JP7347553B2 - Laser ranging device, method, program - Google Patents
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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。 The present invention relates to a laser ranging device, method, and program, and particularly to a laser ranging device, method, and program suitable for inter-satellite ranging.
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。
As a related technology for measuring the distance between satellites, for example,
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。
In FIG. 10(A), the
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。
The
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。
In the
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。 U.S. Pat. No. 5,005,003, which uses a device other than a photon counting device, includes an optical signal transmitted by a TOF (Time of Flight) camera system and an array of pixel sensors in an image sensor of the TOF camera system. determining a phase difference between a reflected light signal received by the at least one pixel sensor of the TOF camera system; determining the amplitude of the reflected light signal received by the at least one pixel sensor; the at least one pixel by combining the amplitude and the phase difference into a combined signal parameter for the at least one pixel sensor; and filtering the combined signal parameter for the at least one pixel sensor. - A method is disclosed comprising the step of denoising said coupled signal parameters for a sensor.
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。
In
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。 Accurately determining the distance between satellites is expected to improve positioning accuracy on the ground in satellite groups that carry out positioning missions using constellations such as GPS (Global Positioning System) satellites and Japanese quasi-zenith satellites. has been done.
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。 Various studies are being conducted on methods to directly measure the distance between satellites, but none have been put into practical use at this time. One of the next-generation positioning technologies is improving the accuracy of inter-satellite ranging. For example, there is hope for technology that can accurately measure distances between satellites from several hundred kilometers (kilometers) to more than 50,000 kilometers. If RF (Radio Frequency) (radio waves) is used for distance measurement, there is a concern about radio wave interference from satellites of other countries. For this reason, optical ranging between satellites has become promising.
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。
In
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。 Regarding the standardization of distance measurement and communication in order to realize miniaturization of devices, a distance measurement method using communication signals is also considered. When inter-satellite optical communication is used for distance measurement, a pointing mechanism that can control the beam on the order of, for example, several μrad (microradian) is required in order to accurately input the received signal into the fiber core. There is a problem that the device becomes complicated and large in size because it detects the pointing of communication signal light or beacon light and performs feedback control.
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。 In array sensor lidars (light detection and ranging) that use photon counting devices, such as Geiger mode APDs, erroneous distance measurements due to dark counts are a problem. Photon counting devices cannot perform filtering using intensity modulation because they cannot recognize the intensity data of the received signal. Therefore, an effective noise removal method is required.
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。 Furthermore, when RF (radio wave) communication is used for distance measurement, there are problems such as radio wave interference with other satellites in orbit and poor distance measurement accuracy compared to optical.
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。 The present disclosure has been devised in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to suppress the complexity and size of the device, to realize a more compact device configuration, and to provide a laser measurement system suitable for inter-satellite ranging. Its purpose is to provide distance measuring devices, methods, and programs.
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。
According to one aspect of the present disclosure, a laser ranging device that measures the distance between a target device that transmits and receives laser beams and the own device includes:
a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitted laser toward the target device based on the laser received from the target device;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of sensing elements are arranged in an array;
Equipped with
The array sensor of the photodetector performs signal detection for distance measurement and pointing detection in one,
moreover,
The apparatus includes means for calculating a distance between the own apparatus and the target apparatus based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target apparatus.
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。
According to another aspect of the present disclosure, a laser section that outputs a transmission laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitting laser toward the target device based on the laser received from the target device that transmits and receives the laser;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of elements are arranged in an array;
A laser distance measuring method for measuring the distance between a self-device including a laser distance measuring device and the target device includes:
(a) The array sensor of the photodetector performs signal detection for ranging and pointing detection with one;
(b) calculating the distance between the self-device and the target device based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target device;
(c) applying a temporal gate and a spatial gate to the signal detected by the array sensor to remove noise data;
(d) time-modulating the transmission timing of the transmission laser pulse in the laser unit and superimposing communication data on the ranging transmission laser pulse;
Of these,
The above (a) and the above (b),
Said (a), said (b), and said (c),
(a), (b), (d),
(a), (b), (c), and (d);
Do any combination of these.
