JP2023102412A - レーザ測距装置、方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】装置の複雑化、大型化を抑制し、よりコンパクトな装置構成を実現可能とし、衛星間測距に好適なレーザ測距装置の提供。【解決手段】レーザを送信及び受信するターゲット装置と自装置との間の距離を測定するレーザ測距装置は、送信レーザを出力するレーザ部と、前記ターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、複数のセンシング素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器とを備え、前記光検知器の前記アレイ型センサは、１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行い、さらに、前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出する手段を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ測距装置、方法、プログラムに関し、特に衛星間測距に好適なレーザ測距装置と方法及びプログラムに関する。

衛星間距離を測定する関連技術として、例えば、特許文献１には、図１０に示すように、衛星間の距離を充分な正確さで、かつリアルタイムに測定することのできる小型のレーザ測距装置が開示されている。なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）は、特許文献１の図１、図３にそれぞれ対応する図である。ただし、図１０（Ａ）、（Ｂ）において、各要素の参照符号等は特許文献１から変えてある。

図１０（Ａ）において、受光部２０５は、相手側の人工衛星（対向衛星）から送出されたレーザを受信する。受光部２０５は、対向衛星からのレーザの一部を分岐し、分岐したレーザに基づいてポインティング検出用視野センサにより対向衛星の方向を特定する。ディスクリミネータ２０６は、受光部２０５の測距用受光素子で受信された信号を検波し、時刻読み出し用のトリガー信号に変換する。イベントタイマ２０７は人工衛星（自衛星）内部の時刻を正確に決定するタイマである。

ポインティング部２０３は、ポインティング駆動部２０４に駆動され、受光部２０５の粗調用ポインティングセンサおよび微調用ポインティングセンサによって検出された情報に従って、レーザの送信方向を調整する。制御部２０８は、対向衛星にレーザを送出した時刻と対向衛星からレーザを受信した時刻を記録し、それらの時刻から対向衛星との距離を算出する。インタフェース２０９は、レーザ測距装置の外部にある不図示の装置との間のインタフェースである。電源部２１０はレーザ測距装置の各部に電源を供給する。

受光部２０５では、図１０（Ｂ）に示すように、第１のビームスプリッタ３０１で分岐された１０％程度の受信光（レーザ光）が第１の集光レンズ３０２で集光され、粗調用ポインティングセンサ３０３に送られ、粗調用ポインティングセンサ３０３では、４分割Ｓｉ（シリコン）フォトダイオードで検出された光量から、レーザを送出した対向衛星の方向をリアルタイムに粗く広視野で検出する。さらに、第２のビームスプリッタ３０４で分岐された１０％ 程度の受信光（レーザ光）が第２の集光レンズ３０５で集光され、微調用ポインティングセンサ３０６に送られ、微調用ポインティングセンサ３０６では４分割Ｓｉ（シリコン）フォトダイオードで検出された光量から対向衛星の方向をリアルタイムに細かく狭視野で検出し、８０％程度の受信光（レーザ光）は第３の集光レンズ３０７で集光され、シリコン（Si）－ＡＰＤ(avalanche photodiode)の測距用受光素子３０８に送られる。

フォトンカウンティングデバイスとは異なるデバイスを用いた特許文献２には、ＴＯＦ（Time of Flight）カメラ・システムによって伝送された光信号と、該ＴＯＦカメラ・システムのイメージ・センサにおけるピクセル・センサのアレイのうちの少なくとも１つのピクセル・センサで受信された反射光信号との間の位相差を決定するステップであって、前記少なくとも１つのピクセル・センサにより受信された該反射光信号は、該ＴＯＦカメラ・システムによって伝送された光信号により照射される対象物から反射されるステップと、前記少なくとも１つのピクセル・センサにより受信された前記反射光信号の振幅を決定するステップと、前記少なくとも１つのピクセル・センサに対する前記振幅および前記位相差を、前記少なくとも１つのピクセル・センサに対する結合信号パラメータに、結合するステップと、前記少なくとも１つのピクセル・センサに対する前記結合信号パラメータをフィルタ処理することによって、前記少なくとも１つのピクセル・センサに対する前記結合信号パラメータをノイズ除去するステップを含む方法が開示されている。

特許文献２では、アレイセンサのピクセル毎に変調をかけた送信信号に対する受信信号の位相の変化をパラメータ化してフィルタリングを行っている。

特開２００５－９１２８６号公報 特許第６３６７８２７号公報

ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星や日本の準天頂衛星などのコンステレーションによる測位ミッションを担う衛星群において、互いの衛星間距離を正確に把握することにより、地上での測位精度を向上させることが期待されている。

衛星間の距離を直接測定する手法は、各種研究が行われているが、現時点では実用化されていない。次世代測位技術の一つに衛星間測距の測距精度向上が挙げられている。例えば数100km（kilometer）から50,000kmを超える衛星間距離を正確に測る技術が期待されている。ＲＦ（Radio Frequency）（電波）を測距に使用した場合、他国衛星の電波干渉が懸念される。このため、光による衛星間測距が有望となっている。

