JPS61163100A - 恒星トラツカ - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、ロケットや人工衛星等の姿勢制御に用いる
恒星トラッカに関する。

〔発明の技術的背景と問題点〕

人工衛星のシステムは、衛星の機能維持に必要な電力を
制御する電源系、衛星構体内部の温度を制御する熱制御
系、衛星のロール、ピッチ、ヨーの各軸やアンテナ等を
所定方向に指向させるための姿勢制御系、地上局からコ
マンド信号を受信し地上局へデータを送信するテレメン
トリ・コマンド系９通信機器、観測装置等のミツシラン
系から構成されている。

このように構成されている人工衛星やロケット等（以下
衛星という）の姿勢制御は、搭載されているミッション
機器のアンテナや撮像装置を地球などへ指向させ、その
指向安定度を維持すること等を目的としており、その制
御方法には、スピン制御方式と三輪制御がある。

ところで、宇宙環境には、衛星の姿勢を乱す外乱トルク
として、空気力１重力傾度、地磁気、太陽放射圧などが
あり、これらの外乱トルクによって衛星の指向方向に大
きな誤差が生じたり、姿勢の安定性が乱れたりする。こ
のため、地球センサ。

太陽センサ、恒星センサなどの姿勢制御用センサを用い
て指向方向と指向安定度を検出し、誤差を修正すること
によって姿勢制御を行なっている。。

姿勢制御用センサの中、恒星センサは姿勢の基準として
恒星を利用するもので、精密制御には不可欠なものであ
り、大別すると恒星スキャナと、恒星トラ７カとがある
。

恒星スキャナは、スターマツパとも呼ばれ、スピン安定
衛星、スロースピン衛星、高度数１００−以下の地球指
向３軸安定衛星等に用いられるもので、衛星自体のスピ
ン又は軌道角速度により天球をスキャンし、恒星の検出
されるタイミングにより恒星方向を検出して、衛星の姿
勢を検出するものである。

第１図は、かかる恒星スキャナの一例を示すもので、第
２図はそのＶ字型スリットレチクルを示す図である０図
において、ｌは光学系で、恒星Ｓの星像を、焦点面に配
置したＶ字型スリットレチクル２を介して光電子増倍管
３に導入受光させるものである。なお、４は迷光遮蔽体
である。

このように構成されている恒星スキャナは、衛星自体の
スピンによりＶ字型スリットレチクル２の方位スリット
２′及び高度スリット２＃の視線方向が変化し、恒星Ｓ
の方向に応じたパルスが光電子増倍管３で検出され、方
位スリットｚ′で恒星Ｓの方位が、また高度スリット２
＃で恒星Ｓの高度が検出されて、恒星Ｓの方向が検出さ
れる。

上記恒星スキャナの例としては、検出手段としてＶ字型
スリットレチクル２と光電子増倍管３を組み合わせたも
のを利用したもののほか、最近では半導体一次元アレイ
素子をＶ字状等に配列して検出手段を構成しているもの
もある。

この方式の恒星センサは、いずれにしても衛星自体が天
球即ち慣性空間に対してスピンしていることが必要であ
る。

次に恒星トラッカは、衛星の姿勢が天球に対して非常に
ゆっくりとした動きしかしない場合、例えば、高度数１
００１１Ｊ１以上の地球指向３軸安定衛星。

天体観測衛星、深宇宙探査衛星等に用いられるもので、
固定ヘッド型恒星トラッカやジンバル型恒星トラッカな
どがある。

固定ヘッド型恒星トラッカは、第３図に示すように、イ
メージ・デセクタ・チューブ５の光電陰極面５′に、恒
星Ｓの星像を光学系６を介して入射させ、該陰極面５′
を走査して恒星検出信号を出力させるもので、イメージ
・デセクタ・チューブの代りに二次元固体撮像素子等を
用いることもできる。

この固定ヘッド型恒星トラッカは、固定した視野内の複
数の恒星の検出信号から恒星の同定を行ない、その同定
された恒星の検出方向から衛星姿勢の検出を行なうもの
である。

