(57)【要約】【課題】光伝送端末装置の重量を抑制し、遠隔の宇宙船との通信の確立に適した光伝送方法を提案する。【解決手段】宇宙船に搭載された光伝送端末装置が、その宇宙船のメイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有する。搭載端末装置と、前記宇宙船から遠く離れた遠隔端末装置との間の光伝送中、搭載端末装置を、宇宙船のメイン・プラットフォームを回転させることによって、遠隔端末装置の方向に指向させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船に搭載された搭載端末装置と前記宇宙船から遠く離れた遠隔端末装置の間の光伝送方法であって、前記搭載端末装置は、前記宇宙船の前記メイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有し、前記搭載端末装置は、前記宇宙船の前記メイン・プラットフォームを回転させることによって前記遠隔端末装置の方向を指向する光伝送方法。
【請求項２】
前記宇宙船の前記メイン・プラットフォームは、前記搭載端末装置を前記遠隔端末装置の方向に指向させるために、少なくとも１つのジャイロ・アクチュエータを用いて方向づけされる請求項１に記載の光伝送方法。
【請求項３】
前記搭載端末装置は、望遠鏡と、前記遠隔端末装置の画像を前記望遠鏡の焦点面の中で移動させるように設計された精密指向装置とを備え、伝送方向は、前記搭載端末装置の伝送フィールド内で、前記精密指向装置を用いてさらに調整される、請求項１に記載の光伝送方法。
【請求項４】
前記望遠鏡の前記焦点面における、光伝送がされている間に受信される前記ビームの画像の変位が、前記搭載端末装置の前記遠隔端末装置への指向を制御するのに用いられる、請求項３に記載の光伝送方法。
【請求項５】
メイン・プラットフォームおよび搭載された光伝送端末装置を備える宇宙船であって、前記搭載端末装置は、前記メイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有し、前記宇宙船は、前記メイン・プラットフォームを回転して方向づける手段をさらに含み、前記手段は、前記搭載端末装置を、前記宇宙船から遠く離れた光伝送端末装置方向に指向するようにされる宇宙船。
【請求項６】
前記メイン・プラットフォームを回転して方向づける前記手段は、少なくとも１つのジャイロ・アクチュエータを備える、請求項５に記載の宇宙船。
【請求項７】
前記搭載端末装置は、望遠鏡と、前記搭載端末装置の前記伝送フィールド内で伝送方向を調整するために、前記遠隔端末装置の画像を前記望遠鏡の焦点面のなかで移動させるように設計された精密指向装置とを備える、請求項５に記載の宇宙船。
【請求項８】
衛星または惑星探査機としての、請求項５に記載の宇宙船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙船に搭載された端末装置と遠隔端末装置の間の光伝送方法に関し、かつこのような光伝送方法を実施する宇宙船に関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星に搭載された通信装置との通信リンクを確立するのに、光伝送モードを用いることは既に知られている。このような光伝送は、たとえば、同じ軌道または互いに異なる軌道を周回する衛星の間、衛星と地上端末装置との間、あるいは衛星と航空機の間の通信に用いられる。というのは、光伝送端末装置は、非常に小さいエネルギーを消費し、この小さいエネルギー消費は、光伝送端末装置が衛星に搭載されている場合は特に有利だからである。
【０００３】
現在、光伝送用に使われる放射ビームは、発散が非常に少ない。したがって、通信リンクを首尾よく確立するように、２つの光伝送端末装置を、非常に精密に相互に指向させる必要がある。精密に指向するために、衛星に搭載されるように設計された光伝送端末装置は、図１に示すように接続された、いくつかの構成要素を備える。端末装置はこのように、端末装置の外部部分１２０内に、光伝送望遠鏡１１０と、望遠鏡１１０を指向させる機構１１１および１１２と、近接モジュールと呼ばれる電子モジュール１１３と、捕捉・追跡検出装置１１４とを備える。こうした構成要素１１０〜１１４は、望遠鏡１１０を遠隔端末装置方向に指向させるフィードバック制御ループをなすように接続される。光伝送端末装置は、さらに端末装置を制御する電子モジュール１２１と、通信システムを制御する電子モジュール１２２を含む。モジュール１２１および１２２は、衛星の静止部分１３０内に配置される。図１にＣで示される構成要素は、端末装置の２つの構成要素の間、または構成要素と光ファイバーの間の光インタフェースを形成する光コリメータである。
