(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、
前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、
相手局との相対角度誤差を前記ポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、
軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、
捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、
追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、
通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、
受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、
前記受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、
前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、
捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、
捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構のジンバル角の補正量を計算し、追尾時に前記追尾時指令値と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記通信時指令値と前記受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、
捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたことを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、
前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、
相手局との相対角度誤差を前記ポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、
軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、
捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、
追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、
受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、
前記受光ファイバカプラ上の受信の光角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、
前記受信光角度ずれ量検出器の出力から通信時の精捕捉追尾制御系に与えるオフセット量を算出する受信光オフセット算出器と、
前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、
捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、
捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、追尾時に前記追尾時指令値と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記受信光オフセット算出器の出力オフセット量と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構のジンバル角へ与える補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、
捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたことを特徴とする光空間通信装置。
【請求項３】
受信光オフセット算出器の代わりに、通信時に受信光角度ずれ量検出器の出力が閾値に対して大きい場合に一定のオフセット量を取り出すオフセット量発生器を備え、精捕捉追尾補償器が、通信時に前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量と前記一定のオフセット量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算することを特徴とした請求項２記載の光空間通信装置。
【請求項４】
制御モード切り替え手段が、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを切り替え設定することを特徴とした請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光空間通信装置。
【請求項５】
制御モード切り替え手段が、粗捕捉追尾制御系の通信時と追尾時の制御モードを切り替え設定する第１スイッチと、
精捕捉追尾制御系の捕捉時、追尾時および通信時の制御モードを切り替え設定する第２スイッチと、
トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定して前記第１スイッチを通信時および追尾時のいずれかの制御モードに設定するトラッキングセンサ角度判定器と、
受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定し追尾時と通信時を決める判定出力を取り出す受信光角度ずれ量判定器と、
前記トラッキングセンサ角度判定器と前記受信光角度ずれ量判定器の両出力に応答して前記第２スイッチを捕捉時、追尾時および通信時のいずれかの制御モードに設定するスイッチ自動切り替え器とを有したことを特徴とする請求項１記載の光空間通信装置。
【請求項６】
ポインティングセンサが２次元ＣＣＤで構成され、トラッキングセンサが４象限検出器で構成され、受光ファイバカプラが受信機に受信光を光結合するシングルモードファイバとこのシングルモードファイバを中心にその周囲に配置され前記受信光の位置検出をするためのマルチモードファイバで構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の光空間通信装置。
【請求項７】
エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、
前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、
相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、
前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、
軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、
捕捉時に精捕捉追尾制御系形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、
通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、
受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、
前記受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、
前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、
捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、
捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記通信時指令値と前記受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、
捕捉時および通信時の制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたことを特徴とする光空間通信装置。
【請求項８】
制御モード切り替え手段が、ポインティングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時および通信時の制御モードを切り替え設定することを特徴とした請求項７記載の光空間通信装置。
【請求項９】
加算器は、ポインティングセンサが非受光時で検出出力を得られないときに、事前の受光時の出力値をそのままに保持することを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の光空間通信装置。
【請求項１０】
粗捕捉追尾機構が回転することにより内部光学系で生じた受信光の回転角を検出する像回転検出器と、
前記内部光学系を回転する回転機構と、
