(57)【要約】【課題】  地球表面上の特定の点に対する宇宙構造物の姿勢を直接測定し、その精度を向上すること。【解決手段】  宇宙構造物２において想定される、測定距離差dの最大値に対し、上記信号波の波長が２倍以上となるような信号波でAM変調されたマイクロ波を送信するパイロットビーム送信源１を用いる。地球上の特定点に設置されたパイロットビーム送信源１からパイロットビーム４が送信される。宇宙構造物２上にあるパイロットビーム検出センサー３a、３bは、このAM変調されたマイクロ波を受信し、復調等により上記信号波を抽出し、その位相を検出する。両者の位相差と、信号波の波長から距離差dが算出され、地球上の特定点に対する宇宙構造物２の姿勢が検出される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被測定距離長における相互の差分長の最大値として定めた長さの２倍以上の波長を有する信号波によりAM変調されたマイクロ波を受信して上記信号波の位相を検出するセンサーであって、宇宙空間に設置された宇宙構造物に複数設けられたセンサーを備え、上記センサーで検出した上記信号波の位相に基づいて上記宇宙構造物の姿勢を検出する宇宙構造物姿勢検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の宇宙構造物姿勢検出装置において、上記宇宙構造物が複数のユニット構造物の可動接合により構成され、上記センサーが少なくとも２つ以上の上記ユニット構造物のそれぞれに複数設けられたことを特徴とする宇宙構造物姿勢検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の宇宙構造物姿勢検出装置において、上記ユニット構造物の１つ以上が、一方の面に発電に供する太陽電池が設置され、他方の面に上記発電電力のマイクロ波送電に供する複数の素子アンテナからなるアレーアンテナが設置された発送電パネルであることを特徴とする宇宙構造物姿勢検出装置。
【請求項４】
請求項１、２、又は３記載の宇宙構造物姿勢検出装置において、上記AM変調されたマイクロ波の送信設備を所定の地球上観測点に設けたことを特徴とする宇宙構造物姿勢検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙空間に設置された人工衛星などの宇宙構造物の姿勢を測定する姿勢検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙空間における人工衛星などの構造物（以下、宇宙構造物）は、運用中、その姿勢を制御する必要がある。例えば地球局や他衛星と通信をする場合、通信用アンテナのビームを所定の方向に向けるために所定の姿勢をとり、一定に保たなければならない。
【０００３】
宇宙構造物の姿勢制御のためには、その姿勢を検出するセンサーが必要である。従来、宇宙構造物の姿勢検出用センサーとして多く用いられているのは、太陽センサー、星センサー、地球センサー等である。例えば特開昭60−229900号公報では、太陽や特定の星の方向を観測する太陽センサー、星センサーを搭載する例が示されている。太陽や、特定の星は、あらかじめ宇宙構造物の軌道に対する位置関係がわかっているため、その方向を測定することで宇宙構造物の姿勢を知ることができる。また、特開2000-039317号公報には地球センサーの例が示されている。この地球センサーは赤外線観測により、宇宙構造物から見た地球の水平線を検出するものであり、これにより地球に対する相対的な宇宙構造物の姿勢を知ることができる。
【０００４】
従来の技術では上記のように地球を含めた他天体の位置を測定することで宇宙構造物の姿勢を特定している。しかし地球表面上の特定の点に対する相対的な姿勢を直接測定することはできない。たとえば上記の太陽センサー、星センサーによる測定では、衛星の軌道位置を正確に把握できていることが前提であり、それによって、宇宙構造物から見た太陽、星の方向から、間接的に地球に対する姿勢を計算している。また、地球センサーは地球中心に対する宇宙構造物姿勢を直接測定できるが、地球表面上の特定の点に対する姿勢は、衛星の軌道位置が正確に把握されている場合にのみ、計算で算出される。以上のように、いずれの手法も、地球表面上の特定の点に対する相対的な宇宙構造物姿勢は間接的に計算される。
【０００５】
