JP2669223B2 - ランデブードッキング用光学センサー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、宇宙空間の軌道上に
存在する二つの衛星の一つ（以後、チェイサーという）
が、他の衛星（以後、ターゲットという）の相対的な座
標位置・姿勢を計測してドッキングを行うための、光学
センサー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０及び図１１に示されるように、こ
れまでのランデブードッキング用光学センサー１は、チ
ェイサー２には光源３および撮像器４が搭載されてお
り、ターゲット５には、あるパターンをもって複数のリ
フレクタマーカ６が配置されたものが提案されている。

【０００３】従来のランデブードッキング用光学センサ
ー１の動作について説明する。まず、チェイサー２から
ターゲット５に向けて光を送り出す。チェイサー２にと
って、ターゲット５の座標はまだ厳密には判らないの
で、ターゲット５が存在すると思われる方向を含む、あ
る広がりを持った視野に対し光を送る。ターゲット５に
光が当たると、ターゲット５に取り付けられたリフレク
タマーカ６が光を反射する。リフレクタマーカ６には通
常コーナーキューブが用いられ、光は光源に向かって効
率的に反射される。チェイサー２の撮像器４は複数のリ
フレクタマーカ６の変形されたパターン配置を持つ像を
その像面に結ぶ。撮像器４にとらえられたリフレクタマ
ーカ６の配置パターンが、ドッキング距離で正対したと
きのパターンから、どのように変形したかをコンピュー
タ７で計算し、相対的な座標位置・姿勢を検出する。そ
して、検出された相対的な座標位置・姿勢をドッキング
に最適な座標位置・姿勢にするようチェイサー２の姿勢
制御部８を制御する。以上の、過程を繰り返し実施し、
最終的なドッキングを行うものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のランデブードッ
キング用光学センサー１には、以下のような問題点があ
った。チェイサー２から光を送り出すために、リフレク
タマーカ６を貼り付けたターゲット５本体からの反射が
背景光として入り、特に、熱制御材であるカプトンをそ
のベースに貼り付けてある場合等には、カプトン表面の
凹凸により、正反射光がチェイサー２に戻るため、リフ
レクタマーカ６からの反射とを区別するための高度な画
像処理を必要とした。そして、高度な画像処理を行うた
めには高速処理が可能なコンピュータ７のＣＰＵが必要
となった。しかし、これらの高速処理ＣＰＵには、宇宙
用に使用できる程度の信頼性の高いものはないのが実状
である。それ故、速度の遅いＣＰＵを用いて高度な画像
処理を行わなければならず、必然的に処理時間が長くな
っていた。衛星が移動しながら相対座標位置・姿勢を検
出するのであるから、処理時間が長いのは、一度の処理
の失敗も許せない、安全性の低いシステムであるといえ
る。

【０００５】この発明は、このような問題点を解決する
ためになされたものであり、画像処理のような複雑な処
理は用いずに単純な計算式を用いて相互の座標位置・姿
勢を算出し、これにより計算処理を高速に行うことを可
能にするとともに、ＣＰＵも高速なものを使用する必要
のない信頼性の高い装置を実現することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るランデブ
ードッキング用光学センサー装置は、ターゲットに光源
を配置し、チェイサーに複数の検出器を配置し、該光源
は、視野全域をナイフエッヂで走査する機構を持ち、し
かもナイフエッヂは互いに直交するエッヂを有し、それ
らのエッヂが交互に視野空間を走査するように構成す
る。また、前記複数の検出器はチェイサーの本体に、あ
るパターンで配置され、ターゲットのナイフエッヂの照
光・遮光を、電気のオンオフ信号に変換する。これらの
オンオフ信号のタイミングを測定し、コンピュータを用
いて、所定の計算式から相互の衛星の座標及び姿勢を計
算するものである。

