(57)【要約】【課題】外乱や観測ノイズが変化しても高い精度で制御が可能な追尾装置を提供する。【解決手段】コントローラ５は、追尾誤差に応じて追尾機構１を駆動して動的な追尾制御を行う。追尾センサ４は追尾対象を観測して追尾誤差を求める。センサノイズ測定手段７は、追尾誤差から観測ノイズを推定する。外乱測定手段６は、センサノイズ測定手段７で得られた推定観測ノイズと追尾誤差とから外乱を推定する。コントローラ調整手段８は、外乱測定手段で得られた推定外乱と推定観測ノイズとに応じてコントローラ５を調整する。【選択図】      図１
2005020542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
追尾対象を追尾センサで観測して得られた追尾誤差に応じてコントローラから追尾機構を駆動して動的な追尾制御を行う追尾装置において、
前記追尾誤差から観測ノイズを推定するセンサノイズ測定手段と、
前記センサノイズ測定手段で得られた推定観測ノイズと前記追尾誤差とから外乱を推定する外乱測定手段と、
前記外乱測定手段で得られた推定外乱と前記推定観測ノイズとに応じて前記コントローラを調整するコントローラ調整手段とを有することを特徴とする追尾装置。
【請求項２】
前記センサノイズ測定手段は、前記追尾誤差をフィルタリングして高周波成分を抽出し、該高周波成分から観測ノイズを推定することを特徴とする、請求項１に記載の追尾装置。
【請求項３】
前記追尾対象が光ビームである、請求項１または２に記載の追尾装置。
【請求項４】
追尾対象である光ビームを追尾センサで観測して得られた追尾誤差に応じてコントローラから追尾機構を駆動して前記光ビームを追尾し、受信機にて受光する追尾装置において、
前記受信機における前記光ビームの受光強度から観測ノイズを推定するセンサノイズ測定手段と、
前記センサノイズ測定手段で得られた推定観測ノイズと前記追尾誤差とから外乱を推定する外乱測定手段と、
前記外乱測定手段で得られた推定外乱と前記推定観測ノイズとに応じて前記コントローラを調整するコントローラ調整手段とを有することを特徴とする追尾装置。
【請求項５】
前記外乱測定手段は、前記追尾誤差から前記観測ノイズおよび前記外乱を合わせた擾乱を推定し、得られた推定擾乱と前記推定観測ノイズとから外乱を推定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項６】
前記コントローラは、択一的に用いられる複数のコントローラモジュールを含み、
前記コントローラ調整手段は、前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱に応じて、いずれかのコントローラモジュールを選択することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項７】
前記コントローラ調整手段は、前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱に応じて前記コントローラにおけるコントロールパラメータを選択することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項８】
前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱が周波数分布で示される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項９】
前記追尾対象が宇宙航行体間、前記宇宙航行体と地上局との間、前記地上局間の通信に用いられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の追尾装置。
【請求項１０】
前記追尾装置が人工衛星に搭載されることを特徴とする、請求項９記載の追尾装置。
【請求項１１】
前記追尾装置は、地上局から送られてくる複数のコントロールパラメータの一覧データを受信するコントロールパラメータ受信手段をさらに有し、
前記コントローラ調整手段は、前記コントロールパラメータ受信手段にて新たな前記一覧データが受信されると、新たな該一覧データ内のいずれかのコントロールパラメータを前記推定外乱および前記推定観測ノイズに基づいて選択して前記コントローラに与えることにより前記コントローラを調整する、請求項１０に記載の追尾装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、追尾装置に関し、特に、衛星間光通信システムにおいて光ビームを追尾する追尾装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星間光通信システムにおいて光ビームを追尾する追尾装置は、長距離の光リンクを安定して確保するため、通信相手となる人工衛星（以下、相手局と称す）からの光ビームを常に高精度で追尾し続ける必要がある。
【０００３】
この種の追尾装置としては、相手局からの光ビームを、角度制御可能なミラーで反射した後に受信機で受信しており、相手局からの光ビームの光軸のズレを補正するようにミラーの方向を制御する追尾装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１０は、従来の追尾装置の基本的な構成の一例を示すブロック図である。この追尾装置は、衛星間光通信システムにおいて相手局からの光ビームを追尾し、信号を継続的に受信できるように動作する。
