JPS586885B2 - Incident angle measuring device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽光などの入射角をデイジクル的に測定する
入射角角度測定装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an incident angle measuring device that measures the incident angle of sunlight or the like in a daisicle manner.

人工衛星の姿勢制御方式の一つに太陽光を用いる方式が
ある。One of the attitude control methods for artificial satellites is a method that uses sunlight.

この方式は人工衛星の所定の個所に入射する太陽光の角
度を測定し、この角度を設定値に合わせるようにして衛
星の軸方向（姿勢）を制御するものである。This method measures the angle of sunlight incident on a predetermined location on an artificial satellite, and controls the axial direction (attitude) of the satellite by adjusting this angle to a set value.

一般に、人工衛星は、第１図に示すように、衛星１１の
軸１２を中心に矢印１３の方向にスピンしている。Generally, an artificial satellite spins in the direction of an arrow 13 about an axis 12 of a satellite 11, as shown in FIG.

したがって、あらかじめ定められた位置における太陽光
１０の入射角Ａを太陽センサー５により測定する必要が
ある。Therefore, it is necessary to measure the incident angle A of sunlight 10 at a predetermined position using the sun sensor 5.

この太陽センサのうち、デイジタル的に測定するものは
デイジタル太陽センサと称されている。Among these sun sensors, those that measure digitally are called digital sun sensors.

このデイジタル太陽センサは、第２図の構成図に示すよ
うに、細長いスリット２０を設けたケース２１と、この
ケース２１内に所定の方向に受光素子２３をデイジタル
的に配列した受光板２２とから構成される。As shown in the configuration diagram of FIG. 2, this digital sun sensor consists of a case 21 provided with an elongated slit 20, and a light receiving plate 22 in which light receiving elements 23 are digitally arranged in a predetermined direction within the case 21. configured.

太陽光がスリット２０から受光面２２に垂直に入射した
場合の位置Ｂとスリット２０との距離ＳＢ＝ｄとし、入
射した太陽光の入射位置Ｃとこの垂直入射の位置Ｂとの
距離をＢＣ＝ｆとすれば、太陽光の入射角Ａは Ａ＝ ｊ ａ ｎ ’− となる。When sunlight enters the light-receiving surface 22 from the slit 20 perpendicularly, the distance between position B and the slit 20 is SB=d, and the distance between the incident position C of the incident sunlight and this vertically incident position B is BC= f, the incident angle A of sunlight is A=j a n '-.

このｄは一定であるから、垂直位置Ｂからのずれの大き
さを測ることにより、入射角が求められる。Since this d is constant, the angle of incidence can be determined by measuring the magnitude of the deviation from the vertical position B.

デイジタル太陽センサは、このずれＦをデイジクル的に
測定するものであり、受光板２２は、第３図の部分拡大
図に示すように、中心線Ｂの両側にデイジタル的（例え
ば、７ビットのグレイコード）に配列された受光素子（
２３１〜２３７）群とこの受光素子群の両側に配置され
た光検出素子２３０、２３８とを含み、スリットから入
射した光１０をそれぞれの受光素子でデイジクル的に検
出して、ずれＦをデイジタル的に測定している。The digital sun sensor measures this deviation F digitally, and the light receiving plate 22 has digital (for example, 7-bit gray) on both sides of the center line B, as shown in the partially enlarged view of FIG. light-receiving elements (
231 to 237) and photodetecting elements 230 and 238 arranged on both sides of this photodetecting element group, the light 10 incident from the slit is detected digitally by each photodetecting element, and the deviation F is digitally detected. are being measured.

この受光素子としては細長い太陽電池の表面を一定の間
隔毎にデイジタル的にマスクしたものを用いることがで
きる。As this light-receiving element, the surface of an elongated solar cell can be digitally masked at regular intervals.

また、フォトダイオードの上にマスクを形成したものも
同様に可能である。Furthermore, it is also possible to form a mask on the photodiode.

この図では、両側の素子２３０、２３８はマスクのない
素子で素子２３１〜２３７がデイジタル的に所定間隔が
マスクされたものを示している。In this figure, elements 230 and 238 on both sides are elements without masks, and elements 231 to 237 are digitally masked at predetermined intervals.