【０００７】

【作用】ターゲットの光源に用意された走査機構は視野
全域に仮想座標を設定する。走査は一定速度で行われる
ため、その走査角により視野角が等分割される。従っ
て、チェイサーのある検出器がナイフエッヂの横切った
ことを検出した時点での走査角がその走査方向の視野角
を与えることになる。直交した走査方向のナイフエッヂ
で走査して、同様にして視野角を得れば、ターゲットの
座標から見て、どの方向にチェイサーの該検出器が存在
しているかがわかる。複数の検出器をチェイサーの本体
に、あるパターンで配置しておけば、それぞれの検出器
のターゲットに対する座標が決定されるため、原パター
ンからの変形から、相互の座標位置・姿勢を求めること
ができる。

【０００８】

【実施例】

実施例１．図１及び図２はこの発明の一実施例を示すも
のである。図２（ａ）は、ターゲット５に搭載される走
査光学装置９の搭載部位を示す。図２（ｂ）は、チェイ
サー２に搭載される一部装置の配置を示す。４個の検出
器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、及び１６ｄが半径ｒの円周
上に９０゜刻みで配置されている。

【０００９】図１（ａ）は、走査光学装置９の光学構成
を示す。ハロゲンランプ１０のフィラメントをコリメー
タレンズ１１の物側焦点上に配置し、ほぼ平行な光束を
得る。その光束で投影レンズ１２の物側焦点上に置かれ
たナイフエッヂ１３を照明し、投影レンズ１２はフィラ
メントの像を投影レンズ１２の像側焦点上に結像した
後、宇宙空間にそのナイフエッヂの像１４を投影する。
投影レンズ１２の像側焦点上には、コンデンサーレンズ
１５が置かれ、ナイフエッヂの像１４は、以下に示すチ
ェイサー２の検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、及び１６
ｄの最近接距離にある時に像が結ばれる様に光学常数が
決められている。ナイフエッヂ１３はモーター１７によ
り一定速度で移動し、その動きはナイフエッヂ１３の辺
縁に刻まれたリニアエンコーダ１８とフォトインタラプ
タ１９とからパルス信号として検出され、処理回路２０
を経て、発光ダイオード２１でチェイサー２に送られ
る。また、ナイフエッヂ１３は、直交した方向から光束
を交互に遮ることができる構造となっている。

【００１０】図１（ｂ）は、チェイサー２に搭載される
装置の構成を示す。４個の検出器１６ａ，１６ｂ，１６
ｃ，及び１６ｄからの信号を処理する前処理部２２及び
コンピュータ２３を有し、計算された座標・姿勢値に応
じてチェイサーの姿勢を制御する制御部２４に接続され
る。一方、発光ダイオード２１から送られるパルス信号
を受信するための検出器２５が用意され、その出力は前
処理部２２に入力されている。

【００１１】ターゲット５の座標軸は、図１（ａ）及び
図２（ａ）に示すとおり光学系の光軸方向をＺ軸とし、
その正の向きは光が送出される向きである。また、Ｘ軸
とＹ軸はナイフエッヂ１３の走査する方向に平行な方向
であり、右手系を構成するように定められる。ターゲッ
ト５の座標原点は、コリメータレンズ１１と投影レンズ
１２とによって、結像されたハロゲンランプ１０のフィ
ラメント像の位置とする。チェイサー２の座標軸は、図
２（ｂ）に示すとおり、ｚ軸はターゲットのＺ軸と実質
的に同じである。また、ｘ軸とｙ軸は、検出器１６ａ、
１６ｂ、１６ｃ、及び１６ｄの配置円がＸ−Ｙ平面に平
行であれば、配置円の中心を挟んで対向する一対の検出
器を結ぶ線分に各々平行な方向であり、右手系を構成す
るように定められる。チェイサー２の座標原点は、配置
円の中心である。ドッキングの完了とは、ターゲット５
のＸ、Ｙ、Ｚ軸がチェイサー２のｘ、ｙ、ｚ軸にそれぞ
れ平行になり、かつ互いの座標原点の間隔がある値、例
えば最近接距離になった時をいうものとする。

