(57)【要約】【課題】  人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、星の等級にかかわらず星の位置の高い算出精度を得る。【解決手段】  ＣＣＤ１は星を撮影しその光信号を電気信号に変換する。ゲインコントローラ４は電気信号から抽出された画像信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じて増幅する。星位置算出回路８は画像信号に基づいて星の位置を求める。星検出／決定回路９は星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を前記ゲインコントローラへ出力する。星同定回路１０は星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する。【選択図】        図１
2006010418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、
星を撮影しその光信号を電気信号に変換するＣＣＤと、
前記電気信号から抽出された画像信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じて増幅するゲインコントローラと、
前記画像信号に基づいて星の位置を求める星位置算出回路と、
星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を前記ゲインコントローラへ出力する星検出／決定回路と、
星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する星同定回路とを備えたことを特徴とする恒星センサ。
【請求項２】
前記ゲインコントローラは、
前記等級情報を等級にデコードするデコーダと、
デコードされた等級の信号によりＯＮ／ＯＦＦするアナログスイッチと、
アナログスイッチと１対１対応の抵抗と、
ＯＮされたアナログスイッチ対応の抵抗により出力が入力にフィードバックされる演算増幅器を構成するゲインアンプとから成ることを特徴とする請求項１に記載の恒星センサ。
【請求項３】
人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、
星を撮影しその光信号を電気信号に変換するＣＣＤと、
前記電気信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じてＣＣＤの露光時間を変える露光時間タイミング発生回路と、
前記電気信号から抽出された画像信号に基づいて星の位置を求める星位置算出回路と、
星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を前記露光時間タイミング発生回路へ出力する星検出／決定回路と、
星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する星同定回路とを備えたことを特徴とする恒星センサ。
【請求項４】
前記ＣＣＤからの電気信号を増幅するプリアンプと、
前記プリアンプが出力する電気信号から星の画像信号のみを抽出する相関二重サンプリング回路と、
前記ゲインコントローラから出力される画像信号をデジタル変換して画像データとするＡ／Ｄ変換器と、
地上からの指令に基づいて前記星検出／決定回路から供給される閾値情報または星アドレス情報により前記画像データの内、所定の閾値以上の画像データまたは指定されたウンドウ内の画像データを抽出する星データ抽出ゲートと、
前記抽出された画像データについて画素単位に星を構成する画素であるか、どの星を構成する画素であるかの切り分けを行って前記星位置算出回路に出力するグルーピング回路とを備えたことを特徴とする請求項１，請求項２または請求項３に記載の恒星センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、恒星センサ、特に航空機や人工衛星あるいは宇宙空間輸送機のような飛翔体に搭載され、二次元固体撮像素子を用いて星の位置を検出するための恒星センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気圏を飛翔する航空機や人工衛星あるいは宇宙空間輸送機にとって、その運行姿勢を正常に維持するための拠所となるのは恒星の位置であり、恒星の位置を正しく検出することは極めて重要である。そして、恒星の位置を検出するには、一般に二次元固体撮像素子が用いられている。
【０００３】
