JPH04343010A - 天体に対して天体軌道宇宙船または人工衛星の姿勢を決める装置 - Google Patents

天体に対して天体軌道宇宙船または人工衛星の姿勢を決める装置

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JPH04343010A
JPH04343010A JP4009206A JP920692A JPH04343010A JP H04343010 A JPH04343010 A JP H04343010A JP 4009206 A JP4009206 A JP 4009206A JP 920692 A JP920692 A JP 920692A JP H04343010 A JPH04343010 A JP H04343010A
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celestial
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JP4009206A
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Christopher I Beard
クリストフアー・アイ．ベアード
Stephen D Hayward
ステイーブン・デイ．ヘイワード
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British Aerospace PLC
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S3/7868—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically using horizon sensors

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、天体に対して天体軌道
宇宙船または人工衛星の姿勢を決める装置、特に地球か
ら例えば１０，０００ｋｍ〜１００，０００ｋｍ　の高
度にある静止軌道またはその他の軌道において地球の周
囲を回るまたは地球を観察する衛星に用いるのに適した
装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】地球の周囲を回って地球を観察または監視
する人工衛星のような宇宙船は地球と整列しかつその整
列状態を維持する必要がある。名目上の地球照準姿勢か
らはずれる動きを検知して軌道修正を行ない人工衛星を
名目上の地球照準方向に戻す必要がある。有利には、地
球に対して地球の周囲を回る宇宙船または人工衛星の姿
勢は、赤外線波長帯域すなわち１２〜１４ミクロンの範
囲の照射に感応するセンサ組立体によって決められる。 そのような従来の地球姿勢測定センサは地球・宇宙水平
線を横切る赤外線放射線に感応する少数の代表的には四
つのセンサの視野を繰返走査することによって作動する
。名目上の地球照準方向に対する宇宙船または人工衛星
のロール及び（または）ピッチ姿勢誤差はこれらの水平
線交差からの経時情報によって得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この様な従来の地球姿
勢決定センサは信頼性の点で問題が生じ易い。例えば、
センサの走査は可動走査ミラーによって機械的に行われ
、そしてこれらの走査ミラーは、太陽からの放射線や宇
宙船または人工衛星の他の部分からの熱によって動かな
くなり得る。さらに、かかる従来の姿勢決定組立体は月
や太陽のような他の天体及び地球と宇宙との交差と混同
され得る宇宙船または人工衛星の他の部分からの反射に
よって干渉を受ける。
【０００４】そのため、従来の姿勢決定組立体に伴う上
記の問題点を少なくとも最小にできる、天体に対して天
体軌道宇宙船または人工衛星の姿勢を決める改良型の装
置が要求されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、天体軌
道宇宙船または人工衛星に固定可能に取り付けることが
できる素子または画素の固体二次元アレイを有し、この
