JPH065170B2

JPH065170B2 - 衛星カメライメージ内のピクセルを位置決めする装置

Info

Publication number: JPH065170B2
Application number: JP62000091A
Authority: JP
Inventors: アーメド・エイ・カメル; ドナルド・ダブリユー・グロール; ジヨン・サビデス; チヤールズ・ダブリユー・ハンソン
Original assignee: FUOODO EAROSUPEISU ANDO KOMYUNIKEISHONZU CORP
Current assignee: FUOODO EAROSUPEISU ANDO KOMYUNIKEISHONZU CORP
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1987-01-05
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: US4688092A; EP0249666A2; JPS62263408A; CA1297563C; EP0249666A3

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は衛星（サテライト）カメラのイメージ（像）内
の各ピクセルを地球の緯度および経度によって位置決め
する分野に関する。

〈従来の技術〉次の３つの開示は本発明の一部分の理解を助けるもので
ある。

(1)１９８５年１０月２１日に環境の遠隔感知に関する
国際シンポジウムにおいて「エンビロンメンタル・リサ
ーチ・インスティチュード・オブ・ミシガン」の前でデ
ィー・ダブリュー・グロール（Ｄ．Ｗ．Graul）（本発
明者の１人）がポスターボード・ディスプレイを用いて
行なった講演、(2)１９８５年１２月２３日発行の「ア
ビエイション・ウィーク・アンド・スペース・テクノロ
ジィ」の「ニュー・GOES・ツゥー・シャープン・シビャ
ー・ウェザー・トラッキング」と題する記事、(3)１９
８５年９月発行の「ナショナル・オーシャニック・アン
ド・アトモスフェリック・アドミニストレーション」の
エイ・シュワルブ（Ａ．Schwalb）の「エンビロサット
−２０００レポート、GOESネクスト・オーバービュー」
と題する記事（第２５、２６、２８、３２、３５、３６
頁）。

１９８４年４月−６月発行の「ジャーナル・オブ・アス
トロノーチカル・サイエンス」第３２巻第２号の第１８
９〜１９８頁のビィー・ディー・ランデッカー（Ｐ．
Ｄ．Landecker）の「オペレーショナル・スペースクラ
フト・アチチユード・デターミネーション・ユーシング
・データ・フロム・ア・スピニング・センサ」と題する
記事には星の感知を使用するスピン安定化衛星の姿勢決
定に関する記載がある。

本発明に関連する他の文献として米国特許第3,２２3,７
７７号、第3,６７6,５８１号、第3,７１6,６６９号、第
3,７６9,７１０号、第3,８５9,４６０号、第3,９５2,１
５１号、第4,０１2,０１８号および第4,３０0,１５９号
がある。

〈発明の概要〉本発明によると衛星に搭載したカメラ（１、２）（括弧
内の参照番号は後述する実施例の参照番号を示す）によ
って撮られたイメージ（像）によりイメージナビゲーシ
ョン（航法）を達成するための装置が提供される。この
衛星は地球あるいは他の天体の周囲の軌道にあり、その
天体の風景（シーン）のイメージを作成する。各イメー
ジは複数のピクセルに分割される。

カメラ（１、２）は撮影し、測定値をモデル作成手段
（６０）に送る。ここで、カメラにより提供される測定
値は、下記のものを含む。すなわち、１．星に関する測定値。これは、衛星軌道およびカメラ
の姿勢についての見積りないし推測値を生成するのに使
用される。

２．天体の陸標についての測定値。これは衛星軌道の見
積りないし推測値を発生するのに使用される。

３．天体の上方における衛星の姿勢についての測定値。
これは、衛星軌道の見積りないし推測値を生成するのに
使用される。モデル作成手段（６０）はそれに応答して
衛星の軌道および姿勢の推測値をそれぞれ発生する。姿
勢の見積りないし推測値は、一組の互いに直交する基準
軸の、時間に関する三角級数として表される運動の式と
し得る。軌道の見積りないし推測値は、エポックにおけ
るケプラーの要素である係数を含む、衛星のサブサテラ
イト点における衛星の緯度および経度ならびに衛星の高
度の時間の関数で表される式とし得る。エポックにおけ
るケプラーの要素は、カメラによって測定されかつモデ
ル作成装置に遠隔伝送される星および天体陸標位置デー
タに基づいてウォーキング・リースト・スクェアズ・フ
ィットを使用して推測される。モデル作成手段（６０）
によって提供される情報を使用して、変換手段（６６）
はカメラ（１、２）によって決定されたピクセルのロケ
ーションをその天体に関する緯度および経度に変換す
る。

