KR100341819B1 - 2 axis wide field-of-view sun sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양으로부터 방사되는 태양광선을 감지하여 변환, 증폭 처리하여 태양에 대한 방향데이터를 제공하는 2축 광역 아날로그 태양센서에 관한 것이다.The present invention relates to a two-axis wide-area analog solar sensor that detects, converts, and amplifies sunlight emitted from the sun to provide direction data for the sun.
이러한 2축 광역 아날로그 태양센서는, 태양광선의 입사각도에 따른 전류를 출력하는 다수의 태양전지들과, 상기 다수의 태양전지들의 출력전류를 증폭된 전압값으로 변환하여 출력하는 제1증폭기, 상기 제1증폭기의 출력전압을 이용하여 태양에 대한 자세정보를 획득하는 신호처리부, 및 상기 다수의 태양전지들이 부착되는 4측면을 포함하는 피라미드형 구조체를 포함한다.The two-axis wide-area analog solar sensor, a plurality of solar cells for outputting a current according to the angle of incidence of the sunlight, a first amplifier for converting the output current of the plurality of solar cells converted to an amplified voltage value, the It includes a pyramidal structure including a signal processor for obtaining attitude information about the sun using the output voltage of the first amplifier, and the four sides to which the plurality of solar cells are attached.
Description
본 발명은 인공위성의 자세를 측정하기 위해 사용하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 태양으로부터 방사되는 태양광선을 감지하여 변환, 증폭 처리하여 태양에 대한 방향데이터를 제공하는 2축 광역 아날로그 태양센서에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor used to measure the position of the satellite, and more specifically, to describe in more detail two-axis wide-area analog solar sensor that provides the direction data for the sun by detecting, converting, and amplifying the sunlight emitted from the sun It is about.
인공위성은 태양으로부터 지속적인 전력공급을 받기 위하여 안정적인 자세를 유지하여야 하며, 인공위성은 안정적인 자세를 유지하기 위하여 필수적으로 센서를 이용하여 자세를 측정하여야 한다. 이러한 중요성 때문에 하나의 인공위성에는 다수개의 자세측정센서들이 사용된다. 이러한 자세측정센서들은 소형, 경량이면서도 넓은 측정범위를 가져야 한다.The satellite must maintain a stable posture in order to receive continuous power supply from the sun, and the satellite needs to measure posture by using a sensor to maintain a stable posture. Because of this importance, a number of attitude sensors are used in one satellite. These attitude sensors must be small, lightweight, and have a wide measurement range.
인공위성의 자세측정을 위한 이러한 자세측정센서들은 우주환경에 존재하는 태양, 별, 지구자기장 등을 이용한다. 특히 이 중에서 가장 쉽게 얻을 수 있는 자세기준원은 태양광이며, 이 태양광을 이용한 자세측정센서를 태양센서라고 한다. 태양광 에너지는 지구 주변에서 단위 제곱미터당 1.4KW로서 우주공간에 있는 어떤 기준원보다 에너지가 커서 광학 자세측정센서의 기준원으로서 매우 적합하다.These attitude sensors for positioning satellites use the Sun, stars, and Earth's magnetic field in space. In particular, the most easily obtained attitude reference source is sunlight, and the attitude sensor using the sunlight is called a solar sensor. Solar energy is 1.4 KW per square meter around the earth, which is more energy than any reference source in outer space, making it an ideal source for optical attitude sensors.
즉, 태양으로부터 방사되는 태양광선이 위성에 장착된 태양전지의 슬릿을 통해 입사될 때 입사되는 태양광선의 각도에 따라 태양전지의 출력신호의 강도가 변화하는데, 이를 이용하여 태양에 대한 자세정보를 얻는다.That is, the intensity of the output signal of the solar cell is changed according to the angle of the incident sunlight when the solar radiation emitted from the sun is incident through the slit of the solar cell mounted on the satellite, using the attitude information about the sun Get
종래의 태양센서는 크기가 크고 구조와 회로가 복잡하며 무게가 무거워서, 소형화가 필수적인 인공위성에 장착하기에는 문제점이 많았다. 또한, 정밀도가 우수하면 동작범위가 좁고 동작범위가 넓으면 정밀도가 떨어지기 때문에 효율적으로 사용가능한 태양센서를 제작하기 어려운 문제점이 있었다.Conventional solar sensors are large in size, complex in structure and circuitry, and heavy in weight, and thus have many problems to be mounted on satellites requiring miniaturization. In addition, if the precision is excellent, the operating range is narrow, and if the operating range is wide, the accuracy is low, it is difficult to manufacture a solar sensor that can be used efficiently.