【０００５】
図１０を参照すると、従来の追尾装置は、追尾機構１、ミラー２、受信機３、追尾センサ４、レンズ９，１０、ビームスプリッタ１１、およびコントローラ１０５を有している。
【０００６】
追尾機構１は、コントローラ１０５からの制御に従ってミラー２を駆動し、ミラー２の光ビームを反射する方向を選択する。
【０００７】
ミラー２は、相手局からの光ビームを反射し、ビームスプリッタ１１およびレンズ９を介して受信機３に送る。
【０００８】
受信機３は、相手局からの光ビームの信号を受信する。
【０００９】
ビームスプリッタ１１は、ミラー２で反射された光ビームを分光し、一部を受信機３に送り、他の一部を追尾センサ４に送る。
【００１０】
レンズ９は、ビームスプリッタ１１で分光された光ビームを集光して受信機３に送る。
【００１１】
レンズ１０は、ビームスプリッタ１１で分光された光ビームを集光して追尾センサ４に送る。
【００１２】
追尾センサ４は、レンズ１０を介して受けた光ビームから光軸のズレを追尾誤差として検出し、それを示す追尾誤差信号をコントローラ１０５に送る。光軸のズレは、例えば、基準光軸鉛直面内にある直交する２軸の各方向の角度ズレθｘ、θｙとして表される。
【００１３】
コントローラ１０５は、追尾センサ４から与えられた追尾誤差すなわち光軸のズレを修正するようにミラー２の方向を制御する。
【００１４】
この種の衛星間光通信システムの追尾装置では、様々な外乱が加わり、それが追尾誤差の原因となっている。例えば、人工衛星の姿勢角変動、ホイールなどの衛星可動部や他の衛星搭載機器から追尾機構１に伝播する振動などが追尾装置への外乱となる。一般に、外乱は、低周波成分が大きなものとなっている。
【００１５】
また、この種の追尾装置では、追尾センサ４による追尾誤差の検出において観測ノイズが避けられない。この観測ノイズは、主にセンサの熱雑音に起因しており、周波数に対して一様なランダムノイズである。
【００１６】
そのため、追尾センサ４からコントローラ１０５に与えられる追尾誤差には、外乱に起因する成分と観測ノイズに起因する成分とが含まれている。
【００１７】
このような追尾装置において追尾誤差、外乱、および観測ノイズには式（１）のような相互関係がある。
【００１８】
【数１】
2005020542.tif 000003
ここで、ｅは追尾誤差、ｄは外乱、ｎは観測ノイズであり、Ｔは閉ループ伝達関数、Ｓは感度関数である。閉ループ伝達関数Ｔは、制御帯域にカットオフが存在するローパスフィルタ特性を有している。感度関数Ｓは、制御帯域にカットオフが存在するハイパスフィルタ特性を有している。そして、閉ループ伝達関数Ｔと感度関数Ｓとは式（２）のような関係がある。
【００１９】
【数２】
2005020542.tif 000004
図１０に示した従来の追尾装置は、このような追尾誤差をゼロに近づけるように常にミラー２の角度を制御することにより受信機３にて受光される光パワーを最大に保ち、安定した衛星間光リンクを維持している。
【００２０】
また、衛星間光通信システムでは供給される電力が制限されるため、できる限り低出力のレーザで遠距離通信を実現することが望ましい。そのために相手局の送信出力は極力小さく抑えられる。相手局の送信出力が小さく抑えられると追尾センサ４での受光量が小さくなるので観測ノイズの影響が無視できなくなる。そうなると、追尾センサ４からコントローラ１０５に与えられる追尾誤差に占める、外乱に起因する成分の割り合いが下がり、観測ノイズに起因する成分の割り合いが上がる。
【００２１】
このような条件下で、追尾誤差に占める割り合いが低い外乱を高精度で補正するために制御帯域を拡大することが考えられる。しかし、制御帯域を拡大すると、式（１）に用いられている閉ループ伝達特性Ｔのカットオフが高くなるので、追尾センサ４の観測ノイズが増大してしまう。逆に、追尾センサ４における観測ノイズの混入を低減するために制御帯域を狭めると、感度関数Ｓのカットオフが低くなるので、外乱に起因する追尾誤差が増加する。
【００２２】
そこで、従来の追尾装置では、追尾機構１に対する外乱に起因する成分（式（１）における“Ｓ・ｄ”）と、追尾センサ４における観測ノイズに起因する成分（式（１）における“Ｔ・ｎ”）とを見積り、それらの見積り値をバランスさせて追尾誤差（式（１）における“ｅ”）を最小に制御できるような制御帯域を予め設定しておく。従来の追尾装置は、その制御帯域を用いることにより追尾の精度を高めている。
【００２３】
【特許文献１】
特開２０００−６８９３４号公報
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
外乱に起因する成分と観測ノイズに起因する成分の実際の値が見積り通りであれば、従来の追尾装置は高精度で光ビームを追尾することができる。
【００２５】
しかし、打上後の人工衛星の状態の変化や、外乱源である搭載機器の動作の状態の変化などにより、外乱の量やその周波数成分が変化することがある、そのため、外乱に起因する成分の実際の値が見積り値と合わなくなることがある。そうなると外乱に起因する成分と観測ノイズに起因する成分とのバランスが崩れてしまう。したがって、見積り値に基づく制御帯域が必ずしも最適値であるとは限らず、従来の追尾装置では、十分に高い精度の補正が行われないことがあった。