像回転検出器の検出出力に応答して前記内部光学系で生じた像回転をキャンセルするように前記回転機構を駆動制御する回転機構制御回路とを有したことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人工衛星、宇宙ステーション、宇宙往還機等の宇宙航行体間、あるいは宇宙航行体と地上局との間において、空間伝搬を利用して光通信を行うために適用される光空間通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光通信装置においては、通信局間を光ファイバケーブルでケーブル接続して、この光ファイバケーブルを伝送路として、相互間で光通信を行う光ファイバ方式が採用されている。このような光通信システムにあっては、在来からのＲＦ通信に比して通信容量を飛躍的に増大することが可能となる。ところで、最近の宇宙開発の分野においては、衛星間通信等の通信の多様化が図られており、通信容量の増大が要請されている。そこで、宇宙開発の分野にあっては、地上局と宇宙航行体の間、あるいは宇宙航行体間に光通信システムを構築して、通信容量の大容量化を図り、通信の多様化を実現する構想がある。例えば、地球から比較的高度が低い空間軌道に打ち上げた複数の人工衛星（以下、衛星とする）を所定の間隔で並べ、これら衛星間を通信で結ぶ低軌道衛星間リンクを形成することが行われている。これまでは、低軌道衛星間リンクは電波通信により設けられてきたが、代わりにレーザ光を用いた光通信が検討されている。
【０００３】
この種の光通信に使用する光通信装置としては、例えば特開２０００−１８０６５２号公報の記載に示され構成のものがあり、これを図８に示す。図において、１１０は光アンテナ、１１１は指向調整機構、１１２はコリメータレンズ、１１３はビームスプリッタ、１１４は集光レンズ、１１５は光検出部、１１６は光アンテナ指向制御部である。１１７は光軸調整用反射鏡、１１８は結像レンズ、１１９はビームスプリッタ、１２０は角度調整機構、１２１はビームスプリッタ、１２２は光検出部、１２３は反射鏡角度制御部である。１２４は透過レンズ、１２５はビームスプリッタ、１２６は光軸調整機構部、１２７は光軸制御部、１２８は光検出部、１２９は光ファイバケーブルである。１３０は光信号処理部、１３１は送信部、１３２は反射鏡、１３３はレンズ、２０１は主反射鏡、２０２は副反射鏡、２０３は指示部材である。
【０００４】
図８に示す光通信装置は、通信相手局と通信光の送受を行う指向調整自在に設けられた光アンテナ１１０で受信した通信光の光路上に、角度調整機構部１２０を介して光軸調整自在な反射鏡１１７、および光軸調整機構部１２６を介して光軸調整自在な透過レンズ１２４を順に配置して、先ず角度調整機構部１２０を駆動制御して通信光の光軸をアライメント調整すると共に、光軸調整機構部１２６を駆動制御して同様に、アライメント調整して、このアライメント調整後の通信光を光ファイバケーブル１２９の一端に光結合させるようにしたものである。これによって、空間伝搬距離の長距離化を容易に実現し、かつ簡便にして高精度な光信号処理を実現し得るようにしたというものである。
【０００５】
また、特開平８−７９１８４号公報に記載された従来の光通信装置があり、その構成を図９に示す。図において、３０１〜３０４は受光部、３０５〜３０８は光ファイバ、３０９〜３１２は光増幅器、３１３〜３１６はフォトダイオード、３１７は演算処理部である。
【０００６】
図９に示す光通信装置は、光学系からなる４つの受光部３０１〜３０４で受光したレーザ光を光ファイバ３０５〜３０８により光増幅器３０９〜３１２導き、光増幅器３０９〜３１２で増幅された各光信号をフォトダイオード３１３〜３１６からなる４象限光検出器により検出し、演算処理部３１７が各フォトダイオード３１３〜３１６からの検出信号から受光部３０１〜３０４へのレーザ光の入射方向のずれを算出し、かつフォトダイオード３１３〜３１６の一部（例えば、３１６）を通信用受光素子として兼用したというものである。これによって、一般のフォトダイオードを使用して４分割アバランシェフォトダイオードと同様の増幅された検出出力得ることができ、また通信用受光素子としても兼用できるようにしたというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光通信装置は以上のように構成されているので、高精度、高信頼性が要求される指向制御を実現する上で、以下に示すような問題があった。
【０００８】
図８に示される光通信装置は、光軸調整自在な反射鏡１１７、角度調整機構部１２０、光軸調整自在な透過レンズ１２４および光軸調整機構部１２６等を組み合わせたものであり、そのため設置空間およびそれらを駆動する装置の設置空間が大きく、装置全体としての小型・軽量化が困難であり、衛星に搭載する場合には不向きであった。また、光軸調整自在な反射鏡１１７の制御系と光軸調整自在な透過レンズ１２４の制御系は独立しているため、制御系間の干渉が起こるおそれがある。さらに、制御系が複数存在するため、制御演算量が増大し、制御演算速度が低下するという問題があった。
【０００９】
一方、図９に示される光通信装置は、４つのフォトダイオード３１３〜３１６の一部を通信用受光素子として兼用しているため、これらフォトダイオードに均等に受信光を入射させると通信用受光素子への光量が減少し、微弱な受信光では通信が十分行えないおそれがある。また、通信受光素子への受光量が最大となるように通信受光素子の中心に光軸を入射するように光軸調整する場合、残りの３つのフォトダイオード全てに受信光を入射できなくなり、４象限センサとしての機能を損なうという問題があった。
【００１０】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、微弱な受信光に対しても通信を可能とし、小型・軽量化により受信機の設置場所に自由度を与えることができる光空間通信装置を得ることを目的とする。
【００１１】
この発明は外乱等により受光ファイバカプラ視野から受信光が外れて受信機に受信光を導光できない場合においても、早急に通信モードに移行して通信遮断時間を短縮できる光空間通信装置を得ることを目的とする。
【００１２】
この発明は受光ファイバカプラ上の受信光が光位置検出機能全体に入射できない場合においても受信機に受信光を導光できる光空間通信装置を得ることを目的とする。
【００１３】
この発明は受信光ビーム強度パターンが複雑な場合においても受信機に受信光を導光できる光空間通信装置を得ることを目的とする。
【００１４】
この発明は粗捕捉追尾機構の回転による内部光学系での受信光回転をキャンセルすることで、各センサ上で座標変換を行わずに制御系構成を簡素化できる光空間通信装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決しようとする手段】
この発明に係る光空間通信装置は、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、相手局との相対角度誤差を前記ポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、前記受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構のジンバル角の補正量を計算し、追尾時に前記追尾時指令値と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記通信時指令値と前記受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたものである。
【００１６】
この発明に係る光空間通信装置は、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、相手局との相対角度誤差を前記ポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、前記受光ファイバカプラ上の受信の光角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、前記受信光角度ずれ量検出器の出力から通信時の精捕捉追尾制御系に与えるオフセット量を算出する受信光オフセット算出器と、前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、追尾時に前記追尾時指令値と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記受信光オフセット算出器の出力オフセット量と前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構のジンバル角へ与える補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたものである。
【００１７】
この発明に係る光空間通信装置は、受信光オフセット算出器の代わりに、通信時に受信光角度ずれ量検出器の出力が閾値に対して大きい場合に一定のオフセット量を取り出すオフセット量発生器を備え、精捕捉追尾補償器が、通信時に前記トラッキングセンサの出力のフィードバック量と前記一定のオフセット量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算するようにしたものである。
【００１８】
この発明に係る光空間通信装置は、制御モード切り替え手段が、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを切り替え設定するものである。
【００１９】