〈実施例〉以下、本発明の好ましい実施例について詳細に説明す
る。

本発明は任意の形式の衛星に対して有用性を有するけれ
ど、特に第２図に示した衛星、すなわち、ＮＯＡＡ（ア
メリカ国家海洋・大気気象局）により後援され、ＮＡＳ
Ａ（アメリカ航空宇宙局）により契約された３軸安定化
地球静止軌道形GOESIJKLM気象衛星の１つ、に関して本
発明を説明する。第２図に示された衛星はソーラーアレ
イ１１、Ｘ線センサ１２、磁力計１３、Ｓ−バンド伝送
アンテナ１４、探索および救助アンテナ１５、ＵＨＦア
ンテナ１６、遠隔測定および命令アンテナ１８、地球セ
ンサ１９、Ｓ−バンド受信アンテナ２０、ソーラーセイ
ル２４および２台のカメラ、すなわち撮像装置（イメー
ジャ）１およびサウンダ２とを含む。撮像装置１は、冷
却装置１７、アパーチャ２３およびミラー３３を備え
る。サウンダ２は、冷却装置２１、アパーチャ２２およ
びミラー３２を備える。

ミラー３３、３２は、各々２軸ジンバル上に取り付けら
えるが、該ジンバルは、１秒あたり多くの逐次位置を走
査する非常に迅速なステップ走査速度で、ミラー３３、
３２を直交するｘおよびｙ軸に関して選択的に位置づけ
る。外見上共通のｘ軸は、ロール、北／南または仰角軸
とも称し得る。各ミラー３３、３２に対するｙ軸は、ピ
ッチ、東／西、または方位角軸とも称し得る。

撮像装置１は、地球表面の多スペクトルの放射測定的撮
像を可能にするが、これは例えば横断方向の雲速度の測
定に役立てることができる。撮像装置１は、５つのチャ
ンネル、すなわち４つの赤外線チャンネルと１つの可視
光チャンネルを有する。撮像装置の２軸ジンバル支持走
査ミラー３３は、地球上の東／西路に沿って８キロメー
タの経度方向区画（スウォース）をスイープし、全チャ
ンネルから観察されたシーンの互いに整合されたデータ
を同時に供給する。走査される領域の位置および大きさ
は都合により制御される。撮像装置１の視野は、各々多
くのピクセルを含む１組の平行な走査線に分割される。
ピクセルの寸法（地球上の）は、チャンネルの１つに対
して１Km×１Kmほどの小ささである。１走査フレーム
（多くの走査線を含む）は、可能な全視野のうちの走査
されることを命令されるサブセット（小部分）である。
走査フレームは全地球走査に対して２２分で走査され、
「領域走査」（地球上の部分）についてはこれより短
い。受動放射冷却装置１７は低い温度での動作で感度の
上昇を可能にする。宇宙空間および内部黒体ターゲット
へのミラー（33）の周期的な旋回により放射測定較正が
行なわれる。

サウンダ２は、１ピクセルずつの基準で地球の大気内の
湿気含有量および温度を測定する。サウンダ２は、１９
チャンネル（１８の赤外線および１可視光線チャンネ
ル）の別個のフィルタホイールラジオメータ（放射計）
を含む。サウンダの２軸ジンバル支持走査ミラー３２
は、１０Kmの増分で東／西路を横切って４０Kmの経度方
向区画（スウォース）をステップ走査する。公称ピクセ
ル寸法（地球上）は１０Km×１０Kmである。１走査フレ
ーム（多くの走査線を含む）は、相関時間として知られ
る時間量で走査される。受動的な放射冷却装置２１は、
フィルタホイールアセンブリの温度を制御する。これ
は、低い温度での動作で感度の増大を可能にする。宇宙
空間および内部黒体ターゲットへの周期的なミラー３２
の旋回により放射測定の較正が行なわれる。

撮像装置１およびサウンダ２は、撮像または探測（サウ
ンディング）期間として知られる時間の間にわたり独立
にかつ同時に動作する。この期間は、少なくとも８５分
に特定され、１２時間程とし得る。１期間中、数フレー
ムが走査され、数個の像が作られる。期間の終了時に、
宇宙船は例えばハウスキーピングモードに入り、姿勢制
御または運動量放出（ダンビング）の目的のためスラス
タを点火できる。

本明細書で記載するイメージ航行（ナビゲーション）シ
ステムはサブ衛星点から1.７Km（３σ、ここでσは標準
偏差を意味する）内のかつ60゜の中心地球角から5.０Km
（３σ、ここでσは標準偏差を意味する）内の個々の撮
像装置１およびサウンダ２のピクセルを位置決めする。
このピクセルの位置決め精度は例示されたGOESIJKLM衛
星の撮像装置１およびサウンダ２に対する要件よりも３
乃至６倍良い。この精度は次の理由によって可能にな
る。

(1)各機器１、２が可視光検出器アレイを使用して４番
目の大きさの星を感知することができる。

(2)レンジデータ（高度）と星および陸標観察データ
（角度）との組合せだけが軌道モデル４０を作成するた
めに使用される。軌道のモデルが形成されると、星のデ
ータ（角度）のみが姿勢モデル５０を作成するために使
用される。