人工衛星が矢印１３の方向にスピンしていると、太陽光
のスリット２０を通った光は相対的に矢印２５の方向（
第３図では−Ｘの方向）に移動するようになる。When the satellite is spinning in the direction of arrow 13, the sunlight passing through slit 20 is relatively directed in the direction of arrow 25 (
(in the -X direction in FIG. 3).

この太陽光は受光板に直角な方向で読取る必要があり、
その読取位置がずれると読取該差を生ずる。This sunlight must be read in a direction perpendicular to the light receiving plate.
If the reading position shifts, a reading difference will occur.

極端な場合は例えば、第１図のセンサ１５と１５′の位
置において逆転した出力をとり出すことになる。In an extreme case, for example, reversed outputs will be obtained at the positions of sensors 15 and 15' in FIG.

従来の太陽センサは、一Ｘ方向に走査しているスリット
光が両端の素子２３０、２３８の上に同時に光が入射し
たときに、読取りパルスを作って、デイジタル角度信号
（２３１〜２３７出力）を読取っていた。A conventional solar sensor generates a reading pulse when a slit light scanning in one X direction simultaneously strikes elements 230 and 238 at both ends, and generates a digital angle signal (outputs 231 to 237). I was reading it.

（特願昭５２〜１３３８６１参照）この素子の出力読取
回路は、第４図の回路図に示すように、素子２３０〜２
３８に接続されたゲート回路４０〜４８と、両端のゲー
ト回路４０、４８出力の積をつくるアンド回路４９とか
ら構成され、このアンド回路４９の出力によって、各ゲ
゛ート回路４１〜４７の出力を読取っていた。(Refer to Japanese Patent Application No. 52-133861) The output reading circuit of this element consists of elements 230 to 2 as shown in the circuit diagram of FIG.
It is composed of gate circuits 40 to 48 connected to 38, and an AND circuit 49 that produces the product of the outputs of the gate circuits 40 and 48 at both ends, and the output of each gate circuit 41 to 47 is I was reading the output.

これら受光素子の出力電流は、素子２３０、２３８では
、抵抗値Ｒ／２なる抵抗器で受け、７ビットの各素子で
は抵抗値Ｒなる抵抗器で受けて、この電圧をゲート回路
４０〜４８で受けていた。The output current of these light receiving elements is received by a resistor with a resistance value R/2 in the elements 230 and 238, and is received by a resistor with a resistance value R in each 7-bit element, and this voltage is applied to the gate circuits 40 to 48. I was receiving it.

このゲートの閾値は、非常にばらつきが大きく、又、温
度変化などによってドリフトを行なっていた。The threshold value of this gate has a very large variation, and also drifts due to temperature changes and the like.

この太陽センサ受光素子は、７ビット１２８ステップで
±３２°を測定しているので、デジタル量子化の該差は
±０，２５°となる。Since this sun sensor light receiving element measures ±32° in 7 bits and 128 steps, the difference in digital quantization is ±0.25°.

この±０．２５°の該差は、設定該差ならびにドリフト
の全く無い場合の該差である。This difference of ±0.25° is the setting difference and the difference in the case where there is no drift.

ところが、細長いスリットでも実際にはある程度の幅が
あり、第３図のように受光素子（２３３）に半分だけス
リット光が当る場合がある。However, even a long and narrow slit actually has a certain width, and as shown in FIG. 3, only half of the slit light may hit the light receiving element (233).

この場合に第４図の様な閾値を設定しない回路では、見
かけ上の受光面積が広がったり、狭くなったりして、隣
りのステップの角度にまで広がり、ほぼ、±０．２５°
の誤差が加わることになる。In this case, in a circuit that does not set a threshold as shown in Figure 4, the apparent light receiving area expands or narrows, extending to the angle of the adjacent step, approximately ±0.25°.
This will add an error of .

つまり、第４図の回路では±０．５°の誤差しか保証で
きなかった。In other words, the circuit shown in FIG. 4 could only guarantee an error of ±0.5°.

本発明は、このアナログ誤差±０．２５°を取除き、入
射角の測定精度を上げた入射角度測定装置を提供するこ
とにある。The object of the present invention is to provide an incident angle measuring device that eliminates this analog error of ±0.25° and improves the accuracy of measuring the incident angle.