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。
According to another aspect of the present disclosure, there is provided a laser ranging device that measures a distance between a target device that transmits and receives a laser, and includes:
a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitted laser toward the target device based on the laser received from the target device;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of elements are arranged in an array;
In the array sensor of the photodetector, a computer constituting the own device includes a laser ranging device that detects signals for ranging and pointing detection in one;
(a) a process of calculating the distance between the self-device and the target device based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target device;
(b) processing of applying a temporal gate and a spatial gate to the signal detected by the array sensor to remove noise data;
(c) a process of time modulating the transmission timing of the transmission laser pulse in the laser unit and superimposing communication data on the ranging transmission laser pulse;
Of these,
(a) above;
Above (a) and above (b)
Said (a), said (b), and said (c),
A program is provided that causes processing of any combination of these to be performed. Furthermore, according to the present disclosure, a semiconductor storage such as a computer readable recording medium (for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), or EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM)) storing the program; HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), CD (Compact Disc), and DVD (Digital Versatile Disc) are provided.
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。 According to the present invention, it is possible to suppress the complexity and size of the device, to realize a more compact device configuration, and to provide a laser ranging device suitable for inter-satellite ranging.
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。 In the following, an overview of the present invention will first be described, and then embodiments will be described.
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。 In one form of the present invention, a laser ranging device (inter-satellite ranging device) measures the distance between satellites, for example from several hundred kilometers to more than 50,000 kilometers, by measuring the propagation time of laser light. By receiving the laser beam output from the other satellite (opposing satellite) and comparing the transmission and reception times of both the own satellite and the opposing satellite, the error between the clocks of the own satellite and the opposing satellite is canceled, and the The distance between the satellites is calculated from the propagation time of the laser beam between the opposing satellites.
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。 Unlike a laser ranging device that receives the reflected pulse of the transmitted laser and measures the round trip time from the transmission time and reception time to measure the distance, the intersatellite ranging device of this embodiment calculates the propagation time in one direction. Measurements are taken by each satellite (own satellite and opposing satellite).
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。 The laser ranging device of each satellite (own satellite and opposing satellite) is equipped with an array sensor (photon counting image sensor) and has the function of simultaneously detecting timing measurement and pointing of the received beam.
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。 The array sensor can secure a frequency band by suppressing the capacitance component as a single element, and can widen the detection surface by using multiple elements. Therefore, it is possible to detect high-speed laser pulses with a pulse width on the order of picoseconds with a wide receiving field of view.
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。 In a laser ranging device (inter-satellite ranging device) according to one embodiment of the present invention, by using an array type sensor (photon counting device), it is possible to measure a distance for a received signal of several photons.
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。 In inter-satellite optical communications, the beam divergence of the transmitted beam is usually narrowed down to the order of several microrads (microradians) in order to ensure signal levels.
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。 In contrast, in one embodiment of the present invention, even when the spread angle of the transmission beam is expanded to, for example, about 1 mrad (miliradian), the transmission beam can be received even at a distance of, for example, 50,000 km. This beam spread covers the predicted orbit error of the oncoming satellite and the angle setting accuracy of the pointing mechanism. Therefore, according to one embodiment of the present invention, there is no need to search for an oncoming satellite or constantly monitor received signals and feed them back to the pointing mechanism.
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。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to continue to emit a beam from the own satellite to the opposing satellite, and also to receive the beam.
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。 Generally, photon counting devices cause false positives due to dark counts. According to one embodiment of the present invention, the present invention has a function of eliminating noise data and making it possible to detect only received signals (received data) by temporally and spatially gate processing.
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。 According to one embodiment of the present invention, furthermore, by modulating the transmission timing of the laser pulse, it is possible to perform both distance measurement and communication. By transmitting the transmission/reception time of one satellite and the orbit information of the other satellite regarding the own satellite and the opposing satellite, it is possible to communicate with the other satellite through communication with the ground or with other communication equipment. The processing results of bidirectional distance measurement data, which could not be obtained without preparing a system, can now be processed using only the distance measurement device, making it possible to minimize the number of distance measurement/communication transceivers.