【００１２】図３に従って、ターゲット５の動作を説明
する。ターゲット５は、ナイフエッヂ像を送る機能を有
する。ナイフエッヂ１３の構造は、完全透光領域１３
ａ、完全遮光領域１３ｂ及びリニアエンコーダ領域１８
からなる。まず、リニアエンコーダ領域１８のリセット
ポイント２６を検出して、スタートパルスとする。この
パルス信号は、図１（ａ）に示されたフォトインタラプ
タ１９で検出され、図１（ａ）の発光ダイオード２１で
チェイサー２に送られる。まず、Ｙ軸方向から透光が始
まり、全視野透光となり、次に同方向の遮光が始まり、
全視野遮光となる。その後、Ｘ軸方向からの透光が始ま
り、全視野透光となって、次に同方向の遮光が始まって
全視野遮光となり１サイクルが完了する。この透光及び
遮光は時間的に極めて正確に進行する。

【００１３】次に、図４に従って、チェイサー２の信号
検出について説明する。チェイサー２は、ターゲット５
から送られてきたナイフエッヂ光を、その検出器１６
ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄで受け取り、オン・オフ
信号を出力する。図３では、その時の状況を説明するた
めに、ナイフエッヂ１３と検出器１６ａ、１６ｂ、１６
ｃ及び１６ｄを重ね合わせて示している説明図である。
各検出器の出力信号の立ち上がり／立ち下がり点が状況
によって異なることが容易に理解できる。図１（ａ）の
発光ダイオード２１から送られるパルス信号つまりリニ
アエンコーダ１８の出力パルス信号をもって、ナイフエ
ッヂ１３の移動量を計測する。リニアエンコーダ１８の
出力パルス信号は、図１（ｂ）の前処理部２２におい
て、チェイサー２のクロックをカウントする際のリセッ
トパルスとして利用され、リニアエンコーダ１８の１パ
ルス幅を更に細かく分解するために用いられる。捕捉が
開始されると、ナイフエッヂ１３は１サイクルの遮光を
実行する。この時、図１（ｂ）の前処理部２２は、図４
におけるバッファ２７からの出力信号に対して、図３に
示したＸまたはＹ軸方向の全視野に渡る透光時２８にサ
ンプルパルスＳ₁ を発生して、その時のナイフエッヂ１
３の出力信号を図４に示すサンプルホールド回路２９に
よりホールドし、同様に、ＸまたはＹ軸方向の全視野に
渡る遮光時３０にサンプルパルスＳ₂ を発生して、その
時のナイフエッヂ１３の出力信号を図４に示すサンプル
ホールド回路３１でホールドする。図４に示すように、
それら透光時と遮光時の出力信号を加算平均器３３に入
力し、その出力レベルをスレシホールドレベルとして、
検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄの出力信号を
波形整形器３２により波形整形する。

【００１４】所定の検出器の波形整形後の出力信号が立
ち上がりあるいは立ち下がりが、リニアエンコーダ１８
のパルスカウント数Ｔとパルスカウント数Ｔ＋１との間
で発生したとする。またリニアエンコーダ１８の１パル
ス間隔をＮ等分するようにクロックパルスを発生し、立
ち上がりあるいは立ち下がりがクロックパルス数ｎの時
に生じたとすると、リニアエンコーダ１８の１パルスの
進行時間間隔を△ｔとすると、立ち上がりあるいは立ち
下がりのスタートパルスからの時間ｔは、次式で与えら
れる。 ｔ＝｛Ｔ＋ｎ／Ｎ｝・△ｔ ・・・・（１）

【００１５】図５において、リニアエンコーダ１８の１
パルスの幅をｐ、ナイフエッヂ１３のスクリーン全幅を
Ｗ、投影レンズ１２の焦点距離をｆ、所定の検出器のコ
ンデンサーレンズ１５からの距離をｄとすると、検出器
のＸＹ座標平面上の一軸座標値は、例えばＸ軸を例にと
ると、次式で与えられる。

【００１６】

【数２】

【００１７】全ての検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び
１６ｄのＸＹ座標は、以上の手順によって求められるも
のとする。従って、以後の議論は座標値によって行うも
のとする。以下に、図１（ｂ）のコンピュータ２３で行
われる計算処理について説明する。チェイサー２のコン
ピュータ２３は、ターゲット５のＸＹＺ座標系から見た
チェイサー２のｘｙｚ座標系の傾き、及び原点位置を計
算する。

