JP2009151167A

JP2009151167A - 望遠鏡装置及び望遠鏡システム

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Publication number: JP2009151167A
Application number: JP2007330075A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sofuku; 諭惣福; Takashi Takanezawa; 隆高根澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5045419B2

Abstract

【課題】望遠鏡等の主鏡部を支持するヨーク部の熱変形による主鏡部の指向ずれや並進変位を算出し、指向方向を補正することができる望遠鏡装置及び望遠鏡システムを得ることを目的とする。得ることを目的
【解決手段】感度係数記憶部１３にヨーク部８の温度変化に対する主鏡部４の指向ずれ及び並進変位の感度係数群を記憶する。温度センサー１０が検出するヨーク部８の温度を温度計測部１４にて読み取り、指向ずれ演算部１５により、感度係数記憶部１３に記憶された感度係数群と温度計測部１４にて測定した温度データ群とに基づき主鏡部４の指向ずれを演算する。駆動量演算部１１は、観測天体の方向に、指向ずれ演算部１５で算出した指向ずれを加減算して補正し、主鏡部４を駆動する駆動量を駆動回路部１２へ出力する。
【選択図】図２

Description

この発明は、自装置の指向方向のずれを補正し、天体等の観測源からの観測波を受信する望遠鏡装置及び望遠鏡システムに関するものである。

昨今の天文学の分野では、より遠方の天体からの観測波をより高精度・高分解能で受信する要求が高まってきている。このため、望遠鏡の反射鏡面性能や、望遠鏡の指向性能はより高い精度が必要とされ、また一方では、望遠鏡の大口径化が望まれ、望遠鏡装置全体の大型化・重量化が進んでいる。このように大型化する望遠鏡装置においては、例えば、日照によって、装置内の各部での熱入力条件が異なることにより、温度分布が生じ、複雑な熱変形が生じて指向方向がずれたり、また、風圧によっても装置全体が変形し、指向方向に誤差が生じ、要求される高い指向性能を得ることが困難となる。指向誤差を良好とするための従来技術として、例えば、特開平０３―０４２９０２号公報に、アンテナ装置の回転構造部の日射による熱変形を抑制する構造が開示されている。この公報に示された構造は、構造部材の外周をその外周面に対して間隔を置いてカバーで覆い、カバーを形成する複数のカバー区分をバンドで束ね、リブにより補強したものである。このようなカバーを設けることによって、カバーへの日射による熱量は、構造部材とカバーとの間の空気により伝達されるが、その伝達される熱量は僅かであり、構造部材の熱変形を小さくすることができ、アンテナの指向精度に及ぼす影響が減少されるというものである。

特開平０３―０４２９０２号公報

上述のように、特許文献１に開示された熱変形を抑制する構造においては、個々の構造部材ごとに受動的に熱変形を抑制しているものの、アンテナ装置の回転構造物が主として板部材で構成されている場合に、どのようなカバー部材を設けるかについて検討されていないという問題点があった。また、アンテナ装置の回転構造物において、日射を受ける場所と陰になっている場所が生じた場合には、構造物内で温度分布が発生して熱変形が多少なりとも発生し、指向性能の抑制が十分でなくなるという問題点があった。とくに、アンテナ装置の回転構造物中の各構造部材が、同じような日射を受けるためには、各部材の間隔を離し、他の構造部材に陰を作らぬように部材の断面口径を小さくする技術が必要となるが、このような技術は、望遠鏡等の反射鏡の大口径化・重量化に伴う支持構造物の高剛性化（フレーム構造とパネル部材を用いた構造により実現される高剛性化）にとっては、相反する技術要素となるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、望遠鏡等の主鏡部を支持するヨーク部の熱変形による主鏡部の指向ずれや並進変位を算出し、指向方向を補正することができる望遠鏡装置及び望遠鏡システムを得ることを目的とする。

請求項１の発明に係る望遠鏡装置は、観測源からの観測波を反射する主反射鏡、この主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡を有する主鏡部と、この主鏡部の左右に設けられて上記主鏡部を仰角軸まわりに回動可能に支持する２つの支持柱、この２つの支持柱をその底部において支持する台座を有するＵ字状のヨーク部と、このヨーク部に配置され、上記ヨーク部の温度を検出する複数の温度センサーと、上記ヨーク部の温度変化に対する上記主鏡部の指向ずれの感度係数群を記憶する記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された感度係数群とに基づき、上記主鏡部の指向ずれを算出する指向ずれ演算部と、上記指向ずれ演算部により算出した指向ずれを補正して上記主鏡部の駆動量を算出する駆動量演算部とを備えたものである。

