JP3404173B2 - Star scanner - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えばスピン型人工
衛星等の宇宙航行体の姿勢を検出するのに用いられるス
タースキャナに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のスタースキャナとして、
特願昭６０ー２００８６０号に開示されてように受光素
子の受光面にレティクルと称するマスク部材を等間隔に
対向配置した受光部を備えて，光学系で星像を結像し
て、受光素子の受光面に取込み、この受光素子の出力に
基づいて星像検出データを取得しているものが知られて
いる。このようなスタースキャナは、検出部の１／ｆ雑
音（フリッカノイズ）の影響が除去されて、高感度な検
出が実現できるという特徴を有する。
【０００３】ところで、このようなスタースキャナにあ
っては、その信号対雑音比（ＳＮＲ；Sgnal to Noise R
atio）の向上を図る場合、受光素子の受光面を遮蔽する
マスク部材の分割数を多くしてチョッピングした信号成
分の帯域を狭くして、フィルタバンド幅を狭くすること
により実現できる。
【０００４】しかしながら、上記スタースキャナでは、
光学系の収差等により、受光部の受光素子の受光面に取
込む星像の大きさを無限に小さく設定することが困難な
ことにより、マスク部材の幅間隔を一定値以下に設定す
ると、星像検出が困難となる。このため、マスク部材の
分割数を多くして、ＳＮＲの向上を図り、高感度化の促
進を図ると、受光素子の幅方向の分解能（角度分解能）
が劣化されるという問題を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のスタースキャナでは、ＳＮＲの向上を図ると、角度
分解能が低下されるという問題を有する。この発明は上
記の事情に鑑みてなされたもので、構成簡易にして、信
号対雑音比の向上を図り得、且つ、高角度分解能を実現
し得るようにしたスタースキャナを提供することを目的
とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、宇宙航行体
のスピンに連動して星像を結像する光学系と、この光学
系で結像される星像の走査方向に配設される複数の受光
素子と、前記光学系と複数の受光素子との間の走査方向
にＭ系列コードパターンで配設され、前記光学系で結像
された星像を遮蔽する複数のマスク部材と、前記受光素
子の出力の相関を採り、その値に基づいて星像検出デー
タを生成する信号処理手段とを備えてスターセンサを構
成したものである。
【０００７】
【作用】上記構成によれば、受光素子は、その受光面
が、Ｎを自然数とすると、２N −１の要素からなる数列
で配設されるマスク部材に遮蔽されることにより、その
出力信号として、２N −１の１に相当する信号が加算さ
れて出力される。従って、ＳＮＲが、２N −１の１に相
当する信号／雑音となり、感度の向上が図れ、しかも高
角度分解能が確保される。
【０００８】
【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して詳細に説明する。図１はこの発明の一実施例に係
るスタースキャナを示すもので、光学系１０は、例えば
宇宙航行体のスピン軸に対応して配設されて該宇宙航行
体のスピンに対応して回転走査される。この光学系１０
の後段には、受光部１１が配設される。受光部１１は、
例えば２個の受光素子１１ａ，１１ｂ（１１ｃ，１１
ｄ）が光学系１０で結像する星像が走査する方向に略Ｖ
字状に配設された２系統、４個の受光素子が組合わせ配
設され、この２系統の出力が増幅部１２ａ，１２ｂを介
してスイッチ１３の固定接点ａ，ｂにそれぞれ接続され
る。スイッチ１３は、その可動接点ｃに相関器１４が接
続され、可動接点ｃが選択的に固定接点ａあるいはｂに
切換え制御されて受光部１１の２系統のうち一方の出力
信号を相関器１４に出力する。
【０００９】上記受光素子１１ａ〜１１ｄは、例えばフ
ォトダイオードでそれぞれ形成され、その受光面には、
図２に示すようにレティクルと称するマスク部材３０が
周知のＭ系列（ＰＮ系列）のコード（符号化）に対応し
たパターンで採光するように被着される。
【００１０】なお、この受光素子１１ａ〜１１ｄとして
は、単一のフォトダイオードで構成しても、あるいはそ
れぞれ独立に構成しても良い。また、相関器１４は、図
３に示すように遅延回路１４ａと加減算器１４ｂで形成
され、遅延回路１４ａには、受光部１１の出力信号が入
力される。遅延回路１４ａは、入力順に出力信号を加減
算器１４ｂに出力し、加減算器１４ｂは、入力した出力
信号を加減算して相関信号を生成する（図４参照）。相
関器１４は、ディスクリミィネータ１５及びピークホー
ルド回路１６にそれぞれ接続され、生成した相関信号を
ディスクリミィネータ１５及びピークホールド回路１６
にそれぞれ出力する。ディスクリミィネータ１５は、波
形成形回路１７に接続され、入力した信号をパルス列信
号に変換して波形成形回路１７に出力する。波形成形回
路１７は、クロック生成回路１８に接続され、入力した
パルス列信号を波形成形してパルス信号を生成してクロ
ック生成回路１８に出力する。クロック生成回路１８
は、その出力端にテレメトリインターフェース１９が接
続され、入力したパルス信号の立下り時刻を検出して、
これを星の検知時刻としてテレメトリインターフェース
１９に出力する。
【００１１】また、波形成形回路１７の出力端には、ピ
ークホールド回路１６及びアナログ・デジタル変換（Ａ
ＤＣ）回路２０がそれぞれ接続される。ピークホールド
回路１６は、相関信号をパルス信号に基づいてピークホ
ールドして、このピークホールド値をＡＤＣ回路２０で
デジタル信号に変換してこれを振幅データとして、上記
テレメトリインターフェース１９に出力する。テレメト
リインターフェース１９は、入力される時刻データ及び
振幅データを例えば地上局に送信して、これに基づいて
宇宙航行体の姿勢制御信号が生成される。
【００１２】上記構成において、光学系で結像した星像
は、マスク部材３０を介して受光部１１の受光素子１１
ａ〜１１ｄに取込まれる。ここで、マスク部材３０は、