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)。 In the related technology, separate devices are used for a sensor for laser ranging and a sensor for detecting beam pointing. Recently, avalanche photodiodes (APDs) that operate in array-type Geiger mode have been increasingly used in space, and can also be used for inter-satellite ranging. In Geiger mode, the diode is operated at a voltage slightly higher than its breakdown voltage, and a pair of electrons and holes generated by photon absorption and thermal fluctuations act as a trigger, causing a strong avalanche phenomenon. By installing the sensor surface on the focal plane of the receiving optical system, the array sensor can identify the direction in which the beam is incident based on the position of the pixel on the array sensor, which is a three-dimensional (3D) sensor. It is used in distance image sensors (LiDAR: Light Detection And Ranging), etc. As an array sensor, a space device with a pixel count of 128x128 has been developed, and a device with a pixel size of, for example, 100 μm (micro-meter) can be used (the array element size is 12.8 mm x 12.8 mm).
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。 As described above, in one embodiment of the present invention, by using a Geiger mode APD array sensor, it is possible to perform distance measurement and pointing detection, and to realize an inter-satellite ranging device with simplified device configuration and control.
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。 That is, according to one embodiment of the present invention, in order to perform ranging and pointing detection with one array sensor (one type), a laser ranging sensor (308 in FIG. 10(B)) and beam pointing are detected. There is no need for two types of sensors (303 and 306 in FIG. 10(B)).
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。 APDs operating in Geiger mode are used for photon detection, and although they are highly sensitive, they also generate noise called dark counts at a certain rate. That is, in an APD operating in Geiger mode, single photon detection is achieved by biasing the APD at a voltage higher than its breakdown voltage. The APD remains metastable until a photon arrives and an avalanche occurs; however, when the APD is in a metastable state, an avalanche may be triggered spontaneously. The number of avalanche counts that are randomly and naturally induced is called the dark count rate.
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。 In one form of the present invention, noise data due to this dark count is eliminated by temporal and spatial gate processing, and only received signal data is extracted. The temporal and spatial gating processes are coordinated with each other, and the predicted orbit of the oncoming satellite and the modulation pattern of the timing of the received signal are used to identify the received signal data.
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。 According to one aspect of the present invention, it is determined that a received signal in a region that takes into account prediction errors in time and space, and that the timing and spatial position of the signal form a modulation pattern in a continuous time series. and the received signal data can be identified.
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。 In one form of the present invention, the distance measurement signal itself can be used for communication for exchanging orbit information and distance measurement data between the own satellite and the opposing satellite.
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。 When performing laser ranging in one direction, errors in the clocks of the own satellite and the opposing satellite become a cause of ranging errors. In order to avoid ranging errors due to errors in the clocks of the own satellite and the opposing satellite, it is necessary to perform offline processing via communication with the ground or directly exchange data between satellites to compare their ranging data. . In related technology, in order to directly exchange data only in orbit (between satellites) without going through the ground, it is necessary to install a communication device in addition to a laser ranging device.
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。 According to one embodiment of the present invention, the device configuration is simplified by superimposing mutual information (data for avoiding ranging errors) on the ranging signal itself.
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)=3×108(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、106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。
In one embodiment of the present invention, the modulation of the transmitted laser light serving as the ranging signal is achieved by modulating the emission timing (transmission timing) of the transmitted laser light. For example, when modulating the emission timing (transmission timing) of a repeating laser pulse train of 1 kHz (kilohertz), the distance measurement (time) resolution is 30 cm (centimeter) (≒ speed of
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。 Furthermore, according to one embodiment of the present invention, in the ranging device of one satellite, by modulating the emission timing (transmission timing) of the transmitting laser beam serving as the ranging signal, It transmits information and ranging data to other opposing satellites. As a result, it becomes possible to process inter-satellite ranging data between one satellite and another satellite in orbit (only between satellites) without going through other communication devices or the ground. .
<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。
<Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows an example of the configuration of a laser ranging device (inter-satellite ranging device) 100 mounted on one satellite (self-satellite) 10. The difference from the configuration of
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。
In FIG. 1, the
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。
The data processing/
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。
The data processing/
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。
The
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。
The receiving optical unit 108 focuses the laser light transmitted from the opposing
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。
The
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。
As a non-limiting example of the combination of the array sensor and the ROIC, a configuration may be employed in which the
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。
FIG. 2(B) is a diagram showing an example of the configuration of the
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。
Individual reception timings of light (photons) input to each APD cell 61 of the APD cell array 60 are output from the
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。
Further, in the
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。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of the timing/
(A) An inter-satellite
(B) LOS
(C) a transmission timing control (communication data superimposition)
(D) a noise removal function 103D that performs temporal and spatial gate processing on the data received by the array sensor of the
(E) It includes a time
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。
The
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。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of the data processing/
(a) a
(b) a
(c) LOS
(d) a communication data generation function 104D to be superimposed on the transmitted laser pulse;
(e) a
(f) Compare the ranging data of the opposing
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。
Next, the temporal and spatial gate processing performed by the timing and
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。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining temporal gate (range gate) processing, and FIG. 6 is a schematic diagram for explaining spatial gate (spatial gate) processing. A range gate is generally installed in a device (radar or lidar) that detects the timing of a laser pulse.