【００２６】
また、人工衛星打上後の光源、光学系、追尾センサ４などの状態の変化や、背景光の変化、衛星間距離の変化などにより、追尾センサ４における観測ノイズの量やその周波数成分も変化するので、実際の観測ノイズも見積り通りとならないことがある。その場合も、外乱に起因する成分と観測ノイズに起因する成分とのバランスが崩れ、十分な精度の補正が行われないことがあった。
【００２７】
本発明の目的は、外乱や観測ノイズが変化しても高い精度で制御が可能な追尾装置を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の追尾装置は、追尾対象を追尾センサで観測して得られた追尾誤差に応じてコントローラから追尾機構を駆動して動的な追尾制御を行う追尾装置において、
前記追尾誤差から観測ノイズを推定するセンサノイズ測定手段と、
前記センサノイズ測定手段で得られた推定観測ノイズと前記追尾誤差とから外乱を推定する外乱測定手段と、
前記外乱測定手段で得られた推定外乱と前記推定観測ノイズとに応じて前記コントローラを調整するコントローラ調整手段とを有することを特徴としている。
【００２９】
したがって、本発明によれば、センサノイズ測定手段が追尾誤差から観測ノイズを推定し、外乱測定手段が追尾誤差および観測ノイズの推定値から外乱を推定し、コントローラ調整手段が観測ノイズおよび外乱の推定値からコントローラを最適に調整する。
【００３０】
また、前記センサノイズ測定手段は、前記追尾誤差をフィルタリングして高周波成分を抽出し、該高周波成分から観測ノイズを推定することとしてもよい。
【００３１】
したがって、追尾誤差の高周波成分から観測ノイズを推定するので、低周波の外乱成分が良好に除去され、観測ノイズ成分が良好に推定される。
【００３２】
また、前記追尾対象が光ビームであってもよい。
【００３３】
本発明の他の追尾装置は、追尾対象である光ビームを追尾センサで観測して得られた追尾誤差に応じてコントローラから追尾機構を駆動して前記光ビームを追尾し、受信機にて受光する追尾装置において、
前記受信機における前記光ビームの受光強度から観測ノイズを推定するセンサノイズ測定手段と、
前記センサノイズ測定手段で得られた推定観測ノイズと前記追尾誤差とから外乱を推定する外乱測定手段と、
前記外乱測定手段で得られた推定外乱と前記推定観測ノイズとに応じて前記コントローラを調整するコントローラ調整手段とを有することを特徴としている。
【００３４】
したがって、追尾センサでの追尾誤差より信号対ノイズ比の良い受信機での受光強度を用いて観測ノイズを推定することができる。
【００３５】
また、前記外乱測定手段は、前記追尾誤差から前記観測ノイズおよび前記外乱を合わせた擾乱を推定し、得られた推定擾乱と前記推定観測ノイズとから外乱を推定することとしてもよい。
【００３６】
したがって、追尾誤差から推定される擾乱の総和量と、観測ノイズから外乱を推定するので、外乱が良好に推定される。
【００３７】
また、前記コントローラは、択一的に用いられる複数のコントローラモジュールを含み、
前記コントローラ調整手段は、前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱に応じて、いずれかのコントローラモジュールを選択することとしてもよい。
【００３８】
したがって、コントローラモジュールを切り換えることでコントローラの構造そのものを変更できる。
【００３９】
また、前記コントローラ調整手段は、前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱に応じて前記コントローラにおけるコントロールパラメータを選択することとしてもよい。
【００４０】
したがって、コントローラ調整手段が観測ノイズおよび外乱の双方の推定値をバランスさせる最適なコントロールパラメータを選択する。
【００４１】
また、前記推定観測ノイズおよび前記推定外乱が周波数分布で示されるものであってもよい。
【００４２】
したがって、推定外乱と推定観測ノイズの周波数分布を用いて、周波数帯域毎に最適なコントロールパラメータを用いることができるので、外乱と観測ノイズの大きさから、周波数帯域に対して一定のコントロールパラメータを用いる場合に比べ、より詳細に最適なコントロールパラメータで高精度の追尾制御が可能である。
【００４３】
また、前記追尾対象が宇宙航行体間、前記宇宙航行体と地上局との間、前記地上局間の通信に用いられることとしてもよい。
【００４４】
また、前記追尾装置が人工衛星に搭載されることとしてもよい。
【００４５】
また、前記追尾装置は、地上局から送られてくる複数のコントロールパラメータの一覧データを受信するコントロールパラメータ受信手段をさらに有し、
前記コントローラ調整手段は、前記コントロールパラメータ受信手段にて新たな前記一覧データが受信されると、新たな該一覧データ内のいずれかのコントロールパラメータを前記推定外乱および前記推定観測ノイズに基づいて選択して前記コントローラに与えることにより前記コントローラを調整することとしてもよい。
【００４６】
