JPH08178688A - 宇宙航行体用地球センサ装置 - Google Patents
宇宙航行体用地球センサ装置Info
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- JPH08178688A JPH08178688A JP7208829A JP20882995A JPH08178688A JP H08178688 A JPH08178688 A JP H08178688A JP 7208829 A JP7208829 A JP 7208829A JP 20882995 A JP20882995 A JP 20882995A JP H08178688 A JPH08178688 A JP H08178688A
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- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
- B64G1/365—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using horizon or Earth sensors
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- G01—MEASURING; TESTING
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- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
- G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/785—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
- G01S3/786—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
- 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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- H—ELECTRICITY
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- H04N23/20—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from infrared radiation only
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 可動部分を有するセンサ装置は、その構造が
複雑であり、宇宙空間の極限条件下における作動信頼性
が低減されていた。 【解決手段】 地球の画像を焦点面に形成するレンズ手
段１８と、その焦点面内に配置されるセンサ手段１６と
を設け、そのセンサ手段を、焦電検出器の２次元配列に
より構成する。また、装置には、センサ手段の配列を焦
点面上において画像形成レンズの光軸２４に直交する方
向に設定された周波数で少なくとも検出器の分布間隔に
等しい振幅を以て振動させるためのアクチュエータ２２
と、その振動周波数において検出器の出力信号を獲得し
かつその出力信号をしきい値と比較する処理回路３２と
を設ける。
複雑であり、宇宙空間の極限条件下における作動信頼性
が低減されていた。 【解決手段】 地球の画像を焦点面に形成するレンズ手
段１８と、その焦点面内に配置されるセンサ手段１６と
を設け、そのセンサ手段を、焦電検出器の２次元配列に
より構成する。また、装置には、センサ手段の配列を焦
点面上において画像形成レンズの光軸２４に直交する方
向に設定された周波数で少なくとも検出器の分布間隔に
等しい振幅を以て振動させるためのアクチュエータ２２
と、その振動周波数において検出器の出力信号を獲得し
かつその出力信号をしきい値と比較する処理回路３２と
を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、衛星あるいは宇宙
船等の宇宙航行体に搭載され地球に向けて配される地球