請求項２の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、上記複数の温度センサーは、上記記憶部に記憶する感度係数群の各値が概ね等しくなるように配置したものである。

請求項３の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、上記複数の温度センサーは、上記ヨーク部の上部では密に、下部では疎に配置したものである。

請求項４の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、上記記憶部は、さらに変位量の感度係数群を記憶し、上記指向ずれ演算部は、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された変位量の感度係数群とに基づき、上記主鏡部の経路長誤差を算出するものである。

請求項５の発明に係る望遠鏡システムは、複数の望遠鏡装置を地上に配置し、各望遠鏡装置において観測源からの観測波を受信し、受信信号を合成して、天体の観測を行う望遠鏡システムにおいて、上記複数の望遠鏡装置はそれぞれ、観測源からの観測波を反射する主反射鏡、この主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡を有する主鏡部と、この主鏡部の左右に設けられて上記主鏡部を仰角軸まわりに回動可能に支持する２つの支持柱、この２つの支持柱をその底部において支持する台座を有するＵ字状のヨーク部と、このヨーク部に配置され、上記ヨーク部の温度を検出する複数の温度センサーと、上記ヨーク部の温度変化に対する上記主鏡部の指向ずれの感度係数群を記憶する記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された感度係数群とに基づき、上記主鏡部の指向ずれを算出する指向ずれ演算部と、上記指向ずれ演算部により算出した指向ずれを補正して上記主鏡部の駆動量を算出する駆動量演算部とを備えたものである。

請求項６の発明に係る望遠鏡装置は、請求項５の発明に係る望遠鏡装置において、上記記憶部は、さらに変位量の感度係数群を記憶し、上記指向ずれ演算部は、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された変位量の感度係数群とに基づき、上記主鏡部の経路長誤差を算出するものである。

請求項１に記載の発明によれば、望遠鏡装置のヨーク部に設けた複数の温度センサーによる温度データ群と、ヨーク部の温度変化に対する上記主鏡部の指向ずれの感度係数群に基づき、指向ずれを算出し、主鏡部の指向ずれを補正するように駆動するので、ヨーク部の温度変化によって生じる望遠鏡装置の指向誤差を補正することができる。

請求項２又は請求項３に記載の発明によれば、温度センサー単体の誤差に起因する指向ずれの演算誤差を小さくすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、温度センサーによる温度データ群と、変位量の感度係数群に基づき経路長誤差を算出するので、ヨーク部の温度変化によって生じる経路長誤差の見積りをすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、複数の望遠鏡装置を配置して受信波を合成して観測を行う望遠鏡システムにおいて、各望遠鏡装置でヨーク部の温度変化によって生じる指向ずれを補正した上で受信波の合成を行うので、より高精度な観測を行うことができる。

請求項６に記載の発明によれば、温度センサーによる温度データ群と、変位量の感度係数群に基づき経路長誤差を算出するので、ヨーク部の温度変化によって生じる経路長誤差の見積りをすることができる。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置を図１乃至図４に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の外観を表わす外観図であり、図２はこの発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の機能ブロックを表わすブロック図である。図１において、１は観測源（観測天体）からの観測波を反射する主反射鏡であり、２は主反射鏡１からの反射波を反射する副反射鏡である。３は主反射鏡１を支える支持構造を有し、観測波を検出する検出装置を内部に設けたキャビンであり、これらの主反射鏡１、副反射鏡２及びキャビン３より主鏡部４が構成される。５は、主鏡部４のキャビン３における主反射鏡１の支持構造の左右に設けた耳軸である。６は左右の耳軸５を仰角軸まわりに回動可能に支持する２つの支持柱であり、７は支持柱６をその底部において支持する台座部である。この支持柱６と台座部７によりＵ字状のヨーク部８が構成される。支持柱６は鉛直に立設されて主鏡部４を支持することから柱であるが、内部は空洞であってもよく、軽量かつ高剛性とするために外壁をパネルとし、内部に適宜フレームやリブ、パネルを設けて補強したものである。耳軸５の中心軸は、支持柱６により概ね水平に保たれており、この中心軸（仰角軸）まわりに主鏡部４が回動することにより、主鏡部４の指向方向の仰角が変化する。９はヨーク部８を方位軸まわりに回動可能に支持する架台であり、１０はヨーク部８に配置され、ヨーク部８の温度を検出する複数の温度センサーである。

