(57)【要約】（１）少なくとも２つの自由度を有するジンバルと、（２）少なくとも２つの自由度内でジンバルによって向けられる、ジンバル上で位置決めされる光センサの少なくとも１つのアレイと、（３）部分に分割された関心領域の少なくとも１つのデジタル・エレベーション・マップを記憶する地図記憶手段と、（４）事前定義のグローバル軸システムに関する航空機のナビゲーショナル・データおよび方位データをジンバル制御ユニットにリアルタイムで提供する慣性航法システムと、（５）一度に１つ、関心領域から別の区域部分を選択する部分選択ユニットと、（６）ジンバルを向けるサーボ手段とを含む、航空偵察システム。このシステムは、選択された区域部分への向きのリアルタイム計算、地形からの光の積分中の方向の維持、および区域部分の対応する画像の作成のために、慣性航法システムおよびデジタル・エレベーション・マップからのデータを使用する。
2005528280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの自由度を有するジンバルと、
少なくとも２つの自由度内で前記ジンバルによって向けられる、前記ジンバル上で位置決めされた光センサの少なくとも１つのアレイと、
部分に分割された関心領域の少なくとも１つのデジタル・エレベーション・マップを記憶する地図記憶手段と、
事前定義のグローバル軸システムに関する航空機のナビゲーショナル・データおよび方位データをジンバル制御ユニットにリアルタイムで供給する慣性航法システムと、
一度に１つ、前記関心領域の別の区域部分を選択する部分選択ユニットと、
サーボ制御ユニットであって、
Ａ．前記デジタル・エレベーション・マップから、一度に１つ、前記選択的区域部分の座標の組を受け取り、前記組が、前記区域部分のｘ：ｙ座標およびその部分の中心の高度ｚを含み、
Ｂ．前記慣性航法システムから、前記航空機の現在の位置データおよび方位データを継続的に受け取り、
Ｃ．リアル・タイムで、
ａ．方向付け期間中に、光感知ユニットの前記少なくとも１つのアレイを含む前記ジンバルをそれに従って前記選択された区域部分の前記ｘ：ｙ：ｚ座標に向ける信号と、
ｂ．前記アレイ・センサが前記区域部分から来る光を積分する積分期間中に、前記航空機の動きから生じる前記選択された部分の前記ｘ：ｙ：ｚ座標に向かう向きの変化を補償する信号をジンバル・ユニットに供給することと
のために、高いレートで、信号を繰り返して計算し、ジンバル・サーボ・ユニットに伝える
ためのサーボ制御ユニットと、
前記サーボ制御ユニットから供給される前記信号に従って、少なくとも２つの自由度で前記ジンバルの方向付けを行うジンバル・サーボと、
前記積分期間の終りに前記アレイ・センサのそれぞれからの画素レベルを同時にサンプリングするサンプリング手段であって、前記サンプリングされる画素レベルのすべての組が、前記区域部分の画像を形成する、サンプリング手段と、
複数の区域部分画像を記憶する記憶手段と
を含む航空偵察システム。
【請求項２】
前記１つまたは複数のアレイが、少なくとも、可視光感知アレイ、ＵＶ光感知アレイ、赤外線光感知アレイ、マルチスペクトル／ハイパースペクトル・アレイ、およびアクティブ・イルミネーション・アレイから選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記航空機の前記ナビゲーション・データが、事前定義の座標系に関する前記航空機の３次元位置、その速度ベクトル、および加速度ベクトルと、前記事前定義の座標系に関する前記航空機の方位に関する方位データを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記慣性航法システムが、速度センサ、加速度センサ、および方位センサを含み、前記センサの少なくともいくつかが、前記ジンバル上に位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
センサの前記アレイの少なくともいくつかが、前記ジンバル上に位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
２つの慣性航法システムを含み、第１の慣性航法システムが、前記航空機の主慣性航法システムであり、そのセンサが、前記航空機内に位置決めされ、第２の慣性航法システムが、前記偵察システム専用のシステムであり、前記第２慣性航法システムの前記センサの少なくともいくつかが、前記ジンバル・ユニット上に位置決めされ、前記第１ＩＮＳから前記第２ＩＮＳへのトランスファ・アライメントの処理の使用によって、前記航空機の空力弾性たわみおよび振動に起因する前記航空機の前記ジンバルとＬＯＳと前記主慣性航法システムとの間で発生する不整列をよりよく除去するために、前記事前定義の軸システムに関する前記ジンバルのナビゲーション・データおよび方位データを測定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記デジタル・エレベーション・マップが、前記関心領域のグリッドを含む地図であり、前記グリッド内の節点のそれぞれでの前記ｘ：ｙ：ｚ座標値が、前記マップによって供給される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記部分選択ユニットが、結像される区域部分と隣接する既に結像された区域部分との間の事前定義のオーバーラップを提供する次の区域部分の中心を計算し、判定するのに使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
動作の自動モードで、前記ジンバルが、前記関心領域を順次、ステップごとの形でカバーするためにアクティブ化され、前記カバレッジが、事前定義の開始部分から、記憶された任務プランに従って行われ、これによって、関心領域の区域部分が次から次へと順次スキャンされ、前記部分のそれぞれから画像がサンプリングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムの手動モードで、前記航空機のパイロットが、飛行中に関心領域を定義し、前記関心領域が、少なくとも１つの区域部分に自動的に分割され、すべての区域部分が、スキャンされる部分のそれぞれの画像を撮影するために、ジンバル上のアレイを区域部分のそれぞれに対応して向けることによって、区域部分のすべてが次々に自動的にスキャンされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ジンバルが、２つのジンバル機構すなわち外部ジンバル機構および内部ジンバル機構を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記外部ジンバル機構が、前記ジンバル上のアレイを選択された区域部分の中心に粗く向けるのに使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記外部ジンバル機構が、２つの自由度すなわち高度およびロールを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記内部ジンバル機構が、前記ジンバル上のアレイを選択された区域部分の前記中心に微細に向けるのに使用され、特に、前記積分期間中に前記航空機の移動および方位変化について前記ジンバルの方向を補償するのに使用される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記内部ジンバル機構が、２つの自由度すなわちヨーおよびピッチを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記外部ジンバル機構が、前記内部ジンバル機構に従属して動作する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記積分期間中に、前記アレイ・センサのそれぞれが、前記区域部分の対応するセクションから来る光を同時に感知し、前記積分期間の終りに、すべてのアレイ・センサからのデータが、同時に読み取られ、前記区域部分の画像として記憶される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アレイ光センサが、可視光、ＩＲ、ＵＶ、マルチ／ハイパースペクトル、および／またはアクティブ・イルミネーションの範囲の光に敏感である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記アレイが、焦点面アレイである、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記事前定義の軸システムが、グローバル軸システムである、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記航空機に取り付けられるポッド内で組み立てられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
明瞭な遮られない視線方向を得るためにそのウィンドウだけが突き出る、前記航空機の内部に設置されたペイロード内で組み立てられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ジンバルが、前記ポッドの前方で、透明ウィンドウの背後に配置される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ジンバル上で前記ジンバルに関して回転可能に位置決めされる鏡またはプリズムを含むバックスキャニング機構をさらに含み、区域部分から来る光が、まず前記鏡を通過し、前記鏡が、前記光を前記アレイに向かって曲げ、
ａ．前記サーボ制御ユニットが、前記ジンバルに、停止なしの継続的な行および／または列のスキャニング移動を適用し、
ｂ．区域部分に向かう方向が確立されている間に、前記バックスキャニング鏡に、前記積分期間中に、前記行および／または列のスキャニング継続移動に関して反対の方向の動きを適用し、これによって、その継続的な動きを補償し、結像される前記区域部分に関する前記アレイの固定された方位関係を保証する
請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
ａ．光感知画素の少なくとも１つのアレイを設けることと、
ｂ．少なくとも２つの自由度を有するジンバルに前記少なくとも１つのアレイを取り付け、その結果、前記ジンバルが、選択された視線方向に前記アレイを向けることができることと、
ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域からの偵察画像が得られることと、
ｄ．事前定義の座標系に関する前記アレイの中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、
ｅ．前記関心領域内の特定の区域部分の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記部分中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記アレイ中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記アレイの前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、
ｆ．ステップｅの前記計算を与えられて、それに従って、前記アレイの視線方向の中心を前記区域部分の前記中心に向けることと、
ｇ．積分期間中に、前記アレイ光センサのいずれかによって別々に光の累積を行うことと、
ｈ．前記積分期間中に、高い割合で、更新されたアレイｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いてステップｅの前記計算を繰り返し、各前記計算に従って、繰り返して、ステップｆでのように方向を訂正することと、
ｉ．前記積分期間の終りに、すべての前記アレイ・センサをサンプリングし、前記アレイ部分の画像として記憶装置に記憶することと、
ｊ．前記関心領域内の新しい部分座標ｘｐ：ｙｐ：ｚｐを選択し、これらの新しい座標についてステップｅからｊを繰り返すことと、
ｋ．前記関心領域すべてのカバレッジが完了した時に、前記処理を停止するか、新しい関心領域のカバレッジを開始することと
を含む、航空偵察を実行する方法。
【請求項２６】
新しい区域部分のｘｐ：ｙｐ座標の前記選択が、地面での前記新しい区域部分の３次元フットプリントを計算し、次いでそれを前の区域部分のフットプリントに射影することによって、事前定義の範囲内の隣接する区域部分の間のオーバーラップを保証するために実行される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記オーバーラップ保証が、試行錯誤選択、オーバーラップ計算、および必要な時の訂正によって、または正確な分析的計算によって得られる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記慣性航法システムのセンサの少なくともいくつかが、前記選択された区域部分に関する前記アレイの方位の測定を改善するために、前記ジンバル上で位置決めされる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記光感知センサの少なくともいくつかが、前記選択された区域部分に関する前記視線方向の方位の測定を改善するために、前記ジンバル上で位置決めされる、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記慣性航法システムが、偵察システムの専用の慣性航法システムへの航空機慣性航法システムからのトランスファ・アライメントの処理の使用によって、前記選択された区域部分に関する前記アレイの方位の測定を改善するために、前記偵察システムの前記専用の慣性航法システムおよび前記航空機の主慣性航法システムを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