(3)星および陸標データは機器１、２それ自体により撮
られる。それ故、あらゆる長期間の摂動の影響は零にな
る。すなわち、この影響は地球イメージにおける各ピク
セルに対して、星および陸標イメージに存在するものと
同じである。別個の星追跡器が使用された場合には、そ
の指示位置は軌道中での衛星の熱的構造歪みによって生
じる衛星取付けの不整列および変動により機器１、２の
指示位置と同一ではなくなる。

星および陸標の測定は本来の撮像および探測の使命を妨
害しない。

星の測定はここに例示したGOES IJKLMのような衛星の静
かな運動学的環境のために、GOES IJKLMのような３軸安
定化衛星を使用すると容易になる。

軌道の決定は衛星の高度、経度、および緯度を時間の関
数として決定するプロセスである。経度および緯度はサ
ブ衛星点で、すなわち、Ｚ軸が地球の表面と交差する点
（第１図参照）で測定される。Ｚ軸（ヨー軸）は衛星の
質量中心と地球の質量中心を接続する。Ｚ軸は軌道面に
ある。Ｙ軸（ピッチ軸）は衛星の質量中心を通りかつ軌
道面に直交する。Ｘ軸（ロール軸）はＹおよびＺ軸のそ
れぞれと直交する。Ｘ軸は衛星の速度ベクトルの横方向
成分に沿っている。Ｘ軸は、軌道が完全に円形であるな
らば、衛星の速度ベクトルに沿うことになる。しかしな
がら、地球静止軌道にある衛星であっても、その軌道は
正確には円形でない。

姿勢の決定は基準軌道軸線（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に関する一組
の互いに直交する基準光学軸線（ｘ、ｙ、ｚ）の向き、
位置（ロール、ピッチ、およびヨー偏差）を決定するプ
ロセスである。基準光学軸線ｘ、ｙ、ｚは撮像装置１お
よびサウンダ２のそれぞれのミラー３３および３２のナ
ル（ゼロ）位置（地球命令によって決められる）に対応
するこれら撮像装置１およびサウンダ２のそれぞれの固
定部分に関してとられる。姿勢の誤りがない場合には、
ｘ、ｙ、ｚ軸線はＸ、Ｙ、Ｚ軸線と一致する。姿勢モデ
ル５０の決定は基準軌道軸線Ｘ、Ｙ、Ｚに関する基準光
学軸線ｘ、ｙ、ｚの長期間のロール、ピッチ、およびヨ
ー角度の計算（すべてが時間に関するものである）を必
要とする。

軌道位置の３つの成分（緯度、経度、高度）は軌道パラ
メータＰとして知られており、撮像装置１の星および陸
標の測定によっておよびオペレーションズ・グラウンド
・エクイプメント（ＯＧＥ）６５を使用するレンジ測定
によって決定される。撮像装置の姿勢の３つの成分x_i、
y_i、z_iは撮像装置１の星の測定によって決定される。サ
ウンダ２による別個の星の測定によりサウンダ２の基準
光学軸線x_s、y_s、z_sの長期間のロール、ピッチ、および
ヨー角度が決定される。

本発明は不整列、ドリフト、エージング、および任意の
他の長期間の姿勢の変動を、これら影響を個々に測定す
ることなしに補償し、そしてこれら影響の大きさには比
較的不感知である。

星と陸地間の角度は宇宙船の軌道位置の変化によっての
み影響を受ける。姿勢の変化はいかなる変化も生じさせ
ない。それ故、軌道データは事実上姿勢データからデカ
ップルされ、軌道モデル４０および姿勢モデル５０は別
々に決定できる。

いったん軌道モデル４０が決定されると、一連の少なく
とも２つの星の測定が姿勢係数Ａを決定する。

実際の使命の動作において、星の測定間の短かい時間
（代表的には約３０分）中の小さな姿勢の変化のために
姿勢と軌道データ間に僅かな結合が生じる。この結合は
軌道および姿勢決定プロセスを単一の大きな軌道／姿勢
モデル４０、５０と組合せることによって補償できる。
このモデル４０、５０は、例えば既知の再帰的フィルタ
または「ウォーキング・リースト・スクェアズ・フイッ
ト（walking least squares fit）」として知られてた
アルゴリズムを使用して、その係数Ｋ、Ａを同時に求め
ることができる。

軌道モデル４０はゆっくりと移動する時間の関数として
軌道パラメータＰ（衛星の高度、およびサブ衛星点にお
けるその緯度および経度）を与える。軌道モデル４０に
おける係数はエポックにおける６つのケプラーの（軌道
の）要素である。「エポック」とはモデルが形成されて
いる軌道および姿勢の変化の始まりをいう。６つのケプ
ラー要素は半長径、離心率、傾斜（角）、近地点での偏
角、昇交点の赤経、および平均近点角である。

軌道モデル４０はＮＡＳＡあるいは衛星の全加速度の他
のモデルに基づいている。モデルの全加速度は第１２調
波までの地球重力場の非球面性、太陽および月の重力
（引力）、および衛星表面への直接の太陽放射線圧力に
よる摂動的影響を含み得る。適当な軌道モデルはジャー
ナル・オブ・ジオフィジカル・リサーチ第８４巻１９７
９年７月の第３８９７〜３９１６頁のラーチ（Lerch）
等の「グラビティ・モデル・インプルーブメント・ユー
シング・GEOS3（GEM9・アンド・GEM10）」に記載されて
いる。

