JPS6025320B2 - 物体の位置決定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は第２物体の位置に対する第１物体の位置を決定
するために位置決定装置にあって、該装檀が前記第１物
体に連結されており、かつ複数個の放射感応検出器から
成る線形の検出器アレイと、前記第２物体の像を前記検
出器アレイ上に形成するための対物レンズ系と、前記検
出器の電気出力信号を処理して、検出器の内のどの検出
器が第２物体の像によって照射されているのかを示す位
置指示信号を発生せしめる電子回路とを具えている物体
の位置決定装置に関するものである。

本発明は特に地球に対する人工衛星の姿勢を制御するの
に用いることができる。人工衛生は地球を観察したり、
また地上に設置した送信機と受信機との通信を高密度と
するのに用いられ、このような人工衛星には電気通信衛
星がある。

この場合、送−受信機が最小消費電力で最大伝送能力を
呈することが重要なことである。即ち、それらの送−受
信機に開口角の小さいローブを有する送信および受信ア
ンテナを用いることが重要なことである。このような条
件のために静止衛星、即ち地球の中心から４２．２００
細離れている赤道上方の円軌道を２独特間の周期で連行
する衛星を使用することが余儀なくされている。電気通
信手段を有効に改善するにはアンテナの指向性を一層高
める必要がある。従って人工衛星の姿勢を制御するには
精度の高い器具が必要である。人工衛星は地球に対して
３つの異なる運動、即ちローリング（回転）、ピッチン
グ（縦ゆれ）およびョーアング（かたゆれ）の３つの運
動をする。地球によって反射される太陽光線は時間毎に
変化する。

このような変化による厄介な影響をなくすと共に、昼夜
共に姿勢を制御し得るようにするためには、波長が６ミ
クロン以上の放射を用いる必要がある。地球自体によっ
て放たれる放射は日中は殆ど変化しない。雲による妨害
をなくすために、高さ約２０物上方の二酸化炭素によっ
て放たれる波長が１４〜１６ミクロンの放射だけを用い
るのが好適である。人工衛星の姿勢を制御するのに現在
２つの異なる装置が知られている。

その第１の装置では、米国特許第３，７９０，２７６号
明細書から既知のように、対物レンズ系によって地球の
像を複数個の熱検出器上に形成する。上記被数個の検出
器は対を成して配置し、地球の像の中心線上におけるそ
の像の両緑部に前記対を成す検出器がそれぞれ１個づっ
位置するようにしている。またこの場合、像の両縁部に
位置する検出器からの出力信号はその樋性が逆檀性とな
るようにしている。２個の検出器からの出力信号間の差
は２個の熱検出器を結ぶ対称軸線のまわりの角偏差に関
するアナログ関数となる。

第２の装置では、例えば英国特許第１，２９１，７４１
号明細書から既知のように、ミラーを地球の中心に対す
る視線に直角に延在する軸線のまわりにて振動させる。
この場合ミラーは地球から放たれる放射をゲルマニウム
対物レンズに反射する。この対物レンズの焦点にはボロ
メーターまたはパィロ電気検生器のような赤外線に感応
する検出器を設けている。ボロメーターが、その上を地
平線が動いていることを示す瞬時に相当するミラーの位
置を検出することによって、ミラーの回転軸線に平行に
延在する軸に対する装置の姿勢を、例えば符号化ディス
外こよって求めることができる。上述した２つの装置は
それぞれ利点もあれば欠点もある。

最初の装置は全く静的なものであり、可動部分を有して
いないため、信頼性の点で有利である。この装置では直
流電圧測定を行なう必要がある。しかし宇宙装置（人工
衛星）が受ける車熱応力が上記電圧測定に乃ぼす影響は
大である。第２番目の装置ではダイナミック手段によっ
て測定を行なうため、熱応力の影響は極めて小さくなる
。しかしこの場合には装置の全実用寿命中ずっとミラー
を比較的高い振動数で、しかも大きな振幅で動かすため
に信頼度が低くなる。入念の研究の結果、２つの装置は
いずれも高精度で大視界を併用し得るように構成するこ
とはできないと云う基本的な困難性があることを判明し
た。