また、特開昭61-133733号公報に示されているように、宇宙構造物の姿勢検出にモノパルス測角技術を応用することも考えられる。この例では、モノパルス測角装置をRFセンサと表現し、宇宙構造物に搭載されたアンテナの方向制御に使用しているが、このモノパルス測角装置を宇宙構造物の姿勢検出に使用することも可能である。モノパルス測角は２個の受信アンテナ、または１個の受信アンテナの開口を２つに分割して用い、それぞれに入力する信号を逆相で合成し、受信アンテナのビーム方向にナル点を有する差パターンを形成するものである。差パターンのナル点近傍では地上から送られてくるパイロットビームの方向を精度良く測定できる。２軸の測角が必要な場合は、受信アンテナを４個用いて、水平方向、垂直方向で測角を行う。この技術を用いれば、地球表面上の特定の点にパイロットビーム発信源を設置することで、この点に対する宇宙構造物の姿勢を直接測定することも可能である。
【０００６】
しかし、モノパルス測角が有効であるのは上記差パターンのナル点近傍のみである。宇宙構造物の姿勢が大きくずれる場合は、パイロットビームをナル点近傍で受けられなくなり、測角は不可能になる。また、モノパルス測角では、複数のアンテナからの受信信号を、逆相や同相で合成する複雑な給電回路（モノパルスコンパレータ）が必要になり、重量、配置スペース、コストが増大することになる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭60−229900号公報
【特許文献２】特開2000-039317号公報
【特許文献３】特開昭61-133733号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来の技術では、地球表面上の特定の点に対する宇宙構造物の姿勢は、その軌道上の位置をもとに間接的に算出されており、各センサーの誤差のほかに、把握されている軌道位置の誤差が加わるため、姿勢を必要な精度で検出できない可能性があった。本発明では、地球表面上の特定の点に対する宇宙構造物の姿勢を直接測定し、その精度を向上することを目的としている。
【０００９】
また、地球表面上の特定点に対する宇宙構造物の姿勢をモノパルス測角で直接測る方法は、測定できる角度が小さい値に限られており、また、モノパルス側角には複雑な給電回路（モノパルスコンパレータ）を必要とするため、重量、配置スペース、コストが増大するという課題がある。本発明では、測定できる角度を増大し、また、重量、配置スペース、コストを低減できる姿勢検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る宇宙構造物姿勢検出装置においては、複数の被測定距離長における相互の差分長の最大値として定めた長さの２倍以上の波長を有する信号波によりAM変調されたマイクロ波を受信して上記信号波の位相を検出するセンサーであって、宇宙空間に設置された宇宙構造物に複数設けられたセンサーを備え、上記センサーで検出した上記信号波の位相に基づいて上記宇宙構造物の姿勢を検出するものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、複数の被測定距離長における相互の差分長の最大値として定めた長さの２倍以上の波長を有する信号波によりAM変調されたマイクロ波を受信して上記信号波の位相を検出するセンサーであって、宇宙空間に設置された宇宙構造物に複数設けられたセンサーを備え、上記センサーで検出した上記信号波の位相に基づいて上記宇宙構造物の姿勢を検出するので、宇宙構造物の姿勢を直接測定でき、測定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係わる宇宙構造物姿勢検出装置を説明するための模式図である。図１において、１は地球上の特定点に設置されたマイクロ波（以下、パイロットビームと言う。）の送信源、２は宇宙空間に設置された人工衛星などの宇宙構造物、３a、３bは宇宙構造物２上に複数設置されたパイロットビーム検出センサー、４はパイロットビーム、５はパイロットビーム送信源１と２つのパイロットビーム検出センサー３a、３bの距離差dである。ここでは説明を簡便にするため、パイロットビーム検出センサーを２個用い、宇宙構造物２の両隅に設置した場合を例示して説明する。なお、パイロットビーム検出センサーは２個に限らず、それ以上の数を設置することも可能であり、設置位置も宇宙構造物２の両隅にかぎるものではない。
【００１３】