Ｍ系列のパターンコードで形成されており、Ｎを自然数
とすると、０又は１の値を持つｎ＝２N −１個の要素ｍ
i からなる数列に対応され、Ｍ系列の直行性を有し、下
記の式で表される。
【００１３】
【数１】【００１４】ここで、ｍi+j の添字については、ｎを法
とする剩除を意味するものとする。即ち、ｍi+j ＝ｍi
である。上記式において、２ｍj −１は、Ｍ系列の要素
の１を１、０を−１に写像する変換であり、変換された
系列をＨ系列とする。例えば自然数Ｎとして、Ｎ＝４、
即ち１５の要素を持つＭ系列｛1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,
1,0,1,1 ｝（Ｍ系列をサイクリックに転置したもの（巡
回）もまたＭ系列）にマスク部材を設定する（図３参
照）。これをＨ系列で表すと、｛1,1,-1,-1,-1,1,-1,-
1,1,1,-1,1,-1,1,1｝となる。
【００１５】ここで、受光部１１からのＭ系列の出力信
号は、増幅部１２ａ，１２ｂ及びスイッチ１３を介して
相関器１４に入力される。相関器１４は、入力した出力
信号が遅延回路１４ａを介して加減算器１４ｂに導かれ
て、Ｈ系列の１に対応して加算、−１に対応して減算を
実行して相関信号を生成する。ここで、相関信号は、ｍ
i の１に相当する受光素子１１ａ〜１１ｄの出力信号が
加算されて８倍され、その雑音が加減算の個数の平方根
（１５）1/2 倍となる。この結果、ＳＮＲは、８／（１
５）1/2 倍（約２．１倍）となり、ｎ＝２N −１個の要
素の場合、（ｎ＋１）／２×ｎ1/2 倍となり、ｎが大き
い場合には、（ｎ／２）1/2 倍となる。
【００１６】相関器１４で生成した相関信号は、ディス
クリミィネータ１５に入力されてパルス列信号に変換さ
れた後、波形成形回路１７で波形成形されてパルス信号
が生成され、クロック生成回路１８でパルス信号の立下
り時刻を検出して、これを星の検知時刻が生成される。
そして、この星の検知時刻は、テレメトリインターフェ
ース１９に入力される。
【００１７】また、波形成形回路１７で生成したパルス
信号は、ピークホールド回路１６及びＡＤＣ回路２０に
入力される。ピークホールド回路１６は、入力される相
関信号（図４参照）をパルス信号に基づいてピークホー
ルドして、このピークホールド値をＡＤＣ回路２０でデ
ジタル信号に変換してこれを振幅データとして、上記テ
レメトリインターフェース１９に出力する。テレメトリ
インターフェース１９は、入力される時刻データ及び振
幅データを例えば地上局に送信する。
【００１８】このように、上記スタースキャナは、光学
系１０で結像される星像の走査方向に配設される受光素
子１１ａ〜１１ｄと光学系１０との間の走査方向に２N
−１のＭ系列コードパターンの採光を可能とするマスク
部材３０を介在して、受光素子１１ａ〜１１ｄの出力の
相関を採り、その値に基づいて星像検出データを生成す
るように構成した。
【００１９】これによれば、受光素子１１ａ〜１１ｄの
出力のＳＮＲが（ｎ＋１）／２×ｎ1/2 倍となり、ｎが
大きい場合には、（ｎ／２）1/2 倍となり、その感度の
向上が図れ、しかも、マスク部材３０の最小幅を狭く採
ることがないことにより、高角度分解能が確保できる。
【００２０】なお、マスク部材３０を受光素子１１ａ〜
１１ｄに被着する如く配設した場合で説明したが、これ
に限ることなく、例えば光学系１０と受光部１１との間
に配設するように構成することも可能である。
【００２１】また、上記実施例では、取得した時刻デー
タ及び振幅データを一旦、地上局に送信するように構成
した場合で説明したが、これに限ることなく、宇宙航行
体内のオンボードで処理するように構成することも可能
である。よって、この発明は、上記実施例に限ることな
く、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変形を実施し得ることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、構成簡易にして、信号対雑音比の向上を図り得、且
つ、高角度分解能を実現し得るようにしたスタースキャ
ナを提供することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a star scanner used for detecting the attitude of a space vehicle such as a spin type satellite. 2. Description of the Related Art Conventionally, as a star scanner of this kind,
As disclosed in Japanese Patent Application No. 60-200860, a light-receiving portion is provided on a light-receiving surface of a light-receiving element, in which mask members called reticle are arranged at equal intervals to face each other. Is known in which the star image detection data is acquired based on the output of the light receiving element. Such a star scanner is characterized in that the effect of 1 / f noise (flicker noise) of the detection unit is removed and high-sensitivity detection can be realized. [0003] By the way, in such a star scanner, its signal-to-noise ratio (SNR) is small.