図２において、１１は観測する天体の方向に基づいて、主鏡部４を方位軸（ＡＺ軸）及び仰角軸（ＥＬ軸）まわりに駆動する駆動量を演算する駆動量演算部であり、１２は駆動量演算部１１から入力される駆動量により、望遠鏡に取り付けたＡＺモータ及びＥＬモータを駆動する駆動回路部である。１３はヨーク部８の温度変化に対する主鏡部４の指向ずれ及び並進変位の感度係数群を記憶する感度係数記憶部であり、１４は温度センサー１０が検出するヨーク部８の温度を読み取って測定する温度測定部、１５は感度係数記憶部１３に記憶された感度係数群と温度測定部１４で測定されたヨーク部８の温度データ群とに基づき主鏡部４の指向ずれ（指向方向のずれ）を演算する指向ずれ演算部である。指向ずれ演算部１５は、主鏡部４の方位角（ＡＺ角）及び仰角（ＥＬ角）換算の指向ずれを演算して駆動量演算部１１へ出力するとともに、主鏡部４の並進変位を求め経路長誤差を算出して出力する。駆動量演算部１１は、入力される観測天体の方向に、指向ずれ演算部１５において演算した指向ずれを加算または減算して補正し、主鏡部４を駆動する駆動量を駆動回路部１２へ出力する。

次に、感度係数群と温度データ群とに基づき主鏡部４の指向ずれ及び経路長誤差を演算する原理について説明する。感度係数記憶部１３には、温度センサーの数をｎ個として、感度係数ＡＺ_ｉ、ＥＬ_ｉ、Ｙ_ｉ、Ｚ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）が格納される。ＡＺ_ｉはｉ番目の温度センサーが＋１℃の温度変化を検出したときに生じる主鏡部４の方位角方向の指向ずれを表わしたものであり、同様に、ＥＬ_ｉはｉ番目の温度センサーが＋１℃の温度変化を検出したときに生じる主鏡部４の仰角方向の指向ずれを表わしたものである。また、Ｙ_ｉ及びＺ_ｉはそれぞれ、ｉ番目の温度センサーが＋１℃の温度変化を検出したときに生じる主鏡部４のＹ方向及びＺ方向の変位量（並進変位量）を表わしたものである。なお、Ｙ及びＺ方向は図１に示した方向である。指向ずれ演算部１５は、感度係数記憶部１３に格納している感度係数群と、温度測定部１４により測定した温度データ群Ｔ_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とに基づいて、ヨーク部の熱変形によって生じる主鏡部４の指向ずれ（ΔＡＺ、ΔＥＬ）と変位量（ΔＹ、ΔＺ）を次式により算出する。

式（１）において、右辺の左側の行列１、２行目は、ヨーク部８の熱変形による主鏡部４の指向ずれについての感度係数群（ＡＺ_ｉ、ＥＬ_ｉ）である。式（１）の右辺右側は温度測定部１４によって実測された温度データ群であり、式（１）により補正すべき指向ずれΔＡＺ（方位角方向の指向ずれ）及びΔＥＬ（仰角方向の指向ずれ）が求められる。また、式（１）において、右辺の左側の行列３、４行目は、ヨーク部８の熱変形による主鏡部４の変位量についての感度係数群（Ｙ_ｉ、Ｚ_ｉ）である。式（１）により主鏡部４の変位量であるΔＹ（主鏡部４のＹ方向の変位量）及びΔＺ（主鏡部４のＺ方向の変位量）が求められる。観測天体から主鏡部４までの経路長誤差ΔＬは、ΔＹ、ΔＺと、望遠鏡の仰角θ（水平からの角度）とにより、ΔＬ＝ΔＹ×cosθ＋ΔＺ×sinθにより近似的に求められる。この計算を指向ずれ演算部１５において行ない、経路長誤差ΔＬを出力する。ΔＡＺ、ΔＥＬを、指向ずれ演算部１５から駆動量演算部１１へ出力し、駆動量演算部１１において、入力される観測天体の方位角方向及び仰角方向にそれぞれ、ΔＡＺ及びΔＥＬを加算または減算して補正し、主鏡部４を駆動する駆動量を駆動回路部１２へ出力して主鏡部４を駆動することにより、観測天体をより精度よく指向・追尾することが可能となる。

