JP4275663B2

JP4275663B2 - 望遠鏡システム

Info

Publication number: JP4275663B2
Application number: JP2005319859A
Authority: JP
Inventors: 諭惣福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: US7446722B2; US20070097004A1; DE102006025413B4; DE102006025413A1; FR2892863B1; JP2007129463A; FR2892863A1

Description

この発明は架台部や主鏡部の風力による変形を補正し、その指向精度を向上させる望遠鏡システムに関するものである。

電波天文学の分野では近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、アンテナの主鏡(反射鏡)面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では観測効率を高めるために、アンテナの大口径化が進み、また、昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれる。

口径が大きくなることによって、アンテナの自重変形が大きくなったり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾精度を得ることが困難となる。このような高い指向追尾精度の要求を満足するためには、望遠鏡システムの主鏡の指向誤差をリアルタイムに測定し、補正する必要がある。望遠鏡システムの指向誤差に影響を与える要因として主鏡を支える構造部分（架台部）の変形及び主鏡そのものの弾性変形があり、主として風圧による変形が大半を占めていた。

従来のこれら大型望遠鏡システムのAZ（アジマスすなわち方位角）、EL（エレベーションすなわち仰角）の両軸はその角度情報をエンコーダによって検出し、これをフィードバック制御しているので、風による力を受けていても、望遠鏡システムのAZ、ELは指令値通りに制御できているように見える。しかし実際には、風力を受けた架台は変形しており、エレベーション軸が基準の軸から傾いたり、ねじれの位置に変位したりする。従来の大型望遠鏡システムにおいては、この架台等の変形については考慮されておらず、これが指向精度に悪影響を及ぼすため、一定以上の指向精度を達成できない一因となっていた。

従来、この問題に対処するものとして、架台の弾性変形によるアンテナ指向誤差を検出することのできる機構が提案されている（特許文献１参照）。
図９は上記特許文献１（特開平０３−３４０２）に記載されているアンテナ指向誤差を検出することができる従来の望遠鏡システムの構成図である。図９において、１は主反射鏡であり、２は架台部であり、２９はアンテナのAZ角度検出器であり、３０はアンテナのEL角度検出器であり、３１はEL角度検出器３０と同じもの、あるいはEL軸検出器と同じケースを有するマウントである。

３２は架台部２に固定されたAZ角度検出器２９の上部に搭載された２台のビーム発生器であり、３３はEL角度検出器あるいはマウント３１上に設けられたAZ軸用光位置検出器でビーム発生器３２からビームが照射されている。また、３４はEL角度検出器３０あるいはマウント３１上に設けられたビーム発生器であり、３５はAZ角度検出器２９上に設けられたEL軸用光位置検出器で、ビーム発生器３４からビームが照射されている。
各光位置検出器３３、３５は２分割の光ダイオードで、Ｙ軸方向のビームの偏差にのみ感知するように設置されている。

次にこのシステムの動作について説明する。架台２が変形すると、軸の回りのねじれと並行変位が生じる。図９に示すシステムでは、AZ軸用とEL軸用に２セットずつの光位置検出器３３、３５とビーム発生器３２、３４を設け、これらの出力を演算処理することにより、指向誤差に影響するAZ軸及びEL軸のまわりのねじれ量を検出している。また、このようにして検出された各軸のねじれ量をそれぞれEL角度検出器３０、３１及びAZ角度検出器２９で検出された角度信号に加減算して補正を行っている。

上記した従来のアンテナ角度検出装置においては、架台部２の変形によるAZ軸及びEL軸のねじれが生じた場合の主反射鏡ビームの指向誤差を測定することは理論的には可能であるが、実際には上記ビーム発生器３２、３４と光位置検出器３３、３５との間には図示していないヨーク部、AZベアリングその他の構造物が存在し、上記光位置検出器３３、３５を上記ビームが遮られることのないように設置することが極めて困難であった。また、ビームはビーム発生器そのものの発熱や、周辺の熱の影響を受け温度ドリフトを起こしやすいので、架台部２の熱変形量を測定しているのか、そのビームの熱ドリフトを計測しているかの切分けが困難になるという問題があった。

特開平０３−３４０２号公報

この発明は上述のような問題を解決するためになされたもので、主鏡部や架台が風から受けている力を望遠鏡システムの駆動部において検出する機構を備えることにより、風から受けている力によってどのように架台が変形しているかを予想し、その変形を補正することで望遠鏡システムの指向性を高めるようにしたものである。