ａ．光感知画素の少なくとも１つのアレイを設けることと、
ｂ．前記少なくとも１つのアレイを少なくとも２つの自由度を有するジンバルに取り付け、その結果、前記ジンバルが、選択された区域部分に向かってその視線方向を向けることができることと、
ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域からの偵察画像が得られることと、
ｄ．事前定義の座標系に関する前記アレイの中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、
ｅ．前記関心領域内の特定の区域部分の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記部分中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記アレイ中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記アレイの前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、
ｆ．積分期間中に、前記アレイの視線方向の中心が区域部分の中心に向けられる時に、前記アレイ光センサのいずれかによって別々に光の累積を行うことと、
ｇ．前記積分期間中に、高い割合で、更新されたアレイｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いてステップｅの前記計算を繰り返し、各前記計算に従って、繰り返して、前記アレイの前記中心を前記選択された区域部分の前記中心に向けられたままに保ち、これによって航空機の動きを補償することによって、前記方向を訂正することと、
ｈ．前記積分期間の終りに、すべての前記アレイ・センサをサンプリングし、前記アレイ部分の画像として記憶装置に記憶することと
を含む、航空写真撮影中に動き補償をもたらす方法。
【請求項３２】
ａ．少なくとも１つの武器を設けることと、
ｂ．前記少なくとも１つの武器を少なくとも２つの自由度を有するジンバルに取り付け、その結果、前記ジンバルが、前記武器を選択された視線方向に向けることができることと、
ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域内の選択された物体が目標にされることと、
ｄ．事前定義の座標系に関する前記武器の中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、
ｅ．前記関心領域内の特定の目標の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記目標中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記武器中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記武器の前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、
ｆ．ステップｅの計算を与えられて、それに従って、前記武器視線方向の前記中心を前記目標の前記中心に向けることと、
ｈ．有効ターゲティングおよびシューティング期間中に、前記航空機の動きの動き補償を行うことと、
を含む、航空ターゲティングを実行する方法。
【請求項３３】
ステップｈの前記動き補償が、更新された目標ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いてステップｅの前記計算を高い割合で繰り返すことと、各前記計算に従って、繰り返して、ステップｆでのように前記方向を訂正することとによって実行される、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空偵察（ａｉｒｂｏｒｎｅ  ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ）を実行するシステムに関する。より詳細には、本発明は、その視線方向（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）が少なくとも２自由度のジンバルによって向けられる、ＵＶ、可視、ＩＲ、マルチスペクトル／ハイパースペクトル、またはアクティブ・イルミネーション（ａｃｔｉｖｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）などの光感知センサの１つまたは複数のアレイを含む航空偵察システムに関し、前記システムは、さらに、正確な追跡および撮影をもたらし、３次元動き補償を提供するのに慣性航法システム（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ、ＩＮＳ）を使用する。センサおよびＩＮＳは、ジンバルに取り付けられることが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
航空偵察システムは、特に関心領域（ａｒｅａ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の空から画像を得るために、長年幅広く使用されてきた。
【０００３】
元々、フィルム・カメラが、航空機上で画像の撮影に使用された。航空フィルムカメラ・ベースの偵察システムの主要な問題は、着陸後でなければ実行できない、フィルムを現像するのに必要な時間の長さである。この問題は、航空機内で電子的に記憶され、かつ／または地上基地局に送信される電子画像を得るカメラ内の光感知センサの１次元ベクトルまたは２次元アレイの使用によって、より近代的なシステムで克服されている。これは、一般に、そのようなシステムで、飛行の方向の関心領域の光感知センサによるスキャンによって行われる。
【０００４】
航空偵察システムは、一般に、敵区域の画像を得るのに使用され、したがって、そのような画像を得る任務には、下記などの特定の要件が含まれる。
１．敵の武器によってターゲティングされる危険性を減らし、各画像によって撮影される区域を広げるために、高高度で高速で航空機を飛ばす
２．できる限り短いフライト中にできる限り多くの関連する画像情報を撮影することを試みる
３．画像の解像度および品質を妥協せずに、さまざまな可視性状態での動作を試みる
４．高解像度、高品質で起伏の多い地形（たとえば、高山、地面の変化に富んだ区域）の撮影を試みる
【０００５】
敵対区域の上または近くを飛行中の偵察航空機を安全にする必要は、偵察任務が他の戦闘機による航空機の護衛を時々必要とするので、飛行のコストおよび危険性を大きく高めた。したがって、短時間で信頼性のある任務を可能にする必要が、非常に重要である。
【０００６】
一般に航空偵察の実行に伴う、複数の他の問題がある。たとえば、高速で移動する航空機からの画像の撮影によって、カメラ・シャッタ（機械式または電子式のどちらでも。後者の場合に、露出のためにカメラ・シャッタを開くことは、光感知構成要素による光量子の積分と同等である）が開いている間の航空機の動きを補償するために、いわゆる順方向動き補償（Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）（以下では、用語「順方向動き補償」を略してＦＭＣと称する。動き補償を、一般にＭＣと称する）の必要が導入される。
【０００７】
光感知センサが、カメラで使用される時に（以下では、このタイプの画像撮影を「電子撮影」と称し、フィルム型カメラが使用される場合を「フィルム撮影」と称する）、下記の３つの主要なスキャニング・タイプが使用される。
【０００８】
ｉ．アロングトラック・スキャニング（Ａｌｏｎｇ−Ｔｒａｃｋ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ）（「押しぼうき（ｐｕｓｈ−ｂｒｏｏｍ）スキャニング」としても知られる）。アロングトラック・スキャニングの第１の構成では、光感知センサが、飛行方向に垂直な１次元ベクトル（行）に配置される。結像される区域のスキャンは、航空機の進行によって得られる。一般にアロングトラックＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙｅｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）構成と称するアロングトラック・スキャニングの１特定の構成では、飛行方向に垂直な複数のそのような平行の１次元ベクトル（画素行）が、カメラの前に設けられて、２次元アレイを形成する。しかし、その場合に、アレイの最初の行は、区域セクションを撮影し、後続のすべての行は、同一のセクションを、航空機の進行によって支配される遅延で撮影するのに使用される。その後、画素の行ごとに、別々に測定されたアレイ内のすべての行の複数の対応する画素が、画素の測定された光輝度値を判定するために、まず加算され、その後、平均をとられる。より具体的に言うと、画像内の各画素が、Ｎ回（Ｎは行の数）測定され、平均される。このアロングトラックＴＤＩ構成は、信号対雑音比が改善され、画像の質および測定の信頼性が高まることがわかっている。
【０００９】
ｉｉ．アクロストラック・スキャニング（Ａｃｒｏｓｓ−Ｔｒａｃｋ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ）（「手ぼうき（Ｗｈｉｓｋｂｒｏｏｍ）スキャニング」としても知られる）。アクロストラック・スキャニングでは、飛行方向に並列に配置された光感知センサの１次元感知ベクトルが使用される。感知ベクトルは、１自由度を有するジンバルに位置決めされ、このジンバルは、飛行中に、飛行の方向に垂直な方向でベクトル全体を繰り返して左右に移動すると同時に、ベクトルを、常に飛行の方向に平行な方位に保つ。もう１つのアクロストラック・スキャニング構成では、ベクトル自体を移動するのではなく、センサの固定されたベクトルの視線方向（以下ではＬＯＳ）をトラックを横切って（アクロストラック）掃引するのに、移動する鏡またはプリズムが使用される。その場合に、航空機の順方向移動を維持しながらの１自由度を有するジンバルによる区域のアクロストラック・スキャニングによって、撮影される区域が広がる。アクロストラック・スキャニングのもう１つの構成が、アクロストラックＴＤＩ構成である。この構成では、飛行の方向に並列な方向の複数のベクトル（列）が存在し、２次元アレイが形成される。このアクロストラックＴＤＩは、アロングトラック・スキャニングＴＤＩに似て、画素値の測定の信頼性の改善、より具体的には信号対雑音比の改善を提供する。
【００１０】
ｉｉｉ．デジタル・フレーミング・スキャニング（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｆｒａｍｉｎｇ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ）。デジタル・フレーミング・スキャニングでは、光感知センサの２次元アレイが、風景に介して位置決めされる。米国特許第５１５５５９７号および米国特許第６２５６０５７号では、アレイが、その列ベクトル（列は、アレイの列のグループである）が飛行方向と平行になるように位置決めされる。順方向動き補償（ＦＭＣ）は、センサの露光時間（「積分時間」とも称する）中に飛行の方向で、ある画素から次の隣接する画素に電荷を転送することによって、電子的にオンチップで（検出器焦点面アレイ内で）もたらされる。電荷転送速度は、平らな地面を仮定すると、撮影される風景からの個々の距離（範囲）に応じて、列ごとに（または、スリットが列の方向に平行に移動される米国特許第６２５６０５７号では、アレイ全体について）別々に決定される。ＷＯ９７／４２６５９では、この概念が、列ではなくセル（セルは、画素の長方形のグループである）ごとに別々に電荷の転送を処理するように拡張される。米国特許第５６９２０６２号のシステムでは、アレイに関する風景の速度を測定するために、各列によって撮影された連続するフレームの間のデジタル画像相関が実行され、相関結果が、大きい変動を有する地形での動き補償のために、風景に対する各列の平均範囲を推定するのに使用される。この補償方法は、各単一の画像の３つの連続するフレームの撮影を必要とする（２つは相関処理用、１つは最終的な動き補償されたフレーム用）。米国特許第５６６８５９３号のシステムは、関心領域のカバレッジを拡大するために３軸視線ステッピング機構を使用し、列に沿った電荷の転送による動き補償技法を適用する。米国特許第６１３０７０５号は、上で説明したデジタル画像相関から得られる受動的範囲測定値に基づいてカメラ視野を自動的に変更するズーム・レンズを使用する。視野は、カバレッジおよび分解能に関する前の任務要件に従って調整される。
【００１１】
従来技術の偵察システム、特に前記電子スキャン式アクロストラック・スキャニング方法およびアロングトラック・スキャニング方法の特徴である大きい問題は、航空機について本質的に直線のスキャニング・レグ（および、一般的に、複数のそのような平行の直線レグ）を事前に定義する必要であり、そのようなレグが定義されたならば、事前に定義されたれグからの逸脱、特にすばやい逸脱または大きい逸脱が、全く許容されないことである。というのは、従来技術の前記システムは、事前定義のレグからのそのようなすばやいおよび／または大きい逸脱中に所望の視線方向を維持することができず、ティアリング（画像ラインの転位）、スミアリング（画素の引き延ばし）、または画像情報内の実質的なギャップなどの画像アーチファクトがもたらされるからである。これは、敵対区域の上または近くで偵察任務を実行する時、航空機が敵による検出またはターゲティングを避けるためにすばやい操縦を実行する必要が生じた時に、特に重大な短所である。さらに、時々、曲がった谷などの複雑な地形のよい結像を得るために、谷の鋭く曲がった縁の針路に従うことが最良である。しかし、ほとんどの場合に、従来技術の偵察システムは、そのような鋭く曲がった、写真に撮られる風景に関する視線方向の角度の鋭い変化を伴う操縦の実行を許容することができない。