次にこの宇宙構造物姿勢検出装置における姿勢検出動作を説明する。地球上の特定点に設置されたパイロットビーム送信源１からは、後述の所定の波長を有する信号波でAM変調されたマイクロ波であるパイロットビーム４が送信される。宇宙構造物２上にあるパイロットビーム検出センサー３a、３bは、このAM変調されたマイクロ波を受信し、復調等により上記信号波を抽出し、その位相を検出する。図１で言えば、パイロットビーム検出センサー３bでの受信マイクロ波はパイロットビーム検出センサー３aでの受信マイクロ波に対して、距離差dに相当する分、信号波の位相が遅れている。両者の位相差と、信号波の波長から距離差dが算出され、地球上の特定点に対する宇宙構造物２の姿勢が検出される。
【００１４】
この宇宙構造物姿勢検出装置では、宇宙構造物２において想定される、測定距離差dの最大値に対し、上記信号波の波長が２倍以上となるような信号波でAM変調されたマイクロ波を送信するパイロットビーム送信源１を用いる。このようなパイロットビーム４が送信され、宇宙構造物２上にあるパイロットビーム検出センサー３a、３bで受信される。ここで、信号波の位相は、一般の受信機では±180°など、範囲360°以内の位相値として測定される。例えば−480°の位相遅れであれば−120°として検出され、−360°分は不明になる。従って、距離差dの最大値が信号波の波長より大きくなると、この不明分が存在するか否かが判別できず、正確な値を知ることができない。さらに測定距離差dが１波長以内でも、−120°という値を得たとき、−120°の遅れなのか、240°（=-120°+360°）の進みなのか判別ができない。測定距離差dが半波長以内であれば、240°の進み位相は存在しえず、−120°の遅れ位相であると一意に決定できる。以上の理由から、AM変調に用いる信号波は、測定距離差dの想定される最大値に対して２倍以上の波長になるよう選択する。
【００１５】
また、この宇宙構造物姿勢検出装置では、パイロットビーム４にAM変調を用いるが、その理由は以下による。宇宙構造物２の大きさは今日の人工衛星でも数mから数十mである。さらに将来予想される宇宙太陽光発電システムでは、宇宙空間に、数百mから数kmに及ぶ太陽発電設備の建設が見込まれている。これらの宇宙構造物２において検出すべき距離差dは数mから数百mの規模になる。これらの距離差dが半波長以下になるのは（これらの距離差ｄの２倍以上の波長となるのは）VHF帯より下の周波数である。この周波数帯の電波は電離層によって反射されるため、地上から宇宙空間への直接伝送は不可能である。減衰少なく宇宙空間へ伝送できるのはマイクロ波帯の電波であるが、マイクロ波は波長が数十cm以下であり、これにより距離差dを直接測定することはできない。そこでマイクロ波を波長の大きい信号波でAM変調してパイロットビーム４とし、パイロットビーム検出センサー３ａ、３ｂではこの信号波分を抽出して距離差dを測定する。
【００１６】
以上のように、この発明の宇宙構造物姿勢検出装置によれば、地球上の特定点に対する、宇宙構造物の姿勢を直接検出することができる。これに対して、太陽センサー、星センサー、地球センサー等を用いる従来の姿勢検出装置は、宇宙構造物の軌道位置に基づいて、地球上の特定点に対する姿勢を間接的に算出している。したがって、この発明の宇宙構造物姿勢検出装置では、従来の姿勢検出装置に比べ、より精度の高い姿勢検出が可能になるという効果を奏する。
なお、パイロットビーム送信源１は地球上の特定点に設置する場合に限らず、他の天体や他の宇宙構造物などに設置しても、設置地点に対する宇宙構造物の姿勢を直接検出することができる。
【００１７】
また、この発明の宇宙構造物姿勢検出装置では、パイロットビーム検出センサー３ａ、３ｂに、ビーム幅が広く指向性の少ないアンテナ（理想的には無指向性）を用いれば、測定できる角度が大きくなり、前述のモノパルス測角技術における、測定できる角度が小さいという問題を解決できる。さらに、パイロットビーム検出センサー３ａ、３ｂはAM復調器と位相検出器で構成できるため、複雑な給電回路（モノパルスコンパレータ）を必要とするモノパルス測角に比べて、重量、配置スペース、コストを削減できるという効果を有する。
【００１８】
なお、上記実施の形態１で、宇宙構造物が低軌道上にあり、電離層の妨げ無く波長の大きい電波が届くなどの特別な状況においては、パイロットビームとしてあえてAM変調波を用いず、測定距離差dの想定される最大値に対して２倍以上の波長になる非変調波を用いることも可能である。
【００１９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係わる宇宙構造物姿勢検出装置を説明するための模式図である。実施の形態２に係わる宇宙構造物姿勢検出装置は、巨大な宇宙構造物の姿勢検出に適したものであり、ここでは宇宙太陽光発電システムに適用した場合を例示して説明する。