ジンバル型恒星トラッカは、第４図に示すように、狭い
視野角（例えば、１　”ＸＩｏ）をもつ光学系を組み込
んだ検出器７を、２軸ジンバルＢ上に載せて用い、固定
した視野内の特定の恒星の方向を検出するものであるが
、ジンバル部の信頼性。

重量、大きさ等が欠点となっている。

これに対し、前記固定ヘッド型恒星トラッカは、同定し
た恒星方向の検出により衛星姿勢を高精度に検出できる
もので、恒星トラ７カの主流になっているが、二次元盪
像デバイスを用いているための問題点、すなわち、広視
野角や高分解能が得にく（、また信号処理系も複雑な構
成を必要とするなどの問題点を有している。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の恒星トラッカの上記問題点を解決すべ
くなされたもので、広視野角、高分解能をもち、且つ周
波数特性の優れた信号処理系の簡単な恒星トラッカを提
供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、３軸姿勢制御衛星等の姿勢制御用センサとし
て用いられる恒星トラ７カにおいて、視野像をそれぞれ
Ｘ軸及びＹ軸方向に圧縮して恒星像を各軸方向に一次元
に射影する光学系と、一次元に射影された恒星像を検出
する一次元検出器とを備え、各検出器からの恒星検出信
号に基づき恒星方向を検出するようにして、視野角０分
解能。

周波数特性並びに信号処理系等を改善するものであ゛る
。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例について説明する。第５図は本発明
に係る恒星トラ７カの一実施例の概略構成図である。第
５図において、１１は第１光学系で、該第１光学系１１
に導入された視野からの入射光は、ビームスプリッタ１
２により２分割され、その一方の反射光はＸ軸用第２光
学系１３に導入され、また他方の透過光はＹ軸用第２光
学系工４へ導入される。

各第２光学系１３．１４は、円柱形レンズ等の一方向に
像圧縮する機能をもつもので構成されており、Ｘ軸用第
２光学系１３を通過した視野からの入射光は、該光学系
１３によりＹ軸方向に像圧縮されてＸ軸一次元検出器１
５に入射し、同じくＹ軸用第２光学系１４を通過した入
射光は、該光学系１４によりＸ軸方向に像圧縮されて、
Ｙ軸一次元検出器１６に入射するように構成されている
。

このように構成されている恒星トラッカにおいて、第６
図に示すような視野１７に基づく入射光が第１光学系１
１に対して入射されもと、Ｘ軸及びＹ軸検出器１５．１
６から、それぞれ第６図に示すようなＸ軸検出出力信号
１８及びＹ軸検出出力信号１９が得られる。このＸ軸及
びＹ軸検出出力信号１８．１９により、視野内における
恒星Ａ、Ｂ、Ｃを同定し、それらの同定した恒星の検出
信号から恒星方向が検出され、これに基づき衛星姿勢が
検出されることになる。

Ｘ軸、Ｙ軸一次元検出器としては、フォトダイオード、
ＣＯＤ、ＭＯＳ等の固体撮像素子を利用するのが好まし
い、しかし、第２光学系による像圧縮効果が不十分で、
恒星像が完全にライン杖に配列されない場合があり、こ
の場合は星像をデフォーカスする必要があり、また、こ
の際、星像は複数の画素（ピクセル）に跨って形成され
るため、検出素子の感度分布が問題になる。したがって
、上記事項を考慮の上、固体撮像素子の選択及び、光学
系の工夫を行なう必要がある。

本発明においては、従来の二次元撮像デバイスや２軸ジ
ンバルの代りに、一次元検出系を用いたものであるので
、例えば、ｃｃＤ固体撮像素子を用いた場合、画素数（
ピクセル数）の現在における最大数は、一次元ＣＣＤに
おいては、５０００Ｘ１゜二次元ＣＣＤでは、４００　
Ｘ　５００程度であるから、一方向（−軸）のピクセル
分解能は、一次元ＣＯＤの方が１桁よいことになる。

したがって、ｌピクセル当りの分解能を０．００２５ｄ
ｅｇ（９５ｅｃ）としたときの視野角は、一次元ＣＯＤ
では約ｌＱｄｅｇ　、二次元ＣＣＤでは約１．２５ｄｅ
ｇとなり、視野角は約８倍大きくすることが可能となる
。