The ratio can be improved by increasing the number of divisions of the mask member that shields the light receiving surface of the light receiving element, narrowing the band of the chopped signal component, and narrowing the filter bandwidth. However, in the above-mentioned star scanner,
Due to the aberrations of the optical system, it is difficult to set the size of the star image captured on the light receiving surface of the light receiving element of the light receiving unit to be infinitely small. Image detection becomes difficult. For this reason, when the number of divisions of the mask member is increased to improve the SNR and promote the increase in sensitivity, the resolution (angular resolution) in the width direction of the light receiving element is increased.
Is deteriorated. [0005] As described above, the conventional star scanner has a problem that the angular resolution is reduced when the SNR is improved. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a star scanner which has a simple configuration, can improve a signal-to-noise ratio, and can realize a high angular resolution. I do. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical system that forms a star image in conjunction with the spin of a spacecraft, and an optical system arranged in the scanning direction of the star image formed by the optical system. A plurality of light-receiving elements provided, and a plurality of mask members arranged in an M-sequence code pattern in a scanning direction between the optical system and the plurality of light-receiving elements, for shielding a star image formed by the optical system. And a signal processing means for obtaining a correlation between the output of the light receiving element and generating star image detection data based on the value, thereby forming a star sensor. According to the above arrangement, the light receiving surface of the light receiving element is shielded by a mask member arranged in a sequence of 2 N -1 elements, where N is a natural number. As the output signal, a signal corresponding to 1 of 2 N −1 is added and output. Therefore, the SNR becomes a signal / noise corresponding to 1 of 2 N −1, the sensitivity can be improved, and a high angular resolution can be secured. Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a star scanner according to an embodiment of the present invention. An optical system 10 is disposed, for example, in correspondence with the spin axis of a spacecraft, and rotates and scans in response to the spin of the spacecraft. Is done. This optical system 10
The light receiving unit 11 is provided at the subsequent stage. The light receiving unit 11
For example, two light receiving elements 11a, 11b (11c, 11
d) is approximately V in the direction in which the star image formed by the optical system 10 scans.