上記した特許文献１では、それぞれの衛星の持っている時計の誤差をキャンセルするため、地上でのオフライン処理や、衛星間の別系統の通信手段（例えば電波や光通信）を用いて、２つのデータを比較する必要がある。また、互いの衛星の予測軌道に誤差があることから、ビームポインティングを正確に合わせるために、測距信号のための受信光の一部をポインティング検出のために使う必要がある。その結果、測距信号のＳ／Ｎ比（signal to noise ratio：ＳＮＲ）を確保するために、大きなレーザ送信パワーを必要とし、装置の大型化を招く。更に、測距用とポインティング用のそれぞれの検知器が必要とされることから、装置が複雑化する。

装置の小型化を実現するための測距と通信の共通化について、通信信号を使用した測距方式も考えられる。衛星間光通信を測距に使用する場合、ファイバのコアに正確に受信信号を入力するために、例えば、数μrad（microradian）オーダでビームを制御可能なポインティング機構が必要である。通信信号光又はビーコン光のポインティングを検出し、フィードバック制御するなど、装置が複雑化、大型化する、という課題がある。

ガイガーモードのＡＰＤ等、フォトンカウンティングデバイスを利用したアレイセンサのライダ（LiDAR: light detection and ranging）ではダークカウントによる誤測距が課題となる。フォトンカウンティングデバイスでは、受信信号の強度データを認識できないため、強度変調を利用したフィルタリングを行えない。このため、有効なノイズ除去方式が必要である。

また、ＲＦ（電波）通信を測距に使用した場合、軌道上の他の衛星への電波干渉が問題になることや、測距精度が光に比べて悪いことが問題となる。

本開示は上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的は、装置の複雑化、大型化を抑制し、よりコンパクトな装置構成を実現可能とし、衛星間測距に好適なレーザ測距装置、方法、プログラムを提供することにある。

本開示の一の側面によれば、レーザを送信及び受信するターゲット装置と自装置との間の距離を測定するレーザ測距装置は、
送信レーザを出力するレーザ部と、
前記ターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
複数のセンシング素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
を備え、
前記光検知器の前記アレイセンサは、１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行い、
さらに、
前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出する手段を備えている。

本開示の他の側面によれば、送信レーザを出力するレーザ部と、
レーザを送信及び受信するターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
複数の素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
を備えたレーザ測距装置を備えた自装置と前記ターゲット装置との間の距離を測定するレーザ測距方法は、
（ａ）前記光検知器の前記アレイセンサでは、１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行うこと、
（ｂ）前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出すること、
（ｃ）前記アレイセンサで検出した信号に対して時間的ゲートと空間的ゲートを施し、ノイズデータを除去すること、
（ｄ）前記レーザ部での送信レーザパルスの送信タイミングを時間変調し測距送信レーザパルスに通信データを重畳させること、
のうち、
前記（ａ）と前記（ｂ）、
前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）、
前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｄ）、
前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）と前記（ｄ）、
のうちのいずれかの組み合せを行う。

本開示の他の側面によれば、レーザを送信及び受信するターゲット装置との間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
送信レーザを出力するレーザ部と、
前記ターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
複数の素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
を備え、前記光検知器の前記アレイセンサでは、１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行うレーザ測距装置を備えた自装置を構成するコンピュータに、
（ａ）前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出する処理、
（ｂ）前記アレイセンサで検出した信号に対して時間的ゲートと空間的ゲートを施し、ノイズデータを除去する処理、
（ｃ）前記レーザ部での送信レーザパルスの送信タイミングを時間変調し測距送信レーザパルスに通信データを重畳させる処理、
のうち、
前記（ａ）、
前記（ａ）と前記（ｂ）
前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）、
のうちのいずれかの組み合せの処理を実行させる、プログラムが提供される。さらに、本開示によれば、上記プログラムを記憶したコンピュータ可読型記録媒体（例えばRAM(Random Access Memory）、ROM(Read Only Memory)、又は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM））等の半導体ストレージ、HDD（Hard Disk Drive）、SSD(Solid State Drive)、CD(Compact Disc）、DVD(Digital Versatile Disc）が提供される。

本発明によれば、装置の複雑化、大型化を抑制し、よりコンパクトな装置構成を実現可能とし、衛星間測距に好適なレーザ測距装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の構成の一例を説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施形態における光検知器のアレイセンサと、ＡＰＤとROICを説明する図である。 本発明の一実施形態におけるタイミング・角度測定部を説明する図である。 本発明の一実施形態におけるデータ処理・制御部を説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の一実施形態を例示する図である。 本発明の一実施形態を説明する図である。 本発明の一実施形態を説明する図である。 本発明の一実施形態を説明する図である。 本発明の一実施形態の構成の一例を説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）は関連技術の構成例を例示する図である。