地球の回転軸の運動は歳差運動、章動、および極移動に
より軌道の決定（40）に誤差を導入する。歳差運動およ
び章動は決定論的であり、コンピュータ６０で0.０１角
度秒まで補償される。これに対し、極移動は完全には予
測できないが、しかし影響の大きさ（１５メートル）は
小さく、無視できる。

姿勢モデル５０は機器１、２のそれぞれに対するｘ、
ｙ、ｚ軸線の移動をゆっくりと移動する時間の三角関数
（調和関数）として与える。例えば、 x_s＝A₀＋A₁sinωｔ＋A₂cosωｔ＋A₃sin2ωｔ＋A₄cos2ωｔ ωｔは衛星に関する太陽の１日の視運動の角度位置を表
わし、ωは衛星に関する太陽の視運動の角速度であり、
ｔは時間である。この式は例示の実施例では十分である
第２調波までの項を含む。しかしながら、もっと少ない
あるいはもっと多い調波の項を所望とする精度によって
モデルに挿入することができる。定数項A₀は、存在する
場合には、固定の機械的整列バイアスを表わす。調波の
振幅（係数A₁乃至A₄によって与えられる）はヨー、熱的
構造歪み、および地球センサ１９の熱的ドリフトに関す
る太陽放射線圧力の影響による１日の変化を表わす。こ
れらすべての乱れ（摂動）は周期的であり、衛星に関す
る太陽の１日の視運動から生ずる。これら乱れは周期的
であるのでモデル５０に対して調和級数が使用される。
三角関数のモデルは単純であり、物理的真実性に基づ
く。日々の変化の源は別々に決定されず、それらの集合
的影響が係数Ａによって特徴付けられる。係数Ａは日に
よって変化し、太陽の赤緯の変化によるヨー、熱的歪
み、および地球センサ１９のドリフトの季節的変化を表
わす。

例示の調和級数の係数Ａの数は合計で３０の係数に対し
て、撮像装置１およびサウンダ２のそれぞれの各姿勢成
分（ｘ、ｙ、ｚ）に対しては５つである。係数Ａはエポ
ック（Ｋ）における６つの軌道要素と一緒に、あるいは
別個に得ることができ、その後連続的に更新できる。モ
デル５０の精度は東−西または北−南のいずれの方向に
おいても約±１８マイクロラジアン（３シグマ）である
ことが分析により分る。

姿勢モデル５０はまた、衛星位置の変化の場合にも使用
される。モデル５０での三角級数の偏角は衛星に関する
太陽の赤経により表わされる。従って、このモデルは衛
星の経度とは無関係である。動作位置間のドリフト段階
中、別個のモデルは必要でない。

ある時間に（例えば、食またはステーションキーピング
の後の最初の２時間内に）、三角係数モデル５０は異な
る熱の影響のため実際の衛星の姿勢行為を表わさない。
この場合には、２次的姿勢モデルが姿勢決定のために使
用される。ステーションキーピングの後で、この２次的
姿勢モデルは時間的に２次の級数からなる。食の後で、
この２次的モデルは指数関数からなる。

第３図は軌道／姿勢決定測定プロセスを示す。

ＯＧＥ（オペレーションズ・グラウンド・エクイプメン
ト）６５内のイメージ処理コンピュータ６２はダウンリ
ンク６９を介してカメラ１、２から生の（未処理の）イ
メージを受信する。これら生のイメージは通常の動作
（オペレーションズ）イメージ、撮像装置１からの陸標
イメージ、および両カメラ１、２からの星のイメージを
含む。コンピュータ６２は積伝送ユニット３９、アップ
リンク７１、およびダウンリンク７２を通じて１つまた
はそれ以上の地球に基地を置く使用者モジュール７０に
再伝送するために通常の動作イメージを処理する。陸標
データは陸標ピクセル座標を作成するために積モニタ
（ＰＭ）６３およびディスクを使用してオフライン処理
され、そしてそれらが利用できるようになるとＰＭ６３
によって軌道／姿勢決定コンピュータ６０に入力され
る。星の観察データはコンピュータ６２によってオンラ
イン処理され（星のピクセル座標を作成するために）、
そして実時間でコンピュータ６０に入力される。

レンジ（距離）データはＰＭ６３によってオフライン処
理される。処理されたレンジデータはそれらが利用でき
るようになるとＰＭ６３によりコンピュータ６０に入力
される。

