(57)【要約】【課題】迅速に太陽を捕捉する。【解決手段】太陽捕捉装置３１の取得部３３は、人工衛星がωｓ軸を中心として回転したときに太陽電池セル２１より発生した電流の、ωｓ軸を中心とする回転角θによって異なる電流値を取得する。ωｓ軸は、太陽電池セル２１の受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角αで傾斜する回転軸である。太陽捕捉装置３１の算出部３４は、傾斜角αと取得部３３により取得された電流値とから、ωｓ軸に対する太陽方向角δを算出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セルを搭載する宇宙構造物が前記太陽電池セルの受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角で傾斜する回転軸を中心として回転したときに前記太陽電池セルより発生した電流の、前記回転軸を中心とする回転角によって異なる電流値を取得する取得部と、
前記傾斜角と前記取得部により取得された電流値とから、前記回転軸に対する太陽方向角を算出する算出部と
を備える太陽捕捉装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記取得部により取得された、前記宇宙構造物が前記回転軸を中心として回転したときに前記太陽電池セルより発生した電流の最大値と最小値との差および平均を用いて、前記太陽方向角を算出する請求項１に記載の太陽捕捉装置。
【請求項３】
前記回転角が０°のときに前記太陽電池セルより発生した電流の電流値が最大値であり、
前記算出部は、前記取得部により取得された、前記回転角が０°のときの電流値と前記回転角が１８０°のときの電流値との差、および、前記回転角が９０°または２７０°のときの電流値を用いて、前記太陽方向角を算出する請求項１に記載の太陽捕捉装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽捕捉装置と、
前記算出部の算出結果に応じて前記宇宙構造物の姿勢を制御する制御器と
を備える制御システム。
【請求項５】
請求項４に記載の制御システムを備える宇宙構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽捕捉装置、制御システムおよび宇宙構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星に搭載される姿勢角を検出するセンサとして、太陽センサおよび恒星センサ等がある。従来、太陽センサまたは恒星センサを使用して太陽方向へ指向することが行われている。万が一、センサが故障した際にも、太陽を捕捉して電力を確保できるといった、ロバスト性およびサバイバビリティの要求が高まっている。また、近年、小型衛星のような搭載機器に制約のある人工衛星が増えている状況でセンサ削減も課題となっている。
【０００３】
特許文献１には、専用の太陽電池セルまたは電力発生用の太陽電池セルを太陽センサとして用いて太陽を捕捉する技術が記載されている。具体的には、宇宙機をＸ軸周りに回転させ、太陽センサの出力が最大になる位置で停止させた後、宇宙機をＹ軸周りに回転させ、太陽センサの出力が最大になる位置で停止させることで、宇宙機を太陽指向姿勢に制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１８２７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、宇宙機をＸ軸周りに回転させた後、さらに宇宙機をＹ軸周りに回転させなければならないため、太陽を捕捉するのに時間がかかる。
【０００６】
本発明は、迅速に太陽を捕捉することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る太陽捕捉装置は、
太陽電池セルを搭載する宇宙構造物が前記太陽電池セルの受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角で傾斜する回転軸を中心として回転したときに前記太陽電池セルより発生した電流の、前記回転軸を中心とする回転角によって異なる電流値を取得する取得部と、
前記傾斜角と前記取得部により取得された電流値とから、前記回転軸に対する太陽方向角を算出する算出部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、宇宙構造物を、太陽電池セルの受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角で傾斜する回転軸を中心として回転させれば、太陽を捕捉することができる。すなわち、迅速に太陽を捕捉することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る人工衛星の構成を示すブロック図。
【図２】実施の形態１に係る太陽捕捉装置の構成を示すブロック図。
【図３】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【図４】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【図５】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【図６】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【図７】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【図８】実施の形態１に係る最大発生電流、平均発生電流および最小発生電流の例を示すグラフ。