【０００４】
機構１１１および１１２は、モジュール１１３に含まれた、対応する制御回路とともに、それぞれ、粗指向アセンブリ（粗指向機構）、すなわちＣＰＡ、および精密指向アセンブリ（精密指向機構）、すなわちＦＰＡを形成する。遠隔端末装置と通信する間、搭載端末装置の伝送フィールドは、遠隔端末装置がこの伝送フィールド内に留まるように、粗指向アセンブリを用いて衛星に対して方向づけられる。この伝送方向は、また精密指向アセンブリを用いて伝送フィールド内で調整される。
【０００５】
粗指向機構１１１は、様々な形態でよい。具体的には、関節式潜望鏡、光学ヘッドを動かす２軸機構、方位角および高度で方向づけることができる、操縦可能な出力ミラーに基づく機構、クーデ望遠鏡などでよい。
【０００６】
粗指向機構１１１は、たとえば、取付け台をもつ出力ミラーなどの作動部を有し、そののサイズは、端末装置の出力の口径に対応する。ある種の機構において、特に、光伝送端末装置自体がメイン・プラットフォームに対して方向づけできる補助プラットフォーム上に配置されているときには、光伝送端末装置自体が動くことができる。あらゆる場合において、粗指向機構の作動部は大きくて重たく、その結果、こうした作動部を衛星上で使用するのは特に不都合である。
【０００７】
さらに、こうした粗指向機構の作動部の寸法および重みのせいで、作動部を方向づけ、または移動させるために、十分なサイズおよび電力のアクチュエータを用意する必要がある。したがって、こうしたアクチュエータは、それ自体が重く大きい。さらに、こうしたアクチュエータは、その電力に比例してエネルギーを消費する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、宇宙船との通信の確立に適した、かつ具体的には、上述した欠点のない光伝送方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明は、宇宙船に搭載された搭載端末装置と前記宇宙船から遠く離れた遠隔端末装置との間の光伝送方法を提案する。本方法によると、搭載端末装置は、宇宙船のメイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有し、前記搭載端末装置は、宇宙船の前記メイン・プラットフォームを回転させることによって、前記遠隔端末装置の方向を指向する。
【００１０】
本発明のコンテキストにおいて、「光端末装置の伝送フィールド」という表現は、この端末装置の外に広がる空間領域であって、この空間領域内で生じた光信号をこの端末装置によって検出することができるものである。また、この端末装置によって送信される光信号は、その空間領域内のどの地点でも受信されるものである。
【００１１】
かくして、本発明によると、宇宙船に搭載された光伝送端末装置の伝送フィールドは、その宇宙船のメイン・プラットフォームに対して固定される。したがって、メイン・プラットフォームに対して、搭載端末装置の伝送フィールドを遠隔端末装置に方向づけるのに粗指向アセンブリは使われない。したがって、宇宙船上にかかる荷重は削減され、それにより宇宙船を打ち上げ、かつ／または軌道に乗せるコストの削減を図ることができる。
【００１２】
搭載端末装置から遠隔端末装置の方向への指向は、宇宙船のメイン・プラットフォームを回転させて方向づけることによって遂行される。当業者の言い方では、この指向は、搭載端末装置と遠隔端末装置との相対的な位置を参照して、宇宙船の姿勢を制御するることによって遂行される。したがって、宇宙船の姿勢を変えるのに用いられる手段は搭載端末装置の伝送フィールドを方向づける機能も有する。
【００１３】
効果的なことには、宇宙船のメイン・プラットフォームは、搭載端末装置を遠隔端末装置の方向に指向するために、少なくとも１つのジャイロ・アクチュエータを用いて方向づけられる。かくして、この指向は、宇宙船を精密に方向づけることができるおかげで容易かつ迅速に遂行することができ、この方向づけは１つまたは複数のジャイロ・アクチュエータを使って実施される操作によって遂行することができるのである。
【００１４】
本発明を実施する好ましい方法によると、搭載端末装置は、望遠鏡と、遠隔端末装置の画像を望遠鏡の焦点面のなかで移動させるように設計された精密指向装置とを備える。したがって、伝送方向は、搭載端末装置の伝送フィールド内で、精密指向装置を用いてさらに調整することができる。このような精密指向装置を使うことによって、２つの端末装置の間で特段に信頼性のある光伝送を、非常に長い、たとえば数千キロメートルにもなり得る伝送距離に渡って確立することができる。
【００１５】