この発明に係る光空間通信装置は、制御モード切り替え手段が、粗捕捉追尾制御系の通信時と追尾時の制御モードを切り替え設定する第１スイッチと、精捕捉追尾制御系の捕捉時、追尾時および通信時の制御モードを切り替え設定する第２スイッチと、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定して前記第１スイッチを通信時および追尾時のいずれかの制御モードに設定するトラッキングセンサ角度判定器と、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定し追尾時と通信時を決める判定出力を取り出す受信光角度ずれ量判定器と、前記トラッキングセンサ角度判定器と前記受信光角度ずれ量判定器の両出力に応答して前記第２スイッチを捕捉時、追尾時および通信時のいずれかの制御モードに設定するスイッチ自動切り替え器とを有したものである。
【００２０】
この発明に係る光空間通信装置は、ポインティングセンサが２次元ＣＣＤで構成され、トラッキングセンサが４象限検出器で構成され、受光ファイバカプラが受信機に受信光を光結合するシングルモードファイバとこのシングルモードファイバを中心にその周囲に配置され前記受信光の位置検出をするためのマルチモードファイバで構成されたものである。
【００２１】
この発明に係る光空間通信装置は、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して前記相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、前記粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、前記精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、前記ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、前記受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に前記精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように前記粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に前記加算器の出力と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、通信時に前記精粗協調補償器からの制御目標値と前記軌道予測値と前記粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に前記捕捉時指令値と前記精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に前記通信時指令値と前記受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから前記精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時および通信時の制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えたものである。
【００２２】
この発明に係る光空間通信装置は、制御モード切り替え手段が、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時および通信時の制御モードを切り替え設定するものである。
【００２３】
この発明に係る光空間通信装置は、加算器が、ポインティングセンサが非受光時で検出出力を得られないときに、事前の受光時の出力値をそのままに保持するものである。
【００２４】
さらに、この発明に係る光空間通信装置は、粗捕捉追尾機構が回転することにより内部光学系で生じた受信光の回転角を検出する像回転検出器と、前記内部光学系を回転する回転機構と、像回転検出器の検出出力に応答して前記内部光学系で生じた像回転をキャンセルするように前記回転機構を駆動制御する回転機構制御回路とを有したものである。
【００２５】
この発明に係る光空間通信装置は、ジンバル駆動する粗捕捉追尾機構により受光部を相手局に粗向すると共にジンバル駆動する精捕捉追尾機構により前記受光部を前記相手局に高精度に向けるように制御する光空間通信装置において、前記粗捕捉追尾機構が回転することにより内部光学系で生じた受信光の回転角を検出する像回転検出器と、前記内部光学系を回転する回転機構と、前記像回転検出器の検出出力に応答して前記内部光学系で生じた像回転をキャンセルするように前記回転機構を駆動制御する回転機構制御回路とを備えたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明に係る光空間通信装置の概略構成を示す構成図であり、図において、１０１は相手局からの送信光、１０２はこの送信光１０１を受信し、また自局の送信光を発射するための送受信望遠鏡、１０３はその受光部である。１は送受信望遠鏡１０２の副鏡、２は送信光１０２を捕捉する主鏡である。３は３次鏡で、主鏡２で反射した送信光１０２の成分、すなわち受信光が副鏡１を経てエレベーション軸内に導光するためのものである。４は３次鏡３を経た受信光をアジマス軸内に導光するための４次鏡である。５は送受信望遠鏡１０２をエレベーション方向にジンバル駆動し送受信望遠鏡１０２の受光部１０３を相手局に粗向して相手局からの送信光１０１を捕捉する粗捕捉追尾機構である。６は送受信望遠鏡１０２をアジマス方向にジンバル駆動し、粗捕捉追尾機構５と共に送受信望遠鏡１０２の受光部１０３を相手局に粗向して送信光を捕捉する粗捕捉追尾機構である。７は粗捕捉追尾機構６を設置するための架台、８は架台７を設置面に結合するための支柱、９はセンサ類および光学系を搭載する内部光学系である。１０は粗捕捉追尾機構５，６の動作で粗捕捉された受信光をさらに精捕捉追尾するために２軸ジンバル駆動する反射鏡などからなる精捕捉追尾機構である。
【００２７】
１１，１４はビームスプリッタである。１２は粗捕捉追尾に用いられ、受信光から相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出する２次元ＣＣＤなどからなるポインティングセンサである。１３はダイクロイックミラー、１５は精捕捉追尾に用いられ、受信光から相手局との相対角度誤差をポインティングセンサ１２よりも高精度かつ高周波数で検出できる４象限検出器などからなるトラッキングセンサである。１６，１９は反射鏡、２６は受信光を信号処理し電気信号に復調する受信機である。１７は受信光を受信機２６に導光するための超高精度光位置検出機能付き受光ファイバカプラで、図３で後述するような構造を持つ。
【００２８】
１８は自局が相手局へ送信する方向の光行差補正角を調整する２軸駆動可能な光行差補正機構である。２０は自局からの送信光を発生する送信機、２１は送受信望遠鏡１０２の設置面である。２２は粗捕捉追尾機構５，６を駆動制御する粗捕捉追尾機構制御回路である。２３は受光ファイバカプラ１７上の受信光角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器である。２４は精捕捉追尾機構１０を駆動制御する精捕捉追尾機構制御回路、２５は受光ファイバカプラ１７からの受信光を受信機２６に光結合する光ファイバである。３３は精捕捉追尾機構ジンバル角センサ３６の検出出力から追尾時および通信時に精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように粗捕捉追尾制御機構５，６を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器である。
【００２９】
図２はこの発明の実施の形態１に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図であり、図において、３０はエンコーダなどから構成され粗捕捉追尾機構５，６のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサである。２７は受光時にポインティングセンサ１２の出力が得られる度にその出力とそのときの粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０の出力を加算する加算器である。２８は捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードで粗捕捉追尾機構５，６のジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器である。２９は粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０の出力をポインティングセンサ１２の出力周期に合わせてサンプリングするサンプラである。３１は軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値である。
【００３０】
３２は粗捕捉追尾制御系の目標値を捕捉時と追尾時で切り替えるための第１スイッチである。３６は変位センサなどから構成され精捕捉追尾機構１０のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサである。３４は捕捉時に精捕捉追尾制御系形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値、３５は追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値である。３８は捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードで精捕捉追尾機構１０のジンバル角の補正量を算出する精捕捉追尾補償器である。３７は精捕捉追尾補償器３８の入力を捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを切り替えるための第２スイッチで、第１スイッチ３２と共にこの発明の制御モード切り替え手段を構成する。３９は通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値である。