【図９】実施の形態１に係る最大発生電流と最小発生電流との差の例を示すグラフ。
【図１０】実施の形態１に係る制御システムの動作を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。なお、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、以下に説明する実施の形態は、部分的に実施されても構わない。
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。
【００１２】
＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る人工衛星１０の構成を説明する。
【００１３】
人工衛星１０は、制御システム１１と、姿勢ダイナミクス等のダイナミクスを含む被制御プラント１２とを備える。
【００１４】
制御システム１１は、太陽電池セル２１と、太陽電池セル２１の発生電力をもとに太陽方向を算出する太陽捕捉装置３１と、太陽捕捉装置３１の算出結果に応じて人工衛星１０の姿勢を制御する制御器４１とを備える。
【００１５】
必須ではないが、制御システム１１は、恒星センサ２２と、太陽センサ２３と、恒星センサ２２または太陽センサ２３の観測結果をもとに太陽方向を算出する太陽方向計算器３２と、太陽方向計算器３２の算出結果に応じて人工衛星１０の姿勢を制御する制御器４２とをさらに備える。
【００１６】
制御システム１１は、制御器４１，４２による姿勢の制御を実現するために、制御器４１からの指令を、被制御プラント１２に適用される物理的な作用に変換するアクチュエータ５１をさらに備える。
【００１７】
太陽捕捉装置３１は、コンピュータまたはマイクロコンピュータである。図示していないが、太陽捕捉装置３１は、プロセッサおよびメモリといったハードウェアを備える。プロセッサは、例えば、ＣＰＵである。「ＣＰＵ」は、Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔの略語である。メモリは、例えば、フラッシュメモリまたはＲＡＭである。「ＲＡＭ」は、Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙの略語である。
【００１８】
太陽捕捉装置３１は、機能要素として、取得部３３と、算出部３４とを備える。取得部３３および算出部３４の機能は、ソフトウェアにより実現される。取得部３３および算出部３４の機能を実現するプログラムは、メモリからプロセッサに読み込まれ、プロセッサによって実行される。
【００１９】
＊＊＊動作の説明＊＊＊
図１および図２のほかに、図３から図１０を参照して、本実施の形態に係る制御システム１１の動作を説明する。制御システム１１の動作は、本実施の形態に係る姿勢制御方法に相当する。
【００２０】
各図中、Ｓは太陽方向ベクトル、ＸＢは衛星座標系Ｘ軸、ＹＢは衛星座標系Ｙ軸、ＺＢは衛星座標系Ｚ軸、ωｓは太陽指向軸、αは任意の角度、δは太陽方向の角度、θは回転角度を表している。本実施の形態の目的は、太陽指向軸を太陽方向に向けることである。太陽方向の角度δは、太陽指向軸からの太陽方向のずれに相当する。
【００２１】
本実施の形態において、制御システム１１は、太陽電池セル２１より発生した電力をもとに、図３に示すように人工衛星１０を太陽方向に指向させる。具体的な動作は以下の通りである。
【００２２】
まず、制御システム１１は、図４に示すように、太陽電池セル２１の受光面に対して任意の角度α分だけ傾けたωｓ軸周りに人工衛星１０を回転させる。
【００２３】
図５に示すように、太陽方向ベクトルＳと−ＺＢ軸とのなす角が最も小さいとき、すなわち、太陽電池セル２１の発生電流が最大の姿勢を、ωｓ軸周りの回転角θが０°の姿勢とすると、図６に示すように、逆に回転角θが１８０°のときの発生電流は最も小さくなる。
【００２４】
このときの衛星座標系から見たωｓ軸と太陽方向ベクトルＳおよび発生電流との関係を図７および図８に示す。Ａｍａｘは最大発生電流、Ａａｖｅは平均発生電流、Ａｍｉｎは最小発生電流を表している。
【００２５】
ここで、ωｓ軸周りの回転角θ、−ＺＢ軸とωｓ軸とのなす角α、および、太陽方向ベクトルＳとωｓ軸とのなす角δとを用いて太陽方向ベクトルＳを表すと、次式のようになる。
【数１】
2019043430.tif 000003
【００２６】
さらに、−ＺＢ軸方向の単位ベクトルｅと太陽方向ベクトルＳとの内積を取ることにより、回転角θについての発生電流Ａ（θ）を、太陽電池セル２１の受光面に垂直に太陽光が当たる場合の発生電流Ａ０を用いて次のように表すことができる。
【数２】
2019043430.tif 000004
【００２７】
回転角θが０°のときに得られる最大発生電流Ａｍａｘ、回転角θが９０°または２７０°のときに得られる平均発生電流Ａａｖｅ、および、回転角θが１８０°のときに得られる最小発生電流Ａｍｉｎは、次式のようになる。
【数３】
2019043430.tif 000005
【００２８】
本実施の形態では、太陽捕捉装置３１の取得部３３が、人工衛星１０がωｓ軸を中心として回転したときに太陽電池セル２１より発生した電流の、ωｓ軸を中心とする回転角θによって異なる電流値を取得する。ωｓ軸は、太陽電池セル２１の受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角αで傾斜する回転軸である。太陽捕捉装置３１の算出部３４は、取得部３３により取得された電流値の中から、少なくとも最大値Ａｍａｘと最小値Ａｍｉｎとを特定する。
【００２９】
図９に示すような最大発生電流Ａｍａｘと最小発生電流Ａｍｉｎとの差ΔＡを計算し、平均発生電流Ａａｖｅで割ることにより、次式が得られる。