次に、温度センサーの配置と感度係数を定める方法について図３及び図４を用いて説明する。図３はエリア分割及び熱変形感度解析の例を示す模式図である。望遠鏡の形状が決定した時点で、有限要素法を用いて熱変形感度解析を以下の手順により行う。まず、手順１として望遠鏡のヨーク部８を任意の数のエリアに分割する。図３はヨーク部８をａからｉまでのエリアに分割したものである。手順２として、あるエリアの全体に基準温度から＋１℃を加えて温度負荷を与え、この温度負荷に対して、有限要素法による熱変形解析を行い、熱変形により主鏡部４の指向方向に生じる指向ずれΔＡＺ及びΔＥＬを求める。ここで求めたΔＡＺ及びΔＥＬが感度係数となる。手順３として、分割した全てのエリアについて手順２の熱変形解析を行い熱変形により主鏡部４の指向方向に生じる指向ずれΔＡＺ及びΔＥＬを求め、各エリアの感度係数を比較する。感度係数の大きさが等しくなるように、エリアを再分割し、上記の手順１から手順３を繰り返す。主鏡部４の変位量（ΔＹ、ΔＺ）についても、同様に上記手順において熱変形解析により求める。

上記の手順の繰り返しにおいて、熱変形による指向ずれの演算誤差を抑制してエリア分割および温度センサー配置を決定する方法について説明する。図４はヨーク部８のエリア分割と温度センサー配置の決定手法を説明する模式図である。ヨーク部８は図１において示すような側面が略台形形状の箱構造を有するものについて検討する。このヨーク部８の詳細な構造は、外壁面がパネルであり、内部は中空であるが適宜フレームやリブ、補強パネルを水平或いは垂直に入れている構造である。ヨーク部８の支持柱６上部の仰角軸近傍部分の熱変形による指向ずれの感度係数は高く、そこから離れるにつれて（支持柱６下部及び台座７へ向かうにつれて）、感度係数は低くなる。したがって、温度センサー１０は仰角軸付近（支持柱６上部付近）で密に、それから離れるにつれて（支持柱６下部及び台座７へ向かうにつれて）疎に配置することにより、各エリアの感度係数をほぼ等しくすることができる。図４に示すエリア設定Ａでは、ヨーク部８を高さ方向にほぼ等分に６分割し、図３の１回目の手順１〜３により各エリアの感度係数を求めたものであり、図４に示すエリア設定Ｂでは、エリア設定Ａでの感度係数に基づき、感度係数の大きさがほぼ等しくなるように高さ方向に再分割した場合の例を示している。即ち、エリア設定Ａでの感度係数が大きいところ（支持柱６上部付近）ではエリアを小さくするように、小さいところ（支持柱６下部及び台座７付近）ではエリアを大きくするように、エリア設定Ｂを行っている。以上の方法で求めた感度係数を図２における感度係数記憶部１３に記憶する。また、温度センサー１０は、設定された各エリアの温度を代表していると考えられる箇所、例えば、各エリアの中央等に配置する。ただし、感度係数が目標（仕様）とする指向ずれ量に比して十分に小さいエリアや、構造的に温度変化が少なく熱変形が小さいエリアにはセンサーを配置しない方法もある。

上記の通り、感度係数群の各値のばらつきが小さくなるようにエリア分割、センサー配置を行うことにより、以下に述べるように本補正システムのシステム誤差（指向ずれ演算や経路長誤差演算のシステム誤差）を最小にできる。すなわち、誤差伝播の法則によって、ａ_１〜ａ_ｎを定数、Ｚ_１〜Ｚ_ｎを測定値としたときに、次式で表わされる量Ｒを考える。