センサ装置に関するものである。
船等の宇宙航行体に搭載され地球に向けて配される地球
センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これらの装置は、衛星全体あるいは衛星
が搬送している要素を地球あるいは地球の特定領域に対
して配列しようとする衛星の姿勢制御システムにおいて
特別の重要なアプリケーションがある。しかしながら、
地球上の大規模な火災の検知のように、他の目的にも使
用することができる。
が搬送している要素を地球あるいは地球の特定領域に対
して配列しようとする衛星の姿勢制御システムにおいて
特別の重要なアプリケーションがある。しかしながら、
地球上の大規模な火災の検知のように、他の目的にも使
用することができる。
【０００３】重要なアプリケーションにおいて、地球セ
ンサ装置の機能は、地球面（terrestrial disk）の中心
に対する衛星の位置および方向を計測することである。
地球センサ装置は、地球の中心に対するロール（すなわ
ち北−南軸に沿う）角度およびピッチ（東−西軸に沿
う）角度のずれを決定可能とする情報を供給する。
ンサ装置の機能は、地球面（terrestrial disk）の中心
に対する衛星の位置および方向を計測することである。
地球センサ装置は、地球の中心に対するロール（すなわ
ち北−南軸に沿う）角度およびピッチ（東−西軸に沿
う）角度のずれを決定可能とする情報を供給する。
【０００４】従来、地球センサ装置は、レンズの焦点面
に配置され地球面上の複数の領域における宇宙／地球お
よび地球／宇宙の遷移位置の決定を可能とする走査手段
を有するボロメータのような個々の要素を使用してい
る。現状において最も使用されている装置は、赤道面の
各側の帯域を同時にあるいは交互に走査する。
に配置され地球面上の複数の領域における宇宙／地球お
よび地球／宇宙の遷移位置の決定を可能とする走査手段
を有するボロメータのような個々の要素を使用してい
る。現状において最も使用されている装置は、赤道面の
各側の帯域を同時にあるいは交互に走査する。
【０００５】図１は、衛星が所望の方向に配されている
ときの、地球面の画像１２に対するそのような帯域１０
ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄの可能な位置を示してい
る。４つの遷移部ａ・ｂ・ｃ・ｄのうち３つのみが必要
である。４番目の遷移部は、余分であり、太陽が走査位
置の１つと干渉するような太陽位置である場合に最も有
利な３つの帯域の組合せを選択可能とするものである。
ときの、地球面の画像１２に対するそのような帯域１０
ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄの可能な位置を示してい
る。４つの遷移部ａ・ｂ・ｃ・ｄのうち３つのみが必要
である。４番目の遷移部は、余分であり、太陽が走査位
置の１つと干渉するような太陽位置である場合に最も有
利な３つの帯域の組合せを選択可能とするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これら周知の装置の１
つの大きな欠点は、走査手段に可動部分を有する機構が
必要であるということである。そのような機構は複雑
で、しかも、宇宙空間において遭遇する極限条件下にお
いて作動しなければならないためにその信頼性は制限さ
れる。また、検知が単光感応素子においてなされる場
合、与えられた点から発せられる赤外光の積分時間は、
計測周期のうちのきわめて小部分のみに相当する。
つの大きな欠点は、走査手段に可動部分を有する機構が
必要であるということである。そのような機構は複雑
で、しかも、宇宙空間において遭遇する極限条件下にお
いて作動しなければならないためにその信頼性は制限さ
れる。また、検知が単光感応素子においてなされる場
合、与えられた点から発せられる赤外光の積分時間は、
計測周期のうちのきわめて小部分のみに相当する。
【０００７】この発明の目的は、改良された地球センサ
装置を提供することである。さらに、この発明は、走査
を必要としないようなセンサを提供することをも目的と
している。
装置を提供することである。さらに、この発明は、走査
を必要としないようなセンサを提供することをも目的と