【数４】
2019043430.tif 000006
【００３０】
ωｓ軸と−ＺＢ軸とのなす角αは既知の量であるため、次式により太陽方向ベクトルＳとωｓ軸とのなす角δを算出することができる。
【数５】
2019043430.tif 000007
【００３１】
本実施の形態では、太陽捕捉装置３１の算出部３４が、傾斜角αと取得部３３により取得された電流値とから、ωｓ軸に対する太陽方向角δを算出する。そのために、算出部３４は、前述した式のうち少なくとも一部の式を計算するか、あるいは、その式の計算と同等の処理を実行する。
【００３２】
具体的には、算出部３４は、取得部３３により取得された、人工衛星１０がωｓ軸を中心として回転したときに太陽電池セル２１より発生した電流の最大値Ａｍａｘと最小値Ａｍｉｎとの差ΔＡおよび平均Ａａｖｅを用いて、太陽方向角δを算出する。
【００３３】
あるいは、回転角θが０°のときに太陽電池セル２１より発生した電流の電流値が最大値Ａｍａｘであるとしたとき、算出部３４は、取得部３３により取得された、回転角θが０°のときの電流値と回転角θが１８０°のときの電流値との差、および、回転角θが９０°または２７０°のときの電流値を用いて、太陽方向角δを算出する。
【００３４】
最後に、制御システム１１は、算出された太陽方向の角度δに基づき、角度δを０°に近づけるように人工衛星１０の姿勢を制御することで、図１０に示すようにωｓ軸を太陽方向に向ける。
【００３５】
以上の動作を繰り返すことで、常に人工衛星１０を太陽方向に指向することが可能となる。
【００３６】
＊＊＊実施の形態の効果の説明＊＊＊
本実施の形態では、人工衛星１０を、太陽電池セル２１の受光面の垂直方向に対して任意の傾斜角αで傾斜する回転軸を中心として回転させれば、太陽を捕捉することができる。すなわち、迅速に太陽を捕捉することができる。よって、迅速に太陽方向に人工衛星１０の姿勢を制御することができる。すなわち、ほぼ常に人工衛星１０を太陽方向に指向することが可能となる。
【００３７】
本実施の形態では、制御システム１１が、信頼性の高いセンサとして、人工衛星１０に搭載されている太陽電池セル２１を使用して太陽を捕捉する。具体的には、制御システム１１が、太陽電池セル２１の発生電力をもとに人工衛星１０を太陽方向へ指向する。動作原理は、まず太陽電池セル２１の受光面に対して任意の角度αで傾けたωｓ軸周りに人工衛星１０を回転させ、次に太陽電池セル２１の発生電力の最大値、最小値および平均値から太陽方向を算出し、最後に算出した太陽方向に基づいて太陽電池セル２１が太陽方向に向くように人工衛星１０の姿勢を制御する、というものである。本原理の採用により、太陽センサ２３および恒星センサ２２を使用しなくても、人工衛星１０に搭載されている太陽電池セル２１の発生電力を使用して太陽方向へ人工衛星１０の姿勢を制御することが可能となる。そのため、万が一、太陽センサ２３または恒星センサ２２が故障した場合でも、太陽方向へ姿勢を向けて電力を確保することができ、ロバスト性およびサバイバビリティを向上させることができる。また、人工衛星１０が、小型衛星のような搭載機器に制約のあるものであっても、本実施の形態を適用することで太陽センサ２３および恒星センサ２２を搭載しないという選択が可能になる。
【００３８】
＊＊＊他の構成＊＊＊
本実施の形態は、太陽電池セル２１を搭載する宇宙構造物であれば、人工衛星１０だけでなく、宇宙ステーション等、他の種類の宇宙構造物にも適用することができる。
【００３９】
本実施の形態では、太陽捕捉装置３１の取得部３３および算出部３４の機能がソフトウェアにより実現されるが、変形例として、取得部３３および算出部３４の機能がハードウェアにより実現されてもよい。具体的には、取得部３３および算出部３４の機能は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックＩＣ、ＧＡ、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣといった専用のハードウェアにより実現されてもよい。「ＩＣ」は、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔの略語である。「ＧＡ」は、Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙの略語である。「ＦＰＧＡ」は、Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙの略語である。「ＡＳＩＣ」は、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔの略語である。
【００４０】
別の変形例として、取得部３３および算出部３４の機能がソフトウェアとハードウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。すなわち、取得部３３および算出部３４の機能の一部が専用のハードウェアにより実現され、残りがソフトウェアにより実現されてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  人工衛星、１１  制御システム、１２  被制御プラント、２１  太陽電池セル、２２  恒星センサ、２３  太陽センサ、３１  太陽捕捉装置、３２  太陽方向計算器、３３  取得部、３４  算出部、４１  制御器、４２  制御器、５１  アクチュエータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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