固体二次元アレイのボアサイトが天体軌道宇宙船または
人工衛星の名目上の天体照準軸線と整列され、固体二次
元アレイがそれに入るほぼ０．４　ミクロンからほぼ１
．０　ミクロンの範囲の波長での照射に感応し、そして
固体二次元アレイに入ってくる天体の像を感知ししかも
その像から各素子または画素に入ってくる照射の相対強
さを指示するように作動でき、また、固体二次元アレイ
と組合わされ、天体の像を、素子または画素の固体二次
元アレイ上に集束するように作動できる光学装置、及び
素子または画素の固体二次元アレイで指示された照射情
報の相対強さをディジタル的にサンプリングし、処理し
て、固体二次元アレイ上の天体の像の中心の座標を形成
し、固体二次元アレイの視野の中心からの二つの直交軸
線の変位で天体軌道宇宙船または人工衛星のロール及び
ピッチ姿勢またはそれらのいずれかの誤差を指示する装
置を有することを特徴とする天体に対して天体軌道宇宙
船または人工衛星の姿勢を決める装置が提供される。
【０００６】好ましくは、照射に感応する素子または画
素の固体二次元アレイは電荷結合デバイスであり、各素
子または画素は励起時にそれに入ってくる照射の強さに
比例した電荷を蓄積するように作動できる半導体である
ことができる。
【０００７】代わりに、照射に感応する素子または画素
の固体二次元アレイは電荷注入デバイスであってもよい
。
【０００８】さらに代わりに、照射に感応する素子また
は画素の固体二次元アレイは、適用特定集積回路（ＡＳ
ＩＣ）と結合した照射感応結像装置を構成してもよい。
【０００９】有利には、光学装置は、固体二次元アレイ
への照射の進行方向に対して固体二次元アレイの手前に
設けられたフィールドフラットナレンズ素子と、フィー
ルドフラットナレンズ素子の、固体二次元アレイから離
れた側に設けられた集束レンズ素子とを備えることがで
きる。
【００１０】好ましくは、光学装置は、固体二次元アレ
イへの照射の進行方向に対して固体二次元アレイの手前
に設けられた光互変異性材料を備えることができる。
【００１１】好ましくは、光互変異性材料は、フィール
ドフラットナレンズ素子の一部または全部を形成し得る
。
【００１２】有利には、光学装置は、固体二次元アレイ
に入ってくる照射の波長を上記範囲内に制限するように
作動できる開口絞り装置及び（または）スペクトルフィ
ルタを備えることができる。
【００１３】好ましくは、開口絞り装置は、集束レンズ
素子の一部を構成するまたは集束レンズ素子と組合さっ
たコリメータであることができる。
【００１４】好ましくは、スペクトルフィルタは、使用
中に天体の比較的近くに位置する集束レンズ素子の表面
上の被覆であることができる。
【００１５】有利には、ディジタル的にサンプリングし
、処理する装置は、天体軌道宇宙船または人工衛星或い
は天体上に全体または一部配置できる。
【００１６】好ましくは、ディジタル的にサンプリング
し、処理する装置は、固体二次元アレイで受けた天体の
像の相対的に明るい領域と相対的に暗い領域との間の明
確な境界を選択して天体と宇宙との境界を指示し、処理
すべき照射データの量を減らすように縁エンハンスする
装置と、減らされた量の照射データを処理して固体二次
元アレイにおける天体の像の中心の座標を形成する装置
とを備えることができる。
【００１７】
【実施例】本発明をさらによく理解し、そして本発明が
どの様に実施され得るかを示すため、以下例として添付
図面を参照して説明する。
【００１８】本発明の装置は、地球のような天体の周囲
を回る宇宙船または人工衛星において、天体に対する宇
宙船または人工衛星の姿勢を決めるのに用いる用にされ
る。天体は地球であっても或いは形状がほぼ球形で星に
よって照射されるかまたは可視光線波長帯域で自己放射
する他の天体であってもよい。説明を簡便にするために
、本発明の装置の一例を、地球の周囲を回る宇宙船また
は人工衛星に使用する場合について説明する。
【００１９】添付図面の図１に示す装置１は、地球３に
対して２で概略的に示す地球の回りを回る宇宙船または
人工衛星の姿勢を決めるようにされ、そして素子または
画素の固体二次元アレイ４を有している。この固体二次
元アレイ４は宇宙船または人工衛星２に固定可能に取り