したがって、打上げ後の人工衛星の追尾装置に地上局から一覧データを送ることができるので、人工衛星を打上げる前に設計したコントローラパラメータを、打ち上げ後に再設計したコントローラパラメータに入れ替えることができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４８】
図１は、第１の実施形態の追尾装置の構成を示すブロック図である。図１を参照すると、第１の実施形態の追尾装置は、追尾機構１、ミラー２、受信機３、追尾センサ４、コントローラ５、外乱測定部６、センサノイズ測定部７、コントローラ調整部８、ミラー９，１０、およびビームスプリッタ１１を有している。
【００４９】
追尾機構１は、コントローラ５からの制御に従ってミラー２を駆動し、ミラー２の光ビームを反射する方向を選択する。
【００５０】
ミラー２は、相手局からの光ビームを反射し、ビームスプリッタ１１およびレンズ９を介して受信機３に送る。
【００５１】
受信機３は、相手局からの光ビームの信号を受信する。
【００５２】
ビームスプリッタ１１は、ミラー２で反射された光ビームを分光し、一部をレンズ９に送り、他の一部を追尾センサ４に送る。
【００５３】
レンズ９は、ビームスプリッタ１１で分光された光ビームを集光して受信機３に送る。
【００５４】
レンズ１０は、ビームスプリッタ１１で分光された光ビームを集光して追尾センサ４に送る。
【００５５】
追尾センサ４は、レンズ１０を介して受けた光ビームから光軸のズレを追尾誤差として検出し、それを示す追尾誤差信号をコントローラ１０５に送る。光軸のズレは、例えば、基準光軸鉛直面内にある直交する２軸の各方向の角度ズレθｘ、θｙとして表される。
【００５６】
コントローラ５は、コントローラ調整部８から与えられたコントロールパラメータを用い、追尾センサ４から与えられた追尾誤差すなわち光軸のズレを修正するように、追尾機構１に追尾機構駆動信号を与えてミラー２の方向を制御する。
【００５７】
コントロールパラメータとは、追尾機構１に対する外乱と、追尾センサ４における観測ノイズとをバランスさせ、コントローラ５において追尾誤差を最小に制御できるように調整するためのパラメータであり、例えば、制御帯域、制御帯域付近における位相特性を改善する位相進みあるいは遅れフィルタの中心周波数、積分補償の折れ点周波数、誤差圧縮フィルタのフィルタ帯域、オブザーバ帯域などである。
【００５８】
追尾機構駆動信号とは、追尾機構１を駆動するための信号であり、例えば、直交する２軸の各々に対するミラー２の回転角を示している。
【００５９】
センサノイズ測定部７は、追尾センサ４からの追尾誤差信号に基づき観測ノイズを推定する。
【００６０】
図２は、センサノイズ測定部の構成を示すブロック図である。図２を参照すると、センサノイズ測定部７は、ハイパスフィルタ２１およびノイズ成分検出部２２を有している。
【００６１】
ハイパスフィルタ２１は、追尾センサ４からの追尾誤差信号をフィルタリングして高周波成分を抽出する。ハイパスフィルタ２１の出力は、観測ノイズだけが抽出されたノイズ分離信号である。
【００６２】
ノイズ成分検出部２２は、ノイズ分離信号を一定時間周期で２乗平均処理し、フィルタリングおよび制御ループで欠落した周波数成分を補正して観測ノイズの推定値（推定観測ノイズ量）を求め、外乱測定部６およびコントローラ調整部８に与える。
【００６３】
なお、本実施形態では、センサノイズ測定部７から外乱測定部６およびコントローラ調整部８に推定観測ノイズ量を与えることとしたが、本発明はそれに限定されない。その他に、例えば、ノイズ成分検出部２２がハイパスフィルタ２１からの推定観測ノイズ量をフーリエ変換処理によって周波数分析し、フィルタリングおよび制御ループで欠落した周波数成分を補正し、その結果として得られる周波数に対する観測ノイズ成分の分布（推定観測ノイズ周波数分布量）を外乱測定部６およびコントローラ調整部８に与えることとしてもよい。
【００６４】
外乱測定部６は、追尾センサ４からの追尾誤差信号と、センサノイズ測定部７からの推定観測ノイズ量とから追尾機構１に対する外乱を推定する。
【００６５】
図３は、外乱測定部の構成を示すブロック図である。図３を参照すると、外乱測定部６は、擾乱成分検出部２３および外乱成分検出部２４を有している。
【００６６】
擾乱成分検出部２３は、追尾センサ４からの追尾誤差を２乗平均処理し、フィルタリングおよび制御ループで欠落した周波数成分を補正することにより外乱成分と観測ノイズ成分の総和量の推定値（推定擾乱量）を求め、外乱成分検出部２４に与える。
【００６７】
外乱成分検出部２４は、擾乱成分検出部２３からの推定擾乱量と、センサノイズ測定部７からの推定観測ノイズ量とから外乱を推定する。推定擾乱量の分散をσｙ、推定観測ノイズ量の分散をσｎとすれば、推定外乱量の分散σｄは、一例として式（３）を用いて求めることができる。推定外乱量ｄはリアルタイムの推定が困難だが、その代替として分散値σｄを用いることができる。
【００６８】
【数３】
2005020542.tif 000005
なお、本実施形態では、外乱測定部６からコントローラ調整部８に推定外乱量を与えることとしたが、本発明はそれに限定されない。例えば、センサノイズ測定部７から外乱測定部６へ推定観測ノイズ周波数分布量を与え、外乱測定部６からコントローラ調整部８に推定外乱周波数分布量を与えることとしてもよい。擾乱成分検出部２３は、追尾誤差信号をフーリエ変換処理によって周波数分析し、制御ループで欠落した周波数成分を補正し、周波数に対する擾乱量の分布（推定擾乱周波数分布量）を求める。外乱成分検出部２４は、推定擾乱周波数分布量と推定観測ノイズ周波数分布量とから、周波数に対する外乱成分の分布を推定外乱周波数分布量として求めてもよい。