【００３１】
図３は受光ファイバカプラ１７の構成例を示す斜視図であり、図において、４０は受信光を受信機２６に光結合するためのシングルモードファイバ、４１，４２，４３，４４はシングルモードファイバ４０を中心にその周囲に配置され受光ファイバカプラ１７上の受信光の位置検出をするためのマルチモードファイバである。
【００３２】
次に動作について説明する。
この光空間通信装置の動作は、送受信望遠鏡１０２の受光部１０３を相手局に粗向してて相手局からの送信光を粗捕捉する捕捉モードと、粗捕捉した受信光を精捕捉する追尾モードと、相手局に的が定まった状態で受信機２６および送信機２０による通信を行う通信モードに分けられる。
【００３３】
捕捉時、図２の回路で第１スイッチ３２および第２スイッチ３７はそれぞれ捕捉モード側ａに接続される。
ポインティングセンサ１２は相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出する。
したがって、粗捕捉追尾制御系の目的は、ポインティングセンサ１２の相対角度誤差を示す検出出力が０になるように制御を行うことである。ポインティングセンサ１２には通常２次元ＣＣＤが用いられるが、検出に時間を要し、数十ミリ秒間隔でしか出力が得られない。よって制御帯域を上げるために、ポインティングセンサ１２の出力が得られると、それに合わせて、そのときの粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０のジンバル角を表わす検出出力をサンプラ２９でサンプリングし、加算器２７で加え合わせ粗捕捉追尾制御系の目標値とする。
【００３４】
粗捕捉追尾制御系の目標値には、さらに軌道予測値３１を加える。これは光空間通信装置が人工衛星間での通信を行う場合を想定したときに、自局の軌道情報と相手局の軌道情報から相手局の相対角度を予測したものであり、これによってポインティングセンサ１２が非受光時であっても、開ループ制御により受光部１０３がほぼ相手局の方向に向くように粗捕捉追尾機構５，６を制御できる。加算器２７の出力と軌道予測値３１の和を目標値として、粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０の検出出力をフィードバックして粗捕捉追尾制御系を構成する。目標値とフィードバック量との偏差は粗捕捉追尾補償器２８に入力され、粗捕捉追尾補償器２８はＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｎ  ａｎｄ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御などでこの偏差が０になるように粗捕捉追尾機構５，６を駆動する。
【００３５】
次に加算器２７の働きについて述べる。ここでは説明上、軌道予測値３１の影響を省略して考えるが、軌道予測値３１が含まれる場合においてもその働きは全く同じである。
ポインティングセンサ１２の検出出力に対して粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０の出力が等しくなるように粗捕捉追尾補償器２８が働く。しかし、粗補足追尾補償器２８の特性、あるいはポインティングセンサ１２に含まれる誤差などによって粗捕捉追尾機構５，６の動作は完全に相手局の方向を向くことは少なく、いくらかの誤差が残る。この誤差分については、次のポインティングセンサ１２の信号によって検出することができる。この誤差分は、そのときの粗捕捉追尾機構５，６の状態に対する相対的なものであるから、ジンバル角の絶対的な目標値を与えるには、そのときの粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ３０の検出出力を加える必要がある。これが加算器２７の役割である。
【００３６】
また加算器２７は、ポインティングセンサ１２が非受光時で検出出力が得られないときには、事前の受光時の出力値をそのままに保持するように動作する。このことにより、仮に相手局の動きが速く、粗捕捉追尾制御系で追尾に必要なところまで誤差を低減できずに相手局の追尾に入れなかった場合でも、粗捕捉追尾機構５，６が次に相手局を捕捉するまでの間に送受望遠鏡１０２を相手局の方向に向けておくことができる。したがって、ポインティングセンサ１２の次の受光時には初期誤差が少なくなって確実に追尾に入ることができる。
【００３７】
また、精捕捉追尾機構１０のジンバル角を中立点に制御するために、精捕捉追尾機構ジンバル角センサ３６の検出出力をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。捕捉時指令値３４は０であるが、オフセットを与えることもできる。この捕捉時指令値３４とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
【００３８】
次に、追尾時、すなわち光空間通信装置が相手局を捕捉する段階から相手局を正確に捉える追尾する段階に入ると、第１スイッチ３２および第２スイッチ３７はそれぞれ追尾モード側ｂに切り替える。
追尾時では、相手局に対して照準を合わせるためにより高い指向精度が要求される。そのため、センサを２次元ＣＣＤなどのポインティングセンサ１２から４象限検出器などのトラッキングセンサ１５に切り替える必要がある。また、精捕捉追尾機構１０の駆動範囲を逸脱しないように精捕捉追尾制御系と粗捕捉追尾制御系の両方を協調的に動作させる必要がある。
【００３９】
精捕捉追尾制御系と粗捕捉追尾制御系の両方を協調的に動作させるために、精捕捉追尾機構ジンバル角センサ３６の値を用いて、それが中立点に戻るように粗捕捉追尾機構５，６を駆動するようにする。すなわち、まず精捕捉追尾機構ジンバル角センサ３６の出力を精粗協調補償器３３に入力し、そこで例えば積分制御などを行ってから軌道予測値３１を加え合わせて粗捕捉追尾補償器２８の目標値とする。そのため、第１スイッチ３２は追尾モード側ｂに切り替えられており、粗捕捉追尾制御系の目標値の切り替えが行われる。このようにすると、粗捕捉追尾機構５，６は、ポインティングセンサ１２の値とは無関係に精捕捉追尾機構１０のジンバル角を中立点に戻すように動くことになるので、両方の制御系が干渉を起こすおそれはなく、精捕捉追尾制御系は精捕捉追尾機構１０の駆動範囲から逸脱することなく高精度の追尾精度を達成できる。
【００４０】
追尾時では、トラッキングセンサ１５の原点に受信光を導光するために、トラッキングセンサ１５の検出出力をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。追尾時指令値３５は０であるが、オフセットを与えることもできる。この追尾時指令値３５とフィートバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
【００４１】
次に、通信時、すなわち光空間通信装置が相手局を追尾する段階から相手局と通信する段階に入ると、第１スイッチ３２は追尾モード側ｂの状態で、第２スイッチ３７は通信モード側ｃに切り替える。
通信時には、受信光を受信機２６に導光するために、さらに高い指向精度が要求される。そのため第２スイッチ３７によりトラッキングセンサ１５から受光ファイバカプラ１７の位置検出機能を用いたものに切り替え、精捕捉追尾制御系の構成を切り替える。
【００４２】
通信時では、図３に示す受光ファイバカプラ１７の中心、つまりシングルモードファイバ４０の中心に受信光を導光するために、受信光位置検出をするためのマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４の入力光を受信光角度ずれ量検出器２３に光結合して、受光ファイバカプラ１７上の受信光角度ずれ量を算出する。この受信光角度ずれ量をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。
通信時指令値３９は０であるが、オフセットを与えることもできる。この通信時指令値３９とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。これによりシングルモードファイバ４０の中心に受信光が導光されるようになり、受信機２６に十分な受信光を導光できる。
【００４３】
また、受信光角度ずれ量検出器２３には、マルチモードファイバ４１，４２，４３，４４から光結合される受信光を電気信号に変換するためのフォトダイオ一ド（図示せず）が備えられており、それぞれのフォトダイオードからの出力を加減算して４象限検出器と同等な方法により受信光位置ずれ量を検出し、精捕捉追尾機構１０の駆動角量に換算する。同様に、受信機２６はシングルモードファイバ４０から光結合された受信光を電気信号に変換するためのフォトダイオード（図示せず）を具備する。
【００４４】
光ファイバ２５により受信機２６に光結合した受信光を電気信号に変換することにより、電気的ノイズの影響を抑えることができ、微弱光でも通信が行える。
また、光ファイバ２５の引き回しに制限がないことで受信機２６の設置場所の自由度が増える。受信機２６へ導光するためのシングルモードファイバ４０とそのまわりに光位置を検出するためのマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４を一体化することにより、センサの小型軽量化および省スペース化が図れる。