【００１２】
従来技術、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９、および米国特許第６２５６０５７号の偵察システムのもう１つの短所の特性が、膨大な量のデータを扱う必要である。従来技術のシステムは、関心領域の狭い部分の簡単で選択的な結像を可能にしない。操作されたならば、システムは、カメラが向けられる区域全体をスキャンし、本質的に、可能な全体の特定の部分の選択はない。したがって、小さい関心領域であっても、従来技術のシステムは、大量のデータを処理しなければならない、すなわち、カメラの動作中に得られる画像データ全体を記憶し、地面に送信する（そのようなオプションが望まれる場合に）ことができる。時にはリアルタイムでの、地面への大量のデータの送信は、非常に広い帯域幅の使用を必要とする。この制限から引き出されるもう１つの特定の問題が、前記得られた巨大なデータ全体の中での関心を持たれる小さいデータの区別およびデコーディングの必要である。
【００１３】
従来技術、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９、米国特許第６１３０７０５号、および米国特許第６２５６０５７号の偵察システムのもう１つの短所が、フィールド・オブ・リガード（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｒｅｇａｒｄ）の広い範囲で画像を撮影する限られた能力である。以下では、用語「フィールド・オブ・リガード」が、カメラ視線方向を遮られずに向けることができる空間セクションを指す。従来技術のシステムは、時々、異なる視野方向に別々の専用のセンサを使用する（たとえば、下向き、斜め横、斜め前の別々のセンサ）。本発明は、前、後ろ、横、および他の任意の方向の区域のすべてのセンサから同時に画像を撮影し、これらの方向の間ですばやく切り替える能力を航空機に提供する。
【００１４】
従来技術、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６６８５９３号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９、米国特許第６１３０７０５号、および米国特許第６２５６０５７号の偵察システムのもう１つの短所が、大きいサイズの２次元センサ・アレイの使用であり、これは、視線方向に対する限られた制御を有するかそれを有しないシステムに必要になる。本発明は、大きいフィールド・オブ・リガード内でＬＯＳをすばやく正確に移動し、画像の撮影中に地上風景に対してＬＯＳを安定して固定し、一度に１つの単一の大きいフレームではなく複数の小さい／中程度のフレームによって写真画像データを収集する能力を活用することによって、小さいまたは中程度のサイズの２次元センサのアレイの使用を可能にする。小さいサイズのアレイは、通常は、１メガ画素（１００万画素）までであり、中程度のサイズのアレイは、通常は５メガ画素までである。対照的に、大きいサイズのアレイは、通常は、５０メガ画素またはそれ以上を有する。本発明の重要な特徴は、小さいサイズおよび中程度のサイズのアレイの両方が、特に偵察応用例のために設計されたのではなく、スチル・カメラおよびビデオ・カメラなどの市販応用例のために設計された普遍的なセンサ・アレイとして市販されており、したがって、少数のベンダから低い価格で幅広く入手可能であることである。このセンサの技術は、商業市場の需要に起因して、そのような商業製品へのベンダの膨大な投資からも利益を得る。対照的に、大きいサイズの偵察センサ・アレイは、偵察システム製造業者によって独自に開発され、オンチップ動き補償の必要に起因して複雑であり、高価であり、幅広く入手可能ではない。現在のＩＲアレイ技術が、大きいサイズのＩＲアレイを提供しないので、従来技術システムの制限は、センサが可視範囲ではなくＩＲ範囲で動作する必要がある時により深刻になる。大きいサイズのアレイのもう１つの短所は、画像ごとに処理される大量の画素に起因する、小さい／中程度のサイズのアレイに関する低いフレーム・レートである。
【００１５】
従来技術システムの一部、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９などでは、オンチップ動き補償が使用される。オンチップ動き補償の概念に、複数の短所が関連する。オンチップ動き補償は、積分時間中に特定の速度で、ある列／セルから隣接する列／セルに電荷を転送することによって実行される。この電荷転送の処理によって、電子雑音が誘導され、列／セルの間の境界およびチップの縁で曖昧さが生じる（スミアリングまたは画素の消失をもたらす）。というのは、必要な電荷転送レートが、連接する列／セルの間で異なる可能性があるからである。従来技術システムの一部では、センサから撮影される画像内の風景のそれぞれへの範囲を推定するのに平らで水平な地面（すなわち、風景の遠くの部分には長い範囲、近くの部分には短い範囲）が仮定され、平らな地面に関する単純な航空機の速度および姿勢の情報に基づいて動き補償レートが計算される。地形が、大きい変動を有する時に、これによって、一般に、本発明の実施例１で示される実質的なスミアリングがもたらされる。いくつかの場合に、撮影中に、センサの列が回転なしで飛行方向に正確に平行になるようにセンサを向けなければならず、これによって、その方位からの逸脱が、さらなるスミアリングをもたらし、したがって、任務計画を深刻に制限する。より高度な従来技術のシステムでは、各セルの風景に対する範囲をより正確に推定するために、チップの各画素の連続するフレームの間のデジタル画像相関が使用される。この手法は、使用可能な画像ごとに３つの連続する画像撮影を必要とし、したがって、システム・デューティ・サイクルが浪費される。相関の精度は、大きい変動を有する地形の写真を撮る時に、最初の２つの画像のスミアリングによって制限される。相関に関連するもう１つの問題が、２つの連続する画像の間の風景に関するアスペクト角度の大きい変化である。たとえば、斜め横の風景まで１５ｋｍの範囲で２５０ｍ／ｓの速度で飛行する航空機は、２Ｈｚフレーム・レートのチップを用いると、２５０／１５＝１６．７ミリラジアン／ｓのＬＯＳ角速度（時々、Ｖ／Ｒと称する）を有し、連続する画像の間の８．３ミリラジアンのアスペクト角度がもたらされる。３０マイクロラジアンの通常の画素瞬間ＦＯＶ（ＩＦＯＶ）について、これは、画像内の２７７画素のシフトを意味する。さらに、Ｖ／Ｒの値は、任務中のどの時にも、特に飛行機が操縦されている時に、一定ではないので、２つの連続する画像の間の経過時間が、追加の誤差を誘導する。
【００１６】
従来技術のシステムの一部、たとえば米国特許第５６６８５９３号に記載のシステムは、大きい面積をカバーするのにステップ・フレーミング（ｓｔｅｐ  ｆｒａｍｉｎｇ）法を使用する。ステップ・フレーミング法は、露光時間中の風景に対するＬＯＳの機械的／光学的固定を提供せず、限られたフィールド・オブ・リガードを有する。オンチップ動き補償が使用されるが、航空機の振動および偵察システムに対する振動の測定の転送の遅れに起因する不正確さが誘導される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、航空機の非常に急な操縦および大きい地形変動を許容し、補正できると同時に、非常に広いフィールド・オブ・リガード内の関心領域の高解像度で信頼性のある画像を提供する偵察航空システムを提供することである。
【００１８】
本発明のもう１つの目的は、関係しないデータの量が大幅に減らされ、したがって得られたデータ全体から関係するデータを区別するのに必要な作業が減り、航空機および地上の画像記憶要件および通信要件が減る、偵察システムを提供することである。
【００１９】
本発明のもう１つの目的は、画像を得ることができる大きい区域（すなわちフィールド・オブ・リガード）内の非常に小さい関心領域を定義できるようにすることである。
【００２０】
本発明のもう１つの目的は、画像を航空機から地上に通信する時に、航空機と地上基地局の間の通信負荷を減らすことである。
【００２１】
本発明のもう１つの目的は、広い範囲の視角（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ）（すなわち広いフィールド・オブ・リガード）で画像を撮影する能力を有する航空偵察システムを提供することである。
【００２２】
本発明のもう１つの目的は、立体画像を作成するのに必要な画像を得る新しい効率的な形を提供することである。
【００２３】
本発明のもう１つの目的は、同一の偵察任務で手動モード動作および自動モード動作の両方を組み合わせる能力を提供することである。
【００２４】
本発明の他の目的および利点は、説明が進むにつれて明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、ａ．少なくとも２つの自由度を有するジンバルと、ｂ．少なくとも２つの自由度内で前記ジンバルによって向けられる、前記ジンバル上で位置決めされた光センサの少なくとも１つのアレイと、ｃ．部分に分割された関心領域の少なくとも１つのデジタル・エレベーション・マップを記憶する地図記憶手段と、ｄ．事前定義のグローバル軸システムに関する航空機のナビゲーショナル・データおよび方位データをジンバル制御ユニットにリアルタイムで供給する慣性航法システムと、ｅ．一度に１つ、前記関心領域の別の区域部分を選択する部分選択ユニットと、ｆ．サーボ制御ユニットであって、
Ａ．前記デジタル・エレベーション・マップから、一度に１つ、前記選択的区域部分の座標の組を受け取り、前記組が、前記区域部分のｘ：ｙ座標およびその部分の中心の高度ｚを含み、
Ｂ．前記慣性航法システムから、前記航空機の現在の位置データおよび方位データを継続的に受け取り、
Ｃ．リアル・タイムで、
ａ．方向付け期間中に、光感知ユニットの少なくとも１つのアレイの前記ＬＯＳを含む前記ジンバルをそれに従って前記選択された区域の前記ｘ：ｙ：ｚ座標に向ける信号と、
ｂ．前記アレイ・センサが前記区域部分から来る光を積分する積分期間中に、前記航空機の動きから生じる前記選択された部分の前記ｘ：ｙ：ｚ座標に向かう向きの変化を補償する信号をジンバル・ユニットに供給することと
のために、高いレートで、信号を繰り返して計算し、ジンバル・サーボ・ユニットに伝える
ためのサーボ制御ユニットと、ｇ．前記サーボ制御ユニットから供給される前記信号に従って、少なくとも２つの自由度で前記ジンバルの方向付けを行うジンバル・サーボと、ｈ．前記積分期間の終りに前記アレイ・センサのそれぞれからの画素レベルを同時にサンプリングするサンプリング手段であって、前記サンプリングされる画素レベルのすべての組が、前記区域部分の画像を形成する、サンプリング手段と、ｉ．複数の区域部分画像を記憶する記憶手段とを含む航空偵察システムに関する。
【００２６】
前記１つまたは複数のアレイが、少なくとも、可視光感知アレイ、ＵＶ光感知アレイ、赤外線光感知アレイ、マルチスペクトル／ハイパースペクトル・アレイ、およびアクティブ・イルミネーション・アレイから選択されることが好ましい。
【００２７】
前記航空機の前記ナビゲーション・データが、事前定義の座標系に関する前記航空機の３次元位置、その速度ベクトル、および加速度ベクトルと、前記事前定義の座標系に関する前記航空機の方位に関する方位データを含むことが好ましい。
【００２８】
前記慣性航法システムが、速度センサ、加速度センサ、および方位センサを含み、前記センサの少なくともいくつかが、前記ジンバル上に位置決めされることが好ましい。
【００２９】
センサの前記アレイの少なくともいくつかが、前記ジンバル上に位置決めされることが好ましい。
【００３０】
前記システムは、２つの慣性航法システムを使用し、第１の慣性航法システムが、前記航空機の主慣性航法システムであり、そのセンサが、前記航空機内に位置決めされ、第２の慣性航法システムが、前記偵察システム専用のシステムであり、前記第２慣性航法システムの前記センサの少なくともいくつかが、前記ジンバル・ユニット上に位置決めされ、前記第１ＩＮＳから前記第２ＩＮＳへのトランスファ・アライメントの処理の使用によって、前記航空機の空力弾性たわみおよび振動に起因する前記航空機の前記ジンバルとＬＯＳと前記主慣性航法システムとの間で発生する不整列をよりよく除去するために、前記事前定義の軸システムに関する前記ジンバルのナビゲーション・データおよび方位データを測定する。
【００３１】
前記デジタル・エレベーション・マップが、前記関心領域のグリッドを含む地図であり、前記グリッド内の節点のそれぞれでの前記ｘ：ｙ：ｚ座標値が、前記マップによって供給されることが好ましい。
【００３２】
前記部分選択ユニットが、結像される区域部分と隣接する既に結像された区域部分との間の事前定義のオーバーラップを提供するように次の区域部分の中心を計算し、判定するのに使用されることが好ましい。
【００３３】
動作の自動モードで、前記ジンバルが、前記関心領域を順次、ステップごとの形でカバーするためにアクティブ化され、前記カバレッジが、事前定義の開始部分から、記憶された任務プランに従って行われ、これによって、関心領域の区域部分が次から次へと順次スキャンされ、前記部分のそれぞれから画像がサンプリングされることが好ましい。
【００３４】
前記システムの手動モードで、前記航空機のパイロットが、飛行中に関心領域を定義し、前記関心領域が、少なくとも１つの区域部分に自動的に分割され、すべての区域部分が、スキャンされる部分のそれぞれの画像を撮影するために、ジンバル上のアレイを区域部分のそれぞれに対応して向けることによって、区域部分のすべてが次々に自動的にスキャンされることが好ましい。
【００３５】