以下では、はじめに本発明の概要について説明し、続いて実施形態を説明する。

本発明の一形態において、レーザ測距装置（衛星間測距装置）は、例えば数100kmから50,000kmを超える衛星間の距離をレーザ光の伝播時間を測定することで計測する。相手側の衛星（対向衛星）から出力されたレーザ光を受信し、自衛星と対向衛星の双方の送受信時刻を照らし合わせることで、自衛星と対向衛星の時計の誤差をキャンセルし、自衛星と対向衛星間のレーザ光の伝播時間から、衛星間の距離を計算する。

送信したレーザの反射パルスを受信し、送信時刻と受信時刻から往復時間を計測して測距するレーザ測距装置とは異なり、本実施形態の衛星間測距装置では、１方向の伝播時間をそれぞれの衛星（自衛星、対向衛星）で計測する。

それぞれの衛星（自衛星、対向衛星）のレーザ測距装置は、アレイセンサ（フォトンカウンティングイメージセンサ）を備え、タイミング計測と受信したビームのポインティングを同時に検出する機能を有する。

アレイセンサは、単素子として容量成分を抑えて周波数帯域を確保しつつ、複数素子により検知面を広くとることができる。このため、ピコ秒（picosecond）オーダのパルス幅を持つ高速なレーザパルスを、広い受信視野で検知することが可能となる。

本発明の一形態のレーザ測距装置（衛星間測距装置）では、アレイ型のセンサ（フォトンカウンティングデバイス）を用いることで、数フォトンの受信信号に対して測距が可能となる。

衛星間光通信では、通常、信号レベルを確保するため、送信ビームの拡がり角（beam divergence）を数μrad（microradian）オーダに絞っている。

これに対して、本発明の一形態では、送信ビームの拡がり角を、例えば１mrad（miliradian）程度に拡げた場合でも、例えば50,000km先でも送信ビームを受信することができる。このビーム拡がりは、対向衛星の予測軌道誤差やポインティング機構の角度設定精度をカバーしている。このため、本発明の一形態によれば、対向衛星を探したり、受信信号を常時モニタしてポインティング機構へフィードバックする必要はない。

本発明の一形態によれば、自衛星から対向衛星にビームを当て続け、かつ受信もできる。

一般的に、フォトンカウンティングデバイスは、ダークカウントによる誤検知が発生する。本発明の一形態によれば、時間的及び空間的にゲート処理することで、ノイズデータを排除し、受信信号（受信データ）だけを検出可能とする機能を有する。

本発明の一形態によれば、さらに、レーザパルスの送信タイミングを変調することで測距と通信を兼ねることができる。自衛星と対向衛星について、一方の衛星の送信／受信時刻、及び、該一方の衛星の軌道情報を他方の衛星に伝えることにより、これまで地上との通信を介するか、又は、他の通信機器を用意しなくては得られなかった、双方向測距データの処理結果を、測距装置のみで処理可能としており、測距／通信の送受信機を最小化可能としている。

関連技術では、レーザ測距用のセンサとビームポインティングを検出するセンサとは、それぞれ別々のデバイスが使用されている。近時、アレイ型のガイガーモードで動作するアバランシェ・フォトダイオード（avalanche photodiode: APD）の宇宙利用が進んでおり、衛星間測距においても活用できる。なお、ガイガーモードでは、ダイオードを降伏電圧よりわずかに高い電圧で作動させ、フォトンの吸収や熱変動により生じる一対の電子-正孔のペアがトリガーとなり、強いなだれ現象(アバランシェ)が発生する。アレイセンサは、受信光学系の焦点面にセンサ面を設置することで、ビームが入射した方向を、アレイセンサにおける画素の位置で識別することが可能であり、３次元（three-dimension: 3D）距離画像センサ（LiDAR: Light Detection And Ranging）等に利用されている。アレイセンサとして、128x128の画素数を持つ宇宙用デバイスが開発されており、１画素の寸法が例えば100μm（micro-meter）程度のデバイスを利用できる（アレイ素子の寸法で12.8mmx12.8mm）。

上記したように、本発明の一形態では、ガイガーモードＡＰＤのアレイセンサを使用することで、測距とポインティング検出を可能とし、装置構成や制御を簡素化した衛星間測距装置を実現する。

すなわち、本発明の一形態によれば、１つ（１つの種類）のアレイセンサで測距とポインティング検出を行うため、レーザ測距用センサ（図１０（Ｂ）の３０８）とビームポインティングを検出するセンサ（図１０（Ｂ）の３０３、３０６）の２種類のセンサを必要としない。

ガイガーモードで動作するＡＰＤは、フォトン検出に使用され、高感度ではあるが、ダークカウントと呼ばれるノイズも一定の割合で発生する。すなわち、ガイガーモードで動作するＡＰＤにおいて、シングルフォトン（単一光子）の検出は、降伏電圧より高い電圧でＡＰＤをバイアスすることにより実現される。ＡＰＤは、フォトンが到着してアバランシェ（なだれ）が発生する時まで準安定状態を保つが、ＡＰＤが準安定状態にあるとき、アバランシェが自然に誘発される場合がある。ランダムに自然に誘発されたアバランシェのカウント数をダークカウントレートという。