【００２０】
図２において、宇宙太陽光発電システムは複数の発送電パネル６を備え、それぞれの発送電パネル６を接続して構成されている。このような宇宙に建設された巨大な宇宙構造物２を構成する所定の各部、図２ではそれぞれの発送電パネル６毎に複数のパイロットビーム検出センサー３を設置する。ここでは、複数の発送電パネル６のそれぞれにパイロットビーム検出センサーを２個ずつ両隅に設置した場合を例示して説明する。なお、それぞれの発送電パネル６に設置するパイロットビーム検出センサーは２個に限らず、それ以上の数を設置することも可能であり、設置場所も発送電パネル６の両隅にかぎるものではない。また、すべての発送電パネル６に必ず設置しなければいけないわけではない。
【００２１】
図２で例示した宇宙太陽光発電システムは、巨大な太陽電池設備を宇宙空間に建設し、そこで得た電力をマイクロ波などで地上に無線送電して使用するものである。地上での太陽光発電に比べて、地上より太陽光線強度が強い所で、昼夜の区別なく発電できるなどの利点を有する。一般に宇宙太陽光発電システムは大電力を得るために、太陽電池設備は数百mから数km規模の大きさになる。また、地上にマイクロ波を送電するアンテナは、地球上の受電設備にエネルギーを集中して送り込むために、ビーム幅を非常に小さくする必要があり、アンテナ開口がやはり数百mから数km規模の大きさになる。このシステム構成としてはいろいろなものが考案されているが、図２に示したものは、この太陽電池設備と送電アンテナを一体化した発送電パネル６を用いるものである。すなわち、発送電パネル６の地球に対向する面（表側とする）の裏側の面には太陽電池が設置されていて発電を行い、発送電パネル６の表側には、複数の素子アンテナからなるアレーアンテナ（送電アンテナ）が設置されていて、上記の発電電力をマイクロ波として地上に送電する。なお、上記のように、太陽電池設備や送電アンテナが、数百mから数km規模になるため、剛性の点などからこれらを一枚板状に構成することは困難であり、通常は図２に示すように、複数の発送電パネル６を互いに接合し、かつその接合点が稼動できるような構成としている。
【００２２】
宇宙太陽光発電システムは以上のように構成されているため、宇宙構造物２全体の姿勢の変化がわずかでも、個々の発送電パネル６の姿勢は大きくずれることがあり得る。
この発明の実施の形態２に係わる宇宙構造物姿勢検出装置は、上述のような宇宙太陽光発電システムなどに適用するものであり、所定の個々の発送電パネル６の姿勢を検出することにより宇宙構造物２全体の姿勢を検出するものである。
そこで、地球上の特定点に設置されたパイロットビーム送信源１から、それぞれの発送電パネル６に対してパイロットビーム４を送信し、実施の形態１の宇宙構造物姿勢検出装置での姿勢検出動作の説明と同様にして、各発送電パネル６に取り付けられたパイロットビーム検出センサー３により、各発送電パネル６の姿勢を検出する。ここで、パイロットビーム検出センサー３ａ、３ｂにビーム幅が広く指向性の少ないアンテナ（理想的には無指向性）を用いるので、測定できる角度範囲を広くできる効果があり、発送電パネル６の姿勢が大きくずれた場合にも測定でき、モノパルス測角に比べて有利である。さらに、パイロットビーム検出センサー３ａ、３ｂはAM復調器と位相検出器で構成できるため、複雑な給電回路（モノパルスコンパレータ）を必要とするモノパルス測角に比べて、重量、配置スペース、コストを削減できるという効果を有する。
【００２３】
なお、パイロットビーム送信源１は地球上の特定点に設置する場合に限らず、他の天体や他の宇宙構造物などに設置しても、設置地点に対する宇宙構造物の姿勢を直接検出することができ、他の天体や他の宇宙構造物などへの電力送電も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる宇宙構造物姿勢検出装置を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係わる宇宙構造物姿勢検出装置を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  マイクロ波の送信源（パイロットビーム送信源）、２  宇宙構造物、３、３ａ、３ｂ  パイロットビーム検出センサー、４  パイロットビーム、５  距離差ｄ、６  発送電パネル。
【図１】
2006021710.tif 000003
【図２】
2006021710.tif 000004