前記ジンバルが、２つのジンバル機構すなわち外部ジンバル機構および内部ジンバル機構を含むことが好ましい。
【００３６】
前記外部ジンバル機構が、前記ジンバル上のアレイを選択された区域部分の中心に粗く向けるのに使用されることが好ましい。
【００３７】
前記外部ジンバル機構が、２つの自由度すなわち高度およびロールを有することが好ましい。
【００３８】
前記内部ジンバル機構が、前記ジンバル上のアレイを選択された区域部分の前記中心に微細に向けるのに使用され、特に、前記積分期間中に前記航空機の移動および方位変化について前記ジンバルの方向を補償するのに使用されることが好ましい。
【００３９】
前記内部ジンバル機構が、２つの自由度すなわちヨーおよびピッチを有することが好ましい。
【００４０】
前記外部ジンバル機構が、前記内部ジンバル機構に従属して動作することが好ましい。
【００４１】
前記積分期間中に、前記アレイ・センサのそれぞれが、前記区域部分の対応するセクションから来る光を同時に感知し、前記積分期間の終りに、すべてのアレイ・センサからのデータが、同時に読み取られ、前記区域部分の画像として記憶されることが好ましい。
【００４２】
光センサの前記アレイが、可視光、ＩＲ、ＵＶ、マルチ／ハイパースペクトル、および／またはアクティブ・イルミネーションの範囲の光に敏感であることが好ましい。
【００４３】
前記アレイが、焦点面アレイであることが好ましい。
【００４４】
前記事前定義の軸システムが、グローバル軸システムであることが好ましい。
【００４５】
本発明の一実施形態で、本発明のシステムは、前記航空機に取り付けられるポッド内で組み立てられる。
【００４６】
本発明の一実施形態で、本発明のシステムは、明瞭な遮られない視線方向を得るためにそのウィンドウだけが突き出る、前記航空機の内部に設置されたペイロード内で組み立てられる。
【００４７】
前記ジンバルが、前記ポッドの前方で、透明ウィンドウの背後に配置されることが好ましい。
【００４８】
本発明の一実施形態で、このシステムは、前記ジンバル上で前記ジンバルに関して回転可能に位置決めされる鏡またはプリズムを含むバックスキャニング機構をさらに含み、区域部分から来る光が、まず前記鏡を通過し、前記鏡が、前記光を前記アレイに向かって曲げ、ａ．前記サーボ制御ユニットが、前記ジンバルに、停止なしの継続的な行および／または列のスキャニング移動を適用し、ｂ．区域部分に向かう方向が確立されている間に、前記バックスキャニング鏡に、前記積分期間中に、前記行および／または列のスキャニング継続移動に関して反対の方向の動きを適用し、これによって、その継続的な動きを補償し、結像される前記区域部分に関する前記アレイの固定された方位関係を保証する。
【００４９】
本発明は、さらに、ａ．光感知画素の少なくとも１つのアレイを設けることと、ｂ．少なくとも２つの自由度を有するジンバルに前記少なくとも１つのアレイを取り付け、その結果、前記ジンバルが、選択された視線方向に前記アレイを向けることができることと、ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域からの偵察画像が得られることと、ｄ．事前定義の座標系に関する前記アレイの中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、ｅ．前記関心領域内の特定の区域部分の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記部分中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記アレイ中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記アレイの前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、ｆ．ステップｅの前記計算を与えられて、それに従って、前記アレイの視線方向の中心を前記区域部分の前記中心に向けることと、ｇ．積分期間中に、前記アレイ光センサのいずれかによって別々に光の累積を行うことと、ｈ．前記積分期間中に、高い割合で、更新されたアレイｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いてステップｅの前記計算を繰り返し、各前記計算に従って、繰り返して、ステップｆでのように方向を訂正することと、ｉ．前記積分期間の終りに、すべての前記アレイ・センサをサンプリングし、前記アレイ部分の画像として記憶装置に記憶することと、ｊ．前記関心領域内の新しい部分座標ｘｐ：ｙｐ：ｚｐを選択し、これらの新しい座標についてステップｅからｊを繰り返すことと、ｋ．前記関心領域すべてのカバレッジが完了した時に、前記処理を停止するか、新しい関心領域のカバレッジを開始することとを含む、航空偵察を実行する方法に関する。
【００５０】
新しい区域部分のｘｐ：ｙｐ座標の前記選択が、地面での前記新しい区域部分の３次元フットプリントを計算し、次いでそれを前の区域部分のフットプリントに射影することによって、事前定義の範囲内の隣接する区域部分の間のオーバーラップを保証するために実行されることが好ましい。
【００５１】
前記オーバーラップ保証が、試行錯誤選択、オーバーラップ計算、および必要な時の訂正によって、または正確な分析的計算によって得られることが好ましい。
【００５２】
前記慣性航法システムのセンサの少なくともいくつかが、前記選択された区域部分に関する前記アレイの方位の測定を改善するために、前記ジンバル上で位置決めされることが好ましい。
【００５３】
前記光感知センサの少なくともいくつかが、前記選択された区域部分に関する前記視線方向の方位の測定を改善するために、前記ジンバル上で位置決めされることが好ましい。
【００５４】
前記慣性航法システムが、偵察システムの専用の慣性航法システムへの航空機慣性航法システムからのトランスファ・アライメントの処理の使用によって、前記選択された区域部分に関する前記アレイの方位の測定を改善するために、前記偵察システムの前記専用の慣性航法システムおよび前記航空機の主慣性航法システムを含むことが好ましい。
【００５５】
本発明は、さらに、ａ．光感知画素の少なくとも１つのアレイを設けることと、ｂ．前記少なくとも１つのアレイを少なくとも２つの自由度を有するジンバルに取り付け、その結果、前記ジンバルが、選択された区域部分に向かってその視線方向を向けることができることと、ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域からの偵察画像が得られることと、ｄ．事前定義の座標系に関する前記アレイの中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、ｅ．前記関心領域内の特定の区域部分の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記部分中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記アレイ中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記アレイの前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、ｆ．積分期間中に、前記アレイの視線方向の中心が区域部分の中心に向けられる時に、前記アレイ光センサのいずれかによって別々に光の累積を行うことと、ｇ．前記積分期間中に、高い割合で、更新されたアレイｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いてステップｅの前記計算を繰り返し、各前記計算に従って、繰り返して、前記アレイの前記中心を前記選択された区域部分の前記中心に向けられたままに保ち、これによって航空機の動きを補償することによって、前記方向を訂正することと、ｈ．前記積分期間の終りに、すべての前記アレイ・センサをサンプリングし、前記アレイ部分の画像として記憶装置に記憶することとを含む、航空写真撮影中に動き補償をもたらす方法に関する。
【００５６】
本発明は、さらに、
ａ．少なくとも１つの武器を設けることと、
ｂ．前記少なくとも１つの武器を少なくとも２つの自由度を有するジンバルに取り付け、その結果、前記ジンバルが、前記武器を選択された視線方向に向けることができることと、
ｃ．関心領域のデジタル・エレベーション・マップを提供し、前記区域内の選択された目標が得られることと、
ｄ．事前定義の座標系に関する前記武器の中心の更新されたｘａ：ｙａ：ｚａ座標を飛行中のいつでも得るために慣性航法システムを設けることと、
ｅ．前記関心領域内の特定の目標の中心のｘｐ：ｙｐ位置座標および前記デジタル・エレベーション・マップから得られる前記目標中心でのｚｐ高度座標、ならびに同一の特定の時の前記武器中心の前記ｘａ：ｙａ：ｚａ座標を与えられて、前記武器の前記中心と前記ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ座標との間を接続する視線方向の向きを確立するために正確な角度を判定する計算ユニットを設けることと、
ｆ．ステップｅの計算を与えられて、それに従って、前記武器視線方向の前記中心を前記目標の前記中心に向けることと、
ｈ．有効ターゲティングおよびシューティング期間中に、前記航空機の動きの動き補償を行うことと、
を含む、航空ターゲティングを実行する方法に関する。
【００５７】
ターゲティングの動き補償は、従来技術で既知の普通の形のいずれかで行うことができる。本発明の実施形態によれば、ステップｈの動き補償は、ステップｅの計算を更新されたターゲットｘａ：ｙａ：ｚａ座標を用いて高い速度で繰り返し、各前記計算の後に、繰り返して、ステップｆでのように方向を訂正することによって実行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
本発明の偵察システムの好ましい実施形態は、下記の主な特徴によって特に特徴づけられる。
【００５９】
ｉ．関心領域の区域からの画像の感知および撮影に使用される１つまたは複数のフォーカル・プラン・アレイは、少なくとも２つの自由度を有するジンバルによって向けられる視線方向（ＬＯＳ）を有する。本明細書で使用される用語「ジンバル」は、機械式、光学式（鏡、プリズムなどを含むものなど）またはその組合せのどれであれ、光感知センサのアレイの視線方向を少なくとも２つの自由度で移動できる任意のタイプの機構を指す。機械式機構を、時々、「ペイロード安定化ジンバル（ｐａｙｌｏａｄ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｇｉｍｂａｌ）」と呼び、光学式機構を、時々、「鏡安定化ジンバル（ｍｉｒｒｏｒ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｇｉｍｂａｌ）」と呼ぶ。前記アレイの１つは、可視範囲で感知することができ、もう１つは、たとえばＩＲ範囲および／またはＵＶ範囲で感知することができる。もう１つの場合に、マルチスペクトル／ハイパースペクトル・アレイまたはアクティブ・イルミネーション・アレイを使用することができる。以下では、本明細書全体を通じて、用語「アレイ」が、関心領域からの画像を得るいずれかのタイプの光感知手段のアレイを指す。本発明で使用されるアレイは、米国特許第５１５５５９７号、ＷＯ９７／４２６５９、および米国特許第６２５６０５７号などの従来技術のシステムで使用される大きいアレイではなく、小さいまたは中程度のサイズとすることができ、鋭く変化する地形状態で、任意の視線方向の向きで多数のスナップショットを撮る本システムの柔軟性が利用される。センサ・アレイおよびその光学系の好ましい取付けは、ペイロード安定化ジンバルが使用される場合に、ジンバルに対するものであり、鏡安定化ジンバルの場合に、センサが、ジンバルから離れて取り付けられる。
【００６０】
ｉｉ．偵察システムでは、視線方向の向きを継続的に計算する慣性航法システム（ＩＮＳ）が使用される。好ましい事例では、２つのＩＮＳシステムが使用され、第１のシステムは、航空機の主ＩＮＳであり、第２のＩＮＳは、偵察システムに取り付けられるシステムの内部の専用ＩＮＳである。本発明の偵察システムは、ジンバルに位置決めされた１つまたは複数のアレイを、航空機のフィールド・オブ・リガード内で地面の所望の区域部分に正確に向けるために、固定された事前定義のグローバル軸システムに関する航空機の位置に関するナビゲーション情報と地面に関する航空機の方位情報の両方を前記慣性航法システムから継続的に受け取る。システムＩＮＳの好ましい取付けは、ペイロード安定化ジンバルであれ鏡安定化ジンバルであれ、ジンバルに対するものである。
【００６１】
ｉｉｉ．アレイが好ましく取り付けられるジンバルは、少なくとも２つの自由度を有し、本発明の１つのモードで、非常に広いフィールド・オブ・リガード内の関心領域の区域部分を次々に順次スキャンするためにステップごとの形で系統的に作動される。
【００６２】
ｉｖ．本発明のシステムは、作動する時にそのアレイによって、スナップショットすなわち区域部分の２次元画像を撮影し、視線方向の移動の補償に起因する長い露光時間を可能にする。
【００６３】
ｖ．区域部分に向けられた時に、３次元動き補償が、ＩＮＳから供給されるデータと、本発明の偵察システムに事前に記憶される関心領域のデジタル・エレベーション・マップ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ  Ｍａｐ）から、関連する区域部分を追跡し続けるようにジンバルを調整することによってもたらされる。
【００６４】
ｖｉ．好ましい事例で、区域部分への関心領域の分割が、リアルタイムで実行され、特に区域部分の画像の間の正しいオーバーラップを保証するために、各区域部分のサイズが、地形の形状、デジタル・エレベーション・マップ（ＤＥＭ）から判定される関心領域の中心までの航空機からの範囲などの複数のパラメータに依存する。