前記の目的を達成するために、本発明の望遠鏡システムは、架台部により回転可能に支承される主鏡部と、上記主鏡部をAZ、EL軸の回りに駆動するモータと、AZ、ELの指令値に基いて指令角度信号を生成するAZ/EL補正計算手段と、上記主鏡部の実際のAZ、EL軸回転角度信号を検出するエンコーダと、上記指令角度信号と上記実際のAZ、EL軸回転角度信号に基づいて上記モータをフィードバック制御する制御系と、上記モータのAZ、EL両軸の駆動トルクを検出するトルク検出手段とを備え、上記トルク検出手段のトルク信号を上記AZ/EL補正計算手段にフィードバックして上記角度指令値を補正するようにしたものである。

本発明によれば、望遠鏡システムの架台等が風力によって変形してもそれを補正するアルゴリズムを制御システムに組み込むことで、風力の影響下でも、より指向性の高い望遠鏡システムを得ることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る望遠鏡システムの風力メトロロジーを図１〜図７に基づいて説明する。図１は例えば望遠鏡システム１０が風力により、AZ軸上のモーメントを受け、ねじれの変形をしている様子を示した模式図である。望遠鏡システム１０は主鏡１、副鏡２、架台部３からなり、Ｘ_ELはEL駆動軸、Ｙ_AZはAZ駆動軸、Ｗは風の向きを表している。なお、上記AZ軸、EL軸にはそれぞれの軸を駆動するモータ及びこのモータの回転位置を検出するエンコーダが設けられている（図示していない）。

図１において、Ｗ方向（紙面に垂直方向）に風を受けていることで望遠鏡システムのAZ軸にモーメントＭ_AZがかかっている。このとき、AZ軸上でＭ_AZを打ち消す力-Ｍ_AZをモータによって出力させ、エンコーダにて検出されるAZ角度が指令値と等しくなるようにフィードバック制御するものである。一方、図２は望遠鏡システムが風力により、EL軸上にモーメントを受け、曲げの変形をしている様子を示した模式図である。Ｗ方向の風を受けることで望遠鏡システムのEL軸にモーメントＭ_ELがかかっている。このときも同様に、望遠鏡システムはEL軸上でＭ_ELを打ち消す力-Ｍ_ELをモータによって出力させ、エンコーダにて検出されるEL角度が指令値と等しくなるようフィードバック制御する。

このように、風力による力を受けていても、AZ、EL両角は指令値通り制御されているように見えるが、実際には望遠鏡システムの架台及び主鏡は風力を受けることで変形しており、エレベーション軸が基準の軸から傾いたり、ねじれの位置に変位したりするので、この変形による指向精度の劣化を解消する必要がある。
そこで本発明では、風力によって望遠鏡システムにかかったモーメントＭ_AZおよびＭ_ELがAZ、EL両軸のモータの出力トルクから求められることに着目し、求めたＭ_AZおよびＭ_ELを利用して望遠鏡システムの変形を求め、それをAZ、EL指令値にフィードバックすることにより風の影響による望遠鏡システムの指向性の悪化を防ぎ、指向精度を向上させるようにしたものである。

図３は、本実施の形態１による風力メトロロジーシステムを具備した望遠鏡システムの指向性制御システムのブロック図を示しており、図中、４はAZ/EL補正計算手段、５は加算器、６は制御補償を行う演算装置（ＣＰＵ）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等と、モータに電流を供給するための電力増幅装置（プリアンプ）等とからなる制御系、７はモータ、８は上記望遠鏡システムのAZ/EL軸における回転角度を検出するエンコーダ、９はAZ、EL両軸のモータトルクを検出するトルク検出手段、１０は望遠鏡システムあるいはアンテナであり、SIG1はAZ、ELの指令値、SIG2は上記AZ/EL補正計算手段の出力である指令角度信号、SIG3は上記エンコーダ８の出力である角度信号、SIG4は上記トルク検出手段の出力であるトルク信号を示している。

上記モータ７はギヤ等減速機を用いた摩擦の大きいモータを使用せず、風による駆動トルクを効率よく検出するためにダイレクトドライブモータ（以下ＤＤモータという）を使用する。ＤＤモータとはギヤなどの減速機を用いず、直接負荷につないで運転するタイプのモータであり、バックラッシュがなく、ギヤの騒音がなく、またメインテナンスが容易となるため、産業用機器あるいは精密機器のアクチュエータ等、広い用途に亘っての利用価値が注目されているものである。