本発明を実施するさらに改良された方法では、望遠鏡の焦点面における、光伝送の実施中に受信されるビームの画像の変位が、搭載端末装置の遠隔端末装置への指向を制御するのに用いられる。
【００１６】
本発明はまた、メイン・プラットフォームおよび搭載された光伝送端末装置を備えた宇宙船をも提案するもので、前記搭載端末装置は、メイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有する。宇宙船は、さらにメイン・プラットフォームを回転して方向づける手段を含み、この手段は、前記搭載端末装置を、宇宙船から遠く離れた光伝送端末装置の方向に指向させるように設計されている。
【００１７】
具体的には、メイン・プラットフォームを回転して方向づける手段は、少なくとも１つのジャイロ・アクチュエータを備え得る。
【００１８】
好ましくは、搭載端末装置は、望遠鏡と、前記搭載端末装置の伝送フィールド内で伝送方向を調整するために、遠隔端末装置の画像を望遠鏡の焦点面のなかで移動させるように設計された精密指向装置とを備え得る。
【００１９】
宇宙船は、様々なタイプでよく、具体的には、その軌道の性質に係わらず衛星や、惑星探査機を含む。
【００２０】
さらに、本発明の要旨を改めて記載すると次にようになる。本発明の光伝送方法は、宇宙船に搭載された搭載端末装置と前記宇宙船から遠く離れた遠隔端末装置の間の光伝送方法であって、前記搭載端末装置は、前記宇宙船の前記メイン・プラットフォームを基準にして固定された方向の伝送フィールドを有し、前記メイン・プラットフォームを回転させることによって前記搭載端末装置を前記遠隔端末装置の方向に指向させるものである。
【００２１】
また、本発明の宇宙船は、メイン・プラットフォームおよびこれに搭載された光伝送端末装置を備えた宇宙船であって、前記搭載端末装置は、前記メイン・プラットフォームに対して固定して方向づけられた伝送フィールドを有し、前記宇宙船は、前記メイン・プラットフォームを回転して方向づける手段をさらに含み、前記手段は、前記搭載端末装置を前記宇宙船から遠く離れた遠隔光伝送端末装置の方向に指向させるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図２および３は、本発明の原理を簡略に示す図である。しかし明確化のために、衛星の構成要素すべてを図示してあるわけではない。さらに、図示してある衛星の部分の寸法は、その部分の実際の寸法に比例していない。
【００２３】
図２は、どのようにして本発明が適用されるかという例を示す。衛星Ｓ１は、静止衛星でよく、衛星Ｓ２から伝送されたデータを地上受信端末装置Ｒにデータを中継するのに使われる。地球は、Ｔで示し、衛星Ｓ１の軌道は、Ｏ１で示す。衛星Ｓ２の機能は、地球を高解像度で観察することであろう。この観察を行うために、衛星Ｓ２は、低高度軌道Ｏ２に置かれ、高い軌道速度をもつ。地上端末装置Ｒは、地球によってほぼ半分の時間、衛星Ｓ２から隠され、それによって衛星Ｓ２と端末装置Ｒの間で、かなりの量のデータを連続して伝送することはできなくなる。衛星Ｓ２と端末装置Ｒとの間の伝送の持続期間を長くするために、衛星Ｓ１は、伝送中継器として使われる。すなわち、データは、衛星Ｓ２を介して衛星Ｓ１に伝送され、次いで、衛星Ｓ１が、データを端末装置Ｒに再度伝送する。２つの衛星の間の通信は、本発明が適用される光を用いた伝送によって遂行することができる。
【００２４】
図３に示すように、衛星Ｓ１は、平行６面体でも、円筒形の一般的な形状でもよいメイン・プラットフォーム１００を備える。プラットフォーム１００は、衛星Ｓ１の剛体フレームワークを構成し、このフレームワークの上には、モータ、推進剤タンク、太陽電池板、測定または観察器具、伝送装置などが取り付けられる。
【００２５】
光伝送端末装置は、プラットフォーム１００に固定される。この端末装置は、伝送望遠鏡１１０、精密指向アセンブリ（ＦＰＡ）、および光信号伝送／検出ユニット１０３を備える。端末装置は、たとえばコリメータ、光結合構成部品、太陽放射を遮るフィルタ、伝送／検出ユニットを位置調整するシステムなどの追加モジュールを組み込むことができる。このようなモジュールは、当業者に既知であると思われるので、端末装置の動作にとって本質的ではあるが、これ以降では説明しない。
【００２６】