これは地球からの赤外線は波長が１４〜１６ミクロンの
ものでも均一でないと云う事実に起因する。従ってｌｏ
以上の視界で０．０５０以上の精度を併用する装置を設
計するのは極めて困難であった。また斯種装置は非常に
複雑であり、しかも今まで用いられていた装置よりも信
頼度が劣ると云う欠点がある。本発明の目的は振動ミラ
ーを用い、かつ動作信頼度が高く、しかも構造が簡単な
前述した種類の位置決定装置を提供することにある。

本発明は第２物体の位置に対する第１物体の位置を決定
するための位置決定装置にあって、該装置が前記第１物
体に連結されており、かつ複数個の放射感応検出器から
成る線形の検出器アレイと、前記第２物体の像を前記検
出器アレイ上に形成するための対物レンズ系と、前記検
出器の電気出力信号を処理して、検出器の内のどの検出
器が第２物体の像によって照射されているのかを示す位
置指示信号を発生せしめる電子回路とを具えている物体
の位置決定装置において、第２物体からの放射の通路内
で、しかも前記対物レンズ系の前方にミラーを松着して
、前記第２物体の像が最大でも高々２個の放射感応検出
器上を振動するように、前記ミラーを一定の振動数で、
かつ小さな一定の振幅値で前記検出器アレイの配列方向
に対して垂直の藤線のまわりにて連続周期で振動させる
ようにしたことを特徴とする。

図面につき本発明を説明する。

本発明は地球に対する人工衛星の姿勢を制御することを
限定されず、基準として用いられる第２物体の位置に対
する第１物体の位置の変化を制御するのに一般的に用い
ることができる。

第１図に示す装置は鞠線Ａのまわりの振動する平面ミラ
ー１１を具えている。

このミラー１１は地球が放つ放射を対物レンズ系１２に
反射する。地球の視直径は２８とする。ミラー１１の振
動は磁気的、圧電的または一様な静電駆動手段によって
維持する。一般にこれらの手段は発信器１３および励振
器１４を具えている。動作検出器１５によって発振器１
３が所望な振動周波数を発生し得るようにする。対物レ
ンズ系１２から出る放射ビームは複合放射感応検出系（
検出アレイ）１７に達する前にフィルター１６を通過す
る。

このフィルター１６は形成される像の輪郭の精細度を最
適とするためのものである。図示の例では検出系１７を
、ミラー１１の振動軸線Ａに対して直角な直線に沿って
配置した複数個の放射感応検出器をもって構成する。こ
れらの検出器は、地球に対する人工衛星の姿勢が正しい
場合に、対物レンズ系によって形成される像、例えば地
球と宇宙との遷移部分の像の緑部がそれにほぼ直角に検
出器上を動くように配置する。第２図は検出器のアレイ
を示す平面図である。

複合検出系１７はｎ個の放射感応検出器１７，〜１７ｎ
を具えおり、これら検出器の相対間隔ｄｖは以下述べる
ような測定系の分解能を規定する検出器の寸法によって
定められる。地球の視直径を２８とし、対物レンズ系の
焦点距離をｆとし、ｎ個の放射感応検出器の相対間隔、
即ち或る検出器上の所定点からその検出器に最も近い隣
接する検出器上の同じ点までの距離をｄｙとし、検出器
の配列方向を第１および第２図に示すようにして、地球
の像Ｔ′が検出器の列に沿って動き、その像の綾部（地
平線）が検出器の配列方向に対してほぼ直角となるよう
にし、さらに単一の検出器１７ｊまたは多くても２個の
検出器（１７ｊおよび１７ｊ＋１）が変調放射を受ける
ようにミラー１１の振動振幅値を維持せしめるようにす
る場合、ミラーの振動幅値船は次式にて与えられる。

舷＝ｄｙ／４ｆ 上式はつぎのようにして導出されるものである。

即ち、ミラーの振動振幅値を雌とする場合、このミラー
は２・他にわたって回動する。ミラーを角度８にわたっ
て回動させる場合には、このミラーによって反射される
ビームは角度２３にわたって偏向され、しかも物体がｘ
変位すると、焦点距離がｆの対物レンズ系によって形成
される物体の像はｆ・ｘ変位するため、対物レンズ系１
２とミラー１１とによって検出器上に形成される像の最
大変位量は４・ｆ・船となる。この像は多くても２個の
検出器をカバーし得るので、４・ｆ・ｄａ＝ｄｙ従って
、 船ニｄｙ／４ｆ となる。