以下図３に基づき、本実施の形態１による風力メトロロジーシステムについて説明する。
まず、目標とする天体の位置情報をもとに、AZ、ELの指令値SIG1が決められる。その指令値SIG1をAZ/EL補正計算手段４により指令角度信号SIG2に補正された後、制御系６に送られる。ここで、増幅や電圧/電流変換などが行われた後、ＤＤモータ７（AZ、EL両軸）に伝送され、モータ７によってアンテナの駆動が行われる。この駆動軸（AZ、EL両軸）の回転をエンコーダ８によって実際の角度信号SIG3として導出し、それが制御系６にフィードバックされる。エンコーダ８にて検出されるAZ、EL角度信号SIG3が、上述したように指令値SIG2と等しくなるようにフィードバック制御するものである。

更に、本実施の形態１では、上記フィードバック制御に加え、AZ、EL両軸の駆動に用いるモータ７の駆動トルクをトルク検出手段９によりトルク電流値として常にモニタし、そのトルク信号SIG4を上記AZ、EL補正計算手段４にフィードバックし、下記のように角度指令値を最適値に補正することが行われている。
以下、この補正操作を詳細に説明する。
先ず、望遠鏡システムを駆動するのに必要なトルクは既知であることから、式(１)が成り立つ。

Ｔ_real―Ｔ_THEO＝Ｔ_force ・・・(1)
但し、Ｔ_real：実際のトルク値
Ｔ_THEO：本来の望遠鏡システム駆動に必要なトルク値
Ｔ_force: 望遠鏡システムに働く外力を打ち消すためにフィードバック制御上で生まれたトルク値
とする。
一方、望遠鏡システムに働く外力は風による力が支配的であることが分かっているので、
Ｔ_real―Ｔ_THEO≒Ｔ_WIND ・・・(２)
但し、Ｔ_WIND：望遠鏡システムが風から受けた力を補正するために生まれたトルク（風力補正トルク）とする。

上記風力補正トルクを効率的に検出するためにはＤＤモータを使用することが望ましい。なぜなら、ギア等の減速機を用いるモータを使用した場合、ギアボックス内のオイルシール、ギア等の摩擦が大きいので、そこに多くのトルクが使われることや、摩擦は温度、使用年数によって変動しやすいものであることから、トルクの変動が大きく、上記風力補正トルクがそこに埋もれてしまい、正確な風力補正トルクが把握しにくい結果となるからである。これに対し、ＤＤモータでは出力トルクを直接取り出すことができるので、より正確な風力補正トルクを得ることができる。

次に、上記風力補正トルクから、望遠鏡システムに働く風の力(方角、大きさ)を求め、その風による望遠鏡システム架台の変形をＦＥＭ（FiniteElement Method）いわゆる有限要素法を用いてシミュレーションする。上記ＦＥＭとは微分方程式を近似的に解くための数値解析法の一つで、複雑な形状、性質を持つ物体を単純な小部分に分割することで近似し、全体の挙動を予測しようとするものであり、構造力学や流体力学などの様々な分野で使用されているものである。

続いて、上記望遠鏡システム架台部の変形（シミュレーション値）から指向誤差を求める。指向誤差と、望遠鏡システムに働く風の力に比例関係があると仮定し、望遠鏡システムが様々な姿勢を取り、様々な風を受けた時に、トータルで指向誤差が最小になるような定数(ゲイン)を求めて、フィードバックループを構築する。このことにより、風力の影響による望遠鏡システムのAZ、EL指令値からのずれを補正でき、高い指向精度を得ることができる。

以下、実際にどの程度指向性を改善できるかをシミュレーションした結果を示す。図５はあらかじめ望遠鏡システムのモデルを用いて風洞実験を行い、風から主鏡部、架台部にどのような力がかかるかを実測した結果の一例である。ここでは、風速９ｍ/s、気温−２０°C、気圧０．５５atmの状態で、望遠鏡システムがAZ角０°の方向から風を受けているとの条件で、望遠鏡システムの姿勢を１１パターンに変えた場合の望遠鏡システムに働く力を風洞実験によって求めた結果を示している。