Two systems and four light receiving elements arranged in a letter shape are arranged in combination, and the outputs of these two systems are connected to fixed contacts a and b of the switch 13 via amplifiers 12a and 12b, respectively. The switch 13 has a movable contact c connected to the correlator 14, and the movable contact c is selectively controlled to be switched to the fixed contact a or b so that one of the two output signals of the light receiving unit 11 is output to the correlator 14. Output. Each of the light receiving elements 11a to 11d is formed of, for example, a photodiode.
As shown in FIG. 2, a mask member 30 called a reticle is attached so as to illuminate in a pattern corresponding to a known M-sequence (PN-sequence) code (encoding). The light receiving elements 11a to 11d may be constituted by a single photodiode or may be constituted independently of each other. The correlator 14 includes a delay circuit 14a and an adder / subtractor 14b as shown in FIG. 3, and the output signal of the light receiving unit 11 is input to the delay circuit 14a. The delay circuit 14a outputs an output signal to the adder / subtractor 14b in the order of input, and the adder / subtractor 14b adds and subtracts the input output signal to generate a correlation signal (see FIG. 4). The correlator 14 is connected to the discriminator 15 and the peak hold circuit 16 respectively, and outputs the generated correlation signal to the discriminator 15 and the peak hold circuit 16.
Respectively. The discriminator 15 is connected to the waveform shaping circuit 17, converts the input signal into a pulse train signal, and outputs the signal to the waveform shaping circuit 17. The waveform shaping circuit 17 is connected to the clock generation circuit 18, generates a pulse signal by shaping the waveform of the input pulse train signal, and outputs the pulse signal to the clock generation circuit 18. Clock generation circuit 18
Is connected to a telemetry interface 19 at its output end, detects the fall time of the input pulse signal,
This is output to the telemetry interface 19 as a star detection time. An output terminal of the waveform shaping circuit 17 has a peak hold circuit 16 and an analog / digital conversion (A
DC) circuits 20 are respectively connected. The peak hold circuit 16 peak holds the correlation signal based on the pulse signal, converts the peak hold value into a digital signal by the ADC circuit 20, and outputs the digital signal to the telemetry interface 19 as amplitude data. The telemetry interface 19 transmits the input time data and amplitude data to, for example, a ground station, and generates an attitude control signal of the spacecraft based on the data. In the above configuration, the star image formed by the optical system is transmitted to the light receiving element 11 of the light receiving section 11 through the mask member 30.
a to 11d. Here, the mask member 30
N = 2 N −1 elements m having a value of 0 or 1 where N is a natural number and is formed by an M-sequence pattern code.
It corresponds to a sequence consisting of i , has M-series orthogonality, and is represented by the following equation. ## EQU1 ## Here, the subscript of m i + j means a remainder modulo n. That is, m i + j = m i
It is. In the above equation, 2m j −1 is a transformation that maps 1 of the elements of the M sequence to 1 and 0 to −1, and sets the converted sequence as an H sequence. For example, as a natural number N, N = 4,
That is, an M-sequence having 15 elements ｛1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,
A mask member is set to 1,0,1,1｝ (the M sequence is cyclically transposed (circulation is also the M sequence)) (see FIG. 3). Expressing this as an H sequence, ｛1,1, -1, -1, -1,1, -1,-
1,1,1, -1,1, -1,1,1｝. Here, an M-sequence output signal from the light receiving unit 11 is input to the correlator 14 via the amplifiers 12a and 12b and the switch 13. The correlator 14 generates the correlation signal by inputting the output signal to the adder / subtractor 14b via the delay circuit 14a and performing addition corresponding to 1 of the H sequence and subtraction corresponding to -1. . Here, the correlation signal is m
The output signals of the light receiving elements 11a to 11d corresponding to 1 of i are added and multiplied by 8, and the noise becomes the square root (15) 1/2 times the number of additions and subtractions. As a result, the SNR is 8 / (1
5) 1/2 times (approximately 2.1 times). In the case of n = 2 N −1 elements, (n + 1) / 2 × n 1/2 times, and when n is large, (n / 2) It becomes 1/2 times. The correlation signal generated by the correlator 14 is input to the discriminator 15 and converted into a pulse train signal. The pulse signal is generated by the waveform shaping circuit 17 to generate a pulse signal. The falling time of the signal is detected, and this is used as the star detection time.