している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、この発明は、特に、衛星用の地球センサ装置であっ
て、焦点面内に地球の画像を形成するレンズ手段と、前
記焦点面内に配される２次元配列の焦電検出器と、少な
くとも配列内の検出器の分布間隔に等しい（典型的には
５個分の間隔より少ない）振幅で、設定された周波数に
おいてその平面内で配列を振動させる振動手段と、前記
周波数における検出器の出力信号を獲得し、該出力信号
をしきい値と比較するための手段とを具備している。
に、この発明は、特に、衛星用の地球センサ装置であっ
て、焦点面内に地球の画像を形成するレンズ手段と、前
記焦点面内に配される２次元配列の焦電検出器と、少な
くとも配列内の検出器の分布間隔に等しい（典型的には
５個分の間隔より少ない）振幅で、設定された周波数に
おいてその平面内で配列を振動させる振動手段と、前記
周波数における検出器の出力信号を獲得し、該出力信号
をしきい値と比較するための手段とを具備している。
【０００９】この発明は、赤外領域において感度があり
低温に冷却する装置を必要としない焦電検出器の２次元
配列により構成されるセンサの有用性を利用するもので
ある。他方では、これらの検出器は、温度変化のみに感
応する結果、そこに適用される画像システムにおいて
は、それらは、観察されるべき情景の画像と均一な参照
情景の画像とを交互に送与する光学スイッチの後段に配
置される。
低温に冷却する装置を必要としない焦電検出器の２次元
配列により構成されるセンサの有用性を利用するもので
ある。他方では、これらの検出器は、温度変化のみに感
応する結果、そこに適用される画像システムにおいて
は、それらは、観察されるべき情景の画像と均一な参照
情景の画像とを交互に送与する光学スイッチの後段に配
置される。
【００１０】この発明の場合には、配列に非常に小さい
振幅の振動を与えることによって、この振幅が検出器の
分布間隔のオーダの大きさであるから、スイッチング機
構の必要性はなくなっている。そのような振動は、移動
性要素によるよりむしろ変形要素によって生じさせられ
る。特に、１以上の圧電変換器よりなるその平面内にお
ける配列の振動手段が利用される。
振幅の振動を与えることによって、この振幅が検出器の
分布間隔のオーダの大きさであるから、スイッチング機
構の必要性はなくなっている。そのような振動は、移動
性要素によるよりむしろ変形要素によって生じさせられ
る。特に、１以上の圧電変換器よりなるその平面内にお
ける配列の振動手段が利用される。
【００１１】
【発明の実施の形態】この発明は、例示により与えられ
る特定の具体例についての以降の記述を参照することに
よって、より明快に理解される。その記述は、添付図面
を参照してなされる。
る特定の具体例についての以降の記述を参照することに
よって、より明快に理解される。その記述は、添付図面
を参照してなされる。
【００１２】既述の図１は、地球に対する静止衛星のず
れの従来の検知態様を示す概要図である。図２は、赤道
面に平行な方向に沿って検出器を振動させた場合の信号
を与える本発明に係る装置の検出器の領域を模式的に示
している。図３は、図２のＡ部の詳細図である。図４
は、出力信号の獲得手段および振動の制御手段のブロッ
ク図を示している。図５は、図２と同様に、低軌道上の
衛星の場合に検出器上に形成される画像を示している。
れの従来の検知態様を示す概要図である。図２は、赤道
面に平行な方向に沿って検出器を振動させた場合の信号
を与える本発明に係る装置の検出器の領域を模式的に示
している。図３は、図２のＡ部の詳細図である。図４
は、出力信号の獲得手段および振動の制御手段のブロッ
ク図を示している。図５は、図２と同様に、低軌道上の
衛星の場合に検出器上に形成される画像を示している。
【００１３】静止軌道上に位置させられた衛星は、約１
７．５゜の角度で地球を観察する。宇宙空間から観る
と、地球は、ほぼ３００Ｋの温度を有する黒体を構成す
る一方、空の背景は、４Ｋの温度を有する黒体を構成す
る。装置が焦電検出器の正方配列により構成されるセン
サ１６を使用するときには、複数のレンズの組合せある
いはミラーを有する光学系が使用されることもできる
が、単一レンズ１８（図４）によれば、地球の画像は正
方配列の全体に形成されることができる。