【００６５】
本発明の上記の主な特徴ならびに他の構造的特徴は、この説明が進むにつれて明白になる。
【００６６】
上で述べたように、アロングトラック・スキャニング・タイプまたはアクロストラック・スキャニング・タイプの従来技術の偵察システムは、本質的にワンピースのデータとしての特定のレッグの累積されたデータに関係する。より具体的には、レッグが定義されたならば、航空機がレッグに沿って飛んでいる間に、累積されたデータが、本質的に１つの巨大な画像ファイルとして記憶される。後に、この画像から特定の関連データを区別することは、オペレータに委ねられる。さらに、どの航空偵察システムも、動き補償の問題を扱わなければならない。この後者の問題は複雑なので、従来技術のシステムで提供される解決策は、偵察任務中の航空機の急な操縦を許容しない。本発明は、コンパクトで効率的な形で前記２つの問題に対する解決策を提供する。
【００６７】
本発明の偵察システムは、環境条件、操縦動力学、システム・サイズ、空気力学艇制限、および地面に対する角度の態様が極端である戦闘機によって運ばれるように特に適合されているが、このシステムは、他の航空プラットフォームにも適する。好ましい事例では、このシステムが、一般に航空機の翼または胴体の下で運ばれるポッドまたはペイロード内に組み立てられる。戦闘機の極端な動作条件のゆえに、たとえば米国特許第５６６８５９３号に開示されたものなどの従来技術のシステムは、時々、ＬＯＳを向けるのに鏡を使用するが、この解決策では、鏡が、本質的に、比較的小さい角度変動を有するある方向の点でＬＯＳを曲げるので、ＦＯＲが実質的に制限される。本発明では、ＬＯＳが、ジンバルによって向けられ、これは、ジンバルを任意の方向に回転できるので、非常に広いフィールド・オブ・リガードを可能にする解決策である。
【００６８】
図１に、本発明の一実施形態による、ポッド内で組み立てられた偵察システムの全般的な構造を示す。ポッド１には、その前セクション１０に、光感知アレイおよび必要な光学系（図示せず）を担持するジンバル（図示せず）が含まれる。前記ジンバルおよび光学系は、透明ウィンドウ１２の背後に取り付けられる。そのようなアレイの少なくとも１つが、たとえば、可視範囲の光を感知するＣＤＤタイプ・アレイまたはフォーカル・プラン・アレイに存在する。任意選択として、より多くのアレイ、たとえば、ＩＲ範囲で画像を感知し、撮影するＩＲアレイを含めることができる。使用される時に、複数のアレイならびにＩＮＳは、正確に同一の区域部分に向けられ、これをカバーする形で、ジンバルの同一部分に位置決めされる。任意選択として、これより好ましくない実施形態では、センサおよび／またはＩＮＳを、ジンバルの背後に配置することができ、ジンバルは、ＬＯＳをセンサに向かって曲げる鏡および／またはプリズムの組を担持する。このシステムには、さらに、センサからのデジタル画像情報を処理し、画像を圧縮し、地上局での後の解釈を容易にするために画像を任務データと組み合わせる画像処理ユニット（ＩＨＵ）２と、関心領域のデジタル・エレベーション・マップ（ＤＥＭ）および任務プランを記憶し、撮影された画像を記録するソリッド・ステート・レコーダ（ＳＳＲ）３または類似する高速アクセス記憶デバイスが含まれる。このシステムには、さらに、ジンバル・サーボに制御信号および電力信号を供給するサーボ・ユニット（ＳＵ）、および航空機との電力インターフェースを使用可能にするインターフェース・ユニット（ＩＵ）が含まれる。他のコンピュータ・システムおよび制御エレクトロニクスが、システム・エレクトロニクス・ユニット（ＳＥＵ）内に含まれる。任意選択として、データ・リンク１６（ＤＬ）が、リアルタイムに近い解釈のために地上局に画像および任務データを送信するのに使用される。ポッドは、耳１１によって航空機に取り付けられる。
【００６９】
図１Ａに、本発明のもう１つの実施形態を示す。この構成では、偵察システムが、航空機本体へのペイロードとして組み立てられる。前セクションは、垂直に位置決めされ、下を指し、そのウィンドウだけが航空機本体の外部に突き出している。ポッド構成と同一の電子ユニットが、航空機本体の内部に設置される。この解決策は、高速ジェット機によって使用することができるが、その主要な目的は、ヘリコプタ、ＲＰＶ（遠隔操縦無人機）、コマンド＆コントロール・エアクラフト（ｃｏｍｍａｎｄ  ＆  ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｉｒｃｒａｆｔ）などの他のタイプの航空機用である。
【００７０】
図２に、本発明の好ましい実施形態によるジンバル・システム２０の機械的構造を示す。航空機の進行方向は、符号２７によって示される。前に述べたように、偵察を実行するために、本発明によるジンバル・システムは、少なくとも２つの自由度を有する。ジンバルの軸の向きおよびジンバルの次数は、指定されたフィールド・オブ・リガード内の任意の空間方向にＬＯＳをステアリングできるならば、重要でない。
【００７１】
図２に示された本発明の好ましい実施形態によれば、ジンバル・システム２０に、下記の２つのサブ機構が含まれる。
・２自由度すなわちヨー（軸２２の回りの回転）およびピッチ（軸２１の回りの回転）を有する内部ジンバル機構３６
・２自由度すなわち高度（軸２１の回りの回転）およびロール（軸２３の回りの回転）を有する外部ジンバル機構３７
【００７２】
ピッチおよび高度の自由度は、本質的に、同一の軸２１の回りの回転に関する。しかし、ピッチの自由度は、内部ジンバル機構３６による微細な回転に関し、高度の自由度は、外部ジンバル機構３７による粗い回転に関する。外部ジンバル機構３７は、内部ジンバル機構３６に従属して動作することが好ましい。従属動作は、内部ジンバルが、ＬＯＳステアリング・コマンドが向けられる主ジンバルであり、外部ジンバルが、内部ジンバルと外部ジンバルの間の角変位を最小にすることを常に試みて、内部ジンバルの動きに追従することによって、内部ジンバルの限られた回転角度を補償する処理である。ポッドの前および下の特定の点を追跡することが、２つの自由度によって可能ではあるが、よりよい追跡精度およびより広いフィールド・オブ・リガードを得るために、２つのサブ機構への分離が行われた。外部ジンバル機構は、粗トラッキング、たとえばジンバルの向きをある区域部分から第２の区域部分へ動かすのに特に使用され、内部ジンバル機構は、特定の区域部分の画像を撮影しながら動きおよび方位の補償をもたらすのに特に使用される。異なる数のジンバルまたは異なる向きの軸を有する他のジンバルの配置も、これらの目標を達成することができる。
【００７３】
前に述べたように、外部ジンバルは、フィールド・オブ・リガード（ＦＯＲ）の拡張を容易にする。ポッド実施形態のＦＯＲの限度が、図１に示されている。このＦＯＲは、後ならびに前を見る外部高度ジンバルの能力と、３６０°の完全なターンを回転するロール・ジンバルの能力の組合せによって達成される。ペイロード実施形態のＦＯＲの限度が、図１Ａに示されている。このＦＯＲは、横ならびに下を見る外部高度ジンバルの能力と、３６０°の完全なターンを回転するロール・ジンバルの能力の組合せによって達成される。両方の実施形態のＦＯＲに対する唯一の制限は、ポッド本体および航空機本体であり、これらは、ＦＯＲ包絡線の縁で視線方向を遮る。
【００７４】
図２の発明の好ましい実施形態では、１つまたは複数のアレイが、内部ジンバルに取り付けられて、関心領域の特定の部分に向かうアレイの微調整を提供する。これは、たとえば、動きおよび方位の補償を提供するのに必要である。
【００７５】
前に述べたように、１つまたは複数のセンサのアレイが、それに関連する光学系と共に、少なくとも２つの自由度を維持するようにジンバル上で位置決めされる。図２の実施形態では、可視範囲で画像を撮影できる例示的な焦点面アレイ２４が、記号的に示されている。センサの視野（ＦＯＶ）の境界が、記号的に符号２５によって示され、アレイによって撮影されるシーンが、記号的に符号２６によって示されている。本発明によれば、シーン２６が選択された区域部分である時に、ジンバル・システムは、アレイ２４の中心を区域部分２６の中心２９に向け、選択された区域部分の中心にアレイの中心を接続する線を、本明細書では「視線方向」（ＬＯＳ）と称する。センサの光学系は、センサごとに別々の光学系、またはセンサのすべて／一部について共用される光学系のいずれかとすることができる。共用される光学系は、マルチスペクトル範囲の光を集め、その光を、独自のスペクトル周波帯に従ってセンサのそれぞれに分割する。別々の光学系と共用される光学系の使用は、使用可能なスペースおよび必要な性能、モジュラ性、および保守性を考慮に入れた、特定の設計目標に依存する。
【００７６】
慣性航法システムは、当技術分野で周知であり、固定されたグローバル軸システムに関する航空機または航空システムの位置、その速度ベクトル、加速度ベクトル、および方位を飛行中に高精度で判定するのに航空機および航空システムで広く使用されている。慣性航法システムには、本質的に２つの別々のユニット（すなわち機能）すなわち、航空機または航空システムの位置座標を判定するナビゲーショナル・ユニット（Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｔ）と、なかんずく、事前定義の固定された一般にグローバルの座標系に関する航空機または航空システムの方位を判定する慣性ユニット（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｕｎｉｔ）が含まれる。ＩＮＳは、航空機または航空システムの速度ベクトルおよび加速度ベクトルも提供することができる。ナビゲーショナル・システムは、たとえば、ＧＰＳ情報を使用することができ、慣性ユニットは、一般に、航空機または航空システム内の慣性センサを使用する。時々、航空システム内のより精度の低いＩＮＳが、航空機内のより高精度のＩＮＳと通信しており、それから受け取られるデータを使用することによって、それ自体を航空機ＩＮＳに継続的に整列する。この処理を、「トランスファ・アラインメント（ｔｒａｎｓｆｅｒ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）」と呼び、この処理は、２つのＩＮＳを整列する（たとえば、ミサイルを航空機から落とす前にミサイルのＩＮＳを整列する）ために多くのシステムによって使用される。整列されたならば、より精度の低いＩＮＳが、さらに、次の整列調整が行われるまで、グローバル基準システムに関する視線方向の向き（角度）を独立に計算する。
【００７７】
本発明の好ましい実施形態によれば、偵察システムは、システムのフィールド・オブ・リガードを用いる所望の向きにＬＯＳを向ける能力から派生する、さまざまな動作のモードを有することができる。図３Ｂを参照すると、ＬＯＳ方向は、斜め横、斜め前、下、または任意とすることができる。図３を参照すると、通常は、下記の動作のモードを使用することができる。
ｉ．経路モード：画像が、航空機の飛行経路に沿って撮影され、視線方向は、斜め前、下、または斜め横に向けられる。経路軌道は、実際の航空機の飛行経路に従う。
ｉｉ．ストリップ・モード：飛行経路に沿ってまたはそれからある角度に位置決めされた直線のストリップが撮影される。このモードでは、視線方向が、通常は斜め横に向けられる。
ｉｉｉ．スポット・モード：選択された区域の画像が、撮影される。このモードでは、視線方向を、任意の向きに向けることができる。
ｉｖ．凝視（ｓｔａｒｉｎｇ）モード：同一の選択された区域の画像が連続的に撮影される。このモードでは、視線方向を、任意の向きに向けることができる。
【００７８】
最後の３つのモードでは、航空機が選択された区域に接近しつつある時に、入口観察角度を任意の角度にする（すなわち、到着の十分に前に撮影を開始する）ことができ、航空機が選択された区域から離れつつある時に、出口観察角度を任意の角度にする（すなわち、十分に離れた後で撮影を停止する）ことができる。この形で、偵察システムが、選択された区域でより長い時間を費やすことができる。
【００７９】
基本的に、偵察システムは、自動モードまたは手動モードのいずれかで働くことができ、同一の任務でこの両方を組み合わせることができる。自動モードでは、偵察システムが、事前に計画された目標および臨機目標の偵察結像の自動的獲得を提供する。システムについて選択されるモードに、経路、ストリップ、スポット、および凝視モードの任意の組合せを含めることができる。任務プランに基づいて、システムは、航空機が目標の区域に接近する際にセンサを自動的に構成し、選択されたセンサをアクティブ化し、センサの向きを制御し、画像データの記録および送信を開始／終了する。任務のプラニングは、前もって地上局で行われ、任務の前にシステムにアップロードされる。手動モードでは、オペレータが、飛行中に任務プランを手動で変更することができる。オペレータは、自動動作に割り込み、偵察機能を手動で実行することができる。自動モードおよび手動モードの両方で、動作のすべてのモードを使用可能にすることができる。
【００８０】