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。
The timing/
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。 In FIGS. 5A to 5C, the horizontal axis represents time, and the dashed box represents the range gate 40. In the two-dimensional plane of FIG. 6, the area surrounded by the broken line represents the space gate 50.
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。 In FIG. 5(A), the reception timing of 1 circled with a circle is the reception timing (see FIG. 8) that corresponds to the laser transmission timing (transmission timing T1 of satellite S1, which will be explained with reference to FIG. 8). This corresponds to the reception timing T1') of the satellite S1, which will be explained in the following. In the example of FIG. 5(A), the received signal at the timing within the range gate 40 corresponds to the signal (photon) received at the pixel indicated by 1 surrounded by a circle in FIG.
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。
In FIG. 5(B), there is no received signal within the range gate 40. In other words, the
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。
Similarly, in FIG. 5C, dark count noise data exists within the range gate 40, but no received signal exists. Further, in FIG. 6, the space gate 50 does not include dark counts (3 circled). Therefore, the timing/
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。 The examples shown in FIGS. 5 and 6 are merely theoretical explanations for ease of understanding, and in actual cases, there is also noise data included in both the range gate and the space gate.
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。
In the examples shown in FIGS. 5 and 6, it can be expected that the detected noise data and the original received signal have characteristics in their frequency of occurrence. The timing/
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。
Furthermore, the timing/
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。
Regarding the spatial gate 50 performed by the timing/
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。
Next, with reference to FIG. 7, the transmission timing control (communication data superimposition)
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。
As described above, the timing/
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。 In the example of FIG. 7, with a resolution of 10 nsec (nanosecond) (1 data period = 10 nsec) and a time modulation range of 656 μsec (microsecond), 65536 pieces of data (D1-D65536) can be identified. 65,536 (=2 16 ) data identifications correspond to a 16-bit data amount.
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。 Depending on where in the data D1-D65536 the ranging signal is placed, 16 bits of information can be transmitted. That is, it is possible to transmit 16 bits of data with one laser ranging signal. If this is operated at a laser repetition frequency of 1kHz (pulse repetition time of 1ms), a communication rate of 16Kbps (Kilo bits per second) can be obtained. Note that a time resolution of 10 nsec corresponds to a measuring distance of approximately 3×10 8 (m)×10×10 −9 =3 m. This can be sufficiently identified by a general laser ranging device having a ranging accuracy on the order of mm (millimeter). By increasing the distance measurement accuracy, further improvements in communication rates can be expected. The data superimposition example illustrated in FIG. 7 is just an example, and it is also possible to employ other optical communication systems using pulsed lasers.
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。
FIG. 8A is a schematic diagram for explaining unidirectional distance measurement performed by the distance measurement
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。
One-way distance measurement is performed as shown in FIGS. 8(A) and (B).
Time T1 when the laser beam was transmitted from satellite S1,
Time T1' when satellite S1 receives the laser beam from satellite S2,
Time T2 when the laser beam was transmitted by satellite S2,
Time T2' when satellite S2 receives the laser beam from satellite S1
It can be estimated from
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。
Time T1 and time T1' are detected by the
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)
If L1 and L2 are unidirectional distance measurements measured by satellites S1 and S2, respectively, and c is the speed of light, then
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)
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。
Here, as shown in FIG. 8(B), it is assumed that a time error of δt is included between the reference clocks 101 of each of the satellites S1 and S2. Therefore, even if the satellite S1 and the satellite S2 transmit lasers at the same time according to the
T2 = T1 + δt… (6) 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。 Although FIG. 8B shows an example where δt>0, the same calculation method holds true even when δt<0.