７．５゜の角度で地球を観察する。宇宙空間から観る
と、地球は、ほぼ３００Ｋの温度を有する黒体を構成す
る一方、空の背景は、４Ｋの温度を有する黒体を構成す
る。装置が焦電検出器の正方配列により構成されるセン
サ１６を使用するときには、複数のレンズの組合せある
いはミラーを有する光学系が使用されることもできる
が、単一レンズ１８（図４）によれば、地球の画像は正
方配列の全体に形成されることができる。
【００１４】実際には、レンズは、図２に示されるよう
に、センサ１６の各中央が約２０゜×２０゜の視野に一
致するように設計される。センサは、振動手段を構成す
るアクチュエータ２２がその平面内において、すなわ
ち、レンズの軸線２４に直交する方向に、少なくとも配
列の焦電検出器の分布間隔ｐに相当する振幅を以て振動
可能とするテーブル２０上に配置される。
に、センサ１６の各中央が約２０゜×２０゜の視野に一
致するように設計される。センサは、振動手段を構成す
るアクチュエータ２２がその平面内において、すなわ
ち、レンズの軸線２４に直交する方向に、少なくとも配
列の焦電検出器の分布間隔ｐに相当する振幅を以て振動
可能とするテーブル２０上に配置される。
【００１５】アクチュエータ２２は、衛星が正確に配列
されたときに、地球の赤道平面に平行な振動を生じさせ
るように有効に設計されている。実際には、振動の振幅
は５ｐを超えない。１ｐと２．５ｐとの間の値が一般に
良好な結果を与える。
されたときに、地球の赤道平面に平行な振動を生じさせ
るように有効に設計されている。実際には、振動の振幅
は５ｐを超えない。１ｐと２．５ｐとの間の値が一般に
良好な結果を与える。
【００１６】振動は、焦電検出器が温度変化のみに感応
するという事実を利用することができる。結果として、
出力信号は、三日月状領域内に配される焦電検出器のみ
によって供給される。極に近接する領域においては、地
球面の周囲の各位置は、単一の焦電検出器のみにおいて
出力信号を生ずる。
するという事実を利用することができる。結果として、
出力信号は、三日月状領域内に配される焦電検出器のみ
によって供給される。極に近接する領域においては、地
球面の周囲の各位置は、単一の焦電検出器のみにおいて
出力信号を生ずる。
【００１７】これに対して、赤道に近接する領域におい
ては、複数の検出器が、地球面と宇宙空間の相対的な観
察時間に応じて値の変化する出力信号を供給する。図３
は、赤道に近接する領域において、赤道に平行な列当た
りに２つの焦電検出器から発せられる信号を生じている
地球面の周囲の各位置を例示している。
ては、複数の検出器が、地球面と宇宙空間の相対的な観
察時間に応じて値の変化する出力信号を供給する。図３
は、赤道に近接する領域において、赤道に平行な列当た
りに２つの焦電検出器から発せられる信号を生じている
地球面の周囲の各位置を例示している。
【００１８】配列の焦電検出器の分布間隔ｐは、要求さ
れる変位が数１０ミクロンを超えないようなものであ
る。結果として、アクチュエータ２２は、何らの移動性
要素を有しない変形要素により構成される。この変形要
素は、特に、きわめて簡易に利用でき、かつ、駆動のた
めに必要な電気エネルギが少なくて済む圧電材料のペレ
ットを積み重ねたものでよい。センサおよびその支持体
のみを移動するので、加えられるべき力は小さい。
れる変位が数１０ミクロンを超えないようなものであ
る。結果として、アクチュエータ２２は、何らの移動性
要素を有しない変形要素により構成される。この変形要
素は、特に、きわめて簡易に利用でき、かつ、駆動のた
めに必要な電気エネルギが少なくて済む圧電材料のペレ
ットを積み重ねたものでよい。センサおよびその支持体
のみを移動するので、加えられるべき力は小さい。
【００１９】全ての焦電検出器は、同時に光束を受け
る。このように獲得される情報の逐次読み込みを許容す
るために、検出器の配列は、逐次的なラインごとの読み
込みを以て、荷電結合要素あるいはＣＣＤのマトリクス
に結合されている。他の解決手法は、出力マルチプレク
サを使用することにより構成される。
る。このように獲得される情報の逐次読み込みを許容す
るために、検出器の配列は、逐次的なラインごとの読み
込みを以て、荷電結合要素あるいはＣＣＤのマトリクス
に結合されている。他の解決手法は、出力マルチプレク
