KR100239868B1 - 인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조 및신호처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공위성의 자세각 측정을 위한 정보를 제공하는 디지탈 태양센서에 관한 것으로 기존의 디지탈 태양센서가 정확한 태양의 위치각을 계산하는데 제한이 있어 이를 없앤 것이다.

이같이 디지탈 태양센서의 정확도를 높이기 위하여 파인비트 4개를 순차적으로 스위칭하여 계단파를 얻은 후 이를 퓨리에 급수로 변환하여 공간적인 각 정보를 시간적인 정보로 대치하므로써 태양의 입사각을 정확히 계산해 낼 수 있는 것이다.

Description

인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조 및 신호처리 방법

본 발명은 인공위성의 자세각 측정을 위한 정보를 제공하는 디지탈 태양센서에 관한 것으로, 자세히는 간단한 구조 및 방식에 의거 태양의 입사각을 정확하게 계산할 수 있도록 하므로써 인공위성 자세 제어 시스템의 정확도를 향상시키는 인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조 및 신호처리 방법에 관한 것이다.

디지탈 태양센서는 인공위성의 자세 제어 시스템의 핵심요소이며 입사되는 태양광선을 감지하여 인공위성의 상대적인 자세각을 측정하는 센서로써 비교적 정확도가 높고 간단하여 많이 이용되고 있는 실정이다.

디지탈 태양센서는 유리판 상부의 입력슬릿을 통하여 수광된 태양광선이 다양한 형태의 그레이 코드(Gray Code)를 통한 후 태양전지에서 검출되도록 구성되어있다.

그러나 그레이 코드를 이용하여 태양빛의 입사각을 계산하는데는 한계가 있으며 그 이유는 태양이 완전한 점광원이 아니기 때문이다.

본 발명은 인공위성이 자세각 측정을 위한 보다 정확한 정보를 제공하고자 한 것으로 디지탈 태양센서에서 태양빛의 공간적인 각 정보를 검출하여 이를 시간적인 정보로 변환시킴으로써 태양의 입사각을 정확하게 계산하여 인공위성 자세 제어 시스템의 정확도를 향상시키는 것이다.

제1도는 본 발명의 디지탈 태양센서 구조도

제2도는 본 발명의 파인비트 배열형태도

제3도는 본 발명의 파인비트 출력신호

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 디지탈 태양센서 10 : 유리판

11 : 입력슬롯 20 : 그레이코드

21 : 출력슬롯 22 : 파인비트

30 : 태양전지

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 디지탈 태양센서 구조도로써 디지탈 태양센서(1)는 유리판(10)의 상부에 형성된 입력슬릿(11)을 통하여 입사된 태양빛이 그레이코드(20)를 거쳐 태양전지(30)에서 검출하도록 구성된다.

여기서 유리판(10) 상부는 입력슬릿(11)이외의 부분은 불투명 처리하고 입력슬릿(11)의 상부에는 빚을 모아주는 렌즈(12)를 형성한다.

따라서 태양빛은 입력슬릿(11)을 통해서만 유리판(10) 내부로 통과되고 유리판(10) 하부에 형성된 그레이코드(20)를 통과하게 된다.

이때 그레이코드(20)는 다양한 크기 및 형태를 갖는 출력슬릿(21)으로 형성시기되 출력슬릿(21)을 규칙적으로 배열하고 상기 유리판(10)저면에는 태양빛을 감지하는 탱양전지(30)을 부착시킨다.

따라서 태양빛은 입력슬릿(11)과 그레이코드(20)의 출력슬릿(21)을 통하여태양전지(30)에 도달되므로 태양과 디지탈 태양센서(1)의 위치에 따라 태양빛이 그레이코드(20)의 출력슬릿(21)을 선택적으로 통과하게 된다.

즉 태양과 디지탈 태양센서(1)의 위치에 따라 출력슬릿(21)을 통과하는 태양빛이 선택되므로 태양전지(30)에서 이를 감지할 수 있게 된다.

이같이 그레이코드(20)의 출력슬릿(21)을 통과하는 태양빛을 태양전지(30)에서 검출하여 태양빛의 입사각을 계산하게 되고 이 계산된 값을 이용하여 인공위성의 자세를 제어하게 되나 태양은 완전한 점광원이 아니기 때문에 태양의 입사각을 정확하게 계산하는데는 제한이 따르게 된다.

