JPS63265109A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は人工衛星の姿勢制御に用いられる太陽センサに
係り、特に１次元リニアＣＯＤ　（ＣｈａｒｇｅＣｏｕ
ｐｌｃｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた太陽センサの改良に
関する。

（従来の技術） 従来の太陽センサとしては、例えば第５図に示すものが
知られている。第５図において、符号３３は適宜厚さの
光学部材であり、この光学部材３３の厚さ方向−側面（
受光面）にはスリット３２が形成しである。太陽光はこ
のスリット３２を介して光学部材３３内に導入されて入
射光３６となり、この入射光３６は光学部材３３の前記
−側面に対向する他側面を照射する。この他側面にはグ
レイコードパターン３４が形成してあり、入射光３６の
うちグレイコードパターン３４を通過した光がフォトセ
ル３５によって検出される。

即ち、他側面における入射光３６の照射位置がグレイコ
ードに符号化される６図示例では００１１”と符号化さ
れ、その内容によって太陽がどの方向にあるかが解るよ
うになっている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、人工衛星の１点から太陽をみた角度（これを
太陽のディスクという）は約０．５度であるから、第５
図に示した太陽センサにおいては、入射光３６の入射角
度が約０．５度変化したときグレイコードの符号内容が
変化するように、光学部材３３の厚さおよびグレイコー
ドパターン３４の配置態様が定められている。即ち、グ
レイコードパターンを用いた太陽センサでは角度分解能
は０、５度であり、それ以上の角度分解能を得るには新
たに検出パターンを付加するか、あるいは回折格子を付
加する必要があり、構造が複雑化するという問題点があ
る。

そこで、簡素な構造でもって角度分解能を高めることが
できる太陽センサとして例えば第６図に示すものが提案
され実用化されている。第６図に示す太陽センサは、光
学部材３８を挟んだ両側にスリット３７と１次元リニア
ＣＣＤ　（以下、単にｒＣＣＤＪという）３９とを直交
配置したもので、ＣＣＤの画素間隔が前記０．５°とな
るようにスリット幅および光学部材３８の厚さが設定さ
れる。

このＣＯＤは撮像指令信号を受けて所定時間の間電荷を
蓄積しクロック信号を受けてその蓄積電荷を順次出力す
ることは良く知られている通りであり、ＣＯＤ出力とス
リット透過光との関係は第７図に示す如くになる。第７
図において、符号４１はスリット透過光のＣＣＤ３９上
の強度分布であり、このスリット透過光４１に対するＣ
ＣＤ出力４２は強度分布に対応した階段波形となる。

このＣＣＤ出力４２に対しスレッショルド４３が適宜レ
ベルに設定してあり、このスレッショルド４３を越えた
出力を出している画素のうちの両端の画素間の中心位置
４４にある画素の位置を入射光４ｎの照射位置と決定す
るのである。

このＣＣＤを用いた太陽センサによれば、照射位置検出
の分解能は０．５画素まで可能であり、角度分解能は約
０．０５°と向上する。しかし、この方式においては、
照射位置検出の精度をさらに高めようとすると、即ち角
度分解能をさらに高めるために１画素当りの対応する角
度を小さくすると、ＣＯＤの画素数は予め定められてい
るので、視野が狭くなるという問題点がある。

本発明は、従来のこのような問題点に鑑みなされたもの
で、その目的は、ＣＯＤを用いたものにおいて視野を狭
くすることなく角度分解能の向上を図ることができる太
陽センサを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明の太陽センサは次の如
き構成を有する。

即ち、本発明の太陽センサは、太陽光を取り込むための
スリットと；　前記スリットの通過光を受光すべく該ス
リットから適宜距離離隔した位置に該スリットの長手方
向に対して直交配置され駆動クロックを受けて各画素の
画素データを順次出力する１次元リニアＣＣＤと：　を
備える太陽センサにおいて；　前記駆動クロックを計数
し前記１次元リニアＣＯＤの画素番地を求めるための画
素番地カウンタと；　前記１次元リニアＣＣＤの出力を
受けて画素データの最大値を検出する最大値検出回路と
；　前記画素番地カウンタと前記最大値検出回路の出力
とを受けて最大値を示した画素データの画素番地を記憶
保持する画素番地記憶回路と；　前記１次元リニアＣＯ
Ｄの出力を受けて画素番地が４ｎ　（ｎ＝０．１，２．
…）番地、（４ｎ＋１）番地、（４ｎ＋２　）番地およ
び（４ｎ＋３）番地のものについて（４ｎ、４ｎ＋１）
。