付けられ得、すなわち、固体二次元アレイ４のボアサイ
ト５は宇宙船または人工衛星２の名目上の地球照準軸線
と整列されている。固体二次元アレイ４の素子または画
素はそれに入るほぼ０．４　〜１．０　ミクロンの範囲
の波長での照射６に感応し、そして素子または画素に入
ってくる地球３の像を感知ししかもその像から各素子ま
たは画素に入ってくる照射の相対強さを指示するように
作動できる。
【００２０】また、装置１は、固体二次元アレイ４と組
合わされ、地球３の像を固体二次元アレイ４上に集束す
るように作動できる光学装置を有している。さらに、装
置１は、固体二次元アレイ４で指示された照射情報の相
対強さをディジタル的にサンプリングし、処理して、固
体二次元アレイ４上の地球３の像の中心７の座標を形成
する装置を有し、固体二次元アレイ４の視野の中心から
の二つの直交軸線の変位によって宇宙船または人工衛星
２のロール及び（または）ピッチ姿勢の誤差が指示され
る。
【００２１】本発明の一実施例によれば、照射に感応す
る素子または画素の固体二次元アレイ４は電荷結合デバ
イスであり、各素子または画素は励起時にそれに入って
くる照射の強さに比例した電荷を蓄積するように作動で
きる半導体から成っている。このような電荷結合デバイ
スは一つの素子または画素から次の素子または画素へ順
次電荷を送り、そして電荷の内容を一つの画素から次の
画素へ移すことによって読み出される。
【００２２】代わりの実施例によれば、照射に感応する
素子または画素の固体二次元アレイ４は電荷注入デバイ
スから成り、このような電荷注入デバイスは、通常フォ
トサイトと呼ばれる各素子または画素と組合さった二つ
の容量を備えている。電荷注入デバイスは、二つの容量
の一方を形成する一つのフォトサイトの内容を他方の組
合さった容量に切替えることによって読み出され得る。 さらに、電荷注入デバイスは、Ｘ軸及びＹ軸方向にのび
る多数の金属条片を備え、内容の切替えが行われた時に
誘導信号を発生する。
【００２３】しかしながら、本発明の好ましい実施例に
よれば、照射に感応する素子または画素の固体二次元ア
レイ４は、適用特定集積回路（ＡＳＩＣ）と結合した照
射感応結像装置を構成している。このＡＳＩＣはオンチ
ップ駆動装置及び読取り段を備えるべきである。従って
アレイ４は、従来の姿勢決定装置で必要とされるような
地球を観察する走査機構を用いる必要がなくしかも可動
部分のない固体“スターリングアレイ”である。従って
、本発明の装置は、信頼性が改善され、そして従来の姿
勢決定装置に伴うような熱の影響で走査ミラーが適当な
姿勢に動かなくなるという問題は遭遇しなくなる。代表
的には、結像素子または画素の適当な二次元アレイは、
一方向に２５６　個の画素とそれに直交する方向に２５
６　個の画素とを配列して構成される。このようなアレ
イは地球中心位置決定において従来の赤外線姿勢決定装
置に匹敵する精度が得られる。より精度を上げるために
はより多数の画素を備えたアレイを使用することができ
るが、反面、処理の負担が増大ることになる。好ましく
は、アレイ４の露出時間は広い範囲の照射状態において
作動するように調整できる。
【００２４】本発明の装置においては、光学装置はアレ
イ４と組合され、地球３の像輪アレイ４上に集束するよ
うに作動でき、そして図１に示すようにアレイ４への照
射６の進行方向に対してアレイ４の手前に設けられたフ
ィールドフラットナレンズ素子８と、フィールドフラッ
トナレンズ素子８の、アレイ４から離れた側に設けられ
た集束レンズ素子９とを備えている。フィールドフラッ
トナレンズ素子８は、平らな像平面に集束する球面状に
対称なレンズ素子９を用いることによって生ずる軸線ず
れひずみを取り除くように働く。これらのひずみが許容
できる場合にはフィールドフラットナレンズ素子８は省
略できるかまたは集束レンズ素子９は集束作用とフィー
ルドフラットナ作用と両方を行なうことのできる多素子
レンズにすることができる。
【００２５】光学装置はまた、アレイ４への照射６の進
行方向に対してアレイ４の手前に設けられた光互変異性
材料を備えることができる。この光互変異性材料は、フ
ィールドフラットナレンズ素子８の一部または全部を形
