JPH0650251B2 - 人工衛星搭載用地球センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ この発明は人工衛星の姿勢制御を行うために姿勢誤差を
検出する人工衛星搭載用地球センサ装置に関するもの
で、地球のまわりを公転する人工衛星が必ず、指向する
地球を基準として、人工衛星のロール，ピッチ，ヨー３
軸姿勢誤差のすべてを定め得る地球センサ装置を提供す
るものである。

［従来技術］ 従来、人工衛星の地球中心方向からのずれであるロー
ル，ピッチ姿勢誤差を定める（検出する）ためには、地
球の赤外線放射を利用し、静止形、もしくは走査形の検
出器を用いて、地球の形状を示す赤外線像が基準となる
輪郭枠からどれだけずれているかを検出して姿勢誤差を
定める地球センサ装置が存在し、その使用が一般的であ
った。また、地球中心方向まわりのヨー姿勢誤差を定め
るセンサ装置としては、太陽や星に対する角度を検出し
たり、衛星から見て地球中心方向とオフセットを持った
位置にある地上局から発射される例えば14GHz程度の高
周波のビーコン波（以下、RFビーコンという）の受信出
力と地球センサ装置の出力とを組み合わて使用したり、
複数の地上局からのRFビーコンを利用したりする方法な
どが用いられて来た。

しかし、太陽を利用する場合には、地球，太陽，衛星が
ほぼ一直線になる衛星時刻の０時や12時付近ではヨー姿
勢誤差情報が得られないことや、センサ装置をして常に
太陽方向を向けさせるために太陽電池板に専用のセンサ
装置を設置したり、そうでない場合には、太陽センサ装
置を衛星本体の４面（衛星本体が４面体であると仮定し
た場合）のすべてに設置しなければならないなどの欠点
があった。

星を利用する場合には、衛星本体内に地球を公転するに
つれて変わる基準の星の暦情報を記憶し、その情報を用
いてヨー姿勢誤差を定めるための複雑な計算を行う必要
があり、従って、装置も大がかりとなり衛星搭載化が困
難であった。また、RFビーコンの利用も、そのためのビ
ーコン波を発射する地上設備が必要であり、かつ、24時
間中断しないための運用体制などの負担も大きく、静止
衛星の場合、静止軌道位置を変えることが困難であるな
どの欠点があった。

そして、これらの、ヨー姿勢誤差決定用センサ装置実現
の困難さが、人工衛星の姿勢制御方式を、モーメンタム
・ホイールを用いてそのジャイロ剛性を利用することに
よりヨー姿勢誤差決定用センサ装置を省略できるバイア
ス・モーメンタム方式とするなど、人工衛星の姿勢制御
方式を選定するうえで重大な影響を及ぼす結果となって
いた。

［目的］ そこで、本発明の目的は、上述の要望に応えるべく、ヨ
ー姿勢誤差を決定することのできる人工衛星搭載用地球
センサ装置を提供することにある。

［発明の構成］ かかる目的を達成するために、本発明では人工衛星のヨ
ー姿勢誤差零に対応した地球表面の地形についての基準
の赤外線像を記憶する手段と、地球表面の地形について
の赤外線像を検出する手段と、基準の赤外線像を、その
回転中心のまわりに所定の角度回転させる手段と、その
回転により得られた基準の赤外線像と検出された赤外線
像とを比較する手段と、その比較により回転により得ら
れた基準の赤外線像と検出された赤外線像との対応がと
れたときの回転角度から人工衛星のヨー姿勢誤差を定め
る手段とを具えたことを特徴とする。

ここで、検出手段は、赤外線−電気信号変換手段を含
み、それにより検出した赤外線像を電荷像の形態で出力
するのが好適である。

さらにまた、記憶手段は、基準の赤外線像を、人工衛星
のロール姿勢誤差，ピッチ姿勢誤差および人工衛星の軌
道位置誤差によって修正して、基準赤外線像の回転中心
を検出した赤外線像の回転中心と一致させる手段と、そ
の修正により得られた第２の基準赤外線像を記憶する手
段と、その記憶されている第２の基準赤外線像を比較手
段に供給する手段とを含むのが好適である。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図に本発明の一実施例の構成を示す。

ここで、１は地球であり、２はこの地球の像を赤外線検
出ユニット４の受光面上に結像させるためのレンズなど
の光学系である。地球から放射する赤外線はそれぞれ
海，陸などの温度特性に応じて異った波長で地球センサ
装置に入射するが、これを赤外線帯域通過フィルタ３に
より、雲を透過するには十分長い波長でかつ海，陸では
差が存在する範囲の波長（例えば波長11μｍ付近を中心
とする所定の帯域幅に設定）のみを選択する。