図５においてＦ_Ｘ、Ｆ_Ｙ、Ｆ_Ｚは、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の力[kgf]を表しており、Ｍ_ｘ、Ｍ_Ｙ、Ｍ_ＺはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸まわりのモーメント[kgf・m]であり、望遠鏡システム駆動モータのAZ軸の出力よりＭ_Ｚが、EL軸の出力よりＭ_Ｘが検出されることになる。ただし、座標系は図４に示すように、ＸをＥＬ軸とし、主鏡面上でＸ軸に直交する軸をＹ軸、主鏡面と直交する方向をＺ軸と定義する。

次に、図６はそれぞれの姿勢の時に、望遠鏡システムが風から受けた力によりどれだけ指向誤差が発生したかを、上記図５の測定値を基に、ＦＥＭ(有限要素法)を用いて解析したものである。図中、θy、θxは指向誤差を [arcsec]（秒角）で表しており、α欄はそれぞれ１１パターンの指向誤差のＲＳＳ（rootsum square）値、β欄は更にそれらのＲＳＳ値を表している。なお、図中、例えば2.27E-02とは2.27×10-²を、すなわち0.0227を示しており、また、8.00E-01とは8.00×10^-1を、すなわち0.8を示している。なお、最右欄（主鏡部＋架台部）にはその左欄に掲げた架台部の指向誤差と主鏡部の指向誤差との和を取っている（例えば、y3＝y1+y2）。風洞実験を行った条件では主鏡部と架台部を併せて2.72秒角の指向誤差があることになる。

図７は、上記AZ、EL両軸の指向誤差θy（AZ）、θx（EL）を下記の式(3)(4)に基く計算を行うことによって補正した結果を示している。この計算は上記図３に示すAZ/EL補正計算手段４により行われる。すなわち、図５の風洞実験によるモーメントＭ_Ｚ、Ｍ_Ｘに適切な定数Ｃ_AZ、Ｃ_ELを掛けたものを用いて、補正前の指向誤差θy（AZ）、θx（EL）（図６）を補正したものである。
θy（AZ）（補正後）＝θy（AZ）（補正前）−Ｃ_AZ・Ｍ_Ｚ・・・・・(3)
θx（EL）（補正後）＝θx（EL）（補正前）−Ｃ_EL・Ｍ_Ｘ・・・・・(4)

上記式(3)(4)は、指向誤差と、望遠鏡システムに働く風の力との間に比例関係があると仮定し、望遠鏡システムが様々な姿勢を取り、様々な風を受けた時に、トータルで指向誤差が最小になるような定数(ゲイン)Ｃ_AZ、Ｃ_ELを求めて、フィードバックループを構築する。このように、それぞれの姿勢での指向誤差を、風力補正トルクを用い、最適なゲインでAZ、ELの指令値にフィードバックして補正を行うと上記トータルの指向誤差は1.49秒角となり、40％以上も指向誤差を改善できることが分る。

実施の形態２．
実施の形態２にかかわる望遠鏡システムを図８に基づき説明する。図８において、図３（実施の形態１）と同一または相当部分には同一符号を付しており、図３と異なる部分は、AZ/EL補正計算手段１１を蓄積されたデータをもとにAZ/EL補正計算を行う人口知能を搭載した計算機で構成した点である。本実施の形態２における風力補正トルクを求める方法については実施の形態１（図５）に示したものと同じである。望遠鏡システムは運用段階に入ってから風力補正トルク、望遠鏡システムの姿勢とポインティング(指向性)誤差との関係について膨大なデータ(経験則)を得ることができる。そこで、上記風力補正トルクから最適なAZ、ELの補正量を求めるマトリックスからなるテーブルを、経験則を用いて更新するような人工知能を制御装置に組み込んだものである。

アンテナ組立て時には、補正定数Ｃ_AZ、Ｃ_ELは実施の形態１と同様、ＦＥＭによって計算した値を代入しておき、運用時にそのパラメータを更新する。パラメータを更新する方法の一つとして、アンテナの受信機によって得られた像から電波強度を解析し、目標天体と最大電波強度とのずれから指向誤差を算出し、この指向誤差が小さくなるように補正定数Ｃ_AZ、Ｃ_ELを再設定するものが検討され得る。これを望遠鏡の各姿勢において、例えば、EL０°にしてAZを一回転させてパラメータを設定した後、EL角を１０°ずつ上げていき、同様の設定を行うことによりテーブルを更新する。
このことにより、FEMによるシミュレーションのみに頼ったAZ、EL補正値計算に比べてさらに高い指向精度をもつ望遠鏡システムを得ることができる。