本発明は、各受光素子の出力を増幅し、一端の入力検出
コード出力をそれぞれの増幅出力を合成し、他端の入力
検出コードとの合成出力により読取パルスを形成し、こ
のパルスによって各ピット出力を読出するように構成し
た入射角測定装置にある。The present invention amplifies the output of each light-receiving element, combines the input detection code output at one end with the respective amplified outputs, forms a reading pulse by the combined output with the input detection code at the other end, and uses this pulse for each pit. The incident angle measuring device is configured to read out an output.

以下図面により本発明を説明する。The present invention will be explained below with reference to the drawings.

第５図は本発明の実施例の回路図であって、素子２３０
は、フオトダイオード受光素子のスタートライン、素子
２３８は同じくエンドライン２３１〜２３７はフォトダ
イオードの受光素子角度測定のために７ビットのグレイ
コードを構成している。FIG. 5 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention, in which the element 230
is the start line of the photodiode light-receiving element, element 238 is the same, and end lines 231 to 237 constitute a 7-bit Gray code for measuring the angle of the photodiode light-receiving element.

５０〜５８はバツファ増幅器、６１〜６８は加算器、７
１〜７７はコンパレータ、７８はゼロ検出器である。50-58 are buffer amplifiers, 61-68 are adders, 7
1 to 77 are comparators, and 78 is a zero detector.

第６図は第３図のスリット光が右から左の方に移動する
ときの各受光素子におけるタイミングチャートであり、
第６図ａは受光素子２３０の出力波形、第６図ｂは素子
２３８の出力波形、第６図Ｃはリード（読取り）パルス
、第６図ｄは素子２３３の出力波形、第６図ｅは第６図
ａの反転した波形、第６図ｆは第５図の加算器６３の出
力波形、Ｎは第６図ｆのゼロクロスポイントであり、か
つ、リードパルスの立ち上がりを示す。FIG. 6 is a timing chart of each light receiving element when the slit light of FIG. 3 moves from right to left,
Figure 6a shows the output waveform of the light receiving element 230, Figure 6b shows the output waveform of the element 238, Figure 6C shows the read pulse, Figure 6d shows the output waveform of the element 233, and Figure 6e shows the output waveform of the element 238. 6f is the inverted waveform of FIG. 6a, FIG. 6f is the output waveform of the adder 63 of FIG. 5, N is the zero cross point of FIG. 6f, and indicates the rising edge of the read pulse.

第３図において、受光素子２３０の方から２３８へと走
査するスリット光が位置Ｓに来た時、つまり、斜線の個
所Ｄ， Ｆの面積が等しく、かつ、部分Ｅが半分の面積
だけ光が入った場合を考える。In FIG. 3, when the slit light scanning from the light receiving element 230 to 238 comes to the position S, that is, the areas of the diagonally shaded parts D and F are equal, and the light is transmitted by half the area of the part E. Think about what would happen if you entered.

受光素子２３０〜２３８を流れる電流はこれら素子に照
射される入射光の面積に比例するので、第３図の受光素
子２３０及び２３８のＸ方向の幅を受光素子２３１〜２
３７のそれの２倍に設定しておけば、上記の如くスリッ
ト光が位置Ｓにある場合の素子２３０の出力電流を２１
とすれば、素子２３３の出力電流はｉとなる。Since the current flowing through the light receiving elements 230 to 238 is proportional to the area of the incident light irradiated to these elements, the width of the light receiving elements 230 and 238 in the X direction in FIG.
If the setting is twice that of 37, the output current of the element 230 when the slit light is at position S as described above will be 21.
Then, the output current of the element 233 becomes i.

素子２３３、２３０の負荷抵抗はそれぞれＲ，Ｒ／２で
あるので、この瞬間Ｎの両者の電圧の差をとるとＯＶに
なる。Since the load resistances of the elements 233 and 230 are R and R/2, respectively, the difference between the voltages at this moment N is OV.

第６図において、角度変化に伴う第６図ｆの波形変化は
次のようになる。In FIG. 6, the waveform change in FIG. 6f as the angle changes is as follows.

素子２３０にスリット光が入った時、入力信号の電流が
流れ、これを加算器６３の反転入力端子に入力する。When the slit light enters the element 230, an input signal current flows and is input to the inverting input terminal of the adder 63.