【００１８】Ｘ−Ｙ平面とｘ−ｙ平面は常に平行となる
よう規定するが、互いの座標軸は一般に平行にはならな
い。その場合、４個の検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及
び１６ｄのＸＹＺ座標はｘ−ｙ座標面への射影点とし
て、図６に示すように、座標回転で求めることができ
る。但し、図６では検出器１６ａ及び１６ｂについての
み示した。各検出器の生のＸＹ座標を、式（３）とし
て、式（４）なる値を定義する。 １６ａ：（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ） １６ｂ：（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ） １６ｃ：（Ｘ₃ ，Ｙ₃ ） ｝・・・・（３） １６ｄ：（Ｘ₄ ，Ｙ₄ ） Ｘ₀₀＝（Ｘ₁ ＋Ｘ₃ ）／２ Ｙ₀₀＝（Ｙ₂ ＋Ｙ₄ ）／２ ｝・・・・（４）

【００１９】これは検出器の配置円の中心のＸＹ座標を
与える。便宜上、ｋ＝１、２として、式（５）なる値を
定義する。 Ｘ_k0＝（Ｘ_k −Ｘ_k+2 ）／２ Ｙ_k0＝（Ｙ_k −Ｙ_K+2 ）／２ ｝・・・・（５）

【００２０】ＸＹＺ軸に対するｘｙｚ軸の回転角γを決
定する式を誘導する。一般には、チェイサー２の検出器
配置円はｘ−ｙ平面に対し傾きを持っているので、図７
の様な状況となっている。ここでＸＹＺ座標系の原点と
ｘｙｚ座標系の原点とは一致しているものと考え、式
（４）で定義した点（Ｘ₀₀，Ｙ₀₀）を原点と考えてい
る。更に、ＸＹＺ座標系における座標（Ｘ_k0，Ｙ_k0）
の、ｘｙｚ座標系での対応する座標を（ｘ_k0，ｙ_k0）と
すると、式（６）が成り立つことが証明される。 ｙ₁₀＝ｘ₂₀ ・・・・・（６）

【００２１】この式と座標回転の式（７）から回転角γ
は式（８）より求められる。回転角γは、チェイサー原
点のＺ座標Ｚ₀₀に無関係に決定される。 ｘ_k0＝Ｘ_k0ｃｏｓγ−Ｙ_k0ｓｉｎγ ｙ_k0＝Ｘ_k0ｓｉｎγ＋Ｙ_k0ｃｏｓγ ｝・・・・（７） ｔａｎγ＝（Ｘ₂₀−Ｙ₁₀）／（Ｘ₁₀＋Ｙ₂₀） ・・・・（８）

【００２２】検出器配置円のｘ−ｙ平面に対する傾きを
決定する式を誘導する。傾きの折り返し線は図７の点線
で表示されており、その折り返し線のｘ軸となす角ψ
は、式（９）と表されることが証明される。 ｔａｎ２ψ＝−（ｘ₂₀＋ｙ₁₀）／（ｙ₂₀−ｘ₁₀） ・・・（９）

【００２３】それ故、式（７）と式（８）から、角ψは
式（１０）より求められる。角ψも、Ｚ₀₀に無関係に決
定される。

【００２４】

【数３】

【００２５】楕円の長軸及び短軸の長さを各々ａ，ｂと
し、式（１０）より求められた角ψの主値をψ_p・v とす
ると、式（１１）なる関係が証明されるので、チェイサ
ー２の傾き角ωは、式（１２）より求められる。 ａ＝ｘ₁₀＋ｙ₁₀ｔａｎψ_p・v ｂ＝−ｘ₂₀ｔａｎψ_p・v ＋ｙ₂₀ ｝・・・・（１１） ｃｏｓω＝ａ／ｂ ・・・・（１２）