望遠鏡１１０は、メイン・ミラー１と、それぞれ参照符号２および３の、第２のミラーおよび第３のミラーを備える。ミラー１および３は、望遠鏡１１０のベース１０１の上に固定され、ミラー２は、剛構造体１０２によって支えられ、この構造体自体がベース１０１上に固定される。既知のやり方において、ミラー１および３は凹面でよく、ミラー２は、凸面でよい。端末装置が受信機として動作するとき、平行ビーム構成を有する、図２および３にＦで示される入射光伝送ビームが、ミラー１、２、および次いで３によって連続して反射される。したがって、画像スポットＩが、望遠鏡１１０の焦点面Ｐ内に形成される。メイン・ミラー１は、望遠鏡１１０の入射瞳を構成する。すなわち、端末装置を通過するビームＦの一部の断面を限定することによって、受信される光信号のエネルギーを決定する。スリー・ミラー望遠鏡の、標準的な一構成では、中間画像Ｉ’が、ミラー２と３の間に形成される。伝送／検出ユニット１０３は光信号入射ウィンドウ５を有し、この光信号入射ウィンドウ５は焦点面Ｐ内に配置されるか、またはそれと光学的に共役な間係にされる。
【００２７】
端末装置が送信機として動作するとき、伝送／検出ユニット１０３によって、ウィンドウ５上に集束した光信号を生じる。この信号は、望遠鏡１１０によって、メイン・ミラー１の出口から空間内へ伝送される平行ビームに変換される。望遠鏡１１０内で、伝送される光信号がとる経路は、受信される光信号の経路と同一であるが、逆方向に伝送される。
【００２８】
望遠鏡１１０のミラー１、２および３は、ベース１０１および構造体１０２に対して、また、衛星Ｓ１のプラットフォーム１００に対しても固定される。特にベース１０１とプラットフォーム１００の間には、望遠鏡１１０を方向づける可動システムは配置されない。同様に、望遠鏡１１０の外側には、プラットフォーム１００に対して、端末装置によって受信されるビームＦの方向づけ、または端末装置によって伝送されるビームの方向づけを修正するための可動ミラーは配置されない。
【００２９】
衛星Ｓ１に搭載された端末装置の伝送フィールドＣは、円錐空間領域であり、この領域は、望遠鏡１１０を頂点としており、望遠鏡１１０を介して、伝送／検出ユニット１０３の入射ウィンドウ５の内側の焦点面Ｐ内に位置する画像点に対応した伝送の方向を含む。したがって、フィールドＣは、ミラー１〜３および伝送／検出ユニット１０３の相対的な位置によって決定される。このフィールドはしたがって、プラットフォーム１００に対して固定される。
【００３０】
このような光伝送端末装置はしたがって、粗指向アセンブリ（ＣＰＡ）をもたない。その結果、光端末装置の重み、大きさ、および複雑さが大いに減少する。
【００３１】
付加ミラー４が、望遠鏡１１０の内側の光ビームの経路中にさらに配置される。この付加ミラー４は平面鏡でよい。ミラー４は、ミラー２および３を介した、望遠鏡１１０の実際の中間瞳、たとえばメイン・ミラー１の円周の画像のところに配置される。ミラー４は、精密指向アセンブリ（ＦＰＡ）の能動素子である。すなわち、望遠鏡１１０の出口での伝送方向Ｄが、どの瞬間でも伝送／検出ユニット１０３のウィンドウ５の中心点と共役し続けるように、精密な高速応答アクチュエータによってミラー４が方向づけられる。このようなＦＰＡシステムにより、たとえば遥動に起因する、プラットフォーム１００の方向づけの変化を補償することによって、伝送フィールドＣ内で、固定された伝送方向Ｄを維持することが可能になる。一例として、ミラー４は、圧電性または磁気アクチュエータによって方向づけることができる。
【００３２】
さらに、ミラー４は、望遠鏡１１０内でビームを折りたたむ機能を有することができ、それにより光端末装置が小型になる。
【００３３】
衛星Ｓ１は、１組のジャイロ・アクチュエータまたはＣＭＧ（コントロール・モーメント・ジャイロ）をさらに含む。各ジャイロ・アクチュエータは、メイン・プラットフォーム１００を、決められた軸の周りを回転させることによって、衛星を方向づける。図３に示すように、各ジャイロ・アクチュエータは、ホイール１０、すなわち回転子を備え、このホイールは、その回転対称の軸１１の周りを、ドライブ・モータ（図示せず）によってほぼ一定の速度で回転する。ホイール１０は、ジンバルを介してシャフトまでプラットフォーム１００に連結され、そうすることによって、姿勢モータ（図示せず）によって、副軸ＡＡ１の周りを回転することができる。軸ＡＡ１は、ホイール１０の面の中にあり、プラットフォーム１００に対して固定される。姿勢モータによって生じる軸ＡＡ１の周りのホイール１０のどの回転も、ジャイロ効果を介して、プラットフォーム１００に反作用トルクを生成し、このトルクによって、プラットフォームは、決められた軸の周りを回転する。
【００３４】
２本の軸の周りの衛星の方向づけを制御するには、２つのジャイロ・アクチュエータで十分である。実際には、概して少なくとも４つのジャイロ・アクチュエータが使われ、こうしたアクチュエータはひとまとめにして配列され、３軸制御を保証すると同時に冗長性を保証する。図３で、ジャイロ・アクチュエータのそれぞれのジンバルのそれぞれの軸ＡＡ１、ＡＡ２、ＡＡ３、およびＡＡ４は、頂点Ａの四角錐の稜線に沿って位置する。したがって、等しい角が、頂点Ａの周りを回る一連の２本のジンバル軸を分ける。ジンバルの配置は、一定の方向への、プラットフォーム１００のより大きい方向感度、すなわち方向鋭敏性を得るように、既知のやり方で適応させることができる。