本発明の一形態では、このダークカウントによるノイズデータを、時間的及び空間的にゲート処理することで排除し、受信信号データだけを抽出する。時間及び空間のゲート処理を、互いに協調させ、対向衛星の予測軌道と、受信信号のタイミングの変調パターンを利用して、受信信号データを識別する。

本発明の一形態によれば、時間、空間の予測誤差を考慮した領域の受信信号と、該信号のタイミングと空間的な位置が連続した時系列の中で変調パターンになっていることを判別し、該受信信号データを識別することができる。

本発明の一形態においては、自衛星と対向衛星の互いの軌道情報や測距データのやり取りを行う通信に、測距信号そのものを利用可能としている。

１方向のレーザ測距を行う場合、自衛星、対向衛星の時計の誤差は、測距誤差の要因となる。自衛星、対向衛星の時計の誤差による測距誤差を回避するため、地上との通信を介したオフライン処理や、衛星間で直接データをやり取りして、互いの測距データを比較する必要がある。関連技術において、地上を介さず、軌道上だけで（衛星間で）直接データをやり取りするためには、レーザ測距装置の他に、通信装置を搭載する必要がある。

本発明の一形態によれば、測距信号自体に互いの情報（測距誤差を回避するためのデータ）を重畳させることで、装置構成を簡略化している。

本発明の一形態においては、測距信号となる送信レーザ光の変調は、送信レーザ光の発光タイミング（送信タイミング）の変調で実現する。例えば、１kHz(kilohertz）の繰り返しのレーザパルス列の発光タイミング（送信タイミング）を変調する場合、測距（時間）分解能を30cm(centimeter)（≒光速度c×1ns(nanosecond）＝3×10^８(m)×10^-9）とすると、原理的には、１ms(millisecond)の時間区間、すなわち、1kHzの周期内に、１０^６個の時間の識別が可能とされ、通信信号として利用できる。

さらに、本発明の一形態によれば、一の衛星の測距装置において、測距信号となる送信レーザ光の発光タイミング（送信タイミング）を変調することで、送信側の該一の衛星の軌道情報と、測距データとを、対向する他の衛星に伝達する。この結果、一の衛星と他の衛星との間において、他の通信装置や地上を介することなく、衛星間測距データを、衛星軌道上で（衛星間のみで）処理することを可能にする。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態の構成例を例示する図である。図１には、１つの衛星（自衛星）１０に搭載されるレーザ測距装置（衛星間測距装置）１００の構成例が例示されている。上記した特許文献１の構成との相違点は、図１では、図１０（Ｂ）を参照して説明したポインティング用センサが無いことである。なお、図１では、図１０（Ａ）のディスクリミネータ２０６、イベントタイマ２０７、ポインティング駆動部２０４、電源部２１０等は不図示とされる。なお、図１において、１つの衛星（自衛星）１０に対向する衛星（対向衛星）２０もレーザ測距装置（衛星間測距装置）１００を搭載しているものとする。

図１において、ポインティング部１０９は、対向衛星２０のＬＯＳ（Line Of Sight）角にレーザ光軸を向けるための２軸の可動機構（ポインティング用ミラー駆動機構）を有する。ポインティング用ミラー駆動機構は、図１０（Ａ）のポインティング駆動部２０４に対応する。ミラー駆動機構における送信ビームの角度制御は、データ処理・制御部１０４から行われる。

データ処理・制御部１０４は、対向衛星２０の予測軌道情報を予め与えることで、ポインティング部１０９の角度を制御する。

データ処理・制御部１０４は、光検知器１０６の測定結果から対向衛星２０のＬＯＳ角情報を検出し、ポインティング部１０９を制御する。

レーザ部１０２は、タイミング・角度測定部１０３からのトリガー信号に同期したピコ秒オーダの短パルスレーザ光を生成し、送信光学部１０７とポインティング部１０９を介して対向衛星２０へ送信パルスを出力する。

受信光学部１０８は、対向衛星２０から送信されたレーザ光を、光検知器１０６のアレイセンサ面（不図示）に集光する。

光検知器１０６は、アレイセンサ（ガイガーモードＡＰＤをマルチピクセル化したフォトンカウンティングセンサ）と読み出し回路（時間計測回路）（Readout integrated circuit: ROIC）（不図示）とを結合して構成されており、例えば128×128個の素子の２次元アレイからなる。