【００６９】
コントローラ調整部８は、外乱測定部６からの推定外乱量と、センサノイズ測定部７からの推定観測ノイズ量とに基づいて最適なコントロールパラメータを求め、コントローラ５に与える。
【００７０】
図４は、コントローラ調整部の構成を示すブロック図である。図４を参照すると、コントローラ調整部８は、コントローラパラメータ選択部３１、コントローラパラメータ記憶部３２、およびコントローラパラメータ設定部３３を有している。
【００７１】
コントローラパラメータ記憶部３２は、外乱量と観測ノイズ量の対に対応して予め定められた最適なコントロールパラメータの一覧データを記憶している。
【００７２】
コントローラパラメータ選択部３１は、外乱測定部６からの推定外乱量とセンサノイズ測定部７からの推定観測ノイズ量とを用いてコントローラパラメータ記憶部３２の一覧データを検索して最適なコントロールパラメータを取得し、コントロールパラメータ設定部３３に送る。
【００７３】
コントローラパラメータ設定部３３は、コントロールパラメータ選択部３１から受けたコントロールパラメータを記憶するとともにコントローラ５に通知する。
【００７４】
本実施形態では、外乱量と観測ノイズ量から最適なコントロールパラメータを求める例を示したが、本発明はそれに限定されない。その他に、例えば、外乱量と観測ノイズ量の大きさに加え、外乱量と観測ノイズ量の周波数帯域に応じて最適なコントロールパラメータを変えることとしてもよい。その場合、推定外乱量と推定観測ノイズ量の周波数分布を用いて、周波数帯域毎に最適なコントロールパラメータを得ることができる。そうすれば、外乱量と観測ノイズ量の大きさだけで最適なコントロールパラメータを定める場合に比べて詳細にコントロールパラメータを設定することができる。
【００７５】
本実施形態の追尾装置の動作について説明する。
【００７６】
追尾機構１は、コントロールパラメータの初期値を用いて動作するコントローラ５から与えられた追尾機構駆動信号に従ってミラー２を駆動する。相手局からの光ビームの一部は、追尾機構１のミラー２で反射されレンズ９で集光されて受信機３で受信される。ビームスプリッタ１１で分光された光ビームの一部はレンズ１０で集光されて追尾センサ４に与えられる。追尾センサ４は、光ビームから、光軸のズレ（追尾誤差）を検出し、追尾誤差信号としてコントローラ５、外乱測定部６、およびセンサノイズ測定部７に与える。
【００７７】
追尾機構１に加わる外乱と追尾センサ４の観測ノイズとがともにコントローラ５を設計した際に想定した通りであれば、コントロールパラメータの初期値により、外乱に起因する追尾誤差と観測ノイズのバランスが保たれ、コントローラ５は最適な制御を行うことができ、受信パワーの大きな安定した光リンクが維持される。
【００７８】
しかし、人工衛星を打上げた後に衛星の状態が変化したり、衛星間距離が変化するなどして、外乱または観測ノイズの量、あるいはそれらの周波数成分がコントローラ５を設計した際に想定したものと異なっていれば、コントロールパラメータの初期値では外乱と観測ノイズのバランスがとれず、最適な制御ができない。
【００７９】
例えば、設計時の想定では、外乱に起因する追尾誤差と観測ノイズとがともに１マイクロラジアンであり、コントロールパラメータの初期値によりバランスがとられて、トータルで約１．４マイクロラジアンという追尾誤差を実現していたとする。
【００８０】
その後、何らかの要因で、外乱が１／３に減少し、観測ノイズが３倍に増加したとすると、初期値を用いるコントローラ５ではバランスが崩れ、外乱による追尾誤差と観測ノイズのトータルで約３マイクロラジアンという追尾誤差が生じてしまう。その結果、安定した光リンクを維持することが難しくなってしまう。
【００８１】
これに対して、まず、センサノイズ測定部７が、追尾センサ４の観測ノイズ（設計の際の想定から３倍に増加した値）の推定値を求める。これが推定観測ノイズ量である。また、外乱測定部６が、追尾機構１に加わる外乱の推定値（設計の際の想定から１／３に減少した値）を求める。これが推定外乱量である。
【００８２】
コントローラパラメータ選択部３１は、当初の想定から３倍に増加した推定観測ノイズ量と１／３に減少した推定外乱量とに基づき、最適なコントローラパラメータをコントローラパラメータ記憶部３２から取得してコントローラパラメータ設定部３３に送る。コントロールパラメータ設定部３３は、その最適なコントロールパラメータをコントローラ５に通知する。
【００８３】
コントローラ５は、最適なコントロールパラメータを用いて追尾機構１を制御することができ、追尾誤差を最小にすることができる。例えば、制御帯域が１／３に低下された新たなコントローラパラメータが設定されると、初期値を用いた場合に比べて外乱に起因する追尾誤差が３倍に増加し、観測ノイズが１／３に減少するので、外乱に起因する追尾誤差と観測ノイズがともに１マイクロラジアンとなり、トータルで約１．４マイクロラジアンの追尾誤差を取り戻すことができる。
【００８４】