コンピュータ６０は星、陸標、およびレンジの測定値を
モデル４０、５０によって予測された値と比較する。係
数ＡおよびＫはこの比較に基づいて更新される。

コンピュータ６０によって使用される「ウォーキング・
リースト・スクェアズ・フィット」アルゴリズムは第５
図に示されている。これはイメージ航行システムの連続
的エンドツゥ−エンド較正、ならびにエージング、熱的
影響、および他のあらゆる長期間の影響の自己補償を行
なう。例示のウォーキング・リースト・スクェアズ・フ
ィット・アルゴリズムは毎週、軌道係数Ｋを更新し、か
つ半時間（３０分）毎に姿勢係数Ａを更新するためにの
み行なわれる必要がある。係数Ａは係数Ｋとは別個に、
独立に適合（フィット）しても、あるいは両組の係数
Ａ、Ｋを一緒に適合してもよい。

コンピュータ６２およびＰＭ６３によってコンピュータ
６０に送られる測定値は、星および陸標のピクセル座
標、レンジデータ、ならびにこれら測定が行なわれた時
間を含む。遷移軌道中に得られるレンジデータに基づい
てモデル４０、５０の初期設定のために係数ＫおよびＡ
の最初の推測が使用される。この最初の推測に基づいて
モデル４０、５０は測定値、すなわち、軌道パラメータ
Ｐならびに撮像装置１およびサウンダ２のそれぞれに対
するｘ、ｙ、ｚ基準光学軸線の位置、が求められる。こ
れら計算された測定値はコンピュータ６２およびＰＭ６
３によって提供される観測値と比較される。「測定剰余
（誤差）」として知られた計算値と観測値との差は、係
数Ｋ、Ａに関する計算値の部分導関数（微分）をまた、
入力として使用するウォーキング・リースト・スクェア
ズ・フィット・アルゴリズムを受ける。その結果は一組
の見積りの係数Ｋ、Ａである。

最後のあらかじめ選択された数組の見積り係数Ｋ、Ａが
収れんしている場合には、このプロセスは成功したとみ
なされ、これら見積り係数Ｋ、Ａはコンピュータ６０に
よって星捕そくコンピュータ６４、積伝送ユニット３
９、ならびに変換コンピュータ６６に出力される係数
Ｋ、Ａとなる。これに反し、見積り係数Ｋ、Ａが収れん
しない場合には、最初の推測の係数Ｋ、Ａを見積り係数
Ｋ、Ａの反復の最新のものと置き換えることによってウ
ォーキング・リースト・スクェアズ・フィット・アルゴ
リズムの別の反復が取り入れられる。

係数Ｋ、Ａは積伝送ユニット３９、アップリンク７１、
および各使用者モジュール７０に対する１つの処理デー
タリンク７２を介して使用者モジュール７０に送られる
撮像およびサウンディングデータの文書化（ドキュメン
テーション）において組み入れらえっる。アップリンク
７１および各処理データリンク７２はまた、撮像装置１
のあらかじめ選択されたイメージピクセルの地球緯度お
よび経度座標、ならびにサウンダ２のすべてのピクセル
の地球緯度および経度を含む。リンク７１および７２は
また、各撮像装置１走査線における第１のピクセルのロ
ケーション、およびピクセル番号として与えられる所定
の地上ロケーションに対するグリッド点を含み、その結
果政策上の境界マップが使用者ディスプレイ６７に表示
されるイメージに重畳できる。ディスプレイ６７はハー
ドコピィであっても、商用テレビジョンステーションを
通じて分配するために送られたＣＲＴ上のイメージであ
っても、その他のものであってもよい。

第６図に例示されているように、ＯＧＥ６５内の変換コ
ンピュータ６６はコンピュータ６２から各走査線（Ｉ）
および各走査線内の第１のピクセル（Ｊ１）の座標を受
信する。コンピュータ６６はこれらＩ、Ｊ１ピクセル座
標に３つの変換T₁、T₂、およびT₃を受けさせる。T₁はI、
Ｊ１をミラー３３、３２の既知の走査速度特性に基づい
て各ピクセルに対するＡＺ、ＥＬ（対応するミラー３
３、３２のそのｙおよびｘ軸に関するそれぞれの角度位
置）に変換する。これら既知の特性はコンピュータ６６
内に記憶される。Ｔ₂は姿勢変換であり、各ＡＺ、ＥＬ
を軌道から見たピクセル角度に変換する。Ｔ₂はｘ、
ｙ、ｚ軸の姿勢モデル５０からのロール、ピッチ、およ
びヨー偏差を入力として使用する。これらデータを計算
すべき情報は係数Ａの形式においてコンピュータ６０か
らコンピュータ６６へ提供される。終りに、Ｔ₃は軌道
パラメータＰを使用して、軌道から見たピクセル角度を
地球緯度および経度に変換する。これらパラメータＰを
計算すべき情報はコンピュータ６０からコンピュータ６
６に提供された軌道係数Ｋ中にある。

撮像装置１からのピクセルであってかつＯＧＥ６５内の
変換コンピュータ６６が前記地球緯度および経度を計算
する前記ピクセルのあらかじめ選択されたものではない
ピクセルの全部に対する地球緯度および経度を計算する
目的のために、随意の変換コンピュータ６６が各使用者
モジュール７０に存在する。モジュール７０内の変換コ
ンピュータ６６はそのすべての入力情報（I、J1、K、Ａ）
が処理データダウンリンク７２によって提供されるとい
うことを除き、ＯＧＥ６５内の変換コンピュータ６６と
同じ動作する。