（４ｎ＋１．４ｎ＋２）、（４ｎ＋２．４ｎ＋３）およ
び（４ｎ＋３．４ｎ）の各組番地の画素データに区分し
、それらを前記駆動クロックに従って順次出力する分配
器と；　前記組番地（４ｎ、４ｎ＋１）の各画素データ
の値の総和値ｖｌ、前記組番地（４ｎ＋１．４ｎ＋２＞
の各画素データの値の総和値Ｖ２．前記組番地（４ｎ＋
２．４ｎ＋３）の各画素データの値の総和値■３および
前記組番地（４ｎ＋３．４ｎ）の各画素データの値の総
和値ｖ４をそれぞれ求めるための第１の積分器、第２の
積分器、第３の積分器および第４の積分器と；　前記第
１の積分器の出力ｖ１と前記第３の積分器の出力Ｖ、と
の差と演算する第１の演算器および前記第２の積分器の
出力Ｖ２と前記第４の積分器の出力ｖ４との差を演算す
る第２の演算器と；　前記第１の演算器の出力と前記第
２の演算器の出力との位相差を検出する位相検出器と；
　前記４ｎ番地の画素を起点画素、前記４ｎ＋３番地の
画素を終点画素として起点画素の一端から終点画素の他
端までの区間内において起点画素の一端から照射位置中
心の位置までの距離を前記検出した位相差から求める変
換器と；　を備えたことを特徴とするものである。

（作　用） 次に、前記の如く構成される本発明の太陽センサの作用
を第１図乃至第３図を参照して説明する。

第１図において、符号１は太陽光を取り込むためのスリ
ットであり、このスリット１の長手方向にＸ軸、短手方
向にＸ軸、スリット１の形成面に垂直方向に２軸をそれ
ぞれ定めである。

太陽方向はＺ軸から角度αの向きにあって、このスリッ
ト１を通過した入射光２つがスリット通過光３０として
１次元リニアＣＣＤ　（以下、単にｒＣＣＤＪという）
３を照射する。ＣＣＤ　３はスリット１の長手方向に対
し直交配置されるが、両者の離隔距離およびスリット幅
はＣＣＤの１画素の寸法との関係から定められる。

即ち、ＣＣＤ３の受光面上Ｘ軸方向におけるスリット通
過光３ｏの強度■は、Ｘ軸の原点を入射光２９とＣＣＤ
３の受光面との交点位置に定めるｉｎｘ　２ と　１　＝　（７）で表わされその分布は第２図に示す
如くになることは周知の通りであるが、本発明では、Ｉ
＝ＯとなるＸ−一πからＸ＝πまでの長さがＣＣＤ３の
２画素となるようにスリット幅およびスリット１とＣＣ
Ｄ３間の距離を定めである。

なお、第２図に示す強度分布は最大値Ｉ　ｗａｘ　−１
に規格化して示しである。

さて、ＣＣＤ３は所定画素数のものからなるが、画素番
地カウンタは駆動クロックを計数しＣＣＤ３の一端側か
ら他端側に向かって各画素の番地を順次求めることを行
う。

求められた画素番地は順次画素番地記憶回路へ送出され
る。一方、最大値検出回路はＣＣＤ３の出力を受けて画
素データが入力するたびに今回値が最大値であるか否か
を判定し、最大値が検出されたときその検出信号を画素
番地記憶回路へ送出する。その結果、画素番地記憶回路
では検出信号に応答して画素番地カウンタの出力を取り
込みこれを保持する。即ち、最大値を示した画素データ
の画素番地を記憶保持することを行う。以上の動作によ
って、どの画素にスリット通過光の最大強度位置、換言
すればＣＣＤ３の受光面における照射位置中心があるか
が解る。従って、画素番地記憶回路の出力は照射位置中
心が存在する画素を特定する相出力であるということが
できる。