以上説明したように、第１の実施形態の追尾装置によれば、センサノイズ測定部７が追尾誤差から観測ノイズを推定し、外乱測定部６が追尾誤差および観測ノイズの推定値から外乱を推定し、コントローラ調整部８が観測ノイズおよび外乱の双方の推定値をバランスさせる最適なコントロールパラメータを求め、コントローラ５が最適なコントロールパラメータを用いて追尾機構１を制御するので、外乱または観測ノイズが変化しても常に最適なコントロールパラメータにより高精度の追尾制御が可能である。
【００８５】
また、その際、センサノイズ測定部７では、ハイパスフィルタ２１が追尾誤差の高周波成分を抽出し、ノイズ成分検出部２２が、その高周波成分に対して２乗平均処理および周波数成分補正を行うので、低周波の外乱成分が良好に除去され、観測ノイズ成分が良好に推定される。
【００８６】
また、外乱測定部６では、擾乱成分検出部２３が、追尾誤差に対して２乗平均処理および周波数成分補正を行って擾乱の総和量を推定し、外乱成分検出部２４が、擾乱の総和量の推定値と観測ノイズの推定値の２乗差の平方根をとるので、外乱が良好に推定される。
【００８７】
本発明の第２の実施形態の追尾装置について説明する。第２の実施形態の追尾装置は、コントローラ周辺の構成が第１の実施形態と異なる。
【００８８】
図５は、第２の実施形態のコントローラの構成を示すブロック図である。図５を参照すると、コントローラ４０は、コントローラモジュール４２〜４４およびスイッチ４５，４６を有している。また、コントローラ調整部４１は、コントローラモジュール選択部４７で構成されている。
【００８９】
コントローラモジュール４２〜４４の各々は、最適な外乱量および観測ノイズ量が互いに異なるように設計されたコントローラであり、推定外乱量と推定観測ノイズ量に応じて最適なものが選択される。スイッチ４５，４６は、コントローラモジュール４２〜４４のいずれか１つを選択して追尾センサ４および追尾機構１に接続することによりコントローラ４０の動作を選択する。
【００９０】
コントローラモジュール選択部４７は、外乱量および観測ノイズ量に対する最適なコントロールモジュールの一覧データを記憶しており、外乱測定部６からの推定外乱量と、センサノイズ測定部７からの推定観測ノイズ量とに基づき、最適なコントロールモジュールを選択する。
【００９１】
本実施形態では、コントローラモジュール４２〜４４のいずれかを選択することにより、コントローラ４０の動作を変更可能にしたが、さらに、選択したコントローラモジュールのパラメータを変更可能にしてもよい。
【００９２】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、コントローラモジュールを切り換えることでコントローラの構造そのものを変更できるため、コントローラのパラメータ切り換えだけでは十分に追尾誤差を最小化できないような広範囲の外乱や観測ノイズの変化に対しても追尾誤差を最小化できる。
【００９３】
また、コントロールパラメータを容易に変更できないアナログ回路型のコントローラに適用すれば、コントローラの動作を容易に選択することができる。
【００９４】
本発明の第３の実施形態による追尾装置について説明する。
【００９５】
図６は、第３の実施形態の追尾装置の構成を示すブロック図である。図６を参照すると、第３の実施形態による追尾装置は、センサノイズ測定部５０の配置および構成が第１の実施形態と異なる。第３の実施形態のセンサノイズ測定部５０は、追尾誤差信号を用いずに、受信機３での受光強度から観測ノイズを推定する点で第１の実施形態のものと異なる。
【００９６】
一般に、追尾センサでは、複数に分割された受光面での受光強度を用いて演算を行うことにより追尾誤差を得る。
【００９７】
図７は、追尾センサにおける受光の様子を示す図である。図７を参照すると、追尾センサ４には複数の受光面Ｓ１〜Ｓ４があり、光ビームがビームスポットＢで示されるように照射されている。
【００９８】
各受光面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４におけるビームスポットＢの受光強度をそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とし、各受光面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４における熱雑音をそれぞれＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４とすると、Ｘ軸の追尾誤差角θｘは、式（４）のように表すことができる。
【００９９】
【数４】
2005020542.tif 000006
ここで、Ｐａ＝Ｐ１＋Ｐ４−Ｐ２−Ｐ３、Ｎａ＝Ｎ１＋Ｎ４−Ｎ２−Ｎ３、Ｐｂ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４、Ｎｂ＝Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＋Ｎ４とおくと、Ｘ軸の追尾誤差角θｘは式（５）のようになる。
【０１００】
【数５】
2005020542.tif 000007
式（５）の中で、（Ｐａ／Ｐｂ）は追尾誤差角の真の観測値であり、（Ｎａ−Ｐａ／Ｐｂ・Ｎｂ）／（Ｐｂ＋Ｎｂ）は熱雑音に起因する追尾誤差角の観測ノイズである。
【０１０１】
