JPH02236108A - 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】

［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えば、人工衛星の姿勢決定や姿勢制御に利
用される太陽センサに関する。 （従来の技術） 一般に、人工衛星等の宇宙航行体は、その航行中に姿勢
制御が必要であり、その目的のために、太陽光の入射角
を検出する太陽センサが宇宙航行体に搭載されている。 第９図は、従来の太陽センサの構成を示す図である。 図中（１）は光透過孔で、細長のスリットで形成されて
おり、遮光面（２）に入射する太陽光はこの光透過孔（
１）を通過する。太陽光は光透過孔（１）を通過する際
回折され、第１０図（ａ）に示すような太陽光強度分布
で光検出器（３）に入射する。 光検出器（３）では、光検出素子として例えばフォトダ
イオード（４）が用いられ、複数のフォトダイオード（
４）が前記光透過孔（１）の長手方向に対して垂直方向
に一直線上に並べられている。 光検出器（３）を構成する各フォトダイオード（４）は
、入射する太陽光の強度に比例した電気信号を出力する
。 この電気信号は、信号処理回路（５）に供給される。こ
の信号処理回路（５）は、先ずフォトダイオード（４）
から出力された電気信号を各フォトダイオード（４）の
素子ごとに量子化し、第１０図（ｂ）に示すデジタル信
号に変換する。次に、量子化された信号を基準レベル以
上か以下かで２値化する。例えば、第１０図（ｃ）に示
すように、ある基準レベル以上の信号の場合には“１“
　そのレベル未満の信号の場合には“０“という２値の
信号に変換する。 この後、前記２値の信号が“０”から“１”および“１
“から“０゜にそれぞれ変化する位置をχ，．χ，とし
、その中点χＣを求めることにより、第１０図（ａ）の
太陽光強度分布の中心位置に相当する光検出器（３）上
の位置が得られ、この位置から太陽光の入射角を導出す
る。 この方式によれば、信号処理回路（５）で光検出器（３
）上に生じる太陽像の中心がどの位置に柑当゛するかを
算出し、精度よく太陽光の入射角を得ることができる。 しかし、人工衛星等の宇宙航行体の姿勢制御には、互い
に直交する太陽角の２軸成分の角度情報を得る必要があ
る。 そこで、２軸成分の角度情報を得るために、第１１図に
示すように、前記したような太陽センサを２台使用し、
それを光透過孔（１）の長手刀向が互いに直交するよう
に組み合わせ、ａｌｌ定を行っていた。したがって、光
検出器が２個必要で、太陽センサ自体が大型化し、人工
衛星への搭載物をできるだけ少なくするという観点から
問題があり、また、コストもかかってしまうという欠点
があった。 （発明が解決しようとする課題） 上述した様に、従来の太陽光人射角の２軸成分を１１１
１定する太陽センサは大型でコストもかかってしまうと
いう欠点があった。そこで、本発明は、上記の問題点に
鑑みて発明されたもので、１個の光検出器だけで２軸成
分を計測できる太陽センサを提倶することを目的とする
。 ［発明の構成］ （発明を解決する手段） 上記目的を達成するために本発明の太陽センサにあって
は、三角形の形状の開口又は、Ｖ字型に配置された２本
の細長状の光透過スリットで形成された光透過孔を遮光
面に設け、前記遮光面と所定の間隔をおいて前記遮光面
と平行になるように光検出器を配置し、この光検出器か
らの出力信号から信号処理回路で太陽光人射角の２軸成
分を算出するように構成されている。 （作　用） 遮光面に三角形の形状に開口が形成された光透過孔を通
過した太陽光は、前記遮光面と所定の間隔をおき、なお
かつ平行になるように配置された光検出器に入射する。 前記太陽光は、光透過孔を通過するときに回折され、太
陽光の強度に応じた分布が光検出器上に生ずる。 この光検出器には、複数の光検出素子が一直線上に並べ
られ、各光検出素子は、入射する太陽光の強度に比例し
た電気信号を出力する。 この電気信号は信号処理回路に供給される。 太陽光人射角の２軸成分のうち１軸方向の成分は、前記
光検出器上の複数の素子のうち、太陽光が入射する素子