次に、このように特定できた１画素の中でどの位置に照
射位置中心があるかを示す積出力（変換器出力）は次の
如くして行われる。

まず、分配器は、前記１次元リニアＣＣＤの出力を受け
て画素番地が４ｎ　（ｎ＝０．１，２．…）番地、（４
ｎ＋１）番地、（４ｎ＋２）番地および（４ｎ＋３）番
地のものについて（４ｎ、４ｎ＋１）、（４ｎ＋１．４
ｎ＋２）、（４ｎ＋２゜４ｎ＋３）および（４ｎ＋３．
４ｎ）の各組番地の画素データに区分し、それらを対応
するものへ、即ち第１．第２．第３および第４の対応す
る各積分器へ前記駆動クロックに従って順次出力する。

これを受けて、第１の積分器では前記組番地（４ｎ、４
ｎ＋１＞の各画素データの値の総和値Ｖ１・、即ち各画
素データの電圧値をそれぞれＶ４１１゜Ｖ　４ａ＋１と
すればＶ、＝Σ（ｖ　ａ。＋　ｖ　４．、、　）を演算
する。同様に、第２の積分器ではＶ２＝Σ（Ｖ４ｎ＋ｔ
＋Ｖ４１１＋２１を演算し、第３の積分器ではＶ３＝Σ
（Ｖ　４ｎ　４３　＋　Ｖ　４ｆｉ＋３１を演算し、第
４の積分器ではＶ　４　＝　Σ（Ｖ　４．＋３　＋　Ｖ
　４ｆｉｌを演算する。

例えば、第３図（イ）（ロ）に示す如く、スリット通過
光のピーク位１（即ち、求めようとする照射位置中心の
位置）が４ｎ番地の画素（即ち、起点画素）の左端から
（４ｎ＋３）番地の画素（即ち、終点画素）の右端まで
移動した場合を考える。１画素の幅を値１とすると、起
点画素の左端から照射位置中心の位置までの距離は値０
がら値４までの範囲内の値をとる。それをｔとすると、
ｔの各値に対する第１．第２．第３および第４の各積分
器の総和値（電圧値）ｖｌ、同Ｖ２．同Ｖ３および同■
４の値は、第３図（ハ）〜（へ）に示す如く、ある直流
レベルｂの上下に振動する波形となる。最大振幅をａと
すると、総和値ｖＩ、同■２゜同ｖ３および同Ｖ４は次
の式（１）〜開式（４）でそれぞれ近似的に表わすこと
ができる。

Ｖｌ　＝　ｂ　＋　ａｓｉｎ（Ｑ）　　　　　　−−−
−−−−・（１）Ｖ２　＝　ｂ　−ａ　５ｉｎ（Ｑ）　
　　　　　−−−−−−−−−（２）Ｖ３　＝　ｂ　−
ａ　５ｉｎ（’？）　　　　　　−・・−−−−−−−
（３）Ｖ４　＝　ｂ　＋　ａ　ｃｏｓ（撃）　　　　　
　−−−−−−−−（４）そこで、前記第１の積分器の
出力■１と前記第３の積分器の出力ｖ３との差を演算す
る第１の演算器では、 Ｖｌ−ｖ３＝　２　ａｓｉｎ＜’？）　　　　−−−−
−（５）を求め、また前記第２の積分器の出力Ｖ２と前
記第４の積分器の出力ｖ４との差を演算する第２の演算
器では、 Ｖ４−Ｖ２　＝　２　ａｓｉｎ（９）　　　　−一−−
−−−−−（６）を求める。そして、前記第１の演算器
の出力と前記第２の演算器の出力との位相差を検出する
位相検出器では、式（５）と同（６）とから、ｖ　−■ θ＝　ｊａｎ　（村マ中＞　＝　＜ｚｆ＞　　　−、、
−、−、−・−（７）その結果、変換器では、前記検出
した位相差θ（＝−７，から、Ｌの値を求める。即ち、
ｔの値は次の式（８）で求めることができる。