【００４５】
なお、上記説明の例では捕捉時、追尾時および通信時の３制御モードを想定しているが、ポインティングセンサ１２、受光ファイバカプラ１７等の光学系設置誤差が無視でき、しかもポインティングセンサ１２が高精度で角度検出できる場合においては、捕捉モードからいきなり通信モードヘの移行が可能となり、この２種類の制御モードで光空間通信装置を構成することも可能となる。したがって、その場合、トラッキングセンサ１５および追尾時指令値３５は省略できることになる。
【００４６】
以上のように、実施の形態１によれば、粗捕捉追尾制御機構５，６と精捕捉追尾制御機構１０だけによって捕捉追尾が行えるようにしたので、光空間通信装置の小型・軽量化が実現できる効果が得られる。また、受光部１０３を相手局に対して高速で広範囲かつ高精度に捕捉追尾することができ、ポインティングセンサ１２、トラッキングセンサ１５および受光ファイバカプラ１７の取り付け誤差を粗捕捉追尾機構５，６、精捕捉追尾機構１０の制御により打ち消すようにしたので、粗捕捉追尾制御系と精捕捉追尾制御系の干渉を起こすことなく捕捉モードから追尾モードヘ円滑に移行しかつ追尾を確実に持続することができる効果が得られる。さらに、追尾モードにより相手局からの受信光を高精度に指向制御した後、追尾モードから通信モードに移行して、超高精度光位置検出機能付き受光ファイバカプラ１７を用いて更に高精度に指向制御することにより受信機２６に受信光を導光するので、受信光が微弱であっても通信が可能となり、かつ受信機２６の設置場所の自由度を増やすことができる効果が得られる。
【００４７】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図であり、図２に相当する部分は同一符号を付して示し、その説明を省略する。図において、４５はトラッキングセンサ角度判定器で、トラッキングセンサ１５の視野内に受信光が入射しているかどうかの判定、およびある設定した高精度指向角内に受信光が入射しているかどうか、すなわち入射光角度を判定し、第１スイッチ６２を通信時および追尾時のいずれかの制御モードに自動設定するものである。４６は受信光角度ずれ量判定器で、受光ファイバカプラ１７上の受信光が受光ファイバカプラ１７の視野内に入射しているかどうか、すなわち受信光の角度ずれを判定するものである。４７はスイッチ自動切り替え器で、トラッキングセンサ角度判定器４５と受信光角度ずれ量判定器４６の出力に応答して第２スイッチ３７を捕捉時、追尾時および通信時のいずれかの制御モードに自動的に切り替えるものである。
【００４８】
次に動作について説明する。
初期捕捉時などでは、トラッキングセンサ１５は非受光状態であるため、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２、第２スイッチ３７をいずれも捕捉モード側ａに設定している。
トラッキングセンサ１５の視野内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５は、第１スイッチ３２を追尾モード側ｂに切り替えると共にスイッチ自動切り替え器４７を通して第２スイッチ３７も追尾モード側ｂに切り替える。さらに、追尾時にトラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５はスイッチ自動切り替え器４７により第２スイッチ３７を通信モード側ｃに切り替える。ここで、トラッキングセンサ１５で設定する高精度指向角の値は、この設定値内であれば受信光が受光ファイバカプラ１７の視野内に入射するように与える。よって通信時には、トラッキングセンサ角度判定器４５と受信光角度ずれ量判定器４６からの両出力ともに第２スイッチ３７を通信モードにするように出力される。
【００４９】
外乱等により受信光が受光ファイバカプラ１７の視野からはずれると、受信光角度ずれ量判定器４６は通信不可と判定し、スイッチ自動切り替え器４７により第２スイッチ３７を通信モード側ｃから追尾モード側ｂに切り替える。この追尾時において、トラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射されれば、トラッキングセンサ角度判定器４５はスイッチ自動切り替え器４７により再び第２スイッチ３７を通信モ一ド側ｃに切り替えるが、トラッキングセンサ１５の視野から受信光がはずれた場合には、ドーラツキングセンサ角度判定器４５の判定出力はスイッチ自動切り替え器４７に与えられ第２スイッチ３７を追尾モード側ｂから捕捉モード側ａに切り替えると同時に、第１スイッチ３２も追尾モード側ｂから捕捉モード側ａに切り替える。
【００５０】
なお、上記説明の例では捕捉時、追尾時および通信時の３制御モードを想定しているが、ポインティングセンサ１２、受光ファイバカプラ１７等の光学系設置誤差が無視でき、しかもポインティングセンサ１２が高精度で角度検出できる場合においては、捕捉モードからいきなり通信モードヘの移行が可能となり、この２種類の制御モードで光空間通信装置を構成することも可能となる。したがって、その場合、トラッキングセンサ１５および追尾時指令値３５は省略できることになり、追尾モードが省略できるから、制御モード切り替え手段の構成として、トラッキングセンサ角度判定器４５も省ける。
【００５１】
以上のように実施の形態２によれば、トラッキングセンサ１５と受光ファイバカプラの検出出力を利用して１７捕捉モード、追尾モード、通信モードを自動的に切り替え設定するようにしたので、外乱等により受信光がトラッキングセンサ１５の視野からはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に追尾モードに移行でき、外乱等により受信光が受光ファイバカプラ１７の視野からはずれて受信機２６に受信光を導光できない場合においても、追尾モードに移行後早急に通信モードに移行できるようになり、通信遮断時間の短縮を図れる効果が得られる。
【００５２】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図であり、図２および図４に相当する部分は同一符号を付して示し、その説明を省略する。図において、４８は受信光オフセット算出器で、受信光角度ずれ量検出器２３の出力からトラッキングセンサ１５の検出出力をオフセットするための出力を得るものである。４９は追尾モードと通信モードで精捕捉追尾制御系への目標値を切り替えるための第３スイッチである。
【００５３】
次に動作について説明する。
初期捕捉時などの捕捉時には、トラッキングセンサ１５は非受光状態であるため、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２、第２スイッチ３７を捕捉モード側ａに設定している。この場合、捕捉指令値３４が精捕捉追尾補償器３８に与えられ精捕捉追尾制御系を構成する。粗捕捉が行われ、トラッキングセンサ１５の視野内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２、第２スイッチ３７および第３スイッチ４９を捕捉モード側ａから追尾モード側ｂに切り替える。
【００５４】
追尾時になると、トラッキングセンサ１５の原点に受信光を導光するためにトラッキングセンサ１５の出力をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。追尾時指令値３５は０であるが、オフセットを与えることもできる。この追尾時指令値３５とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
【００５５】
さらに、追尾時にトラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５はスイッチ自動切り替え器４７により第３スイッチ４９を追尾モード側ｂから通信モード側ｃに切り替える。ここで、トラッキングセンサ１５で設定する高精度指向角の値は、この設定値内であれば受信光が受光ファイバカプラ１７の視野内に入射するように与える。通信時では、受信光オフセット算出器４８の出力に追従するようにトラッキングセンサ１５の出力をフィードバックして精捕捉追尾制御系を構成する。この受信光オフセット算出器４８の出力信号とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
【００５６】
次に受信光オフセット算出器４８の動作について説明する。
図３の受光ファイバカプラ１７の光位置検出機能であるマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４のいずれかにより検出される信号を、受信光を受信機２６に光結合するためのシングルモードファイバ４０の信号と比較して、それを精捕捉追尾機構１０の駆動角量に換算し、オフセット量としてトラッキングセンサ１５の出力信号に加え合わせる。このオフセットにより、受信光を受信機２６に導光することができる。
受光ファイバカプラ１７のシングルモードファイバ４０には受信光が入射されるが、光位置検出機能用のマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４の全てに受信光が入射されない場合、つまり受信光スポットが小さい場合においても、受信光はある強度分布を持つため、受信光角度がわずかに振れても、受信光角度ずれ量検出器２３および受信機２６内に具備されるフォトダイオードでその角度変化を検出でき、精捕捉追尾制御系へのオフセット量を算出できる。