【００３５】
衛星のメイン・プラットフォームを、決められた方向づけまたは姿勢に保つのに、多くの方法を用いることができる。たとえば、プラットフォーム上に取り付けられたセンサによって基準方向を見つけることができ、ジャイロ・アクチュエータのそれぞれの姿勢モータは、プラットフォームに対する基準方向の明白な変位測定値に反応する。こうした明白な変位を測定するための非常に精密なセンサ、および姿勢モータの精密制御モードを使って、衛星Ｓ１のプラットフォーム１００は精密に方向づけられ、通信シーケンス中に光端末装置の伝送フィールドＣを精密に方向づけることができる。姿勢モータのステッパー制御モードにより、特に十分な方向づけ精度の達成が可能になる。
【００３６】
したがって、衛星のメイン・プラットフォームを方向づけるシステムは、粗指向アセンブリ（ＣＰＡ）の機能を満たす。衛星のメイン・プラットフォームを方向づけるシステムに付与されるこの付加機能は、本発明によると、たとえば太陽電池板を方向づける機能、カメラまたは無線伝送装置を方向づける機能など、既に知られた機能と様々なやり方で組み合わせることができる。たとえば、衛星プラットフォームは、決められた期間毎に異なる方位に連続的に位置させることができ、動作をするために衛星の適切な方位を必要とする、搭載された様々な器具が、その間毎に、連続して活性化される。
【００３７】
特に、望遠鏡１１０の焦点面Ｐにおける、光伝送の行われている間に受信されるビームＦの画像Ｉの変位を、姿勢モータを制御するのに用いることができる。この場合、衛星Ｓ１に搭載された端末装置に伝送される光通信の光束は、伝送されるデータ信号とは独立して端末装置を指向する周期的な信号を含み得る。
【００３８】
上記の詳細な説明と比較して、光伝送端末装置を装備した衛星について多くの変更および改変を行なうことができる。特に、ジャイロ・アクチュエータの数、配置、および制御またはそのフィードバック制御モードを変更することができる。同様に、説明したものとは異なるタイプの望遠鏡を使うことができる。
【００３９】
以上、衛星の場合について本発明を詳しく説明したが、本発明は、すべてのタイプの宇宙船に適用できることが理解されよう。特に、惑星探査機に装備して、本発明の方法を用いて伝送リンクを確立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術で知られている光伝送端末装置のアーキテクチャを示す図である。
【図２】２つの衛星の間の光伝送の原理を示す図である。
【図３】本発明に従って使われる光伝送端末装置を装備する衛星を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  メイン・ミラー、
２  第２のミラー、
３  第３のミラー、
４  付加ミラー、
５  光信号入射ウィンドウ、
１０  ホイール、
１１  軸、
１００  メイン・プラットフォーム、
１０１  ベース、
１０２  剛構造体、
１０３  光信号伝送／検出ユニット、
１１０  光伝送望遠鏡、
１１１  粗指向機構、
１１２  精密指向機構、
１１３  近接電子モジュール、
１１４  捕捉・追跡検出装置、
１２０  外部部分、
１２１  端末装置制御用電子モジュール、
１２２  通信システム制御用電子モジュール、
１３０  静止部分、
Ａ  頂点、
ＡＡ１，ＡＡ２，ＡＡ３，ＡＡ４  軸、
Ｃ  伝送フィールド、
Ｄ  伝送方向、
Ｆ  ビーム、
Ｉ  画像スポット、
Ｉ’  中間画像、
Ｏ１，Ｏ２  軌道、
Ｐ  焦点面、
Ｒ  地上端末装置、
Ｓ１，Ｓ２  衛星、
Ｔ  地球。
【図１】
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【図２】
2006087105.tif 000004
【図３】
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【外国語明細書】
2006087105.tif 000006
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2006087105.tif 000018
2006087105.tif 000019
【図１】
2006087105.tif 000020
【図２】
2006087105.tif 000021
【図３】
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