図３および図３Ａを参照すると、本発明の好ましい実施形態によれば、関心領域が、複数の区域部分のマトリックスに分割される。たとえば、点Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤによって画定される区域１００は、複数の区域部分、たとえば部分Ｐ１、１、Ｐ１、２、Ｐ１、３、Ｐ２、１、Ｐ２、２、Ｐ２、３、…、Ｐｎ、ｍのマトリックスに分割され、ここで、最初の添字は、マトリックス内の部分の列を示し、第２の添字は、マトリックス区域内の部分の行を示す。区域１００は、任務プランによって望まれる任意の四角形形状とすることができる。区域部分Ｐｎ、ｍのサイズは、センサのＦＯＶおよび各区域部分のシーンまでの範囲に従って変化する。いくつかの場合に、後で詳細に示すように、区域マトリックスが、図１１に示されているように、区域が急激に変化する地形である時でも関心領域の完全なカバレッジを保証するために、たとえば面積の約１０から２０％だけ、区域部分が互いに部分的にオーバーラップする形で定義される。立体写真が必要な時には、約５６％を超えるオーバーラップが必要である。航空機１０２の飛行中に、偵察システムのジンバルが、順次、系統的に、ステップごとの形で区域マトリックス１００をスキャンし、これによって、ジンバルが、まず、結像アレイを第１区域部分に向け、すべてのセンサで同時に画像を撮影し、次に第２区域部分に向け、その画像を撮影し、この手順を繰り返し、ジンバルが、関心領域１００のすべての部分の画像を完全に撮影するまで、他のすべての部分を介してアレイの視線方向および視野を順次「ジャンプ」させる。たとえば、システムは、例示的な９部分マトリックス１００を、Ｐ１、１、Ｐ１、２、Ｐ１、３、Ｐ２、１、Ｐ２、２、Ｐ２、３、Ｐ２、３、Ｐ３、１、Ｐ３、２、Ｐ３、３の順序でスキャンすることができる。システムのジンバルが、全般的にアレイの中心を特定の区域部分の中心に向け、それにロックする（すなわちＬＯＳを固定する）ことによって、光感知アレイを特定の区域部分に向ける時に、「スナップショット」が撮られ、この区域部分の画像が撮影される。より具体的に言うと、「スナップショットを撮る」には、２つのステージすなわち、その間に関心領域からの光がアレイのコンポーネントによって感知される光積分ステージと、その間にアレイのすべてのコンポーネントが積分期間の終りに同時にサンプリングされるサンプリング・ステージが含まれる。前に述べたように、この手順は、区域１００のすべての区域部分について順次系統的に繰り返される。ある部分の画像が撮影されるたびに、その画像が、偵察システム部の記憶装置（図１のソリッド・ステート・レコーダ３など）で記憶され、任意選択として、データ・リンク（ＤＬ）を使用して地上基地局（図示せず）にも送信される。画像の正確な撮影を提供するために、位置データおよびナビゲーション・データが、ＩＮＳによってジンバル制御ユニットにリアルタイムで供給される。
【００８１】
図４は、本発明の偵察システムの動作を示すブロック図である。前に述べたように、システムの動作に、３つの主要なフェーズが含まれる。第１フェーズでは、アレイの視線方向が、選択された区域部分に向けられる。第２フェーズでは、アレイが、区域部分から来る光に「露光」され、電荷が、アレイ・コンポーネント内でそれに対応して積分される。前記第２フェーズ中に、露光（積分）期間中の航空機の動きおよび方位の変化を補償し、特にスミアリングを除去するために、ジンバルを用いて視線方向を移動することによって、動き補償がもたらされる。積分期間の終りに、第３フェーズで、すべてのアレイ光感知センサが、同時にサンプリングされ、画像が記憶される。離陸の前に、その中に少なくとも関心領域を含む区域のデジタル・エレベーション・マップ３１０が、偵察システムで記憶される。デジタル・エレベーション・マップ３１０は、グリッドに分割された地図を反映するデジタル・ファイルであり、グリッドの節点ごとに、ｘ−ｙ座標（グローバルまたは事前定義の座標系に関する）およびその点での高度ｚが提供される。部分選択ブロック３１１が、区域部分を選択する。より具体的には、部分選択ブロック３１１は、ＤＥＭ３１０内で選択された部分の中心である節点を順次示し、ＤＥＭ３１０に、区域部分の中心の座標をサーボ制御ユニット３０５に伝えさせる。本発明で説明する、ＤＥＭを使用する選択された目標の３Ｄ中心座標の発見という概念は、ターゲティング・システムなど、偵察システム以外のシステムでも使用することができ、その場合に、時々、アクティブ・レンジ・ファインダ（ａｃｔｉｖｅ  ｒａｎｇｅ  ｆｉｎｄｅｒ）を使用せずにシーンまたは選択された目標までの正確な範囲を測定することが望ましい。後で詳細に説明するように、区域部分の選択、およびその境界の判定、またはより詳細にはその中心節点の判定に、複数の選択モードが存在することが好ましい。選択された区域部分の中心点のｘｐ：ｙｐ座標および同一の点の高度座標ｚｐが、サーボ制御ユニット３０５に伝えられる。サーボ制御ユニットの区域部分方向づけモジュール３０６も、ジンバル・アレイの中心のｘａ：ｙａ：ｚａ座標をＩＮＳ３０３から周期的に受け取る。この２組のｘ−ｙ−ｚ座標を有するので、区域部分方向づけモジュール３０６は、アレイの中心（ｘａ：ｙａ：ｚａ）と選択された区域部分の中心（ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ）の間で視線方向（ＬＯＳ）を確立するのに必要なジンバル角度を幾何学的に計算し、ジンバル３００の前記向きを確立するために、前記角度をジンバル・サーボ・ユニット３０８が必要とするアナログ信号に変換する。前記方向計算は、航空機の位置および方位の変化を考慮に入れるために、短い時間間隔で繰り返され、更新される。ジンバル・サーボ・ユニット３０８は、所望のＬＯＳ方向に関するジンバルの状態を示す信号３１５をジンバル・ユニットから受け取る。ＬＯＳ方向が確立されたと判定する時に、サーボ・ユニットは、積分期間を開始するために積分／サンプリング・ユニット３０４に信号３２１を伝える。積分／サンプリング・ユニット３０４は、信号３２２をアレイ３０１に供給し、アレイ３０１に、区域部分から来る光の光積分を開始させる��その瞬間から、アレイの光感知コンポーネントが、区域部分の各対応するセクションでの光のレベルに関する電荷の蓄積を開始する。積分期間中に、動き補償が、動き補償モジュール３０７によって繰り返して計算される。動き補償モジュール３０７は、区域部分方向モジュール３０６に似て、選択された区域部分の中心の（ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ）座標をＤＥＭから受け取り、ジンバル上のアレイ３０１の中心の（ｘａ：ｙａ：ｚａ）をＩＮＳから受け取る。動き補償モジュール３０７は、ＩＮＳから受け取るアレイの中心の更新された座標（ｘａ：ｙａ：ｚａ）と選択された区域部分の中心の座標（ｘｐ：ｙｐ：ｚｐ）の間で視線方向（ＬＯＳ）を確立するのに必要なジンバル角度を繰り返して計算し、それに応じて、前記計算された角度を、ジンバル３００の前記向き（すなわち前記角度）を確立するためにジンバル・サーボ・ユニット３０８が必要とするアナログ信号に変換する、または、言い換えると、積分期間中の航空機の動きおよび方位の変化を繰り返して補償する。ＬＯＳの回りの画像ロールの動き補償も、追加のデロール・ジンバルの使用によって行うことができるが、これは、小さいまたは中程度のサイズのアレイでは、そのようなアレイのロールのスミアリング効果が小さいことに起因して、通常は不要である。積分期間の終りに、「サンプリング」信号３２２が、アレイ３０１に供給されて、すべてのアレイ・センサ内の蓄積された電荷レベルが同時にサンプリングされ、選択された区域部分の画像として前記電荷レベルが記憶装置３０２に記憶される。画像記憶装置３０２は、本質的に図１のＳＳＲ３である。次に、部分選択ブロック３１１が、ＤＥＭ３１０から次の区域部分の中心を選択し、これを区域部分方向モジュール３０６に伝え、この、次の区域部分について、上で説明したものと同一の手順が繰り返される。この手順が、関心領域のすべての区域部分について繰り返される。本明細書では、部分選択ブロック３１１が動作する複数の動作モードがあることに留意されたい。あるオプションの場合に、部分選択ブロック３１１は、まず、第１の区域部分の中心を選択し、その画像を入手し、次に、追加部分について、次の区域部分の中心が、現在の部分と前の結像された部分との間の、たとえば１０％のオーバーラップ要件を満足するかどうかをリアルタイムで判定する。このオプションの事例を、下で詳細に説明する。部分選択のもう１つのモードでは、パイロットが、部分の中心をマークし、その部分の画像が、それに従って、方向づけ、動き補償、積分、およびサンプリングの上の手順を実行した後に入手される。もう１つのオプションの選択モードでは、関心領域の区域のすべての部分およびその中心が、事前に、たとえば航空機が地上にある間に定義され、選択が、前記事前定義の順序で実行されると同時に、飛行中に、正確な指示が、航空機の実際の位置および姿勢に基づいて自動的に更新される。
【００８２】
連続する画像の間に事前定義のオーバーラップが存在するように、区域部分の選択は、シーンに関する航空機の位置および撮影されるシーンの地面の変動を含む全体的な幾何学的シナリオに依存する。図１１および１１Ａを参照すると、スナップショットごとに、地面に対するセンサのＦＯＶのフットプリントが、ＤＥＭの３次元地面データを使用して計算される。各フットプリントは、３次元平面またはより高次の面であり、地面の傾斜に最もよくあてはまるように２方向に傾けられている。スナップショットを撮った後、次のスナップショットを取る前に、システムは、前のスナップショットからの外挿または他の技法を使用して、ＬＯＳ中心の向きを推定し、次のスナップショットの推定地上フットプリントを計算する。この推定フットプリントと前のスナップショットのフットプリントの間のオーバーラップが、前者を後者に射影することによって計算され、ＬＯＳ中心の向きが、指定された値の範囲内のオーバーラップを保証するように修正される。この処理は、必要なオーバーラップが達成されるまで数回反復して繰り返され、その後、ＬＯＳが、新しいスナップショットの位置に物理的に移動される。この計算は、数学的モデルおよび偵察システムで使用可能なコンピューティング・リソースに応じて、反復なしで分析的に行うこともできる。写真を撮られるストリップの幅を決定するＬＯＳアクロス・トラック（すなわち、行に沿った）ジャンプの数を継続的に計算して、航空機進行を補償するために次の行へのトラックに沿ったジャンプでの過度のラグを作らずに最大ストリップ幅を保証する。
【００８３】
少なくとも２つの自由度を有するジンバルは、当技術分野で周知であり、たとえば、一部の航空機において、慣性によってターゲティング・システムを目標に向け、追跡するのに使用され、ターゲティング・システムは、目標の観察を可能にし、武器システムを目標に向けるシステムである。前記ターゲティング・システムの一部は、リアル・タイムでトラッキングを較正するために、慣性航法システムからのナビゲーショナル・データおよび方位データも使用する。本発明は、前記航空ターゲティング・システムに使用されるものに似たジンバル・システムを使用する。アレイを有するジンバルの関連する区域部分（各部分に順番に）への「トラッキング」は、ある航空ターゲティング・システムが武器を目標に向け、トラッキングするのに似た形で実行される。しかし、そのようなターゲティング・システムでは、関心領域が、複数のマトリックスタイプの部分に分割されず、順次のステップごとの形での関心領域内の関連区域部分のシステマティックなスキャンがない。さらに、ターゲティング・システムでは、動き補償の問題が、画像情報に基づく電子光学トラッキングなどの他の手段によって解決されるが、これは、本発明の偵察システムなどの区域スキャニング・システムでは実用的でない解決策である。前に述べたように、動き補償の問題は、従来技術の偵察システムの一部では、完全に異なる形で実施されており、たとえば、オンチップ動き補償が、米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、およびＷＯ９７／４２６５９に開示されている。本発明は、（ａ）区域部分の間の「ジャンプ」が粗い形で実行される区域スキャンの実行、および（ｂ）微細な形で実行される区域部分の積分期間中の動き補償のために、ＩＮＳと少なくとも２つの自由度を有するジンバル・システムの組合せを使用する。ＤＥＭから得られる各選択された部分の中心の高度（すなわち高さ）と、ジンバル・システムが少なくとも２つの自由度を有するという事実によって、すべての軸での完全で微細な動き補償が可能になる。この構造によって、後で詳細に説明するように、従来技術の偵察システムと比較して優れた形で、航空機が急な操縦を実行できるようになる。さらに、本発明人は、凝視アレイの使用に起因して本発明のシステムで可能になるセンサの光に対するより長い露光時間（すなわち、より長い積分時間）に起因して、同一の区域画素をＮ回スキャンし、平均をとるＴＤＩ構造が本質的に不要であることに気付いた。本システムは、その代わりに、各区域部分の単一の「スナップショット」撮影を使用することができる。
【００８４】
図５は、本発明の偵察システムの動作原理を示す流れ図である。図５の流れ図では、関心領域、より具体的には関心領域の境界が定義されていることが前提である。本発明の好ましい実施形態では、結像される関心領域の第１部分の中心が、自動的に決定される。たとえば、関心領域が、マトリックスとして見られる場合に、第１部分は、最も遠い左端の部分であり、その中心が、ある事前定義の形によって自動的に選択される。次に、前に説明した画像の間のオーバーラップのある事前定義の範囲を満足するために、他のすべての区域部分の中心が、リアル・タイムで決定される。一方では結像の「穴」がないことを保証するために、他方では隣接する部分の画像の間に極端なオーバーラップが存在せず、必要より多くの画像が含まれないことを保証するために、範囲の定義が必要である。下で詳細に示すように、この手順には、ＤＥＭ３１０を使用することが含まれる。
【００８５】