따라서, 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 소형, 경량, 간단한 구조로 제작이 가능하고 넓은 측정범위를 가지면서도 정밀도가 우수하여 인공위성 자세 측정용 센서로서 적합한 2축 광역 아날로그 태양센서를 제작하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the object of which is that it can be manufactured in a compact, lightweight, simple structure, has a wide measurement range and excellent precision, suitable as a sensor for satellite attitude measurement It is to manufacture 2-axis wide area analog solar sensor.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 주변환경인 지구나 달 등에 의한 복사광선에 의한 오 동작 가능성을 최소화하여 태양으로부터 태양광선만을 추출할 수 있는 2축 광역 아날로그 태양센서를 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a two-axis wide-area analog solar sensor that can extract only the sunlight from the sun by minimizing the possibility of malfunction due to the radiation by the earth or moon, which is the surrounding environment.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서의 구성 블록도,1 is a block diagram of a two-axis wide-area analog solar sensor according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서의 구조도,2 is a structural diagram of a two-axis wide analog solar sensor according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서의 출력특성을 도시한 그래프도이다.3 is a graph illustrating output characteristics of a biaxial wide area analog solar sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
10 : 태양전지(Solar cell) 20 : 제1증폭기(OP-AMP)10: solar cell 20: first amplifier (OP-AMP)
30 : 수광소자 40 : 제2증폭기(OP-AMP)30: light receiving element 40: second amplifier (OP-AMP)
50 : 신호처리부 60 : 전원부50: signal processing unit 60: power supply unit
110 : 구조체 120 : 인쇄회로기판110: structure 120: printed circuit board
130 : 수광소자 150 : 받침대130: light receiving element 150: pedestal
160 : 보호커버 140,170,180,190 : 태양전지160: protective cover 140, 170, 180, 190: solar cell
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서는, 피라미드형 구조체와, 상기 피라미드형 구조체의 4측면에 장착되어 태양광선의 입사각도에 따른 출력값을 출력하는 다수의 태양전지들과, 상기 다수의 태양전지들 중 적어도 상호 인접한 두 태양전지로부터의 출력값이 입력되면, 태양광선의 입사각도에 따른 태양전지 출력값 사이의 관계 그래프를 이용하여 태양에 대한 태양센서의 2축 자세정보를 획득하는 신호처리부와, 태양의 존재여부를 감지하여 상기 신호처리부에 제공하는 수광소자를 포함한다.A biaxial wide-area analog solar sensor according to the present invention for achieving the above object is a pyramidal structure, a plurality of solar cells mounted on the four sides of the pyramidal structure and outputs the output value according to the angle of incidence of sunlight; When the output values from at least two adjacent solar cells among the plurality of solar cells are input, the biaxial attitude information of the solar sensor with respect to the sun is obtained by using a relationship graph between the output values of the solar cells according to the incident angle of the sunlight. And a light receiving element which senses the presence of the sun and provides the signal processing unit.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 '2축 광역 아날로그 태양센서'에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail with respect to the 'biaxial wide analog solar sensor' according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서는 태양으로부터 방사되는 태양광선이 서로 다른 각도로 배치된 태양센서들로 입사될 때, 태양광선의 입사각도에 따라 태양센서에 부착된 태양전지의 출력전류가 변화하는 데 이를 신호처리하여 태양에 대한 방향 데이터를 얻는다.In the present invention, when the solar radiation emitted from the sun is incident to the solar sensors arranged at different angles, the output current of the solar cell attached to the solar sensor changes according to the incident angle of the sunlight, the signal processing the sun Get direction data for.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서의 구성 블록도이다. 이는 태양광선을 감지하여 입사된 광선전력에 따른 출력전류를 내보내는 태양전지(10)와, 상기 태양전지(10)의 출력전류를 증폭하는 제1증폭기(20), 외부에서 입사되는 빛의 강도에 따른 신호를 출력하는 수광소자(30)와, 상기 수광소자(30)의 출력신호를 증폭하는 제2증폭기(40)를 포함한다.1 is a block diagram of a two-axis wide-area analog solar sensor according to an embodiment of the present invention. The solar cell 10 detects sunlight and outputs an output current according to incident light power, the first amplifier 20 amplifying the output current of the solar cell 10, and the intensity of light incident from the outside. And a second amplifier 40 for amplifying the output signal of the light receiving element 30.