【００５７】
また通信時において、外乱等により受信光が受光ファイバカプラ１７の視野からはずれると、受信光角度ずれ判定器４６は通信不可と判定し、スイッチ自動切り替え器４７により第３スイッチ４９を追尾モード側ｂに切り替える。この追尾時に戻った状態において、トラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５の判定出力はスイッチ自動切り替え器４７に与えられ第３スイッチ４９を通信モード側ｃに再び切り替えるが、トラッキングセンサ１５の視野から受信光がはずれる場合には、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２および第２スイッチ３７を追尾モード側ｂから捕捉モード側ａに切り替える。
【００５８】
以上のように実施の形態３によれば、捕捉モード、追尾モードおよび通信モードを自動的に切り替えることができるので、外乱等によりトラッキングセンサ１５の視野から受信光がはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に追尾モードに移行し、また外乱等により受光ファイバカプラ１７の視野から受信光がはずれて受信機２６に受信光を導光できない場合においても、追尾モードに移行後早急に通信モードに移行でき、通信遮断時間の短縮を図れる効果が得られる。
また、受信光オフセット算出器４８を設けたことにより、通信時に受信光スポットが小さく受光ファイバカプラ１７の光位置検出機能部の全てに入射できない場合においても、オフセット量により受信機２６に受信光を導光できる効果が得られる。
【００５９】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態4に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図であり、図５に相当する部分は同一符号を付して示し、その説明を省略する。図において、５０はオフセット量発生器で、受信光角度ずれ量検出器２３からの出力をオフセットとしてトラッキングセンサ１５に与えるためのものであり、実施の形態３の受信光オフセット算出器４８に置き換えたものである。
【００６０】
次に動作について説明する。
初期捕捉時などの捕捉モード時には、トラッキングセンサ１５は非受光状態であるため、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２、第２スイッチ３７を捕捉モード側ａに設定している。この場合、捕捉指令値３４が精捕捉追尾補償器３８に与えられ精捕捉追尾制御系を構成する。粗捕捉が行われ、トラッキングセンサ１５の視野内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２、第２スイッチ３７および第３スイッチ４９を捕捉モード側ａから追尾モード側ｂに切り替える。
【００６１】
追尾時になると、トラッキングセンサ１５の原点に受信光を導光するためにトラッキングセンサ１５の出力をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。追尾時指令値３５は０であるが、オフセットを与えることもできる。この追尾時指令値３５とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
さらに、追尾時にトラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射されると、トラッキングセンサ角度判定器４５はスイッチ自動切り替え器４７により第３スイッチ４９を追尾モード側ｂから通信モード側ｃに切り替える。ここで、トラッキングセンサ１５で設定する高精度指向角の値は、この設定値内であれば受信光が受光ファイバカプラ１７の視野内に入射するように与える。
【００６２】
通信時では、オフセット量発生器５０の出力信号に追従するようにトラッキングセンサ１５の出力をフィードバックして、精捕捉追尾制御系を構成する。このオフセット量発生器５０の出力信号とフィードバック量との偏差は精捕捉追尾補償器３８に入力され、精捕捉追尾補償器３８はＰＩＤ制御などでこの偏差が０になるように精捕捉追尾機構１０を駆動する。
【００６３】
次にオフセット量発生器５０の動作について説明する。
受光ファイバカプラ１７の光位置検出機能であるマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４のいずれかにより検出される信号と、受信光をシングルモードフアイバ４０に入射できるためのある設定した閾値とを比較する。この閾値よりもマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４のいずれかにより検出される信号の方が大きい場合には、精捕捉追尾機構１０の駆動角量に換算したある一定のオフセット量を出力し、これをトラッキングセンサ１５の出力に加え合わせる。
そして設定した閾値よりもマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４のいずれかより検出される信号の方が小さくなるまで、ある一定量のオフセットを加え合わせ続ける。つまり、ある一定のオフセット量をｓとすると、１サイクル目のオフセット量発生器５０の出力はＡ（１）＝ｓで、２サイクル目のオフセット量発生器５０の出力はＡ（２）＝ｓ＋ｓ＝２×Ａとなり、ｎサイクル目のオフセット量発生器５０の出力はＡ（ｎ）＝ｓ×ｎである。
設定した閾値よりもマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４のいずれかにより検出される信号の方が小さくなると、オフセット量発生器５０は０を出力する。このオフセット動作により、受信光を受信機２６に導光することができる。
【００６４】
受光ファイバカプラ１７のシングルモードファイバ４０には受信光が入射されるが、光位置検出機能用のマルチモードファイバ４１，４２，４３，４４の全てに受信光が入射されない場合、つまり受信光スポットが小さい場合においても、受信光はある強度分布を持つため、受信光角度がわずかに振れても、受信光角度ずれ量検出器２３および受信機２６内に具備されるフォトダイオートでその角度変化を検出し、受信光ビーム強度バターンが複雑な場合においても、ある閾値で受信光ビーム強度を２値化して受信機２６に受信光を導光できる。
【００６５】
次に、通信時に外乱等により受信光が受光ファイバカプラ１７の視野からはずれると、受信光角度ずれ判定器４６は通信不可と判定し、スイッチ自動切り替え器４７により第３スイッチ４９を通信モード側ｃから追尾モード側ｂに切り替える。追尾時に戻り、トラッキングセンサ１５のある設定した高精度指向角内に受信光が入射される場合には、トラッキングセンサ角度判定器４５はスイッチ自動切り替え器４７により第３スイッチ４９を通信モード側ｃに切り替え戻すが、トラッキングセンサ１５の視野から受信光がはずれる場合には、トラッキングセンサ角度判定器４５は第１スイッチ３２および第２スイッチ３７を追尾モード側ｂから捕捉モード側ａに切り替える。
【００６６】
以上のように実施の形態４によれば、捕捉モード、追尾モードおよび通信モードを自動的に切り替えるので、外乱等によりトラッキングセンサ１５の視野から受信光がはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に追尾モードに移行し、外乱等により受光ファイバカプラ１７の視野から受信光がはずれて受信機２６に受信光を導光できない場合においても、追尾モードに移行後早急に通信モードに移行するため、通信遮断時間の短縮が図れる効果が得られる。また、オフセット量発生器５０を設けたことにより、通信時に受信光スポットが小さく受光ファイバカプラ１７の光位置検出機能部の全てに入射できない場合においても、一定のオフセット量を与えることにより受信機２６に受信光を導光できるようにしたため、受信光ビーム強度パターンが複雑な場合においても受信機２６の機能を損なわないようにできる効果が得られる。
【００６７】
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５に係る光空間通信装置の概略構成を示す構成図であり、図１に相当する部分は同一の符号を付し、その説明を省略する。図において、５１は粗捕捉追尾機構５，６が回転することにより生じた受信光の回転角を検出するための像回転検出器、５３は内部光学系９を回転するための回転機構、５２は像回転検出器５１からの検出出力に応答して回転機構５３を駆動制御する回転機構制御回路である。
【００６８】
次に動作について説明する。
捕捉モード、追尾モードあるいは通信モードにおいて、粗捕捉追尾機構５，６は相手局からの送信光１０１を捕捉追尾するために回転を行う。図１の場合では、このとき、粗捕捉追尾機構５，６の回転に伴い内部光学系では、受信光が回転するので、受信光を受ける各センサ上で座標変換を行う必要がある。実施の形態５の構成では、この影響を回転機構５３によりキャンセルさせるようにしている。
粗捕捉追尾機構５，６が回転すると、像回転検出器５１により内部光学系での像回転角を算出し対応量を示す出力を取り出す。次に、算出された回転角に対応した出力を受けて回転機構制御回路５２は内部光学系９で発生した像回転をキャンセルするように回転機構５３に対する回転角指令値を計算し制御出力を取り出す。回転機構制御回路５２からの制御出力により回転機構５３を回転させ、発生した像回転をキャンセルする。
【００６９】