ブロック５００で、最初に選択された部分の中心座標ｘ１；ｙ１が、ＤＥＭ５０１に供給され、ＤＥＭは、組ｘ１：ｙ１：ｚ１（ｚ１はｘ１；ｙ１での高度である）をサーボ制御ユニット３０５に伝える。サーボ制御ユニット３０５は、ＩＮＳからリアル・タイムの現在のアレイの中心の座標ｘａ：ｙａ：ｚａも受け取るが（ステップ５０４）、ステップ５０３で、アレイの中心と前記最初の部分の中心ｘ１：ｙ１：ｚ１の間で視線方向を確立するのに必要な角度および信号を計算する。信号が、ジンバル・サーボ・ユニットに伝えられ、ジンバル・サーボ・ユニットは、ステップ５０５で所望のＬＯＳ方向を確立する。ステップ５０６で、正しい方向の確立が完了したかどうかを判定する検査を行う。もちろん、これは、たとえば、好ましい事例でジンバル上の慣性センサを有するＩＮＳ５０４によって報告される、弾性または航空機の操縦に起因する方位の変化および航空機の進行による訂正を実行するために、非常に頻繁にすばやい形で繰り返される動的な動作である。ステップ５０７で、アレイ・コンポーネントによる光積分が行われる。同時に、積分期間中に、やはり航空機の進行およびその（より具体的にはジンバル・アレイの）方位の変化を考慮に入れるために、動き補償が行われる。この動作も、積分の時間中の高精度の動き補償を保証するために、繰り返してリアル・タイムで非常に頻繁に、通常は約１００Ｈｚで実行される。ステップ５０９で、積分期間が経過したかどうかを判定する検査を行う。積分期間の終りに、アレイによる光積分が終了し（ステップ５１１）、ステップ５０８の動き補償も、終了することができる（ステップ５１０）。ステップ５１２で、すべてのアレイ・センサが、同時にサンプリングされ（スナップショットの形で）、画像が記憶される。ステップ５１３で、既に撮られた画像によって関心領域のすべてがカバーされたかどうかを検査する。そうである場合には、処理が終了する（ステップ５１４）。しかし、まだ関心領域のすべてがカバーされてはいない場合には、この応用例では、次の区域部分のｘ：ｙ座標を仮定し（ステップ５１５）、この座標が、同一部分の中心の高度ｚを入手するためにＤＥＭに伝えられる。次の区域部分は、前の区域部分から、計算された行の幅に応じてトラックを横切って（同一行）またはトラックに沿って（新しい行）のいずれかで突き止めることができ、その結果、航空機の進行に遅れずに、最大ストリップ幅が達成される。次に、好ましい事例では（ステップ５１６）、シミュレーションを行って、前記ｘ：ｙ：ｚ座標に向ける時に画像が撮影される場合に、前の画像の区域と前記新しい画像の区域の間のオーバーラップする区域が、事前定義のオーバーラップ範囲（たとえば１０％と２０％の間のオーバーラップ）を満足するかどうかを判定する。オーバーラップが大きすぎるとわかった場合には、中心点を、前の部分の中心からわずかに遠くに位置決めする。しかし、オーバーラップが少なすぎるとわかった場合には、部分中心を、前の部分の中心からわずかに近くに位置決めする。このシミュレーションでは、ＤＥＭが使用され、ＤＥＭは、本質的に、すべてのグリッド節点での高度をも含むデジタル地図である。オーバーラップ問題を検査する時には高度が非常に重要なので、この目的でのＤＥＭの使用は有利である。１回または２回の繰り返されるシミュレーションの後で、新しい部分中心を判定できることがわかっている。説明したステップ５１６の整列は、好ましいが必須ではない。ステップ５１６から、この手順は、ステップ５１６で判定された部分中心の新しいｘ：ｙ：ｚ座標を使用してステップ５０３に継続され、関心領域のすべての部分のカバレッジが完了するまで、この手順が繰り返される。その後、システムは、望まれる場合に新しい関心領域のスキャンに切り替えることができる。部分オーバーラップの計算が簡単になり、スキャニング効率が高まるので、関心領域を順次の順番でスキャンすることが好ましいが、スキャニングは、他の事前定義の（またはそうでない）順序で実行することもできることに留意されたい。
【００８６】
前に述べたように、アレイを区域部分の中心に向け、航空機の移動および方位変化を補償する時に、関連する区域部分の高度が、高い精度を得るのに特に重要である。したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、デジタル・エレベーション・マップ（ＤＥＭ）すなわち関心領域のグリッドを含む３次元地図が、使用される。一般に、世界のほとんどどの区域についてもそのようなデジタル・エレベーション・マップを入手することに問題はなく、そのような情報は、市販されているか、その区域の地形図から抽出することができる。関心領域のＤＥＭは、偵察任務の前に、航空機システム、一般にＳＳＲ３にロードされる。
【００８７】
前に述べたように、従来技術、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６６８５９３号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９、米国特許第６１３０７０５号、および米国特許第６２５６０５７号に開示されたものなどの偵察システムは、順方向動き補償（ＦＭＣ）または動き補償（ＭＣ）全般の計算の間に、結像区域部分の地形の高度を直接には考慮していない。これらのシステムの一部、たとえば米国特許第５６９２０６２号、米国特許第６１３０７０５号に開示されたものなどは、地形変動のスミアリング効果を間接的に推定するのに画像対画像相関を使用し、オンチップ技法を使用してこれを修正するが、これらの技法は、前に説明したように短所を有し、したがって、以下の議論では検討しない。これらの短所に、使用可能な画像ごとに３つの連続する画像を撮影する必要、最初の２枚の画像のスミアリングに起因する限られた相関精度、連続する画像の間の大きい画素シフト、および３画像撮影処理中の変化するＶ／Ｒが含まれる。図９は、高度（すなわち高さ）要因の重要性を例示し、結像される地形の高度を直接にリアルタイムで考慮することの重要性を示す。一般に、従来技術の偵察システムでは、航空機ＩＮＳが、使用される時に、グローバル・システムに関する航空機の位置および高さを計算するが、写真を撮られる地形７５１の実際の形状が何であれ、それに関する知識を全く有しない。したがって、航空機７５０は、図示のように、全般的に海面レベルの、ある固定された地面レベル７５６を前提とする。ここで、偵察システムが、その中心がＡにある区域の写真を撮る場合に、露光時間中に、航空機７５０が、距離Ｄだけ進行する。偵察ＬＯＳ（視線方向）は、固定レベル７５６を仮定して点Ｃを指すように保たれ、したがって、露光時間中に点Ａから点Ｂにシフトし、山７５７について、大きさＡＢのスミアまたは誤差角度７５２が作られる。
【実施例１】
【００８８】
以下は、斜め前のシナリオすなわち、２５０ｍ／ｓの速度で飛行する航空機の、水平地盤に沿って航空機からシーンまで１０ｋｍの範囲、露光時間１０ｍｓ、山７５７が約１／２範囲（すなわち５ｋｍ）、航空機の高さ５ｋｍの、大きい変動を有する地形を撮影する時の従来技術システムの画素スミアを査定する数値の例である。したがって、ＬＯＳの角速度は、約１２．５ミリラジアン／ｓ（航空機速度／航空機高さ）×ＳＩＮ２（ＬＯＳ下降角度）であり、積分時間中の航空機の移動角度は１２．５×０．０１＝１２５マイクロラジアンである。したがって、角度７５２は、１２５マイクロラジアンであり、３０マイクロラジアンの通常の画素瞬間ＦＯＶ（ＩＦＯＶ）に関して、これは４画素を超えるスミアを意味する。
【００８９】
情況は、斜め横のシナリオでさらに悪くなり、この実施例では、角速度が、２５０／１００００＝２５ミリラジアン／ｓであり、結果のスミアは８画素である。
【００９０】
本発明のシステムでは、下の実施例で実証されるように、画素スミアがはるかに小さい。範囲Ｒおよび速度Ｖの不確実性に起因するＬＯＳ角速度の誤差は、次式によって計算される。
【００９１】
【数１】
2005528280.tif 000003
【００９２】
２００ｍ／ｓのＶｎｏｍ、１５ｋｍのＲｎｏｍ、２０°のＬＯＳ下降角度、１５％までの地形傾斜、０．０４５ｍ／ｓの通常のＩＮＳ速度誤差、２ミリラジアンの通常のＬＯＳ角度誤差、３０ｍの通常の航空機位置誤差、４２ｍの通常の航空機高さ誤差、および１５ｍの通常のＤＥＭ高さ誤差について、１６０ｍの範囲誤差と下記のＬＯＳ角速度誤差が計算された（すべての値は３σ）
【００９３】
【数２】
2005528280.tif 000004
【００９４】
１０ｍｓの積分時間中の画素スミアは、０．１４×０．０１＝１．４マイクロラジアンであり、これは、３０マイクロラジアンの通常のＩＦＯＶについて、小さいサブ画素スミアすなわち、画素の５％未満のスミアである。
【００９５】
下記のように、さまざまなタイプのスキャニングを、本発明のシステムで使用することができる。
ａ．順次マトリックス・スキャニング：関心領域の諸部分が、区域マトリックス内の順次順序に従って撮影される。
ｂ．選択スキャニング：任意の選択を事前に定義することができ、部分撮影が、それに従って実行される。
ｃ．手動撮影：区域部分の撮影が、パイロット選択に従って手動で実行される。
【００９６】
さらに、本発明のシステムによって、立体結像も入手できることに留意されたい。従来技術のシステム、特に米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、および米国特許第６２５６０５７号で開示されたシステムと異なって、本発明のシステムは、航空機がある区域部分に関してかなりの角度変位だけ進行した後にその区域部分を「再訪する」ことによって、立体効果を強化することができる。図７に、本発明によって立体画像がどのように構成されるかを示す。当技術分野で既知の通り、ある区域または物体の立体画像は、それぞれが区域または物体の実質的にオーバーラップする部分をカバーする２つの画像が、結像される区域に関して互いに十分に角度的に離れた２点の眺めから撮られる場合に、その２つの画像を使用することによって構成することができる。図７では、偵察航空機２００が、図示のルートで、左から右に飛行する。たとえば点Ａを通過する時に、航空機は、部分画像２０１、２０２、および２０３を、ジンバル上のアレイをこれらの部分に向けることによって順次撮影する。その後、航空機が、点Ｂに継続し、そこで、ジンバルが、もう一度、今回はＢの視点からの同一の区域部分の画像２０１’２０２’、および２０３’を対応して撮影するように向けられる。各区域部分のかなりの部分、たとえば約５６％が、点ＡおよびＢで撮られた画像内でオーバーラップする場合に、区域部分の立体画像を、既知の形で構成することができる。図からわかるように、本発明は、立体画像の構成に必要な画像を得る簡単、単純、かつコンパクトな形を提供する。偵察写真を解釈する時に、たとえば、同一区域部分の２つの画像を異なる光極性で表示し、偏光眼鏡を使用してディスプレイを見、一方の画像を左目、他方の画像を右目に向けることによって、立体効果を得ることができる。
【００９７】
本発明のより好ましい実施形態では、本発明の偵察システムによって、２つの慣性航法システムが使用される。より具体的に言うと、図６に示されているように、図４のＩＮＳ３０３に、２つの別々の慣性航法システムが含まれる。第１のＩＮＳは、通常はＧＰＳと組み合わされる航空機主ＩＮＳ６０４であり、第２のＩＮＳは、内部偵察ＩＮＳ６０３である。前に述べたように、ＩＮＳ３０３は、事前定義の好ましくはグローバル座標系に関する航空機の現在座標、前記グローバル座標系に関する航空機の方位に関する方位データなどのナビゲーショナル・データを提供するのに使用される。このデータは、非常に正確である必要があり、撮影される区域への正確な方向を保証するために継続的に更新されねばならず、航空機のすばやく急な操縦中であっても正確な動き補償を保証するために、優るとも劣らず重要である。この作業は、航空機の弾性に起因して、一部分が、非常に大きい加速度および非常に強い気流から悪影響を受けるので、さらなる複雑化を伴う。したがって、光感知センサのアレイを最もよく向け、航空機の動きを最もよく補償するために、本発明人は、事前定義のグローバル座標系に関するジンバルのナビゲーション・データおよび方位データを測定するために、ＩＮＳを偵察システムの内部、好ましくはジンバル自体の上に位置決めすることが必須であることを発見した。したがって、内部偵察ＩＮＳは、ジンバル上で、やはりジンバル上に位置決めされることが好ましいアレイの近くに位置決めされ、前記データを正確に測定することが好ましい。しかし、内部ＩＮＳは、サイズが限られなければならず、したがって、不正確さおよびドリフトをこうむる可能性があるので、本発明によれば、内部ＩＮＳ６０３は、航空機主ＩＮＳ６０４に接続される。主航空機ＩＮＳは、前に説明した従来技術のトランスファ・アライメント処理を使用して、可能なドリフトについて内部ＩＮＳを整列するために、ナビゲーショナル・データを用いて内部ＩＮＳを周期的に更新する。そのような形で、ジンバル・サーボのより広い帯域幅およびより高い精度が得られる。航空機ＬＯＳと偵察システムＬＯＳの間の機械的不整列の通常の値は、１０から２０ミリラジアンであり、整列されたジンバル上のＩＮＳは、この不整列を１から２ミリラジアンの精度で測定することができる。
【００９８】
区域部分が、通常は、従来技術のシステムのベクトルまたはアレイよりはるかに長い積分時間を用いて、通常は、本発明のシステムによって「スナップショット」の形で撮影されることに留意されたい。本発明のシステムでの通常の積分期間は、数ミリ秒程度であるが、米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６９２０６２号、および米国特許第６２５６０５７号などのベクトルを使用する従来技術のシステムでは、通常の積分期間が、２から３桁短く（すなわち、１００倍から１０００倍短い）、光に対するはるかに低い光子感度がもたらされる。これは、本発明が、各画素がすべての区域撮影時間中に光にさらされる、数百個または数千個の行および列を有するアレイを使用するという事実から生じる。１次元ベクトルを使用する従来技術のシステムでは、同一の撮影期間が、同一のベクトルの画素の間で分割され、この画素は、同一区域部分をカバーするために数百回または数千回露光されなければならない。さらに、本発明のシステムが、関心領域内の区域および部分の選択におけるより高い柔軟性を可能にするという事実によって、システムが扱わなければならない（すなわち、撮影され、記憶され、かつ／または通信手段によって転送される）データの量の大幅な削減が可能になる。より具体的に言うと、関心を持たれる部分および区域だけの画像が、本発明のシステムによって撮影される。
【実施例２】
【００９９】
以下は、押しぼうきまたは大きいサイズのアレイの偵察システムと比較した、本発明のシステムが処理する（すなわち、記憶、地上局への送信など）データの量の節約を示す実施例である。