태양전지(10)로는 태양광선이 입사되는데, 입사되는 태양광선의 기울기(θ)에 따라서 유효입사면적이 달라지며 이로인해 광선전력이 변화한다. 태양전지(10)는태양광선의 입사 기울기에 따라 광선전력이 변화하면 이에 따라 변화하는 출력전류(Isc)를 제1증폭기(20)로 내보낸다. 제1증폭기(20)는 이 출력전류(Isc)를 외부에서 필요한 전압범위로 증폭하여 출력한다.Solar light is incident on the solar cell 10, and the effective incident area varies according to the inclination (θ) of the incident sunlight, thereby changing the light power. The solar cell 10 sends the output current Isc to the first amplifier 20 which changes according to the incident power gradient of the solar light. The first amplifier 20 amplifies and outputs this output current Isc to a voltage range required from the outside.
한편, 태양광선은 수광소자(30)로 입사되는데, 수광소자(30)는 입사되는 빛의 강도에 따른 신호를 출력한다. 제2증폭기(40)는 이 수광소자(30)의 출력신호를 증폭하여 출력한다. 즉, 수광소자(30)로는 태양광선뿐만 아니라 지구나 달의 복사광 등의 외부 잡음이 입사되는데, 수광소자(30)는 이를 감지하여 그에 따른 신호를 출력하고 제2증폭기(20)는 이 수광소자(30)의 출력신호를 증폭한 후 신호처리부(50)에 제공한다.On the other hand, the sunlight is incident on the light receiving element 30, the light receiving element 30 outputs a signal according to the intensity of the incident light. The second amplifier 40 amplifies and outputs the output signal of the light receiving element 30. That is, the light receiving element 30 receives not only sunlight but also external noises such as radiation of the earth or moon. The light receiving element 30 detects this and outputs a signal accordingly, and the second amplifier 20 receives the light. The output signal of the device 30 is amplified and provided to the signal processor 50.
이때, 태양광선의 에너지는 다른 복사광들의 에너지보다 훨씬 크기 때문에, 신호처리부(50)는 태양광선과 다른 잡음광들을 구분할 수 있다. 또한, 제1증폭기(20)의 출력전압은 신호처리부(50)에 입력되며, 신호처리부(50)는 도 3의 도시된 바와 같은 제1증폭기의 출력전압에 따른 태양광선의 입사각도와의 관계 정보를 가지고 있다가, 제1증폭기로부터 출력전압이 입력되면 이 신호들을 이용하여 태양에 대한 자세정보를 획득한다.At this time, since the energy of the sunlight is much greater than the energy of the other radiation, the signal processor 50 may distinguish between the sunlight and other noise light. In addition, the output voltage of the first amplifier 20 is input to the signal processor 50, the signal processor 50 is the relationship information of the incident angle of the sunlight according to the output voltage of the first amplifier as shown in FIG. When the output voltage is input from the first amplifier, the attitude information about the sun is obtained using these signals.
이와 같이 본 발명에서는 초단증폭기와 종단증폭기를 따로 사용하지 않고 초단증폭기 하나로 신호를 처리하여 최대한 경제적인 회로가 되도록 설계하였다. 또한, 수광소자(30)의 출력신호를 이용하기 때문에 태양의 존재유무에 대한 측정범위를 확대할 수 있으며, 태양광 이외의 지구 복사광 등 외부 잡음에 대한 오 동작을 감소시킬 수 있다. 회로의 각 구성요소에 필요한 전력은 전원부(60)에 의해서 공급된다.As described above, the present invention is designed to be the most economical circuit by processing the signal with one of the ultra-short amplifiers without separately using the ultra-short and terminal amplifiers. In addition, since the output signal of the light receiving element 30 is used, the measurement range for the presence or absence of the sun can be expanded, and the malfunction of external noise such as earth radiation light other than the sunlight can be reduced. Power required for each component of the circuit is supplied by the power supply unit 60.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 2축 광역 아날로그 태양센서의 구조도이다. 본 발명에서는 중공된 피라미드형 구조체(110)를 기본으로 사용한다. 중공된 피라미드형 구조체(110)의 4측면에는 4개의 태양전지들(140, 170, 180, 190)이 각 면에 하나씩 부착되고, 구조체(110) 내부에 증폭기가 장착된다. 이때, 구조체(110)를 중공했기 때문에 태양센서를 경량화시킬 수 있다.2 is a structural diagram of a biaxial wide area analog solar sensor according to an embodiment of the present invention. In the present invention, the hollow pyramidal structure 110 is used as a base. Four solar cells 140, 170, 180, and 190 are attached to each side of the hollow pyramid-shaped structure 110, and an amplifier is mounted inside the structure 110. At this time, since the structure 110 is hollow, the solar sensor can be reduced in weight.