ここで、本発明において使用し、第１図中符号４で示す
赤外線検出ユニットについて説明する。赤外線検出ユニ
ットの一実施例を示す。第２図において、点線の円で示
す地球像の輪郭12の外側にある姿勢誤差検出部分は従来
の地球センサ装置におけるそれぞれロールおよびピッチ
姿勢誤差検出用赤外線検出部13および14からなり、地球
像輪郭12からはみ出した地球像がこれら赤外線検出部13
および14にかかっている面積に比例してロール，ピッチ
姿勢誤差を定めることができる。これら赤外線検出部13
および14の出力はロール，ピッチ姿勢誤差検出処理部５
（第１図参照）を通ってロール，ピッチそれぞれの姿勢
誤差データとして出力する。

一方、地球像輪郭12内にある微小検出素子の配列15はヨ
ー姿勢誤差検出用赤外線検出素子群であり、各素子毎に
当該素子に入射した赤外線入射レベルを検出するように
構成してある。

このヨー姿勢誤差検出用赤外線検出素子群15の部分にお
ける中央部付近は周辺部に比べて同一のヨー姿勢誤差に
対して検出素子群上での地球像の相対的な移動が小さい
ために検出感度が低下し、従って中央部付近に検出素子
を配置する利点が少ないので、この例では省略してある
が、勿論この中央部にも検出素子を配置することはいっ
こうに差支えない。

ヨー姿勢誤差情報は、第１図の赤外線検出ユニット４で
検出された赤外線像に対応し、同ユニットの赤外線検出
素子群15（光電変換素子群で構成するのが好ましい）を
円周方向に順次走査するなどして入射赤外線量に比例し
た電気量の配列データとして各素子から取り出される
が、この配列データは各配列での個々のレベル，もしく
は個々のレベルの変化率に応じて海陸弁別部６で海，陸
など地形変化に応じた２値符号の配列データに変換され
る。赤外線検出素子群15の光電変換面上に形勢される
海、陸の分布データの実施例としては、第３図に示す実
施例においては、レベルに応じて海，陸の分布を弁別し
たものであり、他方、第４図に示す実施例では、レベル
の変化率の不連続性を利用して海，陸の境界線を弁別し
たものである。なお、第３図および第４図における符号
16，17，18は、それぞれ海，陸，それらの境界線の各検
出出力を示している。

ところで、地球上の海，陸の分布データは人工衛星のヨ
ー姿勢誤差零に対応した基準の分布データとして記憶部
９に予めストアしておく。このストアした分布データ
と、通常は一定値である衛星の軌道位置データ，および
ロール，ピッチ姿勢誤差検出処理部５から出力した衛星
のロール，ピッチ姿勢誤差を基準分布データ生成ユニッ
ト８へ入力することにより、記憶部９からの基準の分布
データを、そのときの人工衛星のロール姿勢誤差，ピッ
チ姿勢誤差および人工衛星の軌道位置誤差によって修正
して、基準赤外線像の回転中心をユニット４で検出した
赤外線像の回転中心と一致させる。

実際には、人工衛星の姿勢を特定するための一定の姿勢
バイアスを与えていない限りはこのロール，ピッチ姿勢
誤差入力は姿勢制御により常にほぼ零に近い値となって
いることが見込まれる。ともあれ、このユニット８で
は、現在の軌道位置およびロール，ピッチ姿勢誤差で、
衛星にヨー姿勢誤差がないときの海陸弁別部６の出力と
等価な分布出力を生成する。

次に、比較演算部７において、ヨー姿勢誤差を表す海陸
弁別部６からの配列データと、基準分布データ生成ユニ
ット８から供給される配列データとを比較し、現時点に
おけるヨー姿勢誤差を決定する。これは以下のようにし
て実行される。すなわち、まず、ユニット８からの配列
データをヨー姿勢誤差がないときの基準の配列データと
して読み出して海陸弁別部６からの出力と比較演算す
る。次に、ユニット８からの配列データを最小単位ずら
して（例えば、配列の２番目から読み出すように）読み
出して再度比較演算し、以下同様に最小単位のずらしが
逐次累積するようにして読み出し、その都度得られた配
列出力を海陸弁別部６からの観測データ（配列出力）と
比較演算する。このようにしてユニット８からの配列デ
ータに与える読み出しタイミングのずらしは、ヨー姿勢
誤差掃引部10からの掃引出力を用いて行われる。

この比較演算の仕方についてより詳しく説明すれば、い
まユニット８からの配列データのｉ番目の出力をVri
（＝０又は１）、また観測データ（弁別部６からの）出
力について得られた配列の同じくｉ番目の出力をVoi
（＝０又は１）としたときに、次のような差Ｄを比較演
算結果として得て、その差Ｄがほぼゼロとなる極小値を
とるときの前述のようにして与えたずらしの累積値をヨ
ー姿勢誤差決定処理部11で決定し、これをヨー姿勢誤差
出力とする。