成することができ、光互変異性ガラスまたは有機光互変
異性材料で形成され得、光互変異性材料は、例えば太陽
が視野内にある場合にアレイに対する過剰照射の影響を
軽減する。
【００２６】また、光学装置は、アレイ４に入ってくる
照射６の波長を上記範囲内に制限するように作動できる
開口絞り装置及び（または）スペクトルフィルタ１０を
備えている。装置はこの範囲の全てまたは一部を用いる
ように設計され得る。光学装置の視野はアレイ４の視野
に整合され、そして代表的には４０°×４０°である。 この視野は、人工衛星の照準ミスに対する静止高度の照
準ミスが−１０°〜＋１０°の範囲内にある時、全地球
像を含むように選ばれる。しかしながら、例えば照準ミ
スの他の動作範囲または天体の明らかな角度寸法の異な
った範囲に融通できるようにする飛行要求に従って異な
ったまたは一定した視野を考慮することもできる。単一
集束レンズ素子９と単一フィールドフラットナレンズ素
子８とから成るレンズ組立体を用いることによって、光
学表面の数を最小にでき、フレア及びゴーストの影響を
低減することができる。
【００２７】開口絞り装置は、集束レンズ素子９の一部
を構成するまたは集束レンズ素子９と組合さった、例え
ば集束レンズ素子９内に設けられたコリメータであるこ
とができる。開口絞り装置の開口は可変でなく一定であ
り、そして装置アレイ４の露出は駆動回路の関数として
像の積分時間を制御することによって調整することがで
きる。
【００２８】スペクトルフィルタ１０は、使用中に地球
３の比較的近くに位置する集束レンズ素子９の表面上の
被覆であってもよい。
【００２９】ディジタル的にサンプリングし、処理する
装置は、宇宙船または人工衛星２または地球３上に全体
または一部配置できる。好ましくは、この装置は以下に
説明するようにアレイ４の一部を形成する。ディジタル
的にサンプリングし、処理する装置は、アレイ４で受け
た地球の像の相対的に明るい領域と相対的に暗い領域と
の間の明確な境界を選択して地球と宇宙船または人工衛
星との境界を指示し、処理すべき照射データの量を減ら
すように縁エンハンスする装置と、減らされた量の照射
データを処理してアレイ４における地球の像の中心７の
座標を形成する装置とを備えている。従って、実際には
光学装置は、素子または画素のアレイの読み出しが開始
されるまで、像を記憶するアレイ４に地球の像を集束さ
せる。この像はディジタルサンプリング及び処理装置に
よってディジタル的にサンプリングされ、そしてこのデ
ータはディジタル像処理技術を用いて処理され、出力と
してこの像における地球の中心７の座標を形成する。ア
レイのボアサイト５は人工衛星２の名目上の地球照準軸
線に整列され、従って宇宙船または人工衛星２の名目上
の地球照準からのロールまたはピッチの照準ずれはアレ
イ４の視野の中心７から地球の像をずらさせることにな
る。組立体は二つの直交軸線のずれを測定して宇宙船ま
たは人工衛星２のロール及びピッチ姿勢の誤差を決める
。
【００３０】本発明の装置は二つのモードすなわち捕捉
モードと細照準モードで動作する。捕捉モードにおいて
は、アレイ４の視野内の地球３のような天体の位置は完
全に未知であり、そして単に地球の中心を決めるために
粗精度だけが必要となる。この動作モードは、宇宙船ま
たは人工衛星２が最初にステーションに到達した時通常
行われる操作または宇宙船が太陽に対向する緊急太陽捕
捉に追従した回復操作の一部としての“地球捕捉”のた
めに必要となる。細照準モードでは地球は既に捕捉され
ており、そして人工衛星は数度の公称値の範囲内で地球
に向って照準される。この動作モードにおいては最高精
度が要求されるが、地球の位置はこのレベルの精度で知
られるように考察され得、そしてアレイ４の視野内にお
ける地球の位置は、ある出力サイクルから次のサイクル
へ著しくは変化しない。
【００３１】ディジタルサンプリング及び処理装置は、
像から地球の中心の位置を取り出すのに必要な像処理ア
ルゴリズムを実行するのにプロセッサ側が必要となるよ
うにされている。捕捉モード及び細照準モードに対して
は異なったアルゴリズムが適している。各動作モードに
対して二つの基本像処理技術が要求される。まず第１に