レンジは任意のアップリンクおよびダウンリンクで測定
できる。GOES IJKLMに対しては、アップリンク７１とあ
たかも使用者であるかのようにＰＭ６３に送られるダウ
ンリンク７２を使用する。ＰＭ６３はアップリンク７１
対ダウンリンク７２におけるフレーム・ヘッダー同期パ
ターンの発生間の経過時間を測定する。既知の固定の衛
星および地上システムの遅延を減算した後、残りの時間
はレンジに正比例する２方向過渡時間である。比例定数
は既知の光の速度である。それ故、レンジは過渡時間か
ら分る。ＰＭ６３はオフライン態様でレンジ情報をコン
ピュータ６０に送る。

周期的なレンジの測定はいかなるオペレータの介入をも
必要とすることなく、ＯＧＥ６５内で行なえる。レンジ
測定プロセスはアクティブ・データリンク７１、７２を
必要とする以外には他のいかなる動作にも影響を与えな
い。僅かなレンジの誤差は再伝送される通信リンク７
１、７２がディジタルであるという事実に基づいてお
り、過渡時間は１ビットのほんの一部分内だけで決定で
きる。

陸標の識別はＰＭ６３において実行される。地球上の陸
標（サンフランシスコ湾またはバハ・カリフォルニアの
ような）の撮像装置１による観測値はダウンリンク６９
を介してコンピュータ６２に遠隔伝送され、ＰＭ６３に
関連するコンピュータディスクからオフラインで取出さ
れ、ＰＭ６３に関連するＣＲＴに表示される。これらイ
メージはたまたま陸標を含む通常動作の観察像である。
オペレータは陸標の上にカーソルを位置決めする。ＰＭ
６３は撮像装置１から送られる陸標の座標を陸標の既知
の地理学上の位置と比較し、この情報をコンピュータ６
０に送って軌道見積り（40）を更新する。勿論、地上の
使用者が知る程度の僅かな誤差があり、従ってＰＭ６３
を陸標の正確な座標でプログラムすることができる。

撮像装置１が、イメージデータ座標をそのデータベース
に記憶された陸標領域座標と比較することによって決定
される識別可能な陸標を含む領域を走査しているという
ことをＰＭ６３が検出すると、ＰＭ６３はこの陸標を取
囲む小さな領域からのデータを引続く陸標の識別のため
に磁気ディスクに記憶する。各陸標の識別はデータが取
り入れられるときごとに１回行なっても、あるいはオペ
レータの都合に合うように、一日全体のデータを記憶し
た後でいくかの陸標の識別を逐次に行なってもよい。

第４図は代表的なレンジ、陸標、および星の測定頻度を
示す。

必要な陸標の最小数を決定するために、最小自乗法（リ
ースト・スクェアズ）見積り技術に基づいて軌道および
姿勢決定誤差分析が行なわれた。見積りは以下のスケジ
ュールに従って２４時間の期間にわたって集めた測定デ
ータを使用した。

３０分ごとの星の観測（４８の観測）。

１時間ごとのレンジの測定（２４の測定）。

初めの１２時間中の等分された陸標の観測。

この分析は非常に控え目である。何故ならば、引続く７
日の期間がいかなる形式の追加の測定なしにモデル化さ
れたからであり、実際にはレンジの測定および星の観測
は最後の陸標観察に続く全期間の間続けられるからであ
る。

約１２時間の時間をおいて２回程度の少ない陸標の観測
を行なうことにより追加の陸標の観測が必要とされる前
に少なくとも２日の期間が経過することを確実にすると
いうことを決定した。１２時間の陸標観測間隔は臨界的
なものではなく、航行および整合性能に何等重大な影響
を与えることなしに少なくとも１時間だけ変えることが
できる。（イメージの整合についての詳しい情報につい
ては本出願人の同日出願である米国特許出願「宇宙船カ
メラ像整合装置」を参照。）２つの風景は同じ陸標を有
する必要はなく、異なるローカル衛星時間において日中
にある陸標の選択を可能にする。

また、１２時間の期間に７回の陸標の観測を行なうこと
により陸標の観測を必要としない期間を７日間に延長で
きることを決定した。これは通常の走査動作に最小の影
響しか与えないように陸標の観測のスケジュールを立て
る際に相当な融通性を与える。

軌道見積りプロセスは撮像装置１のデータの可視帯域に
おける陸標の識別を使用する。陸標識別データの収集の
スケジュールを立てる際に、また陸標を識別する実際の
プロセスのスケジュールを立てる際に、かなりの融通性
がある。何故ならば、これらデータの目的は予測できる
態様で時間的に非常にゆっくりと変化する軌道パラメー
タＰの決定にあるからである。