・任務持続時間：２時間
・図１２に、このシナリオを示す。写真を撮られる面積に対する高優先順位の目標の面積：スナップ撮影に関して４０％。用語「スナップショット」は、本明細書では、すべてのアレイ画素が１区域部分からの光に同時に露光され、すべてのアレイ画素からのデータが前記露光の終りに同時に読み取られる形を指す；押しぼうきまたは大きいサイズのアレイの５％  ＬＯＳおよびＦＯＲ任務プラニングの効率に起因して（これは、関心領域内の高優先順位の目標をよりよく選択し、関心を持たれない区域部分を無視するために、本発明のシステムの能力から生じる仮定である）
・センサの非圧縮のデータ・スループット・レート：２０Ｍバイト／ｓ
・低圧縮レート：１：５
・高圧縮レート：１：１０
・スナップショット偵察のオーバーラップ面積（本発明による）：アロングトラックおよびアクロストラックのオーバーラップの合計４０％
・押しぼうきのオーバーラップ面積：２０％
【０１００】
総記録：
１．スナップショット撮影＝（２時間×６０×６０）×２０ＭＢ／ｓ×（０．４／５＋０．６／１０）×１．４＝２８ＧＢ
２．押しぼうき＝（２時間×６０×６０）×２０ＭＢ／ｓ×（０．０５／５＋０．９５／１０）×１．２＝１８ＧＢ
【０１０１】
前に述べたように、スナップショット撮影偵察（本発明による）について得られる高優先順位目標の数は、押しぼうきまたは大きいサイズのアレイの偵察より４０％／５％＝８倍多く、したがって、任務の全体的効率は、本発明のシステムによるスナップショット撮影が、８×（１８／２８）＝５．１倍よい。
【０１０２】
これは、効率の大きい向上である。
【０１０３】
本明細書で、本発明の偵察システムが、少なくとも２つの自由度を有するジンバルを使用して光感知センサの１つまたは複数のアレイのＬＯＳを向けることによって、区域全体をカバーするまで区域部分の画像を得るためにステップ単位で系統的に正確な形で順次スキャンされる複数の区域部分に好ましくはリアルタイムで分割される任意の形状の関心領域の定義を可能にすることに留意されたい。本発明のシステムは、特定の関心領域の効率的なカバーリングを可能にするだけではなく、従来技術、たとえば米国特許第５１５５５９７号、米国特許第５６６８５９３号、米国特許第５６９２０６２号、ＷＯ９７／４２６５９、米国特許第６１３０７０５号、および米国特許第６２５６０５７号などの偵察システムで必要な、順方向動き補償の専用の手段を設ける必要をなくす。少なくとも２つの自由度を有するジンバルを使用してアレイのＬＯＳを向けることによって、および「露光」中に選択された区域部分への方向を継続的に訂正することによって、前向きの軸に関する順方向動き補償が提供されるだけではなく、３つのすべての軸に関する改善された動きおよび方位の補償を提供するための地形の３次元形状に対する考慮も行われる。この事実は、航空機の急な広範囲の操縦を可能にするので、特に重要である。さらに、航空機が関心領域に関してまたは前記区域内のどの部分に関してどこに位置するか、およびどの方位であるかに無関係に、このシステムは、そのような区域部分の適当な画像を得る手段を提供する（航空機本体からの遮りがないと仮定して）
【実施例３】
【０１０４】
本発明は、下記のパラメータを用いて成功裡に実施された：
航空機ポッド構成
画素の数：可視アレイ：２０００×２０００、ＩＲアレイ  ６４０×４８０
積分時間：１から１５ｍｓ
動作範囲：３０ｋｍまで、１０ｋｍまでの高さ
スナップショット・レート：毎秒３枚、両方のセンサ・アレイが同時に動作
：ＦＯＲ：後ろに向かう円錐の±３０°を除く、全球面カバレッジ
スキャニングおよびオーバーラッピング処理の実際のシミュレーションの結果である図１１および図１１Ａも参照されたい。
【０１０５】
前に述べたように、上で説明した本発明の実施形態では、区域スキャニング動作が、まずアレイのＬＯＳの中心を関連する区域部分の中心に向けるジンバルによって実行され、次に、区域部分から来る光へのアレイの露光が行われ（すなわち、アレイが区域部分からの光の積分を開始し）、露光期間の終りに、区域部分の画像が撮影される。次に、アレイのＬＯＳが、次の区域部分の中心に向けられ、積分および撮影の手順が繰り返される。この手順が、関心領域のすべての区域部分について繰り返される。より具体的に言うと、上の実施形態で、ジンバルは、関心領域のスキャン中に「ジャンプする」形で動作し、これによって、ジンバルが、まず、事前定義の区域部分への整列が得られるまで移動し、次に、ジンバルが、露光期間中は静止し（動き補償の動きを除く）、次に、ジンバルが、次の区域部分などの中心にアレイを向けるためにもう一度移動する。このタイプの動作は、比較的重いジンバルの加速−減速および停止に時間がかかるので、実施例３に示されているように毎秒のスナップショットの数において制限される。
【０１０６】
本発明のもう１つの実施形態によれば、スキャニング効率が、図９に示されているようにバックスキャニング機構を使用することによって改善される。前に述べたように、「ジャンプする」タイプのスキャンでは、アレイおよびそれに関連する光学系が、好ましくは内部ジンバルに位置決めされ、これらのすべてが、前記内部ジンバルに関して固定される。本発明の改善されたバックスキャニング実施形態では、バックスキャニング・アレイ・アセンブリ８６０が、内部ジンバルに取り付けられる。アセンブリには、本質的に、レンズ８６１および８６２、静止鏡８６４、ならびに小慣性の単一軸または二重軸のバックスキャニング回転鏡またはプリズム８６３が含まれる。バックスキャニング回転鏡は、専用のモータに取り付けられる。バックスキャニング法では、区域部分のスキャンが、継続的に実行される、または、言い換えると、ジンバルが、高いＬＯＳ角速度で関心領域の列（または行）を継続的にスキャンし、このスキャンの動きは、上で述べたように、方向整列および動き補償の上に加わる。区域部分の中心への正確な整列が得られた時に、必ず、光積分（アレイの露光）期間が開始され、バックスキャニング鏡８６３が、積分期間中だけ、角速度の半分で反対方向への角度移動を維持することによって、ジンバルのスキャンする継続的な動きを補償する。図１０を参照すると、ジンバルが、方向８７０でのスキャンする一定角度の慣性速度を維持する場合に、バックスキャニング鏡８６３は、積分期間中に（のみ）、その角速度の半分で反対方向８８０に回転する。この形で、区域部分が、アレイ３０５で静止状態に保たれる。積分（露光）期間の終りに、鏡８６３は、新しい積分期間まで、その初期位置に戻り、新しい積分期間には、鏡の同一の一定の動きが繰り返される。バックスキャニングによって、ジンバルが、スナップショットごとに停止する必要なしに、より高い速度で移動できるようになる。ジンバルの停止は、高い加速度／減速度およびジンバルおよびそのペイロード（すなわちセンサ）の大きい慣性質量に起因して、デューティ・サイクル時間のほとんどを消費する。バックスキャニング鏡は、はるかに小さい慣性質量のおかげで、はるかにすばやく移動することができる。
【実施例４】
【０１０７】
バックスキャニング鏡の角度範囲は、非常に小さい。たとえば、ジンバルが６０°／ｓで移動し、露光時間が１０ｍｓである場合に、バックスキャニング鏡の角度変位は、６０×０．０１＝０．６°であり、これは非常に小さい。
【０１０８】
通常の比較：バックスキャニングなしのジンバルを使用することによって、通常の設備（たとえば実施例３）で毎秒３フレームのスナップショット・レートが可能になる。３°の視野に関する平均ジンバル速度は、約３×３＝９°／ｓになる。その一方で、バックスキャニングを使用すると、ジンバルは、６０°／ｓの速度で移動することができ、６０／３＝２０スナップショット／ｓがもたらされ、これは、６倍以上高速のレートである。最大許容可能レートは、センサの電子フレーム・レートによって制限され、これは、通常は、３０または６０Ｈｚであり、したがって、２０Ｈｚより高速である。
【０１０９】
図８および図８Ａに、本発明が従来技術の偵察システムに対して有利である特定の事例を示す。航空機７００が、山の間に配置された、２つの柱７０５の画像およびハイウェイ７１０の画像を入手する任務を有すると仮定する。従来技術の偵察システムでは、カメラ（すなわち、光感知要素のベクトル）が、限られたＦＯＲを有して本質的に固定され、航空機は、点Ｑ（線７０１および線７０２によって制限された視野を有する）から、第１（右）の山の点Ｂと点Ｄの間の区域および第２（左）の山の点Ａと点Ｃの間の区域だけをカバーすることができる。２つの柱７０５およびハイウェイ７１０の画像は、得られない。長距離斜め写真（ＬＯＲＯＰ）では、航空機が、ページに向かって飛び、ＬＯＳが、小さいＬＯＳ下降角度に起因する実質的な掩蔽を有して斜め横になる。しかし、従来技術の押しぼうきまたは手ぼうきシステムの場合のように、カメラが固定されない場合に、カメラの視野の移動と地形の形状の間の同期がないので、柱７０５およびハイウェイ７１０の完全なカバレッジの保証もない。本発明によれば、この問題が、簡単に解決される。任務の準備および関心領域の分割の間に、関心領域の中心になる座標を選択し、ＬＯＳがシステムのＦＯＲ内にある限り、事前定義のまたは手動で選択される航空機の位置から偵察システムがそのアレイのＬＯＳをこれらの選択された座標に向けるようにプログラムすることが可能である。したがって、図８Ａに示されているように、位置Ｒにいる間に、アレイのＬＯＳを前に、点Ｆと点Ｅの間の区域をカバーするように向けることができ、その後点Ｓに達する間に、アレイのＬＯＳを、後ろに、点Ｇと点Ｈの間の区域をカバーするように向けることができる。その場合に、２つの柱７０５およびハイウェイの画像全体を含む山の間の区域全体を得ることができる。線７１１および線７１２は、点Ｒからの偵察システムのフィールド・オブ・リガードの限度を示し、線７２１および線７２２は、点Ｓからの偵察システムのフィールド・オブ・リガードの限度を示す。
【０１１０】
図１１は、区域部分の間のあるオーバーラップを含む、丘陵地形５６０およびその区域部分への分割を示す透視図である。図からわかるように、図１１は、１つの区域部分が航空機５６１によって撮影される段階であり、別の区域部分５６４が同一の航空機によって撮影される、後の段階である。図１１Ａは、同一の地形の平面図であり、矢印５６５によって示される、航空偵察システムによる関心領域のスキャンの形を示す。
【０１１１】
要約すると、本発明は、従来技術のシステムに対する下記の主要な長所を特徴とする。
・大きいフィールド・オブ・リガード（ＦＯＲ）内で任意のＬＯＳ方向で写真を撮る能力。この能力を有するために（たとえば、斜め前、斜め横、下、および任意の注視）、従来技術の偵察は、別々の光感知ユニットまたは複数の別々のポッドを必要とする。本発明のこの能力によって、記憶要件を減らして、任務中により多くの目標（すなわち区域部分）のカバレッジが可能になる。
・大きいＦＯＲ内の任意の航空機飛行方向で写真を撮る能力。
・航空機の進行中に、長い持続時間で選択的な高品質の目標に焦点を合わせ、最高の品質で多数の写真を撮る能力。任務区域全体が記録されるのではなく、選択的な部分だけが記録され、したがって、記憶装置が節約される。
・遮りが生じないようにＬＯＳを向けることによる、大きい変動を有する地形で写真を撮る能力。
・航空機が操縦されている間に写真を撮り、したがって任務の柔軟性および航空機の生存性を高める能力。
・同一の任務で手動でまたは自動的に動作する能力。
【０１１２】
本発明のいくつかの実施形態を、例として説明したが、本発明の趣旨から逸脱せず、請求の範囲を超えずに、当業者の範囲内の多数の同等解決策または代替解決策を使用して、多数の修正、変形、および適合を伴って本発明を実行できることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の一実施形態による、ポッド内で組み立てられた偵察システムの全般的な構造を示す図である。
【図１Ａ】本発明のもう１つの実施形態を示す図である。この構成では、偵察システムが、航空機本体内のペイロードとして組み立てられる。
【図２】本発明の一実施形態によるジンバル・システムの機械的構造を示す図である。
【図３】本発明のシステムに特有の動作の複数のモードを示す図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による複数の区域部分に分割された関心領域を示す図である。
【図３Ｂ】本発明のシステムによって可能な複数の凝視モードを示す図である。
【図４】本発明の偵察システムの動作を示すブロック図である。
【図５】本発明の偵察システムの動作原理を示す流れ図である。
【図６】航空機の主ＩＮＳおよび本発明の偵察システムの専用ＩＮＳを含む、本発明のＩＮＳシステムの構造を示す図である。
【図７】本発明のシステムによって立体画像がどのように構成されるかを示す図である。
【図８】従来技術のシステムが偵察任務の実行に必要である特殊な場合を示す図である。
【図８Ａ】本発明のシステムが図８Ａと同一の偵察任務をどのように実行するかを示す図である。
【図９】偵察任務を実行する時の高度要因の重要性を例示し、より具体的には、結像される地形の高度を直接にリアルタイムで考慮することの重要性を示す図である。
【図１０】本発明のシステムによるバックスキャニング鏡の使用を示す図である。
【図１１】本発明のシステムによって実行される、区域部分の間のあるオーバーラップを含む、丘陵地形およびその区域部分への分割を示す透視図である。
【図１１Ａ】図１１の地形の平面図であり、本発明の航空偵察システムによる前記地形のスキャンの形を示す図である。
【図１２】本発明のシステムが、どのようにして選択的目標の写真を撮り、それによって処理されるデータの量を大幅に減らすかを示す例を示す図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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