따라서 본 발명은 그레이코드(20)의 마지막 코드 다음에 파인비트(22)를 공간적으로 배열한 후 파인비트(22)를 통하여 태양전지(30)에서 검출된 태양빛을 이용하여 태양빛의 입사각을 정확히 계산하도록 한다.

본 발명 파인비트(22)의 배열형태는 제2도에 도시된 바와 같으며 파인비트(22)의 폭과 파인비트(22)사이의 간격을 입력슬릿(11)의 폭과 동일하게 하고 다른열의 파인비트(22)와는 광학적으로 0.5˚씩 차이를 갖도록 배열한다.

즉 입력슬릿(11)의 폭과 동일한 폭을 갖는 파인비트(22)를 4열(F1-F4)로 배열시키되 입력슬릿에서 외축으로 갈수록 파인비트의 폭은 광학적으로 0.5도의 간격을 유지하도록 한다.

파인비트(22)사이의 간격 또한 입력슬릿(11)의 폭과 동일하게 배열시키되 4열(F1-F4) 파인비트(22)는 입력슬릿에서 외축으로 갈수록 파인비트의 간격을 광학적으로 0.5˚ 차이를 갖도록 배열한다.

여기서 광학적인 0.5도의 의미는 입사된 태양빛이 입력슬릿(11)을 통과하여 출력슬릿(21)에 상이 맺힐 때 입사된 태양빛의 각도 및 입력슬릭(11)과 출력슬릿(12) 사이의 두께에 따라서 맺히는 상의 폭과 간격이 변화하게 되므로 여기서 광학적인 0.5도란 태양빛의 입사각을 의미한다.

상기 파인비트(22)를 통과한 태양빛은 태양전지(30)에서 검출되어지고 태양전지(30)에서 검출되어지는 값은 태양과 디지탈 태양센서(1)의 위치에 따라 각기 다른 값으로 검출되어진다.

예를 들어 입력슬릿(11)을 통과한 태양빛이 제2도의 (a)구역에 위치했을 때 파인비트(F1,F2,F3,F4)의 출력신호는 전자회로부에 입력되어 고속 스위칭회로를 통과한 후 제3도의(1)와 같은 출력신호를 얻을 수 있게 되고 동일하게 제2도의(b)구역에 위치하면 제3도의 (2)와 같은 출력신호를 얻을 수 있게 된다.

제3도는 시간에 따른 파인비트(F1,F2,F3,F4)의 출력신호를 나타내고 있는 것으로 태양의 위치에 의해 입사되는 태양빛의 상이 제2도의 a로 정의된 영역에 상이 맺히고 있을 경우 파인비트(F1,F2,F3,F4)의 출력신호(V)를 순차적으로 스위칭하여 생성된 신호는 제3도의 (1)과 같이 표시되고, 제2도의 b,c,d로 정의된 영역에 상이 맺히고 있는 경우는 제3도의 (2)(3)(4)로 각각 표시된다.

인공위성의 움직임에 비해 스위칭 회로의 주파수 속도가 상대적으로 매우 빠르기 때문에 순간적으로 현재 인공위성의 위치에서 태양센서로 입력되는 태양빛의 입사각을 측정하게 되는 것이다.

따라서 제3도의 x 축에 나타낸 t는 시간을 나타내고 있으나 여기서의 시간은 스위칭 회로에서의 시간을 의미하며 y 축은 전압을 나타내고 있다.

즉 전자회로적으로 파인비트(F1,F2,F3,F4)의 신호를 계속적으로 빠르게 스위칭하면서 신호를 생성하게 되므로 제3도는 시간에 따른 스위칭 출력신호를 나타내게 되며 태양의 위치가 고정되어 있으면 상기 스위칭 출력신호도 고정되어 나타나고, 태양의 위치가 변화하여 입사각이 바뀌면 스위칭 출력신호도 위상이 변화되어 나타나게 된다.

여기서 제3도에 표시된 V는 파인비트(Fl,F2,F3,F4)에서 출력되는 전압신호를 의미하는 것으로 여기서는 절대값이 중요치 않고 태양빛이 파인비트를 완전히 통과하는 경우에 최대값이 출력되며, 파인비트의 절반을 통과하면 최대값의 반이 출력되는 것을 나타내고 있다.