数を信号処理回路で求め、三角形の相似関係を使い算出
される。 また、他方の前記１軸成分と直交する方向成分は、信号
処理回路で前記太陽光強度分布の中心位置が、前記複数
の素子のうち、いずれの素子の位置に相当するかを算出
することにより求めることができる。 更に、前記遮光面に形成される光透過孔が、■字型のス
リットである場合、太陽光が前記スリットを通過したと
き、光検出器上に生ずる２つの太陽光強度分布により、
太陽光入射角の２軸成分を求めることができる。 （実施例） 以下、本発明に係る太陽センサの第１の実施例を第１図
で説明する。 （１）は光透過孔で、遮光面（２）に入射した太陽光は
二等辺三角形の形状に形成されている。 遮光面（２）に入射した太陽光はこの光透過孔（１）を
通過する。 光透過孔（１）を通過した太陽光は回折され、光検出器
（３）に入射する。この光検出器（３）は、前記遮光面
（２）と所定の間隔をもち、なおかつ平行になるよう配
置されている。 光検出器（３）では、光検出素子として例えばフォトダ
イオード（４）が用いられており、複数のフォトダイオ
ードの各素子が、前記光透過孔（１）の二等辺三角形の
線対称軸Ｊｊ向と垂直になるよう一直線上に並べられて
いる。 第２図は、太陽光が前記光透過孔を通過したとき、光検
出器上に写る太陽像と光検出器上のフォトダイオード（
４）との位置関係を示す。 △ＯＰＱは太陽光が遮光面と垂直に入射したときに生ず
る太陽像で、点Ｓは、△ＯＰＱの項点Ｑを通り、線分Ｏ
Ｐと垂直に交わる線分ＲＱの中点である。 光・検出器、前記フォトダイオード（４）の素子列の中
心を原点とし、フォトダイオード（４）の素子列方向と
垂直な方向をχ軸，素子列方向をｙ軸とする。 第１図で太陽光が入射した光検出器（３）の各フォトダ
イオード（４）は入射した太陽光の強度に比例した電気
信号が出力される。この電気信号は、信号処理回路（５
）に供給され、ここで、太陽光の入射角のχ軸方向成分
及びｙ軸方向成分が算出される。ここで、その人射角の
２軸成分の算出方法を第３図及び第４図を用いて説明す
る。 第３図で、実線で示された三角形（８）は、太陽光が第
１図の遮光面（２）に対して垂直に入射した場合に、光
検出器（３）のフォトダイオード（４）の素子列に写る
太陽像を示す。また、一点鎖線で示された三角形（９）
は、太陽光が図中のχ軸のプラス方向からマイナス方向
に向かって入射した場合の太陽像を示し、点線で示され
た三角形（１０）は、太陽光がχ軸のマイナス方向から
プラス方向に入射した場合の太陽像を示す。 太陽光の入射角のχ軸方向成分は、光検出器上のフォト
ダイオードの複数素子のうち、太陽光が入射する素子の
数が、入射角により異なることから求めることができる
。例えば、太陽光が入射する素子の数が少ない場合は、
太陽光がχ軸のプラス方向からマイナス方向に入射した
場合であり、多い場合は、太陽光がχ軸のマイナス方向
に入射した場合である。 いま、入射角のχ軸方向成分の大きさをαとする。第４
図でΔＯＰＱは、第３図の（９）のように、太陽光がχ
軸のプラス方向からマイナス方向に入射した場合に写る
太陽像である。線分ＯＰの中点Ｒと頂点Ｑとを結ぶ線分
ＲＱの中点をＳとし、この点Ｓとフォトダイオード（４
）の素子列の中心との距離をΔχとすると、 ｔａｎ　　α一　（Δχ／Ｈ） （ただし、Ｈは光透過孔と光検出器間距離）となる。 もし、αが微少ならば α一　（Δχ／Ｈ） ・・・・・・・・・■ と近似できる。■式で、Ｈは既知の値であるから、Δχ
を求めることによりαは算出できる。 ところでΔχは、△ＯＰＱとΔＴＵＱが相似の関係にあ
ることから Δχ一　（Ｂ／２）　　−ｂ −　　ｌ　　（１／２）　　−　　（ａ／Ａ）ｌ　　Ｂ
・・・・・・・・・■ （ただし、Ｂ−ＲＱ，Ａ−ＯＲ，ｂ−ＵＱ，ａ　■ＴＵ
／２） で求められる。■式で求めたΔχを■式に代入すること
によりαは、 ａ＝　　（Ｂ／Ｈ）　　（　　（１／２）　　　　（ａ
／Ａ）１−ｋ，　　　ｆ　　（１／２）．　　　（ａ／
ｋｔ　　））・・・・・・・・・■ （ただし、ｋ，，ｋ，は定数） で求まる。ａは信号処理回路において太陽光が入射する
フォトダイオード（４）上の素子の数から算出される。 なお、αが■式のように近似ができない場合は、ｔａｎ