以上のように実施の形態５によれば、捕捉モード、追尾モード、通信モードにおいて粗捕捉追尾機構５，６の回転による内部光学系９での受信光回転をキャンセルすることができ、各センサ上で座標変換を行う必要が無く、制御系構成を簡素化できる効果が得られる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、相手局との相対角度誤差をポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に加算器の出力と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に精粗協調補償器からの制御目標値と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に捕捉時指令値と精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構のジンバル角の補正量を計算し、追尾時に追尾時指令値とトラッキングセンサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に通信時指令値と受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えるように構成したので、受光部を相手局に対して高速で広範囲かつ高精度に捕捉追尾することができる効果がある。また、ポインティングセンサ、トラッキングセンサおよび受光ファイバカプラの取り付け誤差を粗捕捉追尾機構および捕捉追尾機構の制御により打ち消すことができるため、粗捕捉追尾制御系と精捕捉追尾制御系の干渉を起こすことなく捕捉モードから追尾モードヘ円滑に移行しかつ追尾を確実に持続することができる効果がある。さらに、追尾モードにより相手局からの受信光を高精度に指向制御した後、追尾モードから通信モードに移行して、超高精度の光位置検出機能を持った受光ファイバカプラを用いて更に高精度に指向制御することにより受信機に受信光を導光するようにしたので、受信光が微弱であっても通信を可能とする効果がある。また、受光ファイバカプラを用いて受信機に受信光を光結合するようにしたので、受信機の設置場所に自由度を与えることができ、さらに加えて、メカニズムとして粗捕捉追尾制御機構と精捕捉追尾制御機構だけの構成で捕捉追尾を行えるようにしたので、光空間通信装置全体として小型・軽量化の効果がある。
【００７１】
この発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、相手局との相対角度誤差をポインティングセンサよりも高精度かつ高周波数で検出するトラッキングセンサと、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、追尾時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された追尾時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、受光ファイバカプラ上の受信の光角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、受信光角度ずれ量検出器の出力から通信時の精捕捉追尾制御系に与えるオフセット量を算出する受信光オフセット算出器と、精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に加算器の出力と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、追尾時および通信時に精粗協調補償器からの制御目標値と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に捕捉時指令値と精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、追尾時に追尾時指令値とトラッキングセンサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に受信光オフセット算出器の出力オフセット量とトラッキングセンサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構のジンバル角へ与える補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えるように構成したので、受光部を相手局に対して高速で広範囲かつ高精度に捕捉追尾することができる効果がある。また、ポインティングセンサ、トラッキングセンサおよび受光ファイバカプラの取り付け誤差を粗捕捉追尾機構および捕捉追尾機構の制御により打ち消すことができるため、粗捕捉追尾制御系と精捕捉追尾制御系の干渉を起こすことなく捕捉モードから追尾モードヘ円滑に移行しかつ追尾を確実に持続することができる効果がある。さらに、追尾モードにより相手局からの受信光を高精度に指向制御した後、追尾モードから通信モードに移行して、超高精度の光位置検出機能を持った受光ファイバカプラを用いて更に高精度に指向制御することにより受信機に受信光を導光するようにしたので、受信光が微弱であっても通信を可能とし、受光ファイバカプラ上の受信光が光位置の検出機能部全体に入射できない場合においても受信機に受信光を導光できる効果がある。また、受光ファイバカプラを用いて受信機に受信光を光結合するようにしたので、受信機の設置場所に自由度を与えることができ、さらに加えて、メカニズムとして粗捕捉追尾制御機構と精捕捉追尾制御機構だけの構成で捕捉追尾を行えるようにしたので、光空間通信装置全体として小型・軽量化の効果がある。
【００７２】
この発明によれば、受信光オフセット算出器の代わりに、通信時に受信光角度ずれ量検出器の出力が閾値に対して大きい場合に一定のオフセット量を取り出すオフセット量発生器を備え、精捕捉追尾補償器が、通信時にトラッキングセンサの出力のフィードバック量と一定のオフセット量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算するように構成したので、受光部を相手局に対して高速で広範囲かつ高精度に捕捉追尾することができる効果がある。また、ポインティングセンサ、トラッキングセンサおよび受光ファイバカプラの取り付け誤差を粗捕捉追尾機構および捕捉追尾機構の制御により打ち消すことができるため、粗捕捉追尾制御系と精捕捉追尾制御系の干渉を起こすことなく捕捉モードから追尾モードヘ円滑に移行しかつ追尾を確実に持続することができる効果がある。さらに、追尾モードにより相手局からの受信光を高精度に指向制御した後、追尾モードから通信モードに移行して、超高精度の光位置検出機能を持った受光ファイバカプラを用いて更に高精度に指向制御することにより受信機に受信光を導光するようにしたので、受信光が微弱であっても通信を可能とし、受光ファイバカプラ上の受信光スポットが小さく光位置検出機能部全体に入射できない場合においても一定のオフセット量を与えることにより受信機に受信光を導光でき、受信光ビーム強度パターンが複雑な場合においても受信機の機能を損なわないようにできる効果がある。また、受光ファイバカプラを用いて受信機に受信光を光結合するようにしたので、受信機の設置場所に自由度を与えることができ、さらに加えて、メカニズムとして粗捕捉追尾制御機構と精捕捉追尾制御機構だけの構成で捕捉追尾を行えるようにしたので、光空間通信装置全体として小型・軽量化の効果がある。
【００７３】
この発明によれば、制御モード切り替え手段が、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードを切り替え設定するように構成したので、捕捉モ一ド、追尾モードおよび通信モードを自動的に切り替えることができ、外乱等によりトラッキングセンサ視野から受信光がはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に追尾モードに移行でき、外乱等により受光ファイバカプラ視野から受信光がはずれて受信機に受信光を導光できない場合においても、追尾モードに移行後早急に通信モードに復帰移行でき、通信遮断時間を短縮できる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、制御モード切り替え手段が、粗捕捉追尾制御系の通信時と追尾時の制御モードを切り替え設定する第１スイッチと、精捕捉追尾制御系の捕捉時、追尾時および通信時の制御モードを切り替え設定する第２スイッチと、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定して第１スイッチを通信時および追尾時のいずれかの制御モードに設定するトラッキングセンサ角度判定器と、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定し追尾時と通信時を決める判定出力を取り出す受信光角度ずれ量判定器と、トラッキングセンサ角度判定器と受信光角度ずれ量判定器の両出力に応答して第２スイッチを捕捉時、追尾時および通信時のいずれかの制御モードに設定するスイッチ自動切り替え器とを有するように構成したので、捕捉モ一ド、追尾モードおよび通信モードを自動的に切り替えることができ、外乱等によりトラッキングセンサ視野から受信光がはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に追尾モードに移行でき、外乱等により受光ファイバカプラ視野から受信光がはずれて受信機に受信光を導光できない場合においても、追尾モードに移行後早急に通信モードに復帰移行でき、通信遮断時間を短縮できる効果がある。