また、一般に、第７図に示すように、複数のピクセル２
１に跨って星像２２を形成させ、その星像２２の中心位
置計算（セントロイド計算）を行なって、より高精度の
姿勢検出を行なうことがあるが、この場合には複数のピ
クセル間の感度のばらつき等が問題となる。この感度の
ばらつき等においても、一次元検出素子の方が良い特性
のものが得られやすい。また、技術的信頼性についても
、一次元検出素子の方が、二次元検出素子より開発過程
からみても優れているものといえる。

なお、恒星同定を伴う恒星トラッカに本発明を通用した
場合、像圧縮した分だけ従来の二次元検出素子を用いた
ものに比し情報量は少くなるが、二次元検出系は、上記
のように、分解能、感度等において優れているため、恒
星同定に必要な情報は十分検出可能である。

本発明を恒星同定を行わない単−星センサに適用した場
合は、Ｘ軸及びＹ軸検出器からの検出信号を、第８図に
示すような、マルチスレッショルド等を適用した簡易セ
ントロイド計算を行ない、直接各軸の星像の中心位置を
求めることにより、データアップデートタイム（ｄａｔ
ａ−ｕｐ−ｄａｔｅ　−ｔｉｍｅ）が数１０ｍ５ｅｃ　
（数１０Ｈｚ）程度の単−星センサ（例えば、北極星セ
ンサ）を、簡単な処理回路で実現できる。この場合、検
出器からの信号量が大幅に少くなるため、信号処理系が
簡略化でき、小型軽量。

低消費電力Ｊヒが計、れる。びお、二次元検出器を用い
た従来の恒星トラ７カにおける、二次元検出器＋Ａ／Ｄ
コンバータ十マイクロプロセッサによる信号処理系は、
複雑でより電力を必要とし、上記データ更新タイムは数
Ｈｚ程度である。

また、単−星センサにおいて、天球に対して衛星の一軸
がほぼ固定されるような衛星に対して一軸検出用として
用いる場合、例えば、地球指向静止３軸衛星におけるヨ
ー軸検出用ボラリス・センサ、太陽指向３軸衛星におけ
るヨー軸検出用カノ−ブス・センサ等を構成する場合は
、検出器はＸ軸又はＹ軸検出器のみでよく、また、雨検
出器を平行に配置しておくことにより簡単に冗長系を構
成することができる。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づき説明したように、本発明は、恒星ト
ラッカを、視野像をそれぞれＸ軸及びＹ軸方向に圧縮し
て恒星像を各軸方向に一次元的に射影する光学系と、一
次元に射影された恒星像を検出する一次元検出器とで構
成し、一次元圧縮恒星像を一次元検出器で検出するよう
にしたので、広視野角並びに高分解能をもたせることが
でき、且つ信号量が大幅に少くなるため、周波数特性の
よい信号処理系の簡単な恒星トラッカが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の恒星スキャナの一例を示す概略図、第
２図は、そのＶ字型スリットレチクルを示す図、第３図
は、従来の固定ヘッド型恒星センサの一例を示す概略図
、第４図は、従来のジンバル型恒星トラッカの一例を示
す概略図、第５図は、本発明に係る恒星トラッカの一実
施例を示す概略構成図、第６図は、第５図に示した恒星
トラッカの各検出器の出力態様を示す図、第７図は、セ
ントロイド計算を行なう場合の星像形成態様を示す図、
第８図は、セントロイド計算を行なう場合の各軸検出器
の恒星検出信号を示す図である。 図において、１１は第１光学系、１２はビームスプリフ
タ、１３はＸ軸用第２光学系、１４はＹ軸用第２光学系
、１５はＸ軸一次元検出器、１６はＹ軸一次元検出器、
１７は視野、１８．１９はＸ軸及びＹ軸検出出力信号、
２１はピクセル、２２は星像を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 人工衛星等の姿勢制御用センサとして用いられる恒星ト
   ラッカにおいて、視野像をそれぞれＸ軸及びＹ軸方向に
   圧縮して恒星像を各軸方向に一次元に射影する光学系と
   、一次元に射影された恒星像を検出する一次元検出器と
   を備え、各検出器からの恒星検出信号に基づき恒星方向
   を検出するようにしたことを特徴とする恒星トラッカ。