Ｌ　＝Ｌ、、、−・・−−−−一−−−−・−・・−（
８）π 式（８）で与えられるしの値は、前記４ｎ番地の画素を
起点画素、前記４ｎ＋３番地の画素を終点画素として起
点画素の一端（図示例では左端）から終点画素の他端（
図示例では右端）までの区間内において起点画素の左端
から照射位置中心の位置までの距離を示すものである。

図示例に従って説明する０図示例では、Ｌ＝１の位置に
照射位置中心があるがら、Ｖｔ＝ｂ＋ａ。

Ｖ２　＝ｂ、Ｖ３　＝ｂ−ａ、Ｖ４　＝ｂとなり、Ｖ１
’Ｊ　３　＝＝　２　ａ　、　Ｖ　４　　Ｖ　２　＝Ｏ
となる。従って、θ＝コ「が求まり、式（８）がらＬ＝
１となる。

この場合、前記狙出力は４ｎ番地または（４ｎ＋１）番
地のいずれかを指定しているが、Ｌ＝１ということで照
射位置中心は４ｎ番地の画素と（４ｎ＋１）番地の画素
の境界位置にある′と判定できる。同様にして、例えば
、Ｌ＝２．０１が求まったとすると、粗出力が示す画素
番地は（４ｎ＋２）番地であり、照射位置中心は（４ｎ
＋２）番地の左端から０．０１の位置にあるということ
になる。

このように、本発明の太陽センサによれば、隣接する画
素の各画素データの総和値が近似的に正弦波信号と余弦
波信号で示されることに着目し、照射位置中心が存在す
る画素のその照射位置中心の位置を、照射位置中心が存
在する画素を含む４個の画素からなる画素領域内の起点
画素の一端からの距離として求めるようにしたので、照
射位置中心の位置が１画素内のいずれの位置にあるか正
確に求めることができる。そして、本発明では、ＣＣＤ
の１画素遍太陽のディスクとを対応付けることは不要で
あるので、従来の如く視野が問題となることはない。即
ち、本発明によれば、広い視野でもって高精度な角度分
解能を得ることを可能にする太陽センサを提供できる効
果がある。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第４図は本発明の一実施例に係る太陽センサを示す、こ
の太陽センサは、スリット１と、光学部材２と、ＣＣＤ
３と、クロック発生器４と、画素番地カウンタ５と、最
大値検出回路６と、画素番地ラッチ回路７と、積分器８
〜同１１と、分配器１２と、引算器１３および同１４と
、位相検出器１５と、変換器１６とを基本的に備える。

この構成において画素番地カウンタ５、最大値検出回路
６および画素番地ラッチ回路７は照射位置中心が存在す
る１画素を特定する粗出力を求める回路、また分配器１
２以降は特定した１画素中のどの位置に照射位置中心が
あるかを定める積出力を求める回路となっている。

制御信号発生回路１７は、各種の制御信号を発生するも
ので、ＣＣＤ３に対し撮像信号２５を、画素番地カウン
タ５に対しリセット信号２６を、最大値検出回路６に対
しクリア信号２７をそれぞれ出力する。

クロック発生器４は、ＣＣＤ３の駆動クロックを発生す
るもので、この駆動クロックは画素番地カウンタ５と分
配器１２とにも供給されている。

スリット１とＣＣＤ３との配置関係は、前述した第１図
に示す如くであり、両者の離隔距離は光学部材２の厚さ
で設定される。そして、ＣＣＤ３の受光面上長手方向に
おけるスリット通過光の強度分布は前述した第２図に示
す如くであり、第２図においてＩ＝ＯとなるＸ＝−πか
らＸ＝πまでの長さが当該ＣＣＤ３の２画素となるよう
にスリット幅および光学部材２の厚さを調整設定しであ
る。なお、光学部材２は屈折率が１以上のものからなる
。

ＣＣＤ３は所定画素数のものからなり、撮像信号２５が
指定する期間露光され、その期間内に各画素に蓄積゛さ
れた電荷（画素データ）が駆動クロックに従って順次最
大値検出回路６と分配器１２とへ出力される。