経緯台式望遠鏡システムが、風力によりAZ軸上のモーメントを受け、ねじれの変形をしている様子を示したものである。経緯台式望遠鏡システムが、風力によりEL軸上のモーメントを受け、曲げの変形をしている様子を示したものである。本発明の実施の形態１による風力メトロロジーシステムを具備した望遠鏡システムのブロック図を示したものである。望遠鏡システムにおける座標の定義図である。望遠鏡システムの各姿勢において望遠鏡システムが受ける力、モーメントを風洞実験により実測した結果を示す。図５の力を受けている時の望遠鏡システムの変形をFEMシミュレーションにより求め、変形による指向誤差を求めたものである。図６の指向誤差がある条件で、本メトロロジーシステムを用いて、最適なフィードバック制御をした場合の指向誤差を表したものである。本発明の実施の形態２による風力メトロロジーシステムを具備した望遠鏡システムのブロック図を示したものである。従来の望遠鏡システムの構成図である。

符号の説明

１：望遠鏡システムの主鏡(主反射鏡)、
２：望遠鏡システムの架台部、
３：架台、
Ｙ_AZ：AZ駆動軸、
Ｘ_EL：EL駆動軸、
４：AZ/EL補正計算手段、
６：制御系、
７：モータ、
８：AZ、ELのエンコーダ、
９：トルク検出手段、
１０：望遠鏡システム（アンテナ）、
１１：AZ/EL補正計算手段（人工知能）、
SIG1：AZ、ELの指令値、
SIG2：上記AZ/EL補正計算手段の出力である指令角度信号、
SIG3：エンコーダから出力されるAZ，ELの角度信号、
SIG4：DDモータのトルク信号。

Claims

架台部により回転可能に支承される主鏡部と、上記主鏡部をAZ、EL軸の回りに駆動するモータと、AZ、ELの指令値に基いて指令角度信号を生成するAZ/EL補正計算手段と、上記主鏡部の実際のAZ、EL軸回転角度信号を検出するエンコーダと、上記指令角度信号と上記実際のAZ、EL軸回転角度信号に基づいて上記モータをフィードバック制御する制御系と、上記モータのAZ、EL両軸の駆動トルクを検出するトルク検出手段とを備え、上記トルク検出手段のトルク信号を上記AZ/EL補正計算手段にフィードバックして上記角度指令値を補正することを特徴とする望遠鏡システム。
トルク検出手段により検出された実際のトルク値をＴ _ｒｅａｌ
本来の望遠鏡システム駆動に必要なトルク値（既知）をＴ _ＴＨＥＯ
風力補正トルクをＴ _ＷＩＮＤとして、
Ｔ _ｒｅａｌ ―Ｔ _ＴＨＥＯ ≒Ｔ _ＷＩＮＤ
が成立するように上記トルク信号のフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡システム。
風洞実験により、あらかじめ主鏡部、架台部にかかる風力を実測した値から、上記主鏡部、架台部の変形をFEMによりシミュレーションし、この結果から指向誤差を求め、望遠鏡システムが様々な姿勢を取る中で様々な風を受けた時に、トータルで上記指向誤差が最小になるような定数(ゲイン)を求めて、上記トルク信号のフィードバックループを構築することを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡システム。
上記シミュレーションにより得られた補正前の指向誤差を、風洞実験によって求めたモーメントに上記指向誤差が最小になるような定数を掛けたもので減算することにより上記角度指令値を補正することを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡システム。
上記モータにＤＤモータを使用することを特徴とする請求項１に記載の望遠鏡システム。
望遠鏡の運用段階において、指向誤差と、DDモータの出力との相関に関するデータ(経験
則)を計算機に蓄積し、望遠鏡の姿勢とDDモータの出力トルクから最適なAZ、EL指令値を求めるマトリクスを常時計算し、更新する機能を計算機に付加し、常に最適な補正値を用いて上記トルク信号のフィードバック制御を行うようにしたことを特徴とする請求項５に記載の望遠鏡システム。
風力補正トルクから最適なAZ、ELの補正量を求めるマトリックステーブルを、経験則を用いて更新するような人工知能を計算機に組み込んだことを特徴とする請求項６に記載の望遠鏡システム。