상기한 피라미드형 구조체(110) 내부에는 전자회로가 실장된 인쇄회로기판(120)이 장착되며, 4개의 태양전지들(140, 170, 180, 190)의 신호선들이 이 인쇄회로기판(120)에 연결된다. 수광소자(130)는 구조체(110)의 정상에 장착되는 바, 넓은 범위의 입사각에 대하여 태양의 존재를 확인할 수 있다.In the pyramid-shaped structure 110, a printed circuit board 120 in which an electronic circuit is mounted is mounted, and signal lines of four solar cells 140, 170, 180, and 190 are mounted on the printed circuit board 120. Connected. The light receiving element 130 is mounted on the top of the structure 110, so that the presence of the sun can be confirmed for a wide range of incidence angles.
구조체(110)를 태양센서에 쉽게 고정하기 위하여 받침대(150)를 사용한다. 받침대(150) 및 구조체(110)는 신축성이 있는 재질의 보호커버(160)에 의해 보호되는 바, 측정완료 후 또는 이동시 외부의 먼지나 위험으로부터 태양전지(140)와 구조체(110)를 보호한다.The pedestal 150 is used to easily fix the structure 110 to the solar sensor. The pedestal 150 and the structure 110 are protected by the protective cover 160 made of a stretchable material. The pedestal 150 and the structure 110 protect the solar cell 140 and the structure 110 from external dust or danger after completion of measurement or movement. .
도 3은 태양광선의 입사각도(θ)에 따른 서로 마주보는 두 태양전지들(140, 180)의 두 출력전압(Vout) 사이의 관계를 나타내는 그래프도이다. 이 출력전압은 1V로 정규화되었다. 도 3의 그래프도에서, 곡선(31)은 태양전지(140)의 출력전압을 나타내고 곡선(32)은 태양전지(180)의 출력전압을 나타낸다.FIG. 3 is a graph illustrating a relationship between two output voltages Vout of two solar cells 140 and 180 facing each other according to an incident angle θ of sunlight. This output voltage is normalized to 1V. In the graph of FIG. 3, curve 31 represents the output voltage of solar cell 140 and curve 32 represents the output voltage of solar cell 180.
또한, 마주보는 다른 한 쌍의 태양전지들(170, 190)에 대해서도 동일한 동작원리가 적용되는 바, 2축에 대한 측정이 가능하다.In addition, the same operation principle is applied to the other pair of solar cells 170 and 190 facing each other, and thus the measurement on two axes can be performed.
도 1에서 알 수 있듯이, 태양전지의 출력전류(Isc)는 'Isc ∝ cosθ(θ는 태양광선의 입사각도)'이며, 제1증폭기(20)의 출력전압은 'Vout = K·Isc(K는 제1증폭기의 증폭도)'이다. 즉, 신호처리부(50)에 출력전압이 인가되면 이 출력전압으로 태양광선의 입사각도를 알 수 있으며, 이를 이용하여 태양에 대한 자세 정보를 알 수 있게 된다.As can be seen in FIG. 1, the output current Is of the solar cell is 'Isc ∝ cosθ (θ is the incident angle of the sunlight), and the output voltage of the first amplifier 20 is' Vout = K · Isc (K Is the amplification degree of the first amplifier). That is, when an output voltage is applied to the signal processing unit 50, the output angle of the solar ray may be known using the output voltage, and the attitude information of the sun may be obtained using the output voltage.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only for describing the best embodiment of the present invention and not for limiting the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 크기와 무게를 줄이면서도 넓은 범위의 태양입사각에 대하여 동작하며, 다른 외부 잡음광에 대한 오동작 가능성이 없는 초소형 인공위성 자세 측정용 2축 광역 아날로그 태양센서를 제공할 수 있는 잇점이 있다.As described above, according to the present invention, while operating in a wide range of solar incidence while reducing the size and weight, it is possible to provide a two-axis wide-area analog solar sensor for measuring the small satellite satellite attitude without the possibility of malfunction to other external noise light There is an advantage.
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- 1999-07-30 KR KR1019990031402A patent/KR100341819B1/en not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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