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。 By comparing the ranging data acquired by satellite S1 and satellite S2, the time error δt can be canceled from the inter-satellite distance L.
L1 = (T1’ - T1)×c
= (T2 + L/c - T1)×c
= (T1 + δt + L/c - T1)×c
= L + δt×c … (7)
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)
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。
In the above formula (3), the addition result of the above formulas (7) and (8)
L1+L2=L+δt×c + L -δt×c =2L … (9)
The time error δt between the satellites S1 and S2 is canceled.
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。
FIG. 9 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention, in which the functions (processing) of the timing/
本実施形態のいくつかの効果について以下に説明する。 Some effects of this embodiment will be described below.
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。 The device configuration is simplified by using a single array sensor as a distance measurement sensor and a pointing sensor.
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。 By installing a Geiger mode APD array sensor as a photodetector, it can be used as a sensor for detecting laser reception timing and beam pointing of an oncoming satellite. Furthermore, by making it possible to measure distances using a received signal of a few photons, even with a transmitting beam spread of about 1 mrad, it can be received at a distance of approximately 50,000 km. Beams can be sent to and received from oncoming satellites without the need for feedback to the pointing machine.
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。 Noise data removal processing using temporal and spatial gate processing improves the performance of distinguishing between received light and noise.
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。 By coordinating range gates and space gates based on information on predicted trajectories and transmission timing, more accurate noise removal is possible. It is also possible to improve the identification performance by pattern matching using coordination with the opposing satellite and synchronization with the LOS angle control of the pointing unit.
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。 Miniaturization can be achieved by adopting data transmission and reception by modulating the ranging signal.
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。 By modulating the transmission timing of the ranging pulsed laser, it is possible to transmit own satellite information such as transmission time data to the opposing satellite.
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。 Furthermore, it is possible to realize an inter-satellite ranging device specialized for miniaturization and equipped with laser ranging and communication functions.
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。 In the above embodiment, a description has been given of measuring the distance between artificial satellites, but the present invention is not limited to measuring the distance between artificial satellites, but can also be used, for example, to measure the distance between planets. Furthermore, it can be used to measure distances between the ground and satellites, and between moving objects and moving objects (or fixed stations).
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。
The disclosures of
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
10 Satellite (own satellite)
20
75 Output circuit 100
Claims (10)
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、
前記ターゲット装置から送信され前記光検知器で受信し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と、
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第1の測距データを算出する手段を備え、
前記デコード手段で、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計測された前記ターゲット装置と前記自装置との間の第2の測距データを取得し、前記第1の測距データと前記第2の測距データの演算により、前記ターゲット装置と前記自装置との間の時間差をキャンセルした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。 A laser ranging device that measures the distance between a target device that transmits and receives a laser and the own device,
a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitted laser toward the target device based on the laser received from the target device;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of sensing elements are arranged in an array;
Equipped with
The array sensor of the photodetector performs signal detection for distance measurement and pointing detection in one,
moreover,
decoding means for decoding communication data from the reception timing of the laser transmitted from the target device and received by the photodetector;
comprising means for calculating first ranging data between the self-device and the target device based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target device ;
The decoding means obtains second ranging data between the target device and the own device measured by the target device, which is included in the received laser from the target device detected by the photodetector. , calculating the distance between the own device and the target device with the time difference between the target device and the own device canceled by calculation of the first distance measurement data and the second distance measurement data; A laser ranging device equipped with means .
前記デコード手段は、前記受信レーザに含まれる前記2のN乗個の区間のどこに測距信号が配置されているかを検出することで、通信データをデコードする、請求項1に記載のレーザ測距装置。The laser ranging device according to claim 1, wherein the decoding means decodes the communication data by detecting where the ranging signal is arranged in the 2 N sections included in the receiving laser. Device.