画素番地カウンタ５は、駆動クロックを計数しＣＣＤ３
の一端側から他端側に向かって各画素の番地を順次求め
、それを画素番地ラッチ回路７へ送出する。

最大値検出回路６は、ＣＣＤ３から画素データが入力す
るたびに今回値が最大値であるか否かを判定し、最大値
が検出されたときその検出信号を画素番地ラッチ回路７
へ送出する。

その結果、画素番地ラッチ回路では、最大値検出信号に
応答して画素番地カウンタの出力、即ち最大値を示した
画素データの画素番地を取り込み、それを粗出力として
保持出力する。

次に、分配器１２は、ＣＣＤ３から順次入力する画素デ
ータの中、画素番地が４ｎ　（ｎ＝ｏ、１゜２、…）番
地、（４ｎ＋１＞番地、（４ｎ＋２）番地および（４ｎ
＋３　＞番地のものについて（４ｎ、４ｎ＋１）、（４
ｎ＋１．４ｎ＋２）。

（４ｎ＋２．４ｎ＋３）および（４ｎ＋３，４ｎ）の各
組番地の画素データに区分し、それらを対応する積分器
へ、例えば組番地（４ｎ；　４ｎ＋１）の各画素データ
を積分器８へ、組番地（４ｎ＋１゜４ｎ＋２）の各画素
データを積分器９へ、組番地（４ｎ＋２．４ｎ＋３）の
各画素データを積分器１０へ、組番地（４ｎ＋３．４ｎ
）の各画素データを積分器１１へ前記駆動クロックに従
って順次分配出力する。

積分器８では、組番地（４ｎ、４ｎ＋１）の各画素デー
タの値（電圧値）をそれぞれＶ４ｎ。

Ｖ　４ｎ＋１とすれば、Ｖ１＝Σ（Ｖ　４゜＋　ｖ　４
．、、　）を演算し、総和値Ｖ、を求め、それを引算器
１３の一方の入力へ与える。同様に、積分器９では、ｖ
２＝Σ（Ｖ　４１１４１　＋　Ｖ　４ｎ＋２　）を演算
シ、ｔｉＨ１ｖ２を引算器１４の一方の入力へ与える。

積分器１０では、Ｖ、＝　ｚ（Ｖ４，２＋Ｖ４ｆｉ＋、
ｌを演算し、総和値Ｖ３を引算器１３の他方の入力へ与
える。

積分器１１は、ｖ４＝Σ（Ｖ　４１１４３　＋　Ｖ　４
ｎ　）を演算し、総和値■４を引算器１４の他方の入力
に与える。ここで求められた総和値Ｖｌ〜同ｖ４は、第
３図（ハ）〜（へ）に示す如く、正弦波信号または余弦
波信号となり、式（１）〜式（４）で示される。

引算器１３では式（５）で示す演算が、引算器１４では
式（６）で示す演算がそれぞれ行われ、その演算結果は
位相検出器１５へ与えられる。

位相検出器１５では式（７）の演算を行って位相差θ（
＝Ｌｉ、、）を求め、それを変換器１６へ送出する。

その結果、変換器１６では式（８）によってしの値を求
め、それを積出力として送出する。

前述した通り、式（８）で与えられるしの値は、前記４
ｎ番地の画素を起点画素、前記４ｎ＋３番地の画素を終
点画素として起点画素の一端（図示例では左端）から終
点画素の他端（図示例では右端）までの区間内において
起点画素の左端から照射位置中心の位置までの距離を示
すものである。

具体的に言えば、前記粗出力で特定された１画素の中の
どの位置に照射位置中心があるかを示すものである。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の太陽センサによれば、隣
接する画素の各画素データの総和値が近似的に正弦波信
号と余弦波信号で示されることに着目し、照射位置中心
が存在する画素のその照射位置中心の位置を、照射位置
中心が存在する画素を含む４個の画素からなる画素領域
内の起点画素の一端からの距離として求めるようにした
ので、照射位置中心の位置が１画素内のいずれの位置に
あるか正確に求めることができる。