【００２６】式（７）と式（８）より、式（１３）が求
められる。角ωも、Ｚ₀₀に無関係に決定される。 ｃｏｓω＝Ａ／Ｂ ・・・・（１３） 但し、 Ａ＝Ｘ₂₀ ² −Ｘ₂₀Ｙ₁₀＋Ｘ₁₀Ｙ₂₀＋Ｙ₂₀ ² −（Ｘ₁₀Ｘ₂₀＋Ｙ₁₀Ｙ₂₀）ｔａｎψ_{p ・ v} Ｂ＝Ｘ₁₀ ² −Ｘ₂₀Ｙ₁₀＋Ｘ₁₀Ｙ₂₀＋Ｙ₁₀ ² −（Ｘ₁₀Ｘ₂₀＋Ｙ₁₀Ｙ₂₀）ｔａｎψ_{p ・ v}

【００２７】チェイサー原点のＺ座標Ｚ₀₀を決定する式
を誘導する。式（８）のａは検出器の配置円の半径ｒに
等しい。検出器１６の、例えば、Ｘ座標は、検出器１６
ａの添字をｋ＝１、検出器１６ｂの添字をｋ＝２、検出
器１６ｃの添字をｋ＝３、検出器１６ｄの添字をｋ＝４
とすると、式（１４）で与えられるため式（１５）と式
（５）により、式（１６）が求められる。

【００２８】

【数４】

【００２９】

【００３０】 Ｘ_k0＝（ｔ_X._k−ｔ_X._k+2）・√２・ｐ・ｄ／（２ｆ） ＝Ｚ₀₀・（√２・Δｔ_X ・ｐ）／（２ｆ） Ｙ_k0＝Ｚ₀₀・（√２・Δｔ_Y ・ｐ）／（２ｆ） ……… （１６）

【００３１】式（１６）を式（７）に代入し、式（１
７）、式（１８）を得る。

【００３２】 Ｃ_xk＝√２・ｐ・（Δｔ_X ・ｃｏｓγ−Δｔ_Y ・ｓｉｎγ）／ｆ Ｃ_yk＝√２・ｐ・（Δｔ_X ・ｓｉｎγ＋Δｔ_Y ・ｃｏｓγ）／ｆ…（１７）

【００３３】 ｘ_k0＝Ｚ₀₀・Ｃ_xk／２ ｙ_k0＝Ｚ₀₀・Ｃ_yk／２ ｝・・・・（１８）

【００３４】式（１８）を式（１１）に代入して、Ｚ₀₀
は式（１９）より決定される。 Ｚ₀₀＝２ｒ／（Ｃ_x1＋Ｃ_y1ｔａｎψ_p・v ） ・・・・（１９）

【００３５】チェイサー原点のＸＹ座標（Ｘ₀₀，Ｙ₀₀）
は、式（４）より、式（２０）で与えられる。 Ｘ₀₀＝（Ｘ₁ ＋Ｘ₃ ）／２ Ｙ₀₀＝（Ｙ₂ ＋Ｙ₄ ）／２ ｝・・・・（２０）

【００３６】チェイサー２のコンピュータ２３により計
算されたターゲット５のＸＹＺ座標系における座標位置
・姿勢から制御部２４を制御して、ドッキングするため
に必要な座標位置・姿勢への修正を行う。最終的なドッ
キングが完了するまで、上記過程を繰り返す。

【００３７】実施例２．図８は、走査光学装置９の他の
実施例である。ナイフエッヂ１３は液晶板３４に代わ
り、液晶板３４の前後に偏光板３５、及び３６を配置し
ている。液晶板３４のナイフエッヂ動作はこれまで述べ
てきたのと同様に、二方向から走査されるようスクリー
ンのパターンが構成されている。しかし、動作は連続的
ではなく精度は落ちるが、周辺の構造が簡単になるとい
う長所がある。

【００３８】実施例３．図９は、直線的走査を行うナイ
フエッヂ１３の代わりに回転走査によって、同様な目的
を達成するためのホイールナイフエッヂである。このナ
イフエッヂは、図３に示すナイフエッヂの底辺を一点に
縮退させたものと考えてよい。このホイールを用いれ
ば、走査は非常に単純な動作となる。