アレイセンサとＲＯＩＣの結合の非限定的な一例として、例えば図２（Ａ）に模式的に例示するように、ＡＰＤセルアレイ６０の直下にＲＯＩＣセルアレイ７０を備えた構成としてもよい。図２（Ａ）の例では、アレイセンサのセンシング素子を構成するＡＰＤセル６１は基板６２（例えばシリコン基板）上に実装され不図示のビアホール等を介して基板６２の裏面に接続しバンプ６４等で直下のＲＯＩＣセル７１に接続されている。基板６３上に形成されたＲＯＩＣセル７１は、ＡＰＤセル６１の配置に対応してアレイ状に配置されＲＯＩＣセルアレイ７０を構成している。なお、図２（Ａ）では、簡単のため、8×8のセルアレイが示されている。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＲＯＩＣセル７１の構成の一例を示す図である。ＲＯＩＣセル７１は、ＡＰＤセル６１から出力される電流を電圧に変換する電流電圧変換器（ＯＰアンプ）７２と、電流電圧変換器（ＯＰアンプ）７２から出力される電圧を閾値電圧Ｖthと電圧比較し、比較結果をデジタル信号で出力する比較器７３と、比較器７３の比較結果を入力し、電流電圧変換器７２から出力される電圧が閾値電圧Ｖthを上回るまでの時間を計測する時間－デジタル変換器（Time to Digital Converter: TDC）７４と、ＴＤＣ７４で計測された時間（デジタル値）を出力する出力回路７５を備えている。ＴＤＣ７４は、例えばカウンタから構成され、電流電圧変換器（ＯＰアンプ）７２から出力される電圧が閾値電圧Ｖthを上回るまでのクロック（ＣＬＫ）の数をカウントする。出力回路７５はＴＤＣ７４の出力を符号化して出力してもよい。

ＡＰＤセルアレイ６０のそれぞれのＡＰＤセル６１に入力された光（フォトン：光子）の個別の受信タイミングをＲＯＩＣセル７１から出力する。光検知器１０６では、アレイセンサの各素子からの128×128の測距データを、レーザの繰り返し周波数（例えば1kHz）で、タイミング・角度測定部１０３へ送信する。

また、光検知器１０６において、ＡＰＤセル６１は、レーザ部１０２から出射された送信レーザパルス光の一部を、ハーフミラー１０５を介して受信すると、ＲＯＩＣセル７１では送信レーザパルスの送信タイミングを検知し、タイミング・角度測定部１０３へ送信する。

図３は、タイミング・角度測定部１０３の機能構成の一例を例示する図である。図３を参照すると、タイミング・角度測定部１０３は、
（Ａ）送信レーザパルスの送信タイミングと、対向衛星２０から送信されたレーザ光の受信タイミングから衛星間の距離を算出する衛星間距離計算機能１０３Ａと、
（Ｂ）ＬＯＳ角を検出するＬＯＳ角検出機能１０３Ｂと、
（Ｃ）レーザ部１０２での送信レーザパルスの送信タイミングを制御（変調）して通信データを重畳させる送信タイミング制御（通信データ重畳）機能１０３Ｃと、
（Ｄ）光検知器１０６のアレイセンサで受信したデータに対して時間的・空間的なゲート処理を行って、ノイズデータを除去するノイズ除去機能１０３Ｄと、
（Ｅ）光検知器１０６のアレイセンサで受信した全てのデータに時刻タグを付与してデータ処理・制御部１０４に該データを送信する時刻情報付与機能１０３Ｅ、等を有する。

基準時計１０１は、高安定周波数標準のクロック信号、エポックタイミング（ある特定の時刻）となる１PPS（Pulse Per Second）のタイミング信号、及び、１PPSの時刻を出力する。

図４は、データ処理・制御部１０４の機能構成の一例を例示する図である。図４を参照すると、データ処理・制御部１０４は、
（ａ）衛星バスシステム３０との間で制御情報の送受（電力制御、コメンドテレメトリ、衛星軌道情報、衛星姿勢情報等）を行う通信機能１０４Ａと、
（ｂ）自衛星１０の姿勢と軌道の制御機能１０４Ｂと、
（ｃ）対向衛星２０の軌道情報を基にしたポインティング部１０９のＬＯＳ角制御機能１０４Ｃと、
（ｄ）送信レーザパルスに重畳させる通信データの生成機能１０４Ｄと、
（ｅ）対向衛星２０から送信され光検知器１０６で受信されたレーザ光の受信タイミングから通信データをデコードするデコード機能１０４Ｅと、
（ｆ）対向衛星２０から送られてくる対向衛星２０での測距データと自衛星１０の測距データを比較し、自衛星１０と対向衛星２０間の時計の誤差をキャンセルした測距データの算出を行う測距データ算出機能１０４Ｆ、等を有する。

次に、本実施形態において、タイミング・角度測定部１０３で行われる時間的・空間的ゲート処理について説明する。

図５は、時間的ゲート（レンジゲート）の処理、図６は、空間的ゲート（空間ゲート）の処理を説明するための模式図である。レーザパルスのタイミングを検出する装置（レーダやライダ）には、一般的にレンジゲートが実装されている。

タイミング・角度測定部１０３において、レンジゲート処理と、空間的なゲート処理に基づき、ノイズデータの適切な除去を可能としている。

図５（Ａ）乃至（Ｃ）において、横軸は時間であり、破線のボックスはレンジゲート４０を表している。図６の２次元平面において、破線で囲んだ領域は、空間ゲート５０を表している。