、処理すべきデータの量を減らすために、像は縁エンハ
ンスされて、像の明るい領域と像の暗い領域との間の明
確な境界を選択する。これによって、地球と宇宙との境
界を描くデータが特定できる。第２に、減らされたデー
タ情報が処理され、地球の中心位置の座標が得られる。
【００３２】一つの適当な縁エンハンス技術は、捕捉モ
ードと細照準モードとの両方に対してソベル　（Ｓｏｂ
ｅｌ）オペレータを用いることにある。このソベルオペ
レータ技術においては、３×３画素核コンボリューショ
ンフィルタが用いられる。地球の中心を決める際には細
照準モードに対しては整合フィルタ技術が好ましく、一
方、捕捉モードに対してはハック（Ｈｏｕｇｈ　）変換
を用いるのが好ましい。このハック変換は像中の物体を
複雑でない形態に変換して容易に処理できるようにする
公知の技術である。例えば、像中における地球のような
天体の存在及び位置を測定するため、既知の半径の円を
点にマップするのにハック円変換が用いられる。各場合
にこれらの結合した像処理技術の出力はロール角、ピッ
チ角及び地球がアレイ４の視野内に存在するか否かを指
示する地球存在状態である。
【００３３】要求されたアルゴリズムの手段は、ソフト
ウエアにおいてアルゴリズムを実行する汎用ディジタル
信号処理装置かまたは例えばＡＳＩＣを用いたアルゴリ
ズムのハードウエア手段を用いて達成できる。
【００３４】ディジタルサンプリング及び処理装置は宇
宙船または人工衛星２或いは地球３上に全体または一部
配置できる。好ましくは、ディジタルサンプリング及び
処理装置はアレイ４の一部を成し、アレイ４の感知機能
及びディジタルサンプリング処理装置は単一のＡＳＩＣ
で実施される。
【００３５】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の装置
は、従来の赤外線姿勢決定装置により質量が小さく、電
力が少なくてすみ、体積が小さく、また信頼性が非常に
高い。また二次元結像アレイを用いることによって、本
発明の装置は素子または画素の出力を処理することによ
り地球のような天体の中心位置を決めることができる。 これによって、２５６　×２５６　の画素から成り得る
本発明のアレイ４は地球と宇宙との全ての境界を処理す
ることによって像から最大情報を取り出すので、ほんの
僅かな数の地球と宇宙との交差が考慮される場合より月
、太陽及びストレイ反射による影響に対する耐久性が大
きくなる。さらに、ディジタル処理技術が使用されるの
で、比較できる手段に影響を及ぼす環境や劣化による性
能低下はほとんどないかまたは全くなく、大きな信頼性
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】　　天体に対して天体軌道宇宙船または人工衛
星の姿勢を決める本発明の装置の概略側面図。
【符号の説明】
２：宇宙船または人工衛星 ３：天体（地球） ４：固体二次元アレイ ５：ボアサイト ６：照射 ７：天体の中心 ８：フィールドフラットナレンズ素子 ９：集束レンズ素子

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】天体（３）に対して天体軌道宇宙船または
    人工衛星（２）の姿勢を決める装置において、天体軌道
    宇宙船または人工衛星（２）に固定可能に取り付けるこ
    とができる素子または画素の固体二次元アレイ（４）を
    有し、この固体二次元アレイ（４）のボアサイト（５）
    が天体軌道宇宙船または人工衛星（２）の名目上の天体
    照準軸線と整列され、固体二次元アレイ（４）がそれに
    入るほぼ０．４　ミクロンからほぼ１．０　ミクロンの
    範囲の波長での照射に感応し、そして固体二次元アレイ
    （４）に入ってくる天体（３）の像を感知ししかもその
    像から各素子または画素に入ってくる照射の相対強さを
    指示するように作動でき、また、固体二次元アレイ（４
    ）と組合わされ、天体（３）の像を、素子または画素の
    固体二次元アレイ（４）上に集束するように作動できる
    光学装置、及び素子または画素の固体二次元アレイ（４
    ）で指示された照射情報の相対強さをディジタル的にサ