この加算器゛出力は素子２３０全幅にわたってスリット
光が照射されるときピークとなり、このときの電圧は素
子２３０を流れる電流が４１であるから、−（４ｔｘ丁
）一−２ｉＲとなる。The output of this adder reaches a peak when the slit light is irradiated over the entire width of the element 230, and since the current flowing through the element 230 is 41, the voltage at this time becomes -(4txt)-2iR.

さらに、素子２３３にスリット光の半分が当たった時、
最大電流ｉが流れ、電圧は＋Ｒｉとなり、素子２３０の
出力と合成した出力は−２ ｉ Ｒ＋ ｉ Ｒ＝ −ｉ
Ｒとなる。Furthermore, when half of the slit light hits the element 233,
The maximum current i flows, the voltage becomes +Ri, and the combined output with the output of element 230 is -2 i R+ i R= -i
It becomes R.

更に、素子２３０の入射光が減って、２１になったとき
、素子２３０と２３３の電圧が等しくなり、０■となる
。Furthermore, when the incident light on the element 230 decreases to 21, the voltages on the elements 230 and 233 become equal and become 0.

素子２３０をスリット光が通りすぎると素子２３３の出
力電圧ｉＲのみとなる。When the slit light passes through the element 230, only the output voltage iR of the element 233 becomes.

素子２３３上をスリット光が過ぎて、加算器の出力電圧
は０■にもどる。The slit light passes over the element 233, and the output voltage of the adder returns to 0.

この一連の動作の中で点Ｎの０■は角度測定Ｙ方向の１
ステップの境界状態であり、部分Ｅに示す様に、スリッ
ト光の１／２の光が照射された時、つまり、■ステップ
境界状態にあるのと一致する。In this series of operations, point N 0■ is 1 in the angle measurement Y direction.
This is the step boundary state, and as shown in part E, it corresponds to when 1/2 of the slit light is irradiated, that is, the step boundary state.

更に、この時、素子２３３、２３０の出力電圧差は、 Ｒｘｉ−−２ｉ＝０ となり、温度ドリフト、経年変化、絶対光量変化などの
影響を受けない。Furthermore, at this time, the output voltage difference between the elements 233 and 230 is Rxi--2i=0, and is not affected by temperature drift, secular change, absolute light amount change, etc.

したがって、コンパレータ７３の閾値をＯ■とすれば、
Ｏｖから少し大きい入力に対して、出力をとり出すこと
ができ、スリツト光が半分以上当った素子２３３の出力
は確実に「１」となり、スリット光が半分以下の場合は
「０」を出力とする。Therefore, if the threshold value of the comparator 73 is O■,
Output can be taken out for a slightly larger input from Ov, and the output of the element 233 that is hit by more than half of the slit light will definitely be "1", and if the slit light is less than half, it will output "0". do.

すなわち、コンパレータの出力は所定レベル（０■）以
上、以下によって明確に区別ができるので、測定角度の
不明確さはなくなり、正確な角度測定が可能となる。That is, since the output of the comparator can be clearly distinguished between those above and below a predetermined level (0■), there is no ambiguity in the measurement angle, and accurate angle measurement becomes possible.

一方、素子２３０、２３８の出力は加算器６８において
、それらの差がとられ、この差がゼロ検出回路７８にお
いて、所定レベル以上であれば、第６図Ｃに示すような
読取（リード）パルスを作る。On the other hand, the difference between the outputs of the elements 230 and 238 is taken by an adder 68, and if this difference is equal to or higher than a predetermined level by a zero detection circuit 78, a read pulse is generated as shown in FIG. 6C. make.

この読取パルスは点Ｎに同期して各角度データであるコ
ンパレータ７１〜７７の出力を読取る。This reading pulse reads the outputs of the comparators 71 to 77, which are each angle data, in synchronization with point N.

このように、測定角度に各受光素子の受光面積を合わせ
、且つ、その角度読み込みのタイミングも合わせること
によって、測定角度のアナログ誤差を無くすことができ
る。In this way, by matching the light-receiving area of each light-receiving element to the measurement angle and also matching the timing of reading the angle, analog errors in the measurement angle can be eliminated.