軌道パラメータＰを決定するためにのみこれらデータは
使用されるから、陸標の観測は星の観測よりも非常に少
ない頻度でよい。一般に、１２時間の周期で行なわれる
陸標の観測が多いほど軌道はより正確に決定され、陸標
の観測が再び必要となる前に時間がより長くなる。軌道
誤差は徐々に増大し、初めは殆んど分らない程度であ
り、また航行に精度の低下はゆっくりと増大するから、
陸標データを得るために日日を１日延ばすことは受け入
れられることである。

スケジュールの融通性の他に、陸標データを集めるのに
必要な時間が少なくてよいということは通常の撮像動作
に対する影響を最小限にすることを支援する。陸標を含
む３０Km×３０Kmという小さな領域の走査は、１０秒以
下で完了するので、通常の動作のシナリオに容易に挿入
することができる。

軌道／姿勢モデル作成プロセスは任意の陸標を受け入
れ、特定の陸標に制約されない。目標とする陸標が雲で
おおわれている場合には、他の陸標使用できる。すべて
の利用可能な陸標が１週７日間の間雲によっておおわれ
ているという偶然は殆んどない。

星の測定は星捕そくコンピュータ６４によって発せられ
る指示命令６８によって開始される。星の観測が撮像装
置１によって行なわれる場合には、この撮像装置１は命
令６８を実行する前に現在の走査線を終了する。走査線
の終端で、撮像装置ミラー３３は東方へ移動する星を途
中で捕そくするために、撮像装置の８つの検出器アレイ
の中心を予測される星の位置の東へ向けるように旋回さ
れる。８つの検出器素子はスペクトルの可視部分におい
て動作可能であり、北−南（高さ）方向に整列される。
８つの検出器素子は２２４マイクロラジアンの合計の仰
角（１つの検出器当り２８マイクロラジアン）を取囲
む。西から東への検出器を介しての星の視運動は衛星が
地球のまわりをまわっている間にその地球に向いた姿勢
を維持しているときの衛星のピッチ運動から生じる。毎
秒３ピクセル（0.２５°／分）の速度で移動する星は静
止した検出器アレイを0.３秒で横切る。

ミラー３３が静止している間に、検出器素子の出力はサ
ンプルされ、ダウンリンク６９を介して地球に送られ、
イメージ処理コンピュータ６２に至る。特別のステアリ
ングビットが、星の位置へのミラー３３の旋回が始まる
ときに、ダウンリンク６９のフォーマットに挿入され、
その結果コンピュータ６２は適当な星データルーチング
および処理経路を設定することができる。星は観測され
た眺めをコンピュータ６２内に存在する星のあらかじめ
選択されたマップと比較することによってコンピュータ
６２内で識別される。

測定の後、ミラー３３は元の位置に旋回され、それが始
まったところから次の走査線を開始する。星感知マヌー
バはほぼ１０秒間続く。

検出器アレイの視線の絶対指示方向への不確かさが基準
光学軸ｘ、ｙ、ｚに関する撮像装置１の姿勢の不確かさ
からおよび撮像装置１の走査制御の反復性の小さな変動
から生じる。通常の軌道上のモード中、これらすべての
源からの高さ（Ｎ−Ｓ）方向の全体の不確かさは２９マ
イクロラジアンである。検出器アレイは合計２２４マイ
クロラジアンの仰角にわったているから、ミラー３３の
１つの位置決めは星が検出されることを確実にするのに
十分である。方位（Ｅ−Ｗ）方向の不確かさは同じ程度
であり、方位の不確かさを補なうのに十分な量だけ星の
位置から方位において東方へ視線を位置付けし、次いで
星が検出器アレイの視野を通過する間ミラー３３を静止
状態に保持することによって順応できる。

別個の、実質的に同一の星感知能力がサウンダ２に設け
られている。これは別個の、独立のサウンダ２の姿勢の
決定を可能にし、従って撮像装置１に関してサウンダ２
が正確に整列する必要をなくしている。（撮像装置１と
サウンダ２間の不整列は熱的歪みによって生じ得る。）
これら機器１、２の星感知能力は地球センサ１９に関し
て各機器１、２が正確に整列する必要がないという追加
の利点をもたらす。

陸標および星位置の合計誤差は互いに独立にランダムで
ある。ピクセル位置に対するこれら誤差の影響は軌道／
姿勢決定（４０、５０）において使用される多数の測定
値のために大いに減ぜられる。この減衰係数は観測の数
の平方根に比例する。