この量Ｒの誤差σは測定値Ｚ_１〜Ｚ_ｎの誤差σ_１〜σ_ｎを用いて、次式により表わされる。

この法則と、式（１）を比較すれば明らかなように、本発明においてはａ_１〜ａ_ｎが感度係数群、測定値Ｚ_１〜Ｚ_ｎは温度センサー１０で実測される値であるから、温度センサー１０の測定誤差を一定値σ_ａとおけば、システム誤差σは次式となる。

この式（４）の右辺の平方根内を最小にすればシステム誤差σは最小となる。即ち、感度係数群の大きさのばらつきを小さくすることによって、本補正システムのシステム誤差を最小にすることができ、指向ずれ演算や経路長誤差演算における誤差を抑制することが可能となる。

また、複数の望遠鏡装置を地上に配置し、各望遠鏡装置において観測源からの観測波を受信し、受信信号を合成して、天体の観測を行う望遠鏡システムに説明する。この望遠鏡システムにおける各望遠鏡装置を上記のように構成し、各望遠鏡装置で指向ずれを補正するようにすれば、受信信号をより正確に合成することができ、高精度な観測が可能となる。また、各望遠鏡装置で発生する観測天体との間の経路長誤差も補正した上で受信信号を合成することもできる。

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の外観を表わす外観図である。この発明の実施の形態１に係る機能ブロックを表わすブロック図である。エリア分割及び熱変形感度解析の例を示す模式図である。ヨーク部のエリア分割と温度センサー配置の決定手法を説明する模式図である。

符号の説明

１主反射鏡
２副反射鏡
４主鏡部
６支持柱
７台座
８ヨーク部
１０温度センサー
１１駆動量演算部
１３感度係数記憶部
１５指向ずれ演算部

Claims

観測源からの観測波を反射する主反射鏡、この主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡を有する主鏡部と、この主鏡部の左右に設けられて上記主鏡部を仰角軸まわりに回動可能に支持する２つの支持柱、この２つの支持柱をその底部において支持する台座を有するＵ字状のヨーク部と、このヨーク部に配置され、上記ヨーク部の温度を検出する複数の温度センサーと、上記ヨーク部の温度変化に対する上記主鏡部の指向ずれの感度係数群を記憶する記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された感度係数群とに基づき、上記主鏡部の指向ずれを算出する指向ずれ演算部と、上記指向ずれ演算部により算出した指向ずれを補正して上記主鏡部の駆動量を算出する駆動量演算部とを備えたことを特徴とする望遠鏡装置。
上記複数の温度センサーは、上記記憶部に記憶する感度係数群の各値が概ね等しくなるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡装置。
上記複数の温度センサーは、上記ヨーク部の上部では密に、下部では疎に配置したことを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡装置。
上記記憶部は、さらに変位量の感度係数群を記憶し、上記指向ずれ演算部は、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された変位量の感度係数群とに基づき、上記主鏡部の経路長誤差を算出することを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡装置。
複数の望遠鏡装置を地上に配置し、各望遠鏡装置において観測源からの観測波を受信し、受信信号を合成して、天体の観測を行う望遠鏡システムにおいて、上記複数の望遠鏡装置はそれぞれ、観測源からの観測波を反射する主反射鏡、この主反射鏡からの反射波を反射する副反射鏡を有する主鏡部と、この主鏡部の左右に設けられて上記主鏡部を仰角軸まわりに回動可能に支持する２つの支持柱、この２つの支持柱をその底部において支持する台座を有するＵ字状のヨーク部と、このヨーク部に配置され、上記ヨーク部の温度を検出する複数の温度センサーと、上記ヨーク部の温度変化に対する上記主鏡部の指向ずれの感度係数群を記憶する記憶部と、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された感度係数群とに基づき、上記主鏡部の指向ずれを算出する指向ずれ演算部と、上記指向ずれ演算部により算出した指向ずれを補正して上記主鏡部の駆動量を算出する駆動量演算部とを備えたことを特徴とする望遠鏡システム。
上記記憶部は、さらに変位量の感度係数群を記憶し、上記指向ずれ演算部は、上記複数の温度センサーにより検出された温度データ群と上記記憶部に記憶された変位量の感度係数群とに基づき、上記主鏡部の経路長誤差を算出することを特徴とする請求項５に記載の望遠鏡装置。