    ンプリングし、処理して、固体二次元アレイ（４）上の
    天体（３）の像の中心（７）の座標を形成し、固体二次
    元アレイ（４）の視野の中心からの二つの直交軸線の変
    位で天体軌道宇宙船または人工衛星（２）のロール及び
    ピッチ姿勢またはそれらのいずれかの誤差を指示する装
    置を有することを特徴とする天体に対して天体軌道宇宙
    船または人工衛星の姿勢を決める装置。
  2. 【請求項２】照射に感応する素子または画素の固体二次
    元アレイ（４）が電荷結合デバイスであり、各素子また
    は画素が励起時にそれに入ってくる照射の強さに比例し
    た電荷を蓄積するように作動できる半導体である請求項
    １に記載の装置。
  3. 【請求項３】照射に感応する素子または画素の固体二次
    元アレイ（４）が電荷注入デバイスである請求項１に記
    載の装置。
  4. 【請求項４】照射に感応する素子または画素の固体二次
    元アレイ（４）が、適用特定集積回路（ＡＳＩＣ）と結
    合した照射感応結像装置を構成している請求項１に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】光学装置が、固体二次元アレイ（４）への
    照射（６）の進行方向に対して固体二次元アレイ（４）
    の手前に設けられたフィールドフラットナレンズ素子（
    ８）と、フィールドフラットナレンズ素子（８）の、固
    体二次元アレイ（４）から離れた側に設けられた集束レ
    ンズ素子（９）とを備えている請求項１〜４項のいずれ
    か一項に記載の装置。
  6. 【請求項６】光学装置が、固体二次元アレイ（４）への
    照射（６）の進行方向に対して固体二次元アレイ（４）
    の手前に設けられた光互変異性材料を備えている請求項
    ５に記載の装置。
  7. 【請求項７】光互変異性材料が、フィールドフラットナ
    レンズ素子（８）の一部または全部を形成している請求
    項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】光学装置が、固体二次元アレイ（４）に入
    ってくる照射の波長を上記範囲内に制限するように作動
    できる開口絞り装置及びスペクトルフィルタ（１０）ま
    たはそれらのいずれか一方を備えている請求項５〜７の
    いずれか一項に記載の装置。
  9. 【請求項９】開口絞り装置が、集束レンズ素子（９）の
    一部を構成するまたは集束レンズ素子（９）と組合さっ
    たコリメータである請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】スペクトルフィルタ（１０）が、使用中
    に天体（３）の比較的近くに位置する集束レンズ素子（
    ９）の表面上の被覆である請求項８に記載の装置。
  11. 【請求項１１】ディジタル的にサンプリングし、処理す
    る装置が、天体軌道宇宙船または人工衛星（２）または
    天体（３）上に全体または一部配置できる請求項１〜１
    ０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】ディジタル的にサンプリングし、処理す
    る装置が、マトリックスで受けた天体の像の相対的に明
    るい領域と相対的に暗い領域との間の明確な境界を選択
    して天体と宇宙との境界を指示し、処理すべき照射デー
    タの量を減らすように縁エンハンスする装置と、減らさ
    れた量の照射データを処理して固体二次元アレイ（４）
    における天体の像の中心の座標を形成する装置とを備え
    ている請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
JP4009206A 1991-01-22 1992-01-22 天体に対して天体軌道宇宙船または人工衛星の姿勢を決める装置 Pending JPH04343010A (ja)

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