上記記載は本発明の好ましい実施例の動作を例示するた
めのものであり、本発明の範囲を限定するものではな
い。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定さ
れるべきである。本発明の精神および範囲内にある多く
の変形、変更がこの分野の技術者には明らかであろう。
例えば、コンピュータ６０、６２、６４および６６は１
つの大型コンピュータの一部分であってもよい。星の感
知および陸標の撮像は可視以外の波長においても実行で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するのに使用される軌道パラメー
タのいくつかを示す地球の概略図、第２図は本発明を有
益に使用できるGOES IJKLM衛星の正面図、第３図は本発
明の主要な構成要素を示す機能的ブロック図、第４図は
本発明において使用されるレンジ、陸標、および星の測
定に対する適当な頻度を示す説明図、第５図は軌道およ
び姿勢係数Ｋ、Ａを発生するためにウォーキング・リー
スト・スクェアズ・フィット・アルゴリズムがどのよう
に使用されるかを示す機能的ブロック図、第６図は変換
コンピュータ６６によって実行される変換（T₁、T₂、
T₃）を示す機能的ブロック図である。１：撮像装置（カメラ）２：サウンダ（カメラ）１１：ソーラーアレイ１２：Ｘ線センサ１３：磁力計１４：Ｓ−バンド伝送アンテナ１５：探索および救助アンテナ１６：ＵＨＦアンテナ１７：冷却装置１８：遠隔測定および命令アンテナ１９：地球センサ２０：Ｓ−バンド受信アンテナ２１：冷却装置２２、２３：アパーチャ２４：ソーラーセイル３２、３３：ミラー３９：積伝送ユニット４０：軌道モデル５０：姿勢モデル６０：軌道／姿勢コンピュータ６２：イメージ処理コンピュータ６３：積モニタ（ＰＭ）６４：星捕そくコンピュータ６５：オペレーションズ・グラウンド・エクイプメント
（ＯＧＥ）６６：変換コンピュータ６７：ディスプレイ６８：指令命令６９：ダウンリンク７０：使用者モジュール７１：アップリンク７２：ダウンリンク（処理データリンク）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジヨン・サビデス米国カリフオルニア州ロス・アルトス・ヒルズ、ラ・クレスタ・ドライブ 12698 (72)発明者チヤールズ・ダブリユー・ハンソン米国カリフオルニア州マウンテン・ビユー、コランビア・ドライブ 1635 (56)参考文献特開昭56−124599（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】衛星カメライメージ内に任意のピクセルを
緯度および経度によって位置決めする装置において、天体のまわりの軌道にある衛星と、各イメージが複数のピクセルに分割される前記天体の風
景のイメージを撮るための衛星に搭載された撮像カメラ
と、該カメラによって撮られた測定値を使用して前記衛星の
軌道の推測値および前記カメラの姿勢の推測値を発生す
るモデル作成手段と、該モデル作成手段に結合され、前記カメラによって報知
されたピクセル位置を前記天体に関する緯度および経度
座標に変換するための変換手段とを具備することを特徴
とする位置決め装置。
【請求項２】前記衛星の軌道の推測値が前記カメラによ
って撮られた星および天体の陸標の測定からおよび前記
天体の上部の衛星の高度の測定によって発生される特許
請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】前記天体が地球であり、前記モデル作成手
段および変換手段が地球上に位置付けされており、前記
衛星の高度の測定値が地球から衛星へ信号を送りかつ地
球に戻すことによって得られる特許請求の範囲第２項記
載の装置。
【請求項４】前記モデル作成手段が衛星の外部に位置付
けされており、前記衛星の軌道および姿勢の推測値がゆ
っくりと移動する時間の関数であり、前記軌道および姿
勢の推測値が前記カメラによって撮られかつ前記モデル
作成手段に遠隔伝送される測定値によって周期的に更新
される特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項５】前記軌道の推測値が最初に発生され、次に
姿勢の推測値が発生され、この姿勢の推測値が前記カメ
ラによってなされた星の観測にのみ基づいている特許請
求の範囲第１項記載の装置。
【請求項６】前記モデル作成手段が前記衛星の軌道およ
びカメラの姿勢の推測値を同時に発生する特許請求の範
囲第１項記載の装置。
【請求項７】前記モデル作成手段が前記衛星の軌道の推
測値、前記カメラの姿勢の推測値、および第２の機器の
姿勢の推測値を発生する特許請求の範囲第１項記載の装
置。
【請求項８】前記姿勢の推測値が一組の互いに直交する
基準軸の、時間に関する三角級数で表わされる運動の式
である特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項９】前記軌道の推測値がエポックにおける６つ
のケプラーの要素である係数を含む、前記衛星のサブ衛
星点における緯度および経度、ならびに前記衛星の高度
の時間の関数としての式であり、前記エポックにおける
ケプラーの要素が前記カメラによって測定されかつ前記
モデル作成手段に遠隔伝送された星および天体の陸標の
位置データに基づいてウォーキング・リースト・スクェ
アズ・フィットを使用して推測される特許請求の範囲第
１項記載の装置。
【請求項１０】前記変換手段が次の順序で次の３つの変
換、すなわち、前記カメラによって決定されたピクセル座標を前記カメ
ラに関連した走査ミラーの指示座標に変換するミラー変
換、前記指示座標を軌道に基づいて指示角度に変換する前記
姿勢の推測値を考慮に入れた姿勢変換、および前記軌道に基づいた指示角度を前記天体の緯度および経
度に変換する前記軌道の推測値を考慮に入れた軌道変換を実行する特許請求の範囲第１項記載の装置。