従来、この種の恒星センサは、二次元固体撮像素子の出力を表す画素レベル信号から、二次元固体撮像素子上の星像の結像状態をモニターして、モニター情報に基づき二次元固体撮像素子の露光時間あるいはスレショルド・レベルを制御することにより星像の結像状態を最適な状態に保ち、検出器の幾何学的形状に起因する誤差を補正するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の恒星センサは、二次元固体撮像素子の出力を表す画素レベル信号を検出して、検出結果に基づいて二次元固体撮像素子の撮像時間あるいは二次元固体撮像素子の出力信号を増幅する信号増幅器の利得を自動的に制御するようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−５１７１３（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平１−３２１３１１（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術では、撮像視野内の結像状態や画素レベル信号に基づいてアンプゲインまたは露光時間を調整するが、撮像視野内には通常は複数の恒星（以下、単に「星」と記す）が入ってくるため、必ずしもトラッキング（tracking：追跡）したい星固有の情報によってアンプゲインまたは露光時間を制御することにならず、飛翔体の運行姿勢制御系へ適正な情報を供給できないという問題点がある。
【０００７】
例えば、画像信号レベルの飽和状態を検出してアンプゲインまたは露光時間を調整する従来の方式だと、明るい星によりゲインまたは露光時間が決定されるので、暗い星の位置の算出に誤差が生じ、暗い星の同定が困難になる。
【０００８】
すなわち、最初にトラッキングする星の検出／決定を行うまでは、視野内の星の等級情報（画像信号レベル）を必要とするために、視野内の星の画像信号レベルが飽和しないようにコントロールしなければならないが、画像信号レベルの調整において、飽和状態を検出してアンプゲインまたは露光時間を調整すると、視野の中で明るい星の画像データレベルが飽和しないように画像信号レベルが調整され、同じ視野に暗い星があった場合、暗い星の画像データレベルが小さくなり、量子化の際の量子化誤差が無視できなくなる。そのために、暗い星をトラッキングしなければならない環境の時に、位置の算出に誤差が生じ、星の同定が困難である。この結果、トラッキング最中に星同定が外れてしまい、位置情報が出力できなくなる。
【０００９】
本発明の目的は、星の等級（明るさ）にかかわらず、星の位置の高い算出精度を得ることができる恒星センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、星を撮影しその光信号を電気信号に変換するＣＣＤ（図１の１）と、電気信号から抽出された画像信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じて増幅するゲインコントローラ（図１の４）と、画像信号に基づいて星の位置を求める星位置算出回路（図１の８）と、星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を前記ゲインコントローラへ出力する星検出／決定回路（図１の９）と、星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する星同定回路（図１の１０）とを備えたことを特徴とする恒星センサである。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明におけるゲインコントローラが、等級情報を等級にデコードするデコーダ（図２における２１）と、デコードされた等級の信号によりＯＮ／ＯＦＦするアナログスイッチ（図２におけるＳＷ１〜ＳＷ８）と、アナログスイッチと１対１対応の抵抗から成る抵抗群（図２における２３）と、ＯＮされたアナログスイッチ対応の抵抗により出力が入力にフィードバックされる演算増幅器を構成するゲインアンプ（図２における２４）とから成ることを特徴とする恒星センサである。
【００１２】
請求項３記載の発明は、人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、星を撮影しその光信号を電気信号に変換するＣＣＤ（図５の１）と、電気信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じてＣＣＤの露光時間を変える露光時間タイミング発生回路（図５の１１）と、電気信号から抽出された画像信号に基づいて星の位置を求める星位置算出回路（図５の８）と、星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を露光時間タイミング発生回路へ出力する星検出／決定回路（図５の９）と、星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する星同定回路（図５の１０）とを備えたことを特徴とする恒星センサである。