（ただし、Ｎは比較演算の対象とする配列データの個
数） ［効果］ この発明によれば、常に人工衛星が指向している地球を
基準とする１個のセンサ装置を共用して衛星のロール，
ピッチ，ヨー３軸の姿勢誤差を同時に得ることができ
る。特に、本発明によれば、どの時間帯でも使用可能
で、かつ地上局からのRFビーコンが不要となるヨー姿勢
誤差決定用地球センサ装置を実現することができること
から、静止衛星の場合の静止位置の制限もなくなり、ま
た、センサ装置から正確なヨー誤差姿勢誤差が得られる
ため衛星を３軸安定形衛星として構成した場合、その姿
勢制御精度の向上が期待できる。

そして、このヨー姿勢誤差決定が地球そのものを基準と
していることから、原理的にはヨ−誤差検出範囲は±18
0°である。また、ヨー姿勢誤差の検出精度は、主に赤
外線検出素子群15（第２図参照）の地球像周辺部に対応
する素子の分解能に依存し、素子を細分化すればそれだ
け精度も向上する。

通常の通信衛星などにとって十分なヨー姿勢誤差の分解
能として例えば0.1°を達成しようとする場合、衛星か
ら地球を見たときの視角から赤外線検出素子群を構成す
る各素子の寸法は円周方向に約0.014°となる。実際の
寸法は光学系による地球像の結像の大きさに依存してく
るが、ロール，ピッチ姿勢誤差検出用の従来の地球セン
サで既にこの程度の検出素子は開発されつつあることか
ら、十分実現可能な値である。また、素子の半径方向の
寸法は、ヨー姿勢誤差を検出するという目的からは原理
的には周辺部から中心付近まで連続な１個のものとする
ことも可能である。

逆に、半径方向のきざみを十分に密にし、ヨー姿勢誤差
検出用赤外線検出素子群の面積を地球像の輪郭より十分
に大きくすれば、従来のロール，ピッチ姿勢誤差検出専
用の検出部を省略して、データ処理部の追加だけで一群
の配列出力からロール，ピッチ，ヨー３軸すべての姿勢
誤差を一度に決定し得るセンサ装置とすることもでき
る。

また、本発明地球センサ装置は、構造的にはこれまでも
ロール，ピッチ姿勢誤差検出用として一般的に使用され
ている地球センサ装置にヨー姿勢誤差検出用の部分を追
加するだけであるから、電子回路部分が若干つけ加わる
にしても、人工衛星に専用のヨー姿勢誤差検出用センサ
装置を搭載することが省略できることや、衛星をバイア
ス・モーメンタム方式としないでよいことなど、この発
明のセンサ装置採用による衛星重量軽減効果が十分に期
待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック線図、 第２図は第１図中の赤外線検出部の一実施例を示す線
図、 第３図および第４図は本発明における海陸弁別器の２つ
の実施例を示す線図である。 １……地球、 ２……光学系、 ３……赤外線帯域通過フィルタ、 ４……赤外線検出ユニット、 ５……ロール，ピッチ姿勢誤差検出処理部、 ６……海陸弁別部、 ７……比較演算部、 ８……基準分布データ生成ユニット、 ９……地球上の海陸データ （基準の分布データ）記憶部、 10……ヨー姿勢誤差掃引部、 11……ヨー姿勢誤差決定処理部、 12……地球像輪郭、 13……ロール姿勢誤差検出用赤外線検出部、 14……ピッチ姿勢誤差検出用赤外線検出部、 15……ヨー姿勢誤差検出用赤外線検出素子群、 16……海部検出出力、 17……陸部検出出力、 18……海陸の境界線検出出力。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止軌道上から見た海陸分布を、人工衛星
   のヨー姿勢誤差“零”に対応した基準海陸分布像として
   記憶する記憶手段と、 雲を透過するには十分長い波長であって、且つ、海およ
   び陸に関しては地球自身からの輻射強度の差が存在する
   波長の赤外光を感知し、大きさが一定である円盤状の地
   球赤外線像を検出する赤外線検出手段と、 前記円盤状の地球赤外線像から海陸分布像を抽出する海
   陸弁別手段と、 前記記憶手段に記憶されている基準海陸分布像を、人工
   衛星のロール姿勢誤差，ピッチ姿勢誤差および軌道位置
   誤差に基づいて修正し、当該基準海陸分布像の回転中心
   を前記海陸弁別手段により抽出された海陸分布像の回転
   中心と一致させる修正手段と、 修正された前記基準海陸分布像をその回転中心のまわり
   に回転させ、前記海陸弁別手段により抽出された海陸分
   布像と一致もしくは近接させることにより、人工衛星の
   ヨー姿勢誤差を決定する処理手段と、 を具備したことを特徴とする人工衛星搭載用地球センサ
   装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記赤外
   線検出手段は２次元的に配列された微小の赤外線レベル
   検出用素子群を備え、 前記処理手段は前記修正手段からの読出しタイミングを
   制御することにより当該修正された基準海陸分布像を回
   転させることを特徴とする人工衛星搭載用地球センサ装
   置。