また、追尾センサの温度変動が少ない条件下では、熱雑音はほぼ一定値と見なせるので、観測ノイズの大きさは追尾センサ４の受光強度に依存して決まる。
【０１０２】
一方、追尾センサ４での受光強度と受信機３での受光強度との間には一定の相関があるので、受信機３での受光強度から、熱雑音に起因する観測ノイズを推定することができる。なお、Ｙ軸の追尾誤差θｙについても同様の演算を行うことができる。
【０１０３】
図８は、第３の実施形態によるセンサノイズ測定部の構成を示すブロック図である。図８を参照すると、センサノイズ測定部５０は、光強度検出部５１および光強度−観測ノイズ量変換部５２を有している。
【０１０４】
受信機３で受光された光信号は、通信用の信号処理に用いられるとともに、光強度検出器５１に入力される。
【０１０５】
光強度検出部５１は、入力された光信号の受光強度を検出し、受光強度信号として光強度−観測ノイズ量変換部５２に送る。
【０１０６】
光強度−観測ノイズ量変換部５２は、受光強度と推定観測ノイズ量の関係を示す変換テーブルを格納しており、受光強度信号が入力されると変換テーブルを参照し、その受光強度に対応する推定観測ノイズ量を取得してコントローラ調整部８に与える。
【０１０７】
概して、受信機３での受信強度の方が追尾センサ４での追尾誤差よりもＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）が良いので、第３の実施形態によれば、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）の悪い追尾誤差信号ではなく、Ｓ／Ｎのよい受光強度信号を用いて観測ノイズ量を推定することにより、より簡便にかつより高精度に追尾制御が可能である。
【０１０８】
本発明の第４の実施形態による追尾装置について説明する。
【０１０９】
第４の実施形態による追尾装置は、コントローラパラメータ記憶部３２に記憶されている一覧データを地上局から変更可能である点で第１の実施形態のものと異なる。
【０１１０】
図９は、第４の実施形態による追尾装置のコントローラ調整部周辺の構成を示すブロック図である。図９を参照すると、追尾装置は、第１の実施形態の構成に加えて、受信アンテナ６３、コントローラパラメータ受信部６４、およびコントローラパラメータ保存部６５を有している。
【０１１１】
地上局にはコントローラパラメータ送信部６１および送信アンテナ６２が備えられている。コントロールパラメータ送信部６１は、地上局側で新たに設計されたコントロールパラメータの一覧データをマイクロ波により送信アンテナ６２から人工衛星に向けて送信する。
【０１１２】
コントロールパラメータ受信部６４は、受信アンテナ６３によって受信した地上局からのマイクロ波を復調し、得られたコントロールパラメータの一覧データをコントロールパラメータ保存部６５に送る。
【０１１３】
コントロールパラメータ保存部６５は、コントロールパラメータ受信部６４からの一覧データをコントロールパラメータ記憶部３２に記録して更新する。
【０１１４】
第４の実施形態によれば、打上げ後の人工衛星の追尾装置に地上局から一覧データを送ることができるので、人工衛星を打上げる前に設計したコントローラパラメータを再設計したコントローラパラメータに入れ替えることができ、事前に想定されていなかったような外乱や観測ノイズの量あるいは周波数成分に対して人工衛星打ち上げ後にも対応することができる。
【０１１５】
この結果、外乱や観測ノイズについて事前に想定されていなかった程の変化があっても、人工衛星を打上げた後に地上側で、実際の外乱や観測ノイズに対応するコントロールパラメータを再設計して人工衛星の追尾装置に送り、そのコントロールパラメータを変更することができるので、外乱や観測ノイズに想定外の変化があっても高い精度の制御を維持することができる。
【０１１６】
以上、第１〜第４の実施形態例では、追尾機構１に加わる外乱をコントローラから出力された追尾機構駆動信号と追尾センサ４で検出された追尾誤差信号とから推定しているが、本追尾装置を搭載している人工衛星に、姿勢センサや加速度センサなどの追尾機構１に加わる外乱を直接検出するセンサが搭載されていれば、それらのセンサで検出される外乱を推定外乱信号の代わりに用いてもよい。これにより、より簡便に、またより高精度な外乱情報を得ることができる。
【０１１７】
また、第１〜第４の実施形態例では、コントローラパラメータの更新、あるいはコントローラモジュールの切り換えを外乱や観測ノイズの測定結果に従ってリアルタイムで行うことが想定されているが、本発明はこれに限定されない。その他に、任意の時間間隔を空けて更新あるいは切り換えることとしてもよい。
【０１１８】
例えば、一定時間周期で定期的に更新あるいは切り換えをすることとしてもよく、人工衛星における太陽光線の受光／非受光の状態遷移や、衛星間の距離が急激に変化したなどの何らかのイベントが発生したときに更新あるいは切り換えをすることとしてもよい。
【０１１９】
以上、本発明に係る追尾装置の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る追尾装置は、ここに示した実施形態のみに限定されるものではなく、これら実施形態の構成から種々の修正および変更を施したものも本発明の範囲に含まれる。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明によれば、センサノイズ測定手段が追尾誤差から観測ノイズを推定し、外乱測定手段が追尾誤差および観測ノイズの推定値から外乱を推定し、コントローラ調整手段が観測ノイズおよび外乱の推定値からコントローラを最適に調整するので、外乱または観測ノイズが変化しても常に高精度の追尾制御が可能である。