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１，請求項２または請求項３に記載の発明において、ＣＣＤからの電気信号を増幅するプリアンプ（図１,図５の２）と、プリアンプが出力する電気信号から星の画像信号のみを抽出するＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路（図１,図５の３）と、ゲインコントローラから出力される画像信号をデジタル変換して画像データとするＡ／Ｄ変換器（図１,図５の５）と、地上からの指令に基づいて星検出／決定回路から供給される閾値情報または星アドレス情報により画像データの内、所定の閾値以上の画像データまたは指定されたウンドウ内の画像データを抽出する星データ抽出ゲート（図１,図５の６）と、抽出された画像データについて画素単位に星を構成する画素であるか、どの星を構成する画素であるかの切り分けを行って星位置算出回路に出力するグルーピング回路（図１,図５の７）とを備えたことを特徴とする恒星センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、検出し決定した星の等級（星の明るさ）に合わせて星の画像信号レベルのゲイン値を制御して画像信号レベルを一定にする構成としたため、広い等級幅で星の画像信号レベルが一定となり同じ精度にて星の位置検出が行えるので、暗い星においても高精度な星位置検出が可能となり星の同定が容易にできるという効果を得ることができる。
【００１５】
ゲイン値の制御は、等級情報により自動で行えるように自律化させたため、地上からのコマンド等の送信は不要であり、従来通りの自律的な動作により星位置算出が可能であり、人工衛星等の運用方法に影響を与えない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の恒星センサは、人工衛星等の飛翔体に搭載されて恒星の位置を検出するための恒星センサにおいて、星を撮影しその光信号を電気信号に変換するＣＣＤと、電気信号から抽出された画像信号のレベルがいずれの星についても一定となるように星の等級情報に応じて増幅するゲインコントローラと、画像信号に基づいて星の位置を求める星位置算出回路と、星位置算出回路が算出した星の位置に基づいてトラッキングし飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定するとともに、決定した星の等級を星のカタログデータにより検出して等級情報を前記ゲインコントローラへ出力する星検出／決定回路と、星検出／決定回路が決定した星の位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する星同定回路とを備えたことを特徴とする。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の恒星センサのブロックである。本恒星センサは、航空機や人工衛星あるいは宇宙空間輸送機のような飛翔体に搭載され、ＣＣＤ１，プリアンプ２，ＣＤＳ回路（以下、「ＣＳＤ」と記す）３，ゲインコントローラ４，Ａ／Ｄ変換器５，星データ抽出ゲート６，星データグルーピング回路７，星位置算出回路８，星検出／決定回路９および星同定回路１０で構成されている。
【００１８】
ＣＣＤ１は、恒星をトラッキング撮影し、その光信号を電気信号に変換する。プリアンプ２は、ＣＣＤ１からの微少の電気信号を増幅する。ＣＤＳ３は、増幅された電気信号から星の画像信号のみを抽出する。
【００１９】
ゲインコントローラ４は、星検出／決定回路９から出力される等級情報に応じて、ＣＤＳ３からの星の画像信号を増幅する。等級の小さい星（明るい星）については増幅率を低くし、等級の大きい星（暗い星）については増幅率を高くする。これにより、星の画像信号のレベルを一定に維持することができる。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換器５は、ゲインコントローラ４から出力される星の画像信号をデジタル変換して画像データとする。星データ抽出ゲート６は、Ａ／Ｄ変換器５からの画像データの内、所定の閾値以上の画像データまたは指定されたウンドウ内の画像データを抽出する。これらの閾値情報または星アドレス情報は、地上からの指令に基づいて星検出／決定回路９から供給される。閾値以上の画像データ抽出の意義はノイズを除去することにあり、ウンドウ内の画像データ抽出の意義はＣＣＤ１の視野内におけるトラッキングする星を特定することにある。
【００２１】
グルーピング回路７は、星データ抽出ゲート６によって抽出された星の画像データについて、画素単位に星を構成する画素であるか、どの星を構成する画素であるかの切り分け（グルーピング処理）を行う。星位置算出回路８は、グルーピング処理が行われた画像データについてセントロイド処理を施すことにより星の重心（星の位置）を求める。
【００２２】
星検出／決定回路９は、星位置算出回路８が算出した星の位置に基づく地上からの指令により、トラッキングし人工衛星等飛翔体の姿勢制御のために使用する星を検出し決定する。また、星同定回路１０内蔵のＲＡＭに保存されている星のカタログデータにより、その星の等級を検出して等級情報をゲインコントローラ４へ出力する。更に、地上からの指令に基づく閾値情報または星アドレス情報を星データ抽出ゲート６へ供給する。
【００２３】
星同定回路１０は、星検出／決定回路９が決定した星と、その位置情報を飛翔体の姿勢決定系へ出力する。
【００２４】
図２はゲインコントローラ４の詳細を示し、３ビットデコーダ２１，スイッチ群２２，抵抗群２３およびゲインアンプ２４で構成されている。３ビットデコーダ２１は、消費電力の小さい汎用ＣＭＯＳで実現できる。スイッチ群２２を構成するアナログスイッチＳＷ１〜ＳＷ８には、ＯＮ抵抗の小さいＦＥＴスイッチ（ＯＮ抵抗：１００Ω以下）を用いることでゲインの変動幅を抑え、ゲインの精度を向上させることができる。抵抗群２３は温度補償型の抵抗で構成する。