前記放射の変調は地球と宇宙との遷多部分の像が放射感
応検出器上にて周期的偏向されることによって行なわれ
、この変調はミラ−動作と同期する。

上述した所から明らかなように、走査視界はミラーの振
動振幅値に無関係であり、その視界は放射感応検出器の
列の長さによって決定されるだけである。

さらにミラーの振動振幅値は極めて小さく、これは放射
感応検出器の相対間隔、従ってこれら検出器の寸法によ
って定められる。像平面における放射感応検出器のアレ
イがミラーの振動軸線の投影位置に対して直角に位置し
ていない場合には、ミラーの所要振動振幅値が次式によ
って与えられるようになる。

岬誌 ここにｘはミラーの振動軸線と検出器アレイの配列方向
とによって囲まれる角度の関数である。

この角度をＱとすれば、ｘはｓｍＱに相当する。本発明
装置は人工衛星照準装置の分野以外にも用いることがで
きる。対物レンズ系によって形成される像は任意の幾何
学的形状とすることができ、その輪郭はミラーの振動軸
線に対して任意の角度とすることができ、またこの振動
軸線に対する検出器の配列方向も任意することができる
。ミラーを振動させる振幅値は簡単に計算することがで
きる。実際には検出器アレイ（放射感応検出系）１７を
寸法が０．２６柳×１．０４肌の矩形状のボロメーター
３Ｎ固で構成する。

この場合、検出器間の離間間隔は０．２６肋とする。こ
の距離は物体空間にて０．５２ミリラジアン、即ち約０
．０３０に相当する。３川固のボロメ−夕一で検出器ア
レイを形成する場合には、０．０９０の視界を走査する
ことができる。

本例では、対物レンズ系の焦点距離を０．５のとし、か
つミラーの振動振幅値を０．０１Ｑのオーダとすること
ができる。従って本発明の目的が達成されることになる
。即ち、ミラーの動作は振幅値がミクロン程度の運動に
制限され、従って装置の信頼度は高くなる。第３図は検
出器信号を処理する電子回路の一例を示すブロック線図
である。

放射感応検出器アレイの内の１７ｊ，１７ｊ＋１の如き
各検出器はそれぞれ交流増幅器３１ｉおよび３１ｊ＋川
こ接続して、これらの増幅器によって信号レベルをさら
に処理するのに十分なしベルにまで高める。

各増幅器には通過帯城が比較的狭く、ほぼミラーの振動
周波数に相当するフィルターを設けることができる。各
交流増幅器は３２ｊおよび３２ｊ−＋１の如き電子式同
期検波器にそれぞれ接続する。

これら検波器の位相基準値ｒｐはミラーの動作を維持す
る発振器１３によって与えられる。上述したように、地
球の綾部の振動像は１個または多くて２個の放射感応検
出器によって受像され、これらの各検出器はミラーの振
動動作に同調する変調出力信号を発生する。

角素子３２ｊ，３２ｊ＋１に対する位相基準値を発振器
１３によって供給するため、地球の綾部の像を周期的に
受像する放射感応検出器に関連する１個または２個の電
子式同期検波器だけが出力信号を供給するようになる。
各同期検波器は、所要に応じそれぞれ低域通過フィルタ
ー３３ｊおよび３３ｊ十１を介してＡＮＤゲーート３４
ｉおよび３４Ｊ＋１の一方の第１入力端子にそれぞれ接
続する。

なお上記フィルター３３ｊおよび３３ｊ十１は放射感応
検出器および増幅器に発生する雑音による変動を低減さ
せるために設けるものである。クロックパルス源（図示
せず）からのクロックパルスｈをカウンター３５に供給
し、このカウンターの出力を選択デコ−ダー３６に供給
する。

このデコーダーのｎ個の出力端子はｎ個のＡＮＤゲート
３４ｊおよび３４ｊ＋１の各第２入力端子に接続する。
ｎ個のＡＮＤゲートの出力端子はしベル検出器３７の入
力端子に接続する。

このレベル検出器３７は同期検波器に関連する放射感応
検出器が周期的に偏向される地球の縁部の像を受像する
際に、レベル検出器の入力端子に現われるゲート信号の
大きさが各同期検波器によって供給される信号の大きさ
に相当する所定の大きさよりも大きくなる時に出力信号
を発生するように調整する。レベル検出器３７からの出
力信号はＡＮＤゲート３８の制御入力端子に供給する。