【０１２１】
また、追尾誤差の高周波成分から観測ノイズを推定するので、低周波の外乱成分が良好に除去され、観測ノイズ成分が良好に推定される。
【０１２２】
他の発明によれば、概して、受信機での受信強度の方が追尾センサでの追尾誤差よりも信号対ノイズ比が良いので、本発明によれば、追尾センサによる追尾誤差より良い信号対ノイズ比のよい受信機での受光強度を用いて観測ノイズを推定することにより、より簡便にかつより高精度に追尾制御が可能である。
【０１２３】
また、追尾誤差から推定される擾乱の総和量と、観測ノイズから外乱を推定するので、外乱が良好に推定される。
【０１２４】
また、コントローラモジュールを切り換えることでコントローラの構造そのものを変更できるため、コントローラのパラメータ切り換えだけでは十分に追尾誤差を最小化できないような広範囲の外乱や観測ノイズの変化に対しても追尾誤差を最小化できる。また、コントロールパラメータを容易に変更できないアナログ回路型のコントローラに適用すれば、コントローラの動作を容易に選択することができる。
【０１２５】
また、観測ノイズおよび外乱の双方の推定値をバランスさせる最適なコントロールパラメータを選択するので、外乱または観測ノイズが変化しても常に最適なコントロールパラメータにより高精度の追尾制御が可能である。
【０１２６】
また、打上げ後の人工衛星の追尾装置に地上局から一覧データを送ることができるので、人工衛星を打上げる前に設計したコントローラパラメータを、再設計したコントローラパラメータに入れ替えることができ、事前に想定されていなかったような外乱や観測ノイズに対して人工衛星打ち上げ後にも対応することができる。この結果、外乱や観測ノイズについて事前に想定されていなかった程の変化があっても、人工衛星を打上げた後に地上側で、実際の外乱や観測ノイズに対応するコントロールパラメータを再設計して人工衛星の追尾装置に送り、そのコントロールパラメータを変更することができるので、外乱や観測ノイズに想定外の変化があっても高い精度の制御を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の追尾装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態のセンサノイズ測定部の構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態の外乱測定部の構成を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態のコントローラ調整部の構成を示すブロック図である。
【図５】第２の実施形態のコントローラの構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施形態の追尾装置の構成を示すブロック図である。
【図７】追尾センサにおける受光の様子を示す図である。
【図８】第３の実施形態によるセンサノイズ測定部の構成を示すブロック図である。
【図９】第４の実施形態による追尾装置のコントローラ調整部周辺の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の追尾装置の基本的な構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    追尾機構
２    ミラー
３    受信機
４    追尾センサ
５，４０    コントローラ
６    外乱測定部
７，５０    センサノイズ測定部
８，４１    コントローラ調整部
９，１０    ミラー
１１    ビームスプリッタ
２１    ハイパスフィルタ
２２    ノイズ成分検出部
２３    擾乱成分検出部
２４    外乱成分検出部
３１    コントローラパラメータ選択部
３２    コントローラパラメータ記憶部
３３    コントローラパラメータ設定部
４２〜４４    コントローラモジュール
４５，４６    スイッチ
４７    コントローラモジュール選択部
５１    光強度検出部
５２    光強度−観測ノイズ量変換部
６１    コントローラパラメータ送信部
６２    送信アンテナ
６３    受信アンテナ
６４    コントローラパラメータ受信部
６５    コントローラパラメータ保存部
Ｂ    ビームスポット
Ｓ１〜Ｓ４    受光面
【図１】
2005020542.tif 000008
【図２】
2005020542.tif 000009
【図３】
2005020542.tif 000010
【図４】
2005020542.tif 000011
【図５】
2005020542.tif 000012
【図６】
2005020542.tif 000013
【図７】
2005020542.tif 000014
【図８】
2005020542.tif 000015
【図９】
2005020542.tif 000016
【図１０】
2005020542.tif 000017