図５（Ａ）において、〇で囲んだ１の受信のタイミングは、レーザの送信タイミング（図８を参照して説明される衛星Ｓ１の送信タイミングＴ１）に対応した受信タイミング（図８を参照して説明される衛星Ｓ１の受信タイミングＴ１’）に対応する。図５（Ａ）の例では、レンジゲート４０内のタイミングの受信信号は、図６の〇で囲んだ１で示すピクセルで受信した信号（フォトン）に対応している。

図５（Ｂ）において、レンジゲート４０内に受信信号は存在していない。すなわち、図６における〇で囲んだ２のノイズデータ（図６の〇で囲んだ１の受信信号の１ライン左下のセンシング素子からの信号）は、図５（Ｂ）の〇で囲んだ２の受信タイミングに対応したレンジゲート４０内には含まれていない。このため、タイミング・角度測定部１０３では、ノイズデータと判断できる。

同様に、図５（Ｃ）において、レンジゲート４０内に、ダークカウントのノイズデータは存在するが、受信信号は存在しない。また図６において、空間ゲート５０の中にはダークカウント（〇で囲んだ３）は含まれていない。このため、タイミング・角度測定部１０３では、ノイズデータと判断できる。

図５と図６に示した例は、あくまで理解容易のための原理的な説明であり、実際のケースでは、レンジゲート、空間ゲートに共に入っているノイズデータも存在する。

図５と図６に示した例において、検出されたノイズデータと、本来の受信信号では、発生頻度に特徴がみられることが予想できる。タイミング・角度測定部１０３では、これらの発生頻度の違いを利用し、図１の対向衛星２０との協調によるノイズデータを識別することも可能である。

更に、タイミング・角度測定部１０３では、対向衛星２０から送信されるレーザパルスの送信タイミングの変調パターンを事前にプログラミングすることで、受信タイミングのパターンマッチングを行い、受信信号とノイズデータを識別することもできる。

タイミング・角度測定部１０３で行う空間ゲート５０についても、ポインティング部１０９のＬＯＳ角制御と、光検知器１０６で受信したレーザ信号の画素位置とを比較することで、空間的なパターンマッチングにより受信信号の識別が可能である。

次に、図７を参照して、タイミング・角度測定部１０３の送信タイミング制御（通信データ重畳）機能１０３Ｃについて説明する。

前述したように、自衛星１０のタイミング・角度測定部１０３は、対向衛星２０に送信するレーザの送信タイミングを制御する。対向衛星２０側では、衛星１０のレーザ測距装置（衛星間測距装置）１００から送信されたレーザの受信タイミングを識別することで通信を行う。

図７の例では、10nsec（nanosecond）の分解能（１データ期間＝10nsec）で、656μｓｅｃ（microsecond）の時間変調範囲を持つことで、65536個のデータ（D1-D65536）を識別することができる。65536個（＝2¹⁶）のデータ識別は、16bitのデータ量に相当する。

データD1-D65536のどこに測距信号を配置するかによって16ビット（bit）の情報を送信することができる。すなわち、１回のレーザ測距信号で16ビットのデータ送信が可能である。これを1kHzのレーザ繰り返し周波数（1msのパルス繰り返し時間）で動作させると、16Kbps(Kilo bit per second)の通信レートが得られる。なお、10nsecの時間分解能は、約3×10⁸(m)×10×10^-9＝3mの測距距離に相当する。これは、mm(millimeter）オーダの測距精度を有する一般的なレーザ測距装置で十分に識別可能である。測距精度を上げることにより、更なる通信レートの向上も期待できる。図７に例示したデータの重畳例は一例であり、他のパルスレーザによる光通信方式を採用することも可能である。

図８（Ａ）は、タイミング・角度測定部１０３の測距データ算出機能１０４Ｆで行われる１方向測距を説明するための模式図である。なお、衛星Ｓ１は、図１の衛星間測距装置１００を搭載した衛星１０、衛星Ｓ２は、図１の対向衛星２０（衛星Ｓ１と同様に衛星間測距装置１００を搭載しているものとする）に対応させることができる。図８を参照して、タイミング・角度測定部１０３の測距データ算出機能１０４Ｆにおける衛星間測距の時刻誤差の相殺（cancel）について説明する。

１方向測距は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、
衛星Ｓ１からレーザ光を送信した時刻Ｔ１、
衛星Ｓ１で衛星Ｓ２からのレーザ光を受信した時刻Ｔ１’、
衛星Ｓ２でレーザ光を送信した時刻Ｔ２、
衛星Ｓ２で衛星Ｓ１からのレーザ光を受信した時刻Ｔ２’
から推定できる。

時刻Ｔ１、時刻Ｔ１’は、衛星Ｓ１の衛星間測距装置１００の光検知器１０６で検出され、時刻Ｔ２、時刻Ｔ２’は、衛星Ｓ２の衛星間測距装置１００の光検知器１０６’で検出される。

Ｌ１、Ｌ２を衛星Ｓ１、Ｓ２でそれぞれ計測した１方向測距とし、ｃを光速とすると、
L1 = (T1’ - T1)×c … (1)
L2 = (T2’ - T2)×c … (2)