ＡＮＤゲート回路３８の他方の入力様子にはカウンター
３５の計数出力を順次供給する。従ってＡＮＤゲート３
８の出力端子には、どの放射感応検出器が地球の縁部の
像を受像しているのかを示す信号ＴＭがディジタル形態
にて現われる。本発明装置の実施に当っては各部の寸法
およびパラメータをつぎの如く選定した。

ミラーの振動周波数を１０Ｈｚとした。

即ち、振幅を０．０１０のオーダーに選定した場合、動
作の激しい偏向機構に対して長期にわたる信頼度の点で
何等支障はなかった。対物レンズ系は、一次の集光ミラ
ーと、このミラーからの放射を一次ミラーの中心におけ
る孔を経て後方へ反射する二次の凸面ミラーとを具え、
直径が７伽で、入射ひとみが３８．５ので、透過係数が
０．８で「 集点距離が０．５のカッセグレィン（Ｃａ
ｓｓｅｇａｉｎ）式のものとした。

フィルターの透過係数は０．８とした。

本発明装置には波長が９〜２５仏のの放射を用いること
ができる。

クロックパルスｈの周波数は６０ＨＺとした。

上述したように規定した場合における動作結果はつぎの
通りである。即ち、ボロメーターのレスポンス：４×１
０‐６Ｖｅｆｆ精度：０．０５０上述した装置は、例え
ばまわりでローリングが生じたり、またはピッチングが
生じたりする或る軸線のまわりにおける偏差に関する情
報を提供する。

２つの軸線のまわりの偏差（ローリングおよびピッチン
グ）に関する情報を得る必要がある場合、このような情
報は、互いに直角を成す２列の放射感応検出器を用い、
かつ振動軸線が互いに直角の２つの軸線のまわりにミラ
ーを動かすことによって得ることができる。

或いはまた、４列の放射感応検出器を用い、これらを２
つ一組にして互いに直角に２方向に配置して、地球と宇
宙との遷移部分の像が検出器上を移動するようにするこ
ともできる。

この場合、像は振動ミラーの動作と同期して周期的に偏
向される。またこの場合、ミラーの振動軸線は検出器ア
レイの方向に対して４５ｏの角度とする。本発明は上述
した例のみに限定されるものではなく、特にミラー動作
、検出器アレイの数およびその方向、並びに電子処理回
路の詳細について変更を加え得ること勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の光学系を示す糠図、第２図は第１
図の光学系の動作を示す平面図、第３図は第１図の光学
系からの信号を処理する電子回路の一例を示すブロック
線図である。 Ａ・・・・・・平面ミラーの振動軸線、１１・・・・・
・平面ミフー、１２……対物レンズ系、１３・・・・・
・発振器、１４・・・・・・励娠器、１５・・・・・・
動作検出器、１６・・・・・・フィルター、１７・・・
・・・放射感応検出系、１７ｊ，１７ｊ十１・・・・・
・放射感応検出器、３１ｊ，３１ｊ＋１・・・・・・交
流増幅器、３２ｊ，３２ｉ＋１・・・・・・同期検波器
、３３ｊ，３３ｊ＋１・・・・・・低域通過フィルター
、３ ４ ｉ，３ ４ｉ ＋１・・・・・・ＡＮＤゲー
ト、３５…・・・カウンター、３６・・・・・・選択デ
コーダー、３７・・・・・・レベル検出器、３８・・・
・・・ＡＮＤゲート。 第１図第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第２物体の位置に対する第１物体の位置を決定する
   ための位置決定装置にあつて、該装置が前記第１物体に
   連結されており、かつ複数個の放射感応険出器から成る
   線形の検出器アレイと、前記第２物体の像を前記検出器
   アレイ上に形成するための対物レンズ系と、前記検出器
   の電気出力信号を処理して、検出器の内のどの検出器が
   第２物体の像によつて照射されているのかを示す位置指
   示信号を発生せしめる電子回路とを具えている物体の位
   置決定装置において、第２物体からの放射の通路内で、
   しかも前記対物レンズ系の前方にミラーを枢着して、前
   記第２物体の像が最大でも高々２個の放射感応検出器上
   を振動するように、前記ミラーを一定の振動数で、かつ
   小さな一定の振幅値で前記検出器アレイの配列方向に対
   して垂直の軸線のまわりにて連続周期で振動させるよう
   にしたことを特徴とする物体の位置決定装置。