サを使用することにより構成される。
【００２０】センサは、図４に例示されるような形式の
装置に連結されている。それは、設定された周波数およ
び位相においてアクチュエータ２２にエネルギを供給す
る出力回路２８を有するシーケンサ２６を具備してい
る。シーケンサ２６は、種々の焦電検出器要素の出力信
号の同時読み込みを生じさせる画像獲得装置３０をも制
御する。最後に、処理回路３２は、特に、所望の位置測
定精度に依存して多少複雑な構成を有している。
装置に連結されている。それは、設定された周波数およ
び位相においてアクチュエータ２２にエネルギを供給す
る出力回路２８を有するシーケンサ２６を具備してい
る。シーケンサ２６は、種々の焦電検出器要素の出力信
号の同時読み込みを生じさせる画像獲得装置３０をも制
御する。最後に、処理回路３２は、特に、所望の位置測
定精度に依存して多少複雑な構成を有している。
【００２１】簡易な具体例では、回路３２は各画素に対
応する、すなわち、焦電検出器の各要素によって供給さ
れる出力信号をしきい値と比較し、しきい値より大きい
出力信号を供給し、かつ、２つの制限値、例えば、３０
゜と６０゜の間の範囲内における緯度に対応する画素の
アドレスのみを保持する。
応する、すなわち、焦電検出器の各要素によって供給さ
れる出力信号をしきい値と比較し、しきい値より大きい
出力信号を供給し、かつ、２つの制限値、例えば、３０
゜と６０゜の間の範囲内における緯度に対応する画素の
アドレスのみを保持する。
【００２２】このように保持される値に基づいて、処理
回路３２は、一般的なアルゴリズムを使用してロール角
度およびピッチ角度のずれを計算することを可能とする
平均値を計算する。
回路３２は、一般的なアルゴリズムを使用してロール角
度およびピッチ角度のずれを計算することを可能とする
平均値を計算する。
【００２３】さらに洗練された具体例では、出力信号が
予め設定されたしきい値を超える各画素のアドレスおよ
びレベルが保持される。画素の各列の計測値は、ディジ
タル化されかつ宇宙／地球および地球／宇宙遷移の位置
を決定するために１画素より小さい解像度で処理され
る。全ての遷移値が一旦格納されると、回路３２は、遷
移の標準偏差が最も低い円の中心を決定することができ
る。
予め設定されたしきい値を超える各画素のアドレスおよ
びレベルが保持される。画素の各列の計測値は、ディジ
タル化されかつ宇宙／地球および地球／宇宙遷移の位置
を決定するために１画素より小さい解像度で処理され
る。全ての遷移値が一旦格納されると、回路３２は、遷
移の標準偏差が最も低い円の中心を決定することができ
る。
【００２４】衛星が低い軌道にある場合には、地球は、
配列上に投影されるべき全体画像に対して非常に大きい
視直径で観られる。一般的な地球観測衛星では、地球面
が観られる角度は１１０゜を超える。このような場合、
レンズ１８は、反射四面体あるいは１組のミラーよりな
り、地球面の周囲の円弧のみを、典型的には、図５に示
されるように３０゜と４５゜の間の緯度において、配列
上に投影することを可能とするフィールドスプリッタに
より補足される。
配列上に投影されるべき全体画像に対して非常に大きい
視直径で観られる。一般的な地球観測衛星では、地球面
が観られる角度は１１０゜を超える。このような場合、
レンズ１８は、反射四面体あるいは１組のミラーよりな
り、地球面の周囲の円弧のみを、典型的には、図５に示
されるように３０゜と４５゜の間の緯度において、配列
上に投影することを可能とするフィールドスプリッタに
より補足される。
【００２５】例によれば、静止衛星用の地球センサ装置
は、フランス、トムソン社のＴＣＳＴＨＸ７４４１Ａ型
の焦電検出器の配列を使用して設計されている。この配
列は、８５μｍの間隔で分布され、各画素が８１×８１
μｍの大きさの１２８×１２８の焦電検出器を有してい
る。レンズ１８によって与えられる視界は２０゜×２０
゜であり、各画素ごとに、０．１５７゜×０．１５７゜
の角度視界に相当している。圧電式アクチュエータによ
って与えられる変位は８０から２００ミクロンである。
配列によって供給される画像の獲得周波数は、１０Ｈｚ
である。信号は、ＣＣＤ要素の５１２×５１２のマトリ
クスにより形成される読み込み装置を経て変換される。
は、フランス、トムソン社のＴＣＳＴＨＸ７４４１Ａ型