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、
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であって、
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と、
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第1の測距データを算出する手段を備えた、レーザ測距装置。 A laser ranging device that measures the distance between a target device that transmits and receives a laser and the own device,
a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitted laser toward the target device based on the laser received from the target device;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of sensing elements are arranged in an array;
Equipped with
The array sensor of the photodetector performs signal detection for distance measurement and pointing detection in one,
Means for modulating the transmission timing of the transmission laser pulse in the laser unit and superimposing communication data on the ranging transmission laser pulse,
Within one cycle corresponding to a predetermined laser repetition frequency, 2 N sections (N is a predetermined positive integer) with a predetermined time resolution are provided, and where in the 2 N sections is the distance measurement performed? means for transmitting N bits of information depending on how signals are arranged, and realizing a communication rate determined by the product of the laser repetition frequency and the N bits by operating at the laser repetition frequency ;
A laser ranging device comprising means for calculating first ranging data between the own device and the target device based on the transmission timing of the transmitting laser and the reception timing of the laser received from the target device. .
前記第1の測距データと前記第2の測距データとの演算により、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さらに備えた請求項5に記載のレーザ測距装置。 The decoding means obtains second ranging data between the target device and the own device measured by the target device, which is included in the received laser from the target device detected by the photodetector. ,
By calculating the first distance measurement data and the second distance measurement data, a distance between the own device and the target device is calculated by canceling a clock error between the own device and the target device. The laser ranging device according to claim 5, further comprising means.
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。 the self-device is a satellite;
The laser ranging device according to any one of claims 1 to 7, wherein the target device is an opposing satellite facing the satellite and equipped with the laser ranging device.
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第1の測距データを算出すること、
(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、
(e)前記ターゲット装置から送信され前記光検知器で受信したレーザの受信タイミングから通信データをデコードし、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計測された前記ターゲット装置と前記自装置との間の第2の測距データを取得すること、
(f)前記第1の測距データと前記第2の測距データの演算により、前記ターゲット装置と前記自装置との間の時間差をキャンセルした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、
を行う、レーザ測距方法。 a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitting laser toward the target device based on the laser received from the target device that transmits and receives the laser;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of elements are arranged in an array;
A laser distance measuring method for measuring a distance between a self-device including a laser distance measuring device and the target device, the method comprising:
(a) The array sensor of the photodetector performs signal detection for ranging and pointing detection with one;
(b) calculating first ranging data between the self-device and the target device based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target device;
(c) applying a temporal gate and a spatial gate to the signal detected by the array sensor to remove noise data;
(d) time-modulating the transmission timing of the transmission laser pulse in the laser unit and superimposing communication data on the ranging transmission laser pulse;
( e ) decoding communication data from the reception timing of the laser transmitted from the target device and received by the photodetector, and measuring it with the target device included in the received laser from the target device detected by the photodetector; obtaining second distance measurement data between the target device and the own device;
( f ) By calculating the first distance measurement data and the second distance measurement data, calculate the distance between the own device and the target device with the time difference between the target device and the own device canceled. to calculate,
A laser ranging method that performs
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第1の測距データを算出する処理、
(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、
(d)前記ターゲット装置から送信され前記光検知器で受信したレーザの受信タイミングから通信データをデコードし、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計測された前記ターゲット装置と前記自装置との間の第2の測距データを取得する処理、
(e)前記第1の測距データと前記第2の測距データの演算により、前記ターゲット装置と前記自装置との間の時間差をキャンセルした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、
を実行させる、プログラム。
A laser ranging device that measures the distance between a target device that transmits and receives laser beams,
a laser section that outputs a transmitting laser;
a pointing unit that directs the emission direction of the transmitted laser toward the target device based on the laser received from the target device;
a photodetector including an array sensor in which a plurality of elements are arranged in an array;
a computer constituting its own device, which is equipped with a laser ranging device that detects signals for distance measurement and pointing detection in one array sensor of the photodetector;
(a) a process of calculating first ranging data between the self-device and the target device based on the transmission timing of the transmission laser and the reception timing of the laser received from the target device;
(b) processing of applying a temporal gate and a spatial gate to the signal detected by the array sensor to remove noise data;
(c) a process of time modulating the transmission timing of the transmission laser pulse in the laser unit and superimposing communication data on the ranging transmission laser pulse;
( d ) Decode communication data from the reception timing of the laser transmitted from the target device and received by the photodetector, and measure it with the target device included in the received laser from the target device detected by the photodetector. a process of acquiring second distance measurement data between the target device and the own device;
( e ) By calculating the first ranging data and the second ranging data, the distance between the own device and the target device is calculated by canceling the time difference between the target device and the own device. Process to calculate,
A program to run.
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