１方向測距Ｌ１とＬ２の和の１／２を衛星間距離Ｌとする。
L = (L1 + L2)/2 … (3)
T1’ = T2 + L/c … (4)
T2’ = T1 + L/c … (5)

ここで、図８（Ｂ）に示すように、衛星Ｓ１と衛星Ｓ２のそれぞれの持つ基準時計１０１間にはδｔの時刻誤差が含まれているものとする。したがって、衛星Ｓ１と衛星Ｓ２が基準時計１０１にしたがって同時刻にレーザを送信した場合でも、δｔの時間差がある。

T2 = T1 + δt… (6)

なお、図８（Ｂ）では、δｔ＞０の例を示しているが、δｔ＜０であっても同様の算法が成り立つ。

衛星Ｓ１と衛星Ｓ２でそれぞれ取得した測距データを比較することにより、衛星間距離Ｌから時間誤差δｔをキャンセルすることができる。

L1 = (T1’ - T1)×c
= (T2 + L/c - T1)×c
= (T1 + δt + L/c - T1)×c
= L + δt×c … (7)

L2 = (T2’ - T2)×c
= (T1 + L/c - T2)×c
= (T2 - δt + L/c - T2)×c
= L -δt×c … (8)

上式（３）では、上式（７）、（８）の加算結果
L1＋L2=L+δt×c + L -δt×c =2L … (9)
の２分の１を衛星間Ｌとして求めており、衛星Ｓ１、Ｓ２間の時間誤差δｔはキャンセル（相殺）されている。

図９は、本発明の実施の形態を説明する図であり、図１のタイミング・角度測定部１０３とデータ処理・制御部１０４の各機能（処理）を、コンピュータ装置４００に実装した場合の構成を説明する図である。図９を参照すると、コンピュータ装置４００は、プロセッサ４０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の半導体メモリ等（あるいは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等であってもよい）のメモリ４０２と、インタフェース４０３（バスインタフェース）を備えている。プロセッサ４０１はメモリ４０２に格納されたプログラムを実行することで、タイミング・角度測定部１０３とデータ処理・制御部１０４の機能を実現している。

本実施形態のいくつかの効果について以下に説明する。

測距用のセンサと、ポインティングセンサを１つのアレイセンサで行うことで装置構成の簡略化を実現している。

光検知器として、ガイガーモードのＡＰＤのアレイセンサを搭載することにより、レーザの受信タイミングの検出と、対向衛星のビームポインティングの検出用のセンサを兼用することができる。また、数フォトンの受信信号で測距が可能となることで、例えば１ｍｒａｄ程度の送信ビーム拡がりでも、ほぼ50,000km先で受信でき、サーチして対向衛星を探したり、受信信号を常時モニタしてポインティング機へフィードバックする必要なく、対向衛星にビームを送信し、かつ受信もできる。

時間的・空間的ゲート処理によるノイズデータ除去処理により、受信光とノイズの識別性能を向上する。

予測軌道や送信タイミングの情報を基にしたレンジゲートと空間ゲートを協調させて、より正確なノイズ除去を可能としている。対向衛星との協調やポインティング部のＬＯＳ角制御との同期を利用したパターンマッチングによる識別性能の向上も可能である。

測距信号の変調によるデータ送受信の採用により小型化を実現できる。

測距用パルスレーザの送信タイミングを変調することで、送信時刻データなどの自衛星情報を対向衛星に伝えることが可能である。

さらに、レーザ測距と通信の機能を具備した小型化に特化した衛星間測距装置を実現することができる。

上記実施形態では、人工衛星間の距離を測定について説明したが、本発明は、人工衛星間の距離の測定に制限されるものでなく、例えば惑星間の距離測定等にも利用できる。さらに、地上－衛星間、移動体と移動体（もしくは固定局）の距離の測定に利用可能である。

なお、上記の特許文献１、２の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施の形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１０ 衛星（自衛星）
２０ 対向衛星
３０ 衛星バスシステム
４０ レンジゲート
５０ 空間ゲート
６０ ＡＰＤセルアレイ
６１ ＡＰＤセル
６２ 基板
６３ 基板
６４ バンプ
７０ ＲＯＩＣセルアレイ
７１ ＲＯＩＣセル
７２ 電流電圧変換器
７３ 比較器
７４ 時間－デジタル変換器（TDC）
７５ 出力回路
１００ 衛星間測距装置
１０１、１０１’ 基準時計
１０２、１０２’ レーザ部
１０３ タイミング・角度測定部
１０３Ａ 衛星間距離計算機能
１０３Ｂ ＬＯＳ角検出機能
１０３Ｃ 送信タイミング（通信データ重畳）機能
１０３Ｄ ノイズ除去機能
１０３Ｅ 時刻情報付与処機能
１０４ データ処理・制御部
１０４Ａ 通信機能
１０４Ｂ 姿勢・軌道制御機能
１０４Ｃ ＬＯＳ角制御機能
１０４Ｄ 通信データ生成機能
１０４Ｅ デコード機能
１０４Ｆ 測距データ算出機能
１０５ ハーフミラー
１０６、１０６’ 光検知器
１０７ 送信光学部
１０８ 受信光学部
１０９ ポインティング部
２０１ レーザ部
２０２ 送信光学系
２０３ ポインティング部
２０４ ポインティング駆動部
２０５ 受光部
２０６ ディスクリミネータ
２０７ イベントタイマ
２０８ 制御部
２０９ インタフェース
２１０ 電源部
３０１ 第１のビームスプリッタ
３０２ 第１の集光レンズ
３０３ 粗調用ポインティングセンサ
３０４ 第２のビームスプリッタ
３０５ 第２の集光レンズ
３０６ 微調用ポインティングセンサ
３０７ 第３の集光レンズ
３０８ 測距用受光素子
４００ コンピュータ装置
４０１ プロセッサ
４０２ メモリ
４０３ インタフェース