【００７５】
この発明によれば、ポインティングセンサが２次元ＣＣＤで構成され、トラッキングセンサが４象限検出器で構成され、受光ファイバカプラが受信機に受信光を光結合するシングルモードファイバとこのシングルモードファイバを中心にその周囲に配置され受信光の位置検出をするためのマルチモードファイバで構成されるようにしたので、捕捉時、追尾時および通信時の各制御モードの機能に従った精度の受信光検出を行うことができ、捕捉追尾機構の制御を十分維持する効果がある。
【００７６】
この発明によれば、エレベーション方向およびアジマス方向にジンバル駆動することにより送受信望遠鏡の受光部を相手局に粗向して相手局からの送信光を粗補足する粗捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構により粗捕捉された受信光を２軸ジンバル駆動することにより精捕捉する精捕捉追尾機構と、粗捕捉追尾機構のジンバル角を検出する粗捕捉追尾機構ジンバル角センサと、精捕捉追尾機構のジンバル角を検出する精捕捉追尾機構ジンバル角センサと、相手局との相対角度誤差を広い範囲で検出するポインティングセンサと、ポインティングセンサが検出した相対角度誤差と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサが検出したジンバル角を加算する加算器と、軌道情報から相手局の自局に対する相対角度を予測設定した軌道予測値と、捕捉時に精捕捉追尾制御系形成するための目標値として予め設定された捕捉時指令値と、通信時に精捕捉追尾制御系を形成するための目標値として予め設定された通信時指令値と、受信光から超高精度の光位置を検出する機能を持ち受信光を電気信号に復調する受信機に光結合する受光ファイバカプラと、受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれ量を計算する受信光角度ずれ量検出器と、精捕捉追尾機構ジンバル角センサの検出出力から追尾時および通信時に精捕捉追尾機構ジンバル角が原点近傍に設定されるように粗捕捉追尾制御機構を駆動するための制御目標値を得る精粗協調補償器と、捕捉時に加算器の出力と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を算出し、通信時に精粗協調補償器からの制御目標値と軌道予測値と粗捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから粗捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する粗捕捉追尾補償器と、捕捉時に捕捉時指令値と精捕捉追尾機構ジンバル角センサの出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算し、通信時に通信時指令値と受信光角度ずれ量検出器の出力のフィードバック量とから精捕捉追尾機構へ与えるジンバル角の補正量を計算する精捕捉追尾補償器と、捕捉時および通信時の制御モードを設定する制御モード切り替え手段とを備えるように構成したので、ポインティングセンサ、受光ファイバカプラ等の光学系設置誤差が無視でき、しかもポインティングセンサが高精度で角度検出できるものを使用した場合において適用でき、捕捉モードからいきなり通信モードヘの移行が可能となり、この２種類の制御モードで光空間通信装置の捕捉制御を行えるため、装置構成を一層簡略化できる効果がある。
【００７７】
この発明によれば、制御モード切り替え手段が、トラッキングセンサの検出出力から入射光角度を判定し、受信光角度ずれ量検出器の出力から受光ファイバカプラ上の受信光の角度ずれを判定することにより捕捉時および通信時の制御モードを切り替え設定するように構成したので、捕捉モ一ドおよび通信モードを自動的に切り替えることができ、外乱等によりトラッキングセンサ視野から受信光がはずれた場合においても、捕捉モードに移行後早急に通信モードに移行でき、外乱等により受光ファイバカプラ視野から受信光がはずれて受信機に受信光を導光できない場合においても、捕捉モードに移行後早急に通信モードに復帰移行でき、通信遮断時間を短縮できる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、ポインティングセンサが非受光時で検出出力を得られないときに、加算器が事前の受光時の出力値をそのままに保持するように構成したので、仮に相手局の動きが速く、粗捕捉追尾制御系で追尾または通信モードに必要なところまで誤差を低減できずに相手局の追尾に入れなかった場合でも、粗捕捉追尾機構が次に相手局を捕捉するまでの間に送受望遠鏡を相手局の方向に向けておくことができ、ポインティングセンサの次の受光時には初期誤差が少なくなって確実に追尾または通信モードに入れる効果がある。
【００７９】
この発明によれば、粗捕捉追尾機構が回転することにより内部光学系で生じた受信光の回転角を検出する像回転検出器と、内部光学系を回転する回転機構と、像回転検出器の検出出力に応答して内部光学系で生じた像回転をキャンセルするように回転機構を駆動制御する回転機構制御回路とを有るように構成したので、捕捉モード、追尾モードおよび通信モードにおいて粗捕捉追尾機構の回転による内部光学系での受信光回転をキャンセルすることができ、各センサ上で座標変換を行う必要が無く、制御系構成を簡素化できる効果がある。
【００８０】
この発明によれば、ジンバル駆動する粗捕捉追尾機構により受光部を相手局に粗向すると共にジンバル駆動する精捕捉追尾機構により受光部を相手局に高精度に向けるように制御する光空間通信装置において、粗捕捉追尾機構が回転することにより内部光学系で生じた受信光の回転角を検出する像回転検出器と、内部光学系を回転する回転機構と、像回転検出器の検出出力に応答して内部光学系で生じた像回転をキャンセルするように回転機構を駆動制御する回転機構制御回路とを備えるように構成したので、捕捉モード、追尾モードおよび通信モードにおいて粗捕捉追尾機構の回転による内部光学系での受信光回転をキャンセルすることができ、各センサ上で座標変換を行う必要が無く、制御系構成を簡素化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光空間通信装置の概略を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る受光ファイバカプラの構成例を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係る光空間通信装置の信号処理行程を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る光空間通信装置の概略を示す構成図である。
【図８】従来の光通信装置の一例を示す構成図である。
【図９】従来の光通信装置の他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  副鏡、２  主鏡、３  ３次鏡、４  ４次鏡、５，６  粗捕捉追尾機構、７架台、８  支柱、９  内部光学系、１０  精捕捉追尾機構、１１，１４  ビームスプリッタ、１２  ポインティングセンサ、１３  ダイクロイックミラー、１５  トラッキングセンサ、１６、１９  反射鏡、１７  受光ファイバカプラ、１８  光行差補正機構、２０  送信機、２１  設置面、２２  粗捕捉追尾機構制御回路、２３  受信光角度ずれ量検出器、２４  精捕捉追尾機構制御回路、２５  光ファイバ、２６  受信機、２７  加算器、２８  粗捕捉追尾補償器、２９  サンプラ、３０  粗捕捉追尾機構ジンバル角センサ、３１  軌道予測値、３２  第１スイッチ、３３  精粗協調補償器、３４  捕捉時指令値、３５  追尾時指令値、３６  精捕捉追尾機構ジンバル角センサ、３７  第２スイッチ、３８  精捕捉追尾補償器、３９  通信時指令値、４０  シングルモードファイバ、４１，４２，４３，４４  マルチモードファイバ、４５  トラッキングセンサ角度判定器、４６  受信光角度ずれ量判定器、４７  スイッチ自動切り替え器、４８  受信光オフセット算出器、４９  第３スイッチ、５０  オフセット量発生器、５１  像回転検出器、５２  回転機構制御回路、５３  回転機構、１０１  送信光、１０２  送受信望遠鏡、１０３  受光部、１１０  光アンテナ、１１１  指向調整機構、１１２  コリメータレンズ、１１３  ビームスプリッタ、１１４  集光レンズ、１１５  光検出部、１１６  光アンテナ指向制御部、１１７  光軸調整用反射鏡、１１８  結像レンズ、１１９  ビームスプリッタ、１２０  角度調整機構、１２１  ビームスプリッタ、１２２  光検出部、１２３  反射鏡角度制御部、１２４  透過レンズ、１２５  ビームスプリッタ、１２６  光軸調整機構部、１２７  光軸制御部、１２８  光検出部、１２９  光ファイバケーブル、１３０  光信号処理部、１３１  送信部、１３２  反射鏡、１３３  レンズ、２０１  主反射鏡、２０２  副反射鏡、２０３  指示部材、３０１〜３０４  受光部、３０５〜３０８  光ファイバ、３０９〜３１２  光増幅器、３１３〜３１６  フォトダイオード、３１７  演算処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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９】
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