αをαの多項式に近似し■式を用いαを算出する。 次に入射角のｙ軸方向成分の算出方法を第５図で説明す
る。図中βは、入射角のｙ軸方向成分の大きさである。 光検出器（３）上に入射する太陽光の強度分布は、図中
（ω）のようになり、前記光検出器（３）は、この太陽
光の強度に比例した信号を出力し、信号処理回路へ供給
する。ここで、信号の処理がなされ、前記強度分布（ω
）の中心に相当する素子位置を得る。 いま、前記フォトダイオード（４）の素子列の中心を原
点とし、ここから前記強度分布（ω）の中心に相当する
素子位置までの距離をｙｃとすると、ｔａｎβ一（ｙ　
　／Ｈ） Ｃ （ただし、Ｈは光透過孔と光検出器間距離）となる。 もし、βが微少ならば、 β一　（ｙｃ／Ｈ） ・・・・・・・・・■ と近似できる。■式で、Ｈは既知の値であるから、信号
処理回路でｙ　を得ることによりβは算出でＣ きる。 なお、βが■式のように近似できない場合、ｔａｎβを
βの多項式に近似し■式を川いβを算出する。 以上の方法により、太陽光の入射角の２軸成分の大きさ
α，βを求めることができる。 第６図は本発明の第２の実施例を示す図である。 図中（１）は光透過孔である。この光透過孔（１）は、
細長のＶ字型のスリットで形成される。 光検出器（３）及び信号処理回路（５）の機能，χ軸．
ｙ軸の座標系は、前記第１の実施例と同様であるので、
ここでは説明を省略する。 はじめに太陽光の入射角のχ軸方向成分の算出方法を説
明する。第７図は、光検出器のフォトダイオード（４）
上に写る太陽像とフォトダイオ−ド（４）との位置関係
を示している。この図からわかるように太陽光は、フォ
トダイオード（４）１２ケ所に入射する。この入射位置
が、フォトダイオード（４）の素子列中のいずれの位置
であるかを検出し、この２ケ所の素子間の距離を求めれ
ば、入射角のχ軸方向成分を算出できる。 次に、入射角のｙ軸方向成分βの算出方法について説明
する。第８図で示すように、２つの光透過孔（１）を通
過した太陽光は、（１１　）（　１　ｒ　）のような強
度分布で光検出器（３）に入射する。 光検出器（３）からは、太陽光の強度に比例した信号が
出力され、この信号が信号処理回路に供給される。 信号処理回路では、洪給された信号の処理がなされ、そ
れぞれの強度分布の中心に相当する素子位置を求め、そ
の後は第１の実施例でｙ軸方向成分を求めた方法と同様
の方法でβを算出する。

【発明の効果】

以上詳述したように、本発明によれば１台の光検出器で
太陽光の入射方向を計測でき、小型の太陽センサを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る太陽センサの第１の実施例の構
成を示す斜視図、第２図．第３図．第４図は、本発明の
第１の実施例における太陽光の入射角のχ軸方向成分の
算出方法を説明する図、第５図は、本発明の第１の実施
例における太陽光の入射角のｙ軸方向成分の算出方法を
説明する図、第６図は、本発明の第２の実施例の構成を
示す斜視図、第７図は、本発明の第２の実施例における
太陽の入射角のχ軸方向成分の算出方法を説明する図、
第８図は、本発明の第２の実施例における太陽光の入射
角のｙ軸方向成分の算出方法を説明する図、第９図は、
従来の太陽センサを示す斜視図、第１０図は、従来の太
陽センサにおける太陽光の入射角の算出方法を説明する
図、第１１図は、従来の太陽センサを説明するための図
である。 １．光透過孔 ２．遮光面 ３． 光検出器 ４． フォトダイオ− ド ５． 信号処理回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）開口が三角形の形状に形成された光透過孔を備え
   た遮光面と、前記遮光面に所定の間隔をおき、前記遮光
   面と平行になるよう一直線上に配置され、前記光透過孔
   を透過した光を検出する光検出器と、この光検出器に入
   射する太陽光の入射角度を前記光検出器からの出力信号
   より算出する信号処理回路とを具備することを特徴とす
   る太陽センサ。
2. （２）前記遮光面に形成される光透過孔がＶ字型のスリ
   ットである請求項１記載の太陽センサ。