Claims (10)

1. レーザを送信及び受信するターゲット装置と自装置との間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
   送信レーザを出力するレーザ部と、
   前記ターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
   複数のセンシング素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
   を備え、
   前記光検知器の前記アレイセンサは、１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行い、
   さらに、
   前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出する手段を備えたレーザ測距装置。
2. 前記アレイセンサで検出した信号に対して時間的ゲートと空間的ゲートを施し、ノイズデータを除去する手段をさらに備えた請求項１に記載のレーザ測距装置。
3. 前記レーザ部での送信レーザパルスの送信タイミングを変調し測距送信レーザパルスに通信データを重畳させる手段をさらに備えた請求項１又は２に記載のレーザ測距装置。
4. 予め定められたレーザ繰り返し周波数に対応する１周期内に、所定の時間分解能の２のＮ乗個（Ｎは所定の正整数）の区間を設け、前記２のＮ乗個の区間のどこに測距信号を配置するかによってＮビットの情報の送信が行われ、前記レーザ繰り返し周波数で動作させることで、前記レーザ繰り返し周波数と前記Ｎビットの積で定まる通信レートを実現する手段を備えた、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
5. 前記ターゲット装置から送信され前記光検知器で受信されたレーザの受信タイミングから通信データをデコードするデコード手段をさらに備えた請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
6. 前記光検知器で検出された前記ターゲット装置からの受信レーザに含まれる前記ターゲット装置での測距データと、前記自装置での測距データとを比較し、前記自装置と前記ターゲット装置間の時計の誤差をキャンセルした測距データの算出を行う手段をさらに備えた請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
7. 前記アレイセンサが、前記センシング素子としてＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）セルを含むＡＰＤセルアレイからなり 各ＡＰＤセルでレーザ受信した時間を計測する時間計測回路を備えた請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
8. 前記自装置が衛星であり、
   前記ターゲット装置が前記衛星に対向し、前記レーザ測距装置を備えた対向衛星である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
9. 送信レーザを出力するレーザ部と、
   レーザを送信及び受信するターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
   複数の素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
   を備えたレーザ測距装置を備えた自装置と、前記ターゲット装置との間の距離を測定するレーザ測距方法であって、
   （ａ）前記光検知器の前記アレイセンサでは１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行うこと、
   （ｂ）前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出すること、
   （ｃ）前記アレイセンサで検出した信号に対して時間的ゲートと空間的ゲートを施し、ノイズデータを除去すること、
   （ｄ）前記レーザ部での送信レーザパルスの送信タイミングを時間変調し測距送信レーザパルスに通信データを重畳させること、
   のうち、
   前記（ａ）と前記（ｂ）、
   前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）、
   前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｄ）、
   前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）と前記（ｄ）、
   のうちのいずれかの組み合せを行う、レーザ測距方法。
10. レーザを送信及び受信するターゲット装置との間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
    送信レーザを出力するレーザ部と、
    前記ターゲット装置から受信したレーザに基づき、前記送信レーザの発射方向を前記ターゲット装置に向けるポインティング部と、
    複数の素子がアレイ状に配置されたアレイセンサを含む光検知器と、
    を備え、前記光検知器の前記アレイセンサでは１つで測距用とポインティング検出用の信号検出を行うレーザ測距装置を備えた自装置を構成するコンピュータに、
    （ａ）前記送信レーザの送信タイミングと、前記ターゲット装置から受信したレーザの受信タイミングに基づき、前記自装置と前記ターゲット装置との間の距離を算出する処理、
    （ｂ）前記アレイセンサで検出した信号に対して時間的ゲートと空間的ゲートを施し、ノイズデータを除去する処理、
    （ｃ）前記レーザ部での送信レーザパルスの送信タイミングを時間変調し測距送信レーザパルスに通信データを重畳させる処理、
    のうち、
    前記（ａ）、
    前記（ａ）と前記（ｂ）
    前記（ａ）と前記（ｂ）と前記（ｃ）、
    のうちのいずれかの組み合せの処理を実行させる、プログラム。

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