Then, the detection time of the star is input to the telemetry interface 19. The pulse signal generated by the waveform shaping circuit 17 is input to the peak hold circuit 16 and the ADC circuit 20. The peak hold circuit 16 peak-holds the input correlation signal (see FIG. 4) based on the pulse signal, converts the peak hold value into a digital signal by the ADC circuit 20, converts the digital signal to amplitude data, Output to the interface 19. The telemetry interface 19 transmits the input time data and amplitude data to, for example, a ground station. As described above, the star scanner has a scanning direction of 2 N between the light receiving elements 11a to 11d arranged in the scanning direction of the star image formed by the optical system 10 and the optical system 10.
The configuration is such that the output of the light receiving elements 11a to 11d is correlated with a mask member 30 capable of lighting the M-sequence code pattern of -1, and star image detection data is generated based on the correlation. According to this, the SNR of the output of the light receiving elements 11a to 11d becomes (n + 1) / 2 × n 1/2 times, and when n is large, it becomes (n / 2) 1/2 times. Since the sensitivity can be improved and the minimum width of the mask member 30 is not narrowed, a high angular resolution can be secured. The mask member 30 is connected to the light receiving elements 11a to 11a.
Although the description has been given of the case where the light emitting device is disposed so as to be attached to the surface 11d, the present invention is not limited to this. For example, the light receiving unit 11 may be disposed between the optical system 10 and the light receiving unit 11. In the above-described embodiment, the description has been given of the case where the acquired time data and amplitude data are temporarily transmitted to the ground station. However, the present invention is not limited to this, and the data is processed on-board in the spacecraft. Such a configuration is also possible. Therefore, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. As described above in detail, according to the present invention, a star scanner which has a simple configuration, can improve the signal-to-noise ratio, and can realize a high angular resolution. Can be provided.
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係るスタースキャナを示
した図。
【図２】図１の受光部のマスク配置状態を示した図。
【図３】図１の相関器の詳細を示した図。
【図４】相関器の出力特性を示した図。
【符号の説明】
１０…光学系。
１１…受光部。
１１ａ〜１１ｄ…受光素子。
１２ａ，１２ｂ…増幅部。
１３…スイッチ。
１４…相関器。
１４ａ…遅延回路。
１４ｂ…加減算器。
１５…ディスクリミィネータ。
１６…ピークホールド回路。
１７…波形成形回路。
１８…クロック生成回路。
１９…テレメトリインターフェース
２０…ＡＤＣ回路。
３０…マスク部材。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a star scanner according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a mask arrangement state of a light receiving unit in FIG. 1; FIG. 3 is a diagram showing details of a correlator shown in FIG. 1; FIG. 4 is a diagram showing output characteristics of a correlator. [Description of Signs] 10 ... Optical system. 11 ... Light receiving unit. 11a to 11d: light receiving elements. 12a, 12b ... amplifying unit. 13 ... Switch. 14. Correlator. 14a ... Delay circuit. 14b Adder / subtractor. 15 ... Discriminator. 16 ... Peak hold circuit. 17 ... waveform shaping circuit. 18. Clock generation circuit. 19: Telemetry interface 20: ADC circuit. 30 ... Mask member.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 1/00 G01C 21/24 B64G 1/36 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01C 1/00 G01C 21/24 B64G 1/36
Claims (1)
像する光学系と、 この光学系で結像される星像の走査方向に配設される複
数の受光素子と、 前記光学系と複数の受光素子との間の走査方向にＭ系列
コードパターンで配設され、前記光学系で結像された星
像を遮蔽する複数のマスク部材と、 前記受光素子の出力の相関を採り、その値に基づいて星
像検出データを生成する信号処理手段とを具備したスタ
ースキャナ。(57) [Claims] [Claim 1] An optical system that forms a star image in conjunction with the spin of a spacecraft, and is arranged in the scanning direction of the star image formed by the optical system. A plurality of light receiving elements, a plurality of mask members disposed in an M-sequence code pattern in a scanning direction between the optical system and the plurality of light receiving elements, and a plurality of mask members for blocking a star image formed by the optical system, A star scanner comprising signal processing means for obtaining a correlation between the outputs of the light receiving elements and generating star image detection data based on the value.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP06764295A JP3404173B2 (en) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Star scanner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06764295A JP3404173B2 (en) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Star scanner |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH08261751A JPH08261751A (en) | 1996-10-11 |
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ID=13350872
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| Country | Link |
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1995
- 1995-03-27 JP JP06764295A patent/JP3404173B2/en not_active Expired - Lifetime
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