【００３９】

【発明の効果】この発明は、以上説明したとおりの構成
を持つため、以下に記載するような効果がある。

【００４０】光源がターゲットにあるため、光源光の反
射による背景光の反射光が生じることがないので、高度
な画像処理による識別処理が必要でない。

【００４１】また、基本的に画像処理を用いて処理を行
うのでなく、初等関数を用いた算術式を計算することに
よって、相対的な座標位置・姿勢を求めるので、画像処
理で必要となる高速ＣＰＵ、例えば、３２ビットＣＰＵ
は必要なく、８ビットＣＰＵで十分に処理が可能であ
る。しかも、３２ビットＣＰＵを用いた画像処理より、
高速処理が可能であり、ドッキングにおける安全性が格
段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す図である。

【図２】この発明の実施例１の使用状態を示す図であ
る。

【図３】この発明の実施例１で使用されるナイフエッヂ
の動作原理を示す図である。

【図４】この発明の実施例１で使用される波形整形器の
ブロック図である。

【図５】クロックカウント数から座標値を算出する原理
を説明した図である。

【図６】ＸＹＺ座標系とｘｙｚ座標系との座標変換の簡
単な説明図である。

【図７】ＸＹＺ座標系とｘｙｚ座標系との変換原理を説
明した図である。

【図８】この発明の実施例２を示す図である。

【図９】この発明の実施例３を示す図である。

【図１０】従来のランデブードッキング用光学センサー
の仕様状態を示す図である。

【図１１】従来のランデブードッキング用光学センサー
を示す図である。

【符号の説明】

９ 走査光学装置 １０ ハロゲンランプ １１ コリメータレンズ １２ 投影レンズ １３ ナイフエッヂ １４ ナイフエッヂの像 １５ コンデンサーレンズ １６ 検出器 １７ モーター １８ リニアエンコーダ １９ フォトインタラプタ ２０ 処理回路 ２１ 発光ダイオード ２２ 前処理部 ２３ コンピュータ ２４ 制御部 ２５ 検出器 ２７ バッファ ２９ サンプルホールド回路 ３１ サンプルホールド回路 ３２ 波形整形器 ３３ 加算平均器 ３４ 液晶板 ３５ 偏光板 ３６ 偏光板

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙空間の軌道上に存在する二つの衛星
   において、一方の衛星には宇宙空間のある立体角に対
   し、互いに直交する方向から一定の速度で走査する機構
   を持つ光源光学系と、この光源光学系の走査速度を他方
   の衛星に送信する送信器とを有し、 他方の衛星には、ある半径の円周上に９０゜刻みで配置
   されている４個の検出器と、前記走査速度を受信する受
   信器と、上記検出器の出力信号をゲートパルスに波形整
   形し、クロックパルスをカウント処理する前処理部と、
   この前処理部のカウントデータから演算処理を行って、
   相対的な座標位置・姿勢を計算するコンピュータと、こ
   のコンピュータの計算結果に基づき、衛星の座標位置・
   姿勢を、ドッキングを行う上で最適な状態に修正する制
   御部とを具備してなることを特徴とするランデブードッ
   キング用光学センサー装置。
2. 【請求項２】 前記前処理部は、ナイフエッヂ上の完全
   透光領域と完全遮光領域で透光及び遮光された時の検出
   器の信号レベルをサンプルホールドし、両信号レベルの
   加算平均をスレシホールドレベルとして波形整形する波
   形整形器を含んでなることを特徴とする特許請求範囲第
   １項記載のランデブードッキング用光学センサー装置。
3. 【請求項３】 コンピュータは、各検出器の生の座標
   を、（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ）、（Ｘ₂ ，Ｙ₂ ）、（Ｘ₃ ，Ｙ
   ₃ ）、及び（Ｘ₄ ，Ｙ₄ ）としたとき、次式 で与えられる座標量（Ｘ_k0，Ｙ_k0）を算出し、 ターゲット座標系に対するチェイサー座標系のＺ軸回り
   の回転角γを、次式 から算出し、チェイサー座標系のｘ−ｙ平面に対する検
   出器配置円の傾きを、次式 【数１】 から算出し、ターゲット座標系でのチェイサー原点のＺ
   座標を、次式 から算出し、ターゲット座標系でのチェイサー原点のＸ
   Ｙ座標を、次式 から算出することを特徴とする特許請求範囲第１項記載
   のランデブードッキング用光学センサー装置。