｍ近辺に設定することが望
ましい。

次に、この太陽上ンサのディジタル信号処理回路の系に
ついて第３図、第４図を用いて説明する。

上記構成の光学系において、スリット４２を通過した太
陽光はプリズム４３、バンドパスフィルタ４４を介して
ＣＣＤリニアアレイセンサ４５によって受光される。こ
のＣＣＤリニアアレイセンサ４５に入射される太陽光の
強度分布；は、ＣＣＤ　ＩＪニアアレイセンサ４５のほ
ぼ中央部付近の場合、第４図（、）に示すようにガラス
分布に近い分布になる。この分布は入射角に依存しない
。

したがって、ＣＣＤリニアアレイセンサ４５の各画素に
は、第４図（ｂ）に示すごとく、入射された太陽光の強
度に対応した電荷が蓄積される。

このＣＣＤリニアアレイセンサ４５には、ＣＣＤ駆動回
路６１よシ、第４図（ｃ）に示すような１周期が１画素
に対応するクロック信号が供給されており、前記蓄えら
れた電荷はとのクロック信号によって順次出力される。

このＣＣＤリニアアレイセンサ４５よシ出力された信号
は増幅器６２に供給され、所定レベルに増幅される。こ
の増幅器６２の出力信号は自動利得制御回路（以下ＡＧ
Ｃという）６３に供給される。このＡＧＣ６Ｊは太陽光
の入射角によって光の強度が変化した場合においても、
常に一定の電圧値を保持するよう回路の利得を制御する
ものである。

つまり、光の強度はその入射角の余弦関数となるため、
入射角が大きくなると、垂直に入射した場合に比べて出
力が低下する。ＡＧＣ６ｊはこれを防止し、常に同一レ
ベルの電圧として同じ条件下で信号を処理し得るように
するものである。

このＡＧＣ６Ｊの出力信号はコンパレータ６４の一方の
入力端に供給される。コンパレータ６４の他方にはしき
い値電圧ｖＴＨが供給され、このしきい値電圧ＶＴＲと
入力された信号とが第４図（ｂ）に示すように比較され
る。

これによシ、第４図（ｄ）に示すように、入力された信
号がしきい値電圧”ＴＨ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、この信号は第１．第２のカウンタ６５．６６に供給
される。

これら第１．第２のカウンタ６５，６６は前記ＣＣＤリ
ニアアレイセンサ４５より電荷が出力されると同時に、
前記ＣＯＤ　、駆動回路６１よシ出力されるクロック信
号を計数するものであシ、この計数動作はコンパレータ
６４の出力信号によって停止される。

すなわち、第１のカラ／り６５はコン７くレータ６４の
出力信号が“０”レベルから“１ルベルに変化した場合
停止され、第２のカウンタ６６はコンパレータ６４の出
力信号が１１＃レベルから“０″レベルに変化した場合
停止される。

したがって、第４図（ｄ）に示すごとく、第１のカウン
タ６５にはコンパレータ６４の出力信号が“０″→“１
″に変化するＣＣＤリニアアレイセンサ４５の画素位置
ＸＩが計数保持され、第２のカウンタ６６にはコンパレ
ータ６４の出力信号が“１″→“０″レベルに変化する
画素位置Ｘ２が計数保持される。

第４図（ｄ）において、′０”はＣＣＤ　ＩＪニアアレ
イセンサ４５の一方の最端部画素位置を示している。

この動作はＣＣＤの一蓄積時間、すなわち、１ライン分
の画素をスキャンする時間毎に行われる。コンパレータ
６４のしきい値電圧は第３図に示すように一蓄積時間毎
にｎビットマルチプレクサ６７により電圧値を切り換え
る。

電圧値は基準電圧をＲ１からＲｎで示す抵抗分割などに
より設定することができ、ｎビットマルチプレクサ６７
の入力端子１からｎに一定電圧■ＴＨ１から”ＴＩ’Ｉ
ｎまでの電圧値が設定されている。ｎビットマルチプレ
クサ６７からの出力端子Ｏが６４コンパレータのしきい
値電圧入力端（非反転入力端）に接続されておシ、ｎ進
カウンタ６８によシー蓄積時間おきにカウントアツプし
、順次しきい値電圧をｖＴＨｌから■ＴＨ２゜ｖＴＨ３
１・・・、ｖＴＩＩｎの順で切シ換・える。しきい値電
圧■Ｔｌ１１からｖＴＴｌｎまで切り換える時間が１デ
ータ取得に要する時間である。

この動作により各しきい値電圧ｖＴＨ１からｖＴＨｎに
対応するＸＩ、Ｘ２の値がそれぞれｎ個ずつ（ＸＺＩＩ
−ｖＸＩｉ＋　・−・、ｘｎ）、（Ｘ２１＋−＊　Ｘ２
１　、”’　＋　Ｘ２ｎ　）取得されＲＯＭ　６９に入
力される。

このＲＯＭ　６９内ではこれらのデータ、すなわちｎ１
固のしきいイ直電圧ｖＴＨおよびＸＩ、Ｘ２を用いて、
あらかじめＲＯＭ　６９にプログラムされた以下の（１
）式により内挿計算を行い、太陽光の像（第４図（ａ）
）の中心位置Ｘｃを割シ出す。

Ｘｃ＝−一−−−−−−−−−−・・・・・・・・・（
１）この内挿計算を行うことにより、測定可能な円分解
能は一画素当りの円分解能以上の高精度化が可能であり
、データの数ｎ　ｆ、ｒ　増やせばそれたけ精度も向上
することになる。

このようＫして測定されたデータは出力回路７０を介し
衛星により決まり、所定のフォーマットで出力される。

１回の測定に要する時間は、ｎ蓄積時間であり、ＣＣＤ
の一蓄積時間が５　ｍ　ｓｅｃ程慶であることからｎ　
＝　８としても４０　ｍ５ｅｃと測定に要する時間も極
めて早く行われる。

壕だ、この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は、第５図に示すと
とくセンサの光学系を２個使用し、互いのスリッ）　４
２　、４．２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ＣＣＤ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種変形実施
可能なことは勿論である。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明の太陽センサによれば、内挿
計算により精度を飛躍的に向上させることができ、衛星
、特に３軸姿勢制御衛星などの高精度化が必要な衛星に
適用すると有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の太陽センサの一実施例における光学
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図はこの発明の太陽センサの
信号処理系の構成を示すブロック図、第４図は同上信号
処理系の動作を説明するための波形図、第５図はこの発
明の太陽センサの応用例を示す平面図、第６図は従来の
ディジタル太陽センサを説明するだめの概略構成図、第
７図は第６図のディジタル太陽センサを説明するだめの
波形図、第８図は第６図とは異なる従来のディジタル太
陽センサの概略構成を示す図である。 ４１・・・遮光膜、４２・・・スリット、４３・・・プ
リズム、４４・・・バンドパスフィルタ、４５・・・Ｃ
ＯＤリニアアレイセンサ、６１・・・ＣＣＤ　駆動回路
、６３・・・ｋＧＣ，６４・・・コンパレータ、６５，
６６・・・カウンタ、６７・・・ｎビットマルチプレク
サ、６８・・・ｎ進カウンタ、６９・・・ＲＯＭ、７０
・・・出力回路。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第２図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １次元リニアアレイセンサの上面にそれと直交するよう
   に配置したスリットを通過して入射した太陽光の像を検
   出する検出器と、この検出器で検出された検出信号を内
   挿計算によりディジタル的に処理して上記太陽光の像の
   入射位置を決定する処理回路とを具備する太陽センサ。