【００２５】
ゲインアンプ２４は抵抗群２３の内のいずれかの抵抗により出力が入力にフィードバックされる演算増幅器を構成している。３ビットデコーダ２１は、星検出／決定回路９から等級情報（３ビット）を受けると、等級情報を等級にデコードする。スイッチ群２２では、デコードされた等級の信号により、等級と１対１対応のアナログスイッチＳＷをＯＮ／ＯＦＦする。
【００２６】
アナログスイッチＳＷの一端はゲインアンプ２４のアンプ２５の入力端、アナログスイッチＳＷの他端は抵抗群２３を構成する抵抗の一端に導かれ、全ての抵抗の他端はゲインアンプ２４の出力と接続されている。この結果、どのアナログスイッチＳＷがＯＮ／ＯＦＦするかにより、ゲインアンプ２４の出力の入力への帰還量が定まり、ゲインアンプ２４のゲイン値を変化させる。すなわち、抵抗群２３の各抵抗は等級に対応したゲイン値を決定し、ゲインアンプ２４は各等級に対応したゲイン値で星の画像信号を増幅する。アンプ２５は、オフセット変動の小さいものを用いることでゲインの精度を向上することができる。
【００２７】
図３は、３ビットの等級情報Ｂ０〜Ｂ２に対してＯＮするアナログスイッチＳＷと、等級を等級情報Ｂ０〜Ｂ２毎に表示している。例えば、等級情報Ｂ０〜Ｂ２が「０００」ならアナログスイッチＳＷ１がＯＮし、それは等級１であることを示し、等級情報Ｂ０〜Ｂ２が「１００」ならアナログスイッチＳＷ５がＯＮし、それは等級５であることを示す。
【００２８】
当初は、ゲインコントローラ４は、予め等級１（最も明るい星）のゲイン、すなわち最小のゲインに設定にしておく。これは、いかなる等級の星の画像信号に対してもゲインコントローラ４が飽和することなく画像信号を増幅できるようにするための措置である。この画像信号がゲインコントローラ４で増幅され、Ａ／Ｄ変換器５，星データ抽出ゲート６，星データグルーピング回路７および星位置算出回路８を経由して星検出／決定回路９に到り、ここでトラッキングする星が決定される。
【００２９】
星検出／決定回路９は、決定した星の等級情報Ｂ０〜Ｂ２をゲインコントローラ４へ出力する。すると、ゲインコントローラ４は、等級情報Ｂ０〜Ｂ２に対応したゲイン値で星の画像情報を増幅する。すなわち、決定された星の等級が小さければ小さいゲイン値で増幅し、決定された星の等級が大きければ大きいゲイン値で増幅する。
【００３０】
図４は、ゲインコントローラ４から出力される画像信号のレベルを等級１〜８毎に示している。従来であれば、等級に応じてゲイン値を制御せず小さいゲイン値のままであるため、図４（Ａ）のように、等級が大きくなるにつれて画像信号レベルが低下する。しかし、本発明では、上述のように等級に応じてゲイン値を制御するため、図４（Ｂ）のように、等級の如何を問わず画像信号レベルは一定のレベルを維持し不変となる。
【００３１】
この結果、星位置算出回路８において星の位置を算出する際の量子化誤差が小さくなる。従って、星同定回路１０における星の同定が容易になる。なお、ゲインコントローラ４は、ソフトウェアと連動した制御となっているので、従来通りの方法で運用が可能であり、運用方法を変更する必要がない。
【実施例２】
【００３２】
実施例１においては等級情報によりゲインアンプ４のゲイン値を変化させるが、この代わりに、図５に示すように、露光時間タイミング発生回路１１を設け、星検出／決定回路９からの等級情報により、露光時間タイミング発生回路１１における露光時間（シャッタースピード）のタイミングを変化させてＣＣＤの露光時間を変えるようにしてもよい。
【００３３】
等級の小さい星に対しては露光時間を短くし、等級の大きい星に対しては露光時間を長くするように制御すれば、図４Ｂに示したように画像信号レベルを一定とし、実施例１におけるのと同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の恒星センサの実施例１を示すブロック図
【図２】図１におけるゲインコントローラの詳細図
【図３】等級情報に対してＯＮするスイッチＳＷと等級を等級情報毎に表示する図
【図４】各等級における画像信号レベルを従来技術と本発明について示す図
【図５】本発明の恒星センサの実施例２を示すブロック図
【符号の説明】
【００３５】
１      ＣＣＤ
２      プリアンプ
３      ＣＤＳ
４      ゲインコントローラ
５      Ａ／Ｄ変換器
６      星データ抽出ゲート
７      星データグルーピング回路
８      星位置算出回路
９      星検出／決定回路
１０    星同定回路
１１    露光時間タイミング発生回路
２１    ３ビットデコーダ
２２    スイッチ群
２３    抵抗群
２４    ゲインアンプ
２５    アンプ
ＳＷ    アナログスイッチ
【図１】
2006010418.tif 000003
【図２】
2006010418.tif 000004
【図３】
2006010418.tif 000005
【図４】
2006010418.tif 000006
【図５】
2006010418.tif 000007