또한 제3도의 (1),(2),(3),(4)그림은 태양빛이 기준위치(수직)에서 각각 0도, 0.5도, 1도, 1.5도로 입사되었을 때 출력되는 신호를 나타낸 것이다.

본 발명은 파인비트(22)를 통하여 얻어지는 출력신호 정보를 이용하여 정밀한 태양광 입사각을 계산해 낼 수 있도록 한 것으로 중요한 원리는 2˚주기 내의 입사각 함수f(α)를 대응하는 시간함수 A(t)로 전환하는 것이다

즉 파인비트(22)가 형성된 각각의 열에서 얻어지는 출력신호를 수학적으로 표 현하면

F1 = K(1 - cosα_e),

F2 = K(1 - sinα_e),

F3 = K(1 + cosα_e),

F4 = K(1 + sinα_e) 로 주어진다.

여기서 αe = 360˚ /2˚× α 이며 α는 0˚ ∼2˚사이 값이다.

만약 태양의 위치가 제2도에 정의된 a,b,c,d 영역에 각각 존재할 때, 상기된 4개 신호를 순차적으로 스위칭하면 제3도와 같은 계단파 신호를 얻을 수 있으며 이러한 계단파 신호는 다음과 같은 1차 퓨리에(Fourier)급수로 표현될 수 있다.

A(t) = a₁cos wt + bl sin wt

여기서 각각의 계수는 a₁=[- I₁+ I₂+ I₃- I_4]

b₁=Kcos(α_e- 45˚)로 주어지고

이를 다시 정리하면 A(t) =K sin(wt-αe)를 얻게 된다.

윗식에서 알 수 있듯이 각도의 측정을 시간간격의 측정으로 대치시킴으로써 정확한 태양의 입사각 계산이 가능하다.

따라서 본 발명은 시간정보를 추출하기 위해 저역통과필터를 이용하여 제3도에 도시된 계단파를 저역통과필터에서 정현파로 변환시킨 후 상기 정현파를 기준 정현파와 비교시켜 기준 정현파와의 위상차를 검출해 내고 이 위상차를 이용하여 태양의 입사각을 완벽하게 계산해 낼 수 있다.

즉 본 발명은 파인비트(22)에서 얻어진 계단파를 저역통과필터에 인가시켜 정현파로 변환시킨 후 이를 다시 기준 정현파와 비교하여 위상차를 구비하여 각 정보를 추출해내므로써 태양의 입사각을 정확히 계산해 낼 수 있게 된다.

따라서 태양의 입사각 계산을 정확히 할 수 있어 인공위성의 자세제어시스템의 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 사각 유리판의 상부에 입력슬릿을 형성하고 그 이외는 불투명 처리하며 유리판하부에 출력슬릿으로된 그레이 코드를 형성하고 그 하부에 태양전지를 배치시킨 디지탈 태양센서에 있어서, 상기 그레이 코드의 일측에 4열의 파인비트를 형성시키고 상기 파인비트를 통과한 태양빛은 태양전지에서 계단파로 검출한 후 이를 저역통과필터에서 정현파로 변환시키며, 상기된 정현파는 비교기에서 기준 정현파와 비교하여 각 정보를 추출하게 구성한 것을 특징으로 하는 인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조.
2. 제1항에 있어서, 파인비트의 길이폭은 입력슬릿의 폭과 같고 같은 열의 파인비트와의 간격도 입력슬릿의 폭과 같게 형성시킨 것을 특징으로 하는 인공위성자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조.
3. 제1항에 있어서, 제1열의 파인비트와 다음열의 파인비트는 0.5˚차이를 두고 배열한 것을 특징으로 하는 인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 구조.
4. 디지탈 태양센서의 그레이코드에 형성시킨 4개의 파인비트를 순차적으로 스위칭하여 계단파 파형을 얻어내고 상기 계단파를 퓨리에 급수로 변환시켜 공간적인 각 정보를 시간적인 정보로 대처하는 것을 특징으로 하는 인공위성 자세 제어용 디지탈 태양센서의 신호처리 방법.