そして、本発明では、ＣＯＤの１画素と太陽のディスク
とを対応付けることは不要であるので、従来の如く視野
が問題となることはない、即ち、本発明によれば、広い
視野でもって高精度な角度分解能を得ることを可能にす
る太陽センサを提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はスリット、ＣＯＤ、入射光、スリット通過光の
関係説明図、第２図はスリット通過光の強度分布図、第
３図は本発明の作用説明図、第４図は本発明の一実施例
に係る太陽センサの構成ブロック図、第５図はグレイコ
ードパターンを用いた従来の太陽センサの構成図、第６
図はＣＯＤを用いた従来の太陽センサの要部を示す図、
第７図は第６図に示す従来の太陽センサの動作図である
。 １……スリット、　２……光学部材、　３……ＣＣＤ、
　４……クロック発生器、　５……画素番地カウンタ、
　６……最大値検出回路、　７……画素番地ラッチ回路
、　８．９，１０．１１……積分器、　　１２……分配
器、　　１３．１４……引算器、　１５……位相検出器
、　１６……変換器、　３２……スリット、　３３……
光学部材、 器、　３２・・・・・・スリット、　３３・・・・・・
光学部材、３４……グレイコードパターン、　　３５…
…フォトセル、　３７……スリット、　３８……光学部
材。 材。 代理人　弁理士　　八　幡　　義　博 スリ・ソト通通光／）ｊ狡崖吻＼午 第　２　　図 グレイコードノでターン＠眉いた。鐙来め太陽セソ丈第
　６　目

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 太陽光を取り込むためのスリットと；前記スリットの通
   過光を受光すべく該スリットから適宜距離離隔した位置
   に該スリットの長手方向に対して直交配置され駆動クロ
   ックを受けて各画素の画素データを順次出力する１次元
   リニアＣＣＤと；を備える太陽センサにおいて；前記駆
   動クロックを計数し前記１次元リニアＣＣＤの画素番地
   を求めるための画素番地カウンタと；前記１次元リニア
   ＣＣＤの出力を受けて画素データの最大値を検出する最
   大値検出回路と；前記画素番地カウンタと前記最大値検
   出回路の出力とを受けて最大値を示した画素データの画
   素番地を記憶保持する画素番地記憶回路と；前記１次元
   リニアＣＣＤの出力を受けて画素番地が４ｎ（ｎ＝０、
   １、２、…）番地、（４ｎ＋１）番地、（４ｎ＋２）番
   地および（４ｎ＋３）番地のものについて（４ｎ、４ｎ
   ＋１）、（４ｎ＋１、４ｎ＋２）、（４ｎ＋２、４ｎ＋
   ３）および（４ｎ＋３、４ｎ）の各組番地の画素データ
   に区分し、それらを前記駆動クロックに従って順次出力
   する分配器と；前記組番地（４ｎ、４ｎ＋１）の各画素
   データの値の総和値Ｖ＿１、前記組番地（４ｎ＋１、４
   ｎ＋２）の各画素データの値の総和値Ｖ＿２、前記組番
   地（４ｎ＋２、４ｎ＋３）の各画素データの値の総和値
   Ｖ＿３および前記組番地（４ｎ＋３、４ｎ）の各画素デ
   ータの値の総和値Ｖ＿４をそれぞれ求めるための第１の
   積分器、第２の積分器、第３の積分器および第４の積分
   器と；前記第１の積分器の出力Ｖ＿１と前記第３の積分
   器の出力Ｖ＿３との差を演算する第１の演算器および前
   記第２の積分器の出力Ｖ＿２と前記第４の積分器の出力
   Ｖ＿４との差を演算する第２の演算器と；前記第１の演
   算器の出力と前記第２の演算器の出力との位相差を検出
   する位相検出器と；前記４ｎ番地の画素を起点画素、前
   記４ｎ＋３番地の画素を終点画素として起点画素の一端
   から終点画素の他端までの区間内において起点画素の一
   端から照射位置中心の位置までの距離を前記検出した位
   相差から求める変換器と；を備えたことを特徴とする太
   陽センサ。