従って、本発明を人工衛星用スピン型太陽センサに用い
ると、測定角度のアナログ誤差を取り除くことができ、
つまり、量子化誤差±０．２５°のみとなり、精度を上
げることが、可能となる。Therefore, when the present invention is applied to a spin-type solar sensor for an artificial satellite, analog errors in measurement angles can be removed.
In other words, the quantization error is only ±0.25°, making it possible to improve accuracy.

また、本発明は太陽高度計、又、レーザ光線と併用して
、測地計器などへの応用も可能である。Further, the present invention can be applied to solar altimeters, geodetic instruments, etc. in combination with laser beams.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の人工衛星と太陽センサの説明図、第２図
は従来の太陽センサの構成図、第３図は従来の太陽セン
サの受光板の部分拡大図、第４図は従来の太陽センサの
読取回路図、第５図は本発明の実施例の読取回路図、第
６図は第５図の回路の波形図である。 図において、１０・・・・・・太陽光、１１・・・・・
・人工衛星、１２・・・・・・スピン軸、１３・・・・
・・スピン方向の矢印、１５・・・・・・太陽センサ、
２０・・・・・・スリット、２１・・・・・・ケース、
２２・・・・・・受光板、２３、２３０〜２３８・・・
・・・受光素子、２５・・・・・・入射光の移動方向の
矢印、４０〜４８・・・・・・ゲート回路、４９・・・
・・・アンドゲート、５０〜５８・・・・・・バツファ
増幅器、６１〜６８・・・・・・加算器、７１〜７７・
・・・・・コンパレータ、７８・・・・・・レベル検出
回路。 である。Figure 1 is an explanatory diagram of a conventional satellite and sun sensor, Figure 2 is a configuration diagram of a conventional solar sensor, Figure 3 is a partially enlarged view of the light receiving plate of a conventional solar sensor, and Figure 4 is a diagram of a conventional solar sensor. FIG. 5 is a reading circuit diagram of a sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a waveform diagram of the circuit shown in FIG. In the figure, 10... sunlight, 11...
・Artificial satellite, 12...Spin axis, 13...
...Spin direction arrow, 15...Sun sensor,
20...slit, 21...case,
22... Light receiving plate, 23, 230-238...
... Light receiving element, 25 ... Arrow in the moving direction of incident light, 40 to 48 ... Gate circuit, 49 ...
...AND gate, 50-58...Buffer amplifier, 61-68...Adder, 71-77.
...Comparator, 78...Level detection circuit. It is.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ 人射光をとり入れる所定の長さの細長スリットを備
えた暗室部材と、この暗室部材内に前記スリットから所
定の距離離れて配設された受光板部材と、この受光板部
材上において前記スリットの長さ方向と垂直に所定のデ
イジタルコードに従って配列された受光素子を、前記ス
リットの長さ以内に複数個並べたデイジタル素子群と、
このデイジタル素子群の配列幅の両端部でこの素子群と
並行に前記受光板部材上に配設された受光検出素子と、
これら受光検出素子および前記デイジタル素子群の出力
を増幅する手段と、前記受光検出素子の一方の増幅出力
と他の一方の増幅出力との差をとる第１の減算手段と、
この差出力と所定電圧値を比較して読取信号を出力する
手段と、前記受光検出素子の一方の増幅出力と前記デイ
ジタル素子群のそれぞれの増幅出力とのそれぞれの差を
とる第２の減算手段と、これら第２の減算出力を前記読
取信号によって、それぞれ読取るデイジタル信号出力手
段とを有する入射角測定装置。1. A darkroom member equipped with an elongated slit of a predetermined length that takes in human light; a light receiving plate member disposed within the darkroom member at a predetermined distance from the slit; a digital element group including a plurality of light receiving elements arranged perpendicularly to the length direction according to a predetermined digital code within the length of the slit;
a light receiving detection element disposed on the light receiving plate member in parallel with the digital element group at both ends of the arrangement width of the digital element group;
means for amplifying the outputs of the light receiving and detecting elements and the digital element group; and a first subtracting means for calculating the difference between the amplified output of one of the light receiving and detecting elements and the amplified output of the other one;
means for comparing this difference output with a predetermined voltage value and outputting a read signal; and a second subtraction means for calculating the difference between the amplified output of one of the light receiving detection elements and the amplified output of each of the digital element groups. and digital signal output means for respectively reading these second subtraction outputs using the read signal.