の焦電検出器の配列を使用して設計されている。この配
列は、８５μｍの間隔で分布され、各画素が８１×８１
μｍの大きさの１２８×１２８の焦電検出器を有してい
る。レンズ１８によって与えられる視界は２０゜×２０
゜であり、各画素ごとに、０．１５７゜×０．１５７゜
の角度視界に相当している。圧電式アクチュエータによ
って与えられる変位は８０から２００ミクロンである。
配列によって供給される画像の獲得周波数は、１０Ｈｚ
である。信号は、ＣＣＤ要素の５１２×５１２のマトリ
クスにより形成される読み込み装置を経て変換される。
【００２６】処理回路３２は、しきい値レベルを超える
信号を供給する画素を認識し、各列ごとに宇宙／地球の
遷移画素のアドレスを保持し格納するように設計されて
いる。回路は、各列ごとの画素の１／４より良好な精度
を得ることを可能とする平均値探索を行う。
信号を供給する画素を認識し、各列ごとに宇宙／地球の
遷移画素のアドレスを保持し格納するように設計されて
いる。回路は、各列ごとの画素の１／４より良好な精度
を得ることを可能とする平均値探索を行う。
【００２７】これらのデータに基づいて、４５゜から５
５゜の緯度に対応する長さを有する地球面の弦につい
て、ロール方向およびピッチ方向のずれ量が計算され
る。そのような処理には、プログラムされたコンピュー
タは不要であり、比較的簡易な処理回路を使用すること
ができる。
５゜の緯度に対応する長さを有する地球面の弦につい
て、ロール方向およびピッチ方向のずれ量が計算され
る。そのような処理には、プログラムされたコンピュー
タは不要であり、比較的簡易な処理回路を使用すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】地球に対する静止衛星のずれの従来の検知態様
を示す概要図である。
を示す概要図である。
【図２】赤道面に平行な方向に沿って検出器を振動させ
た場合の信号を与える本発明に係る装置の検出器の領域
を模式的に示している。
た場合の信号を与える本発明に係る装置の検出器の領域
を模式的に示している。
【図３】図２のＡ部の詳細図である。
【図４】出力信号の獲得手段および振動の制御手段のブ
ロック図を示している。
ロック図を示している。
【図５】図２と同様に、低軌道上の衛星の場合に検出器
上に形成される画像を示している。
上に形成される画像を示している。
ｐ 分布間隔 １２ 画像 １６ センサ手段 １８ レンズ手段 ２２ アクチュエータ（振動手段） ２４ 光軸 ３２ 回路手段
Claims (6)
- 【請求項１】 焦点面に地球の画像を形成するためのレ
ンズ手段と、 前記焦点面に配置され、予め設定された分布間隔を有す
る焦電検出器の２次元配列よりなるセンサ手段と、 焦点面内において、画像形成レンズの光軸に直交する方
向に、予め設定された周波数および少なくとも前記分布
間隔に等しい振幅を以て、前記配列を振動させる振動手
段と、 前記予め設定された周波数で検出器の出力信号を獲得
し、その出力信号をしきい値と比較するための回路手段
とを具備することを特徴とする地球センサ装置。 - 【請求項２】 前記振動手段が、支持体と前記配列との
間に挿入される少なくとも１つの圧電変換器を具備する
ことを特徴とする請求項１記載の地球センサ装置。 - 【請求項３】 前記配列が積分および荷電結合素子を介
して前記獲得回路手段に接続されていることを特徴とす
る請求項１記載の地球センサ装置。 - 【請求項４】 静止衛星上の地平線センサとして使用さ
れるために、前記画像形成レンズが配列上に地球面全体
の画像を形成するように設けられていることを特徴とす
る請求項１記載の地球センサ装置。 - 【請求項５】 低軌道上の衛星上の地平線センサとして
使用されるために、前記画像形成レンズが、地球面の周
囲の４つの適当に分割された円弧の画像を形成するよう
に設けられていることを特徴とする請求項１記載の地球
センサ装置。 - 【請求項６】 前記振動手段が、前記焦電検出器の１分
布間隔と２．５分布間隔との間の振動量を与えるように
設けられていることを特徴とする請求項１記載の地球セ
ンサ装置。
Applications Claiming Priority (2)
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