JPS6031241B2 - 人工衛星の姿勢決定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は宇宙空間を飛糊するスピン安定型または三軸
安定型の人工衛星（以下衛星と略す）の姿勢決定に関し
、さらに詳しくは衛星に搭載した光学映像面電子走査型
撮像装置（以下ＴＶカメラと略す）と、他の方式（例え
ばＲａｎ袋 ＆ＲａｎｇｅＲａｔｅ方式または光学的側
距方式）で決定された衛星の軌道情報とにより、衛星の
姿勢を決定する方式を提供しようとするものである。 従来衛星の姿勢は衛星に搭載された地平線を検知する，
地球検知器、太陽方向を検知する太陽検知器、夫球上で
座標の明らかな恒星の方向を検知する恒星検知器の測定
値を地上の計算機で処理し決定していた。これらの方式
は地心貴性座標系での衛星の位置、太陽の位置、恒星の
位置情報を前提とするものであり、それらの位置精度は
充分良いものとは言えず、また地球水平線の検知は地表
面上の炭酸ガス（Ｃ０２）層の発するスペクトルを検知
するものであり、Ｃ０２層は時間、場所により変動する
、更に太陽は有限な中を持ち、恒星検知は宇宙空間の電
磁的ゆらぎの影響を受ける。従って従来の方式では高精
度の姿勢決定には限界があった。ところが近年の衛星か
らの地球をはじめとしたりモートセンシングの発達に伴
い、衛星搭載の撮像装置による画像情報が莫大に取得さ
れるようになり、その解像度も長足の進歩をとげるに到
った。その結果、その画像情報の高精度の処理技術およ
び撮像時の衛星姿勢に対する高精度な制御が要求される
ようになり、画像情報を使った高精度の姿勢決定は、こ
れらの両面の要求に欠くことのできない技術として、待
望される事になった。第１図は軌道１上を飛翻する衛星
２に塔教されたＴＶカメラ３の撮像概念図である。軌道
１上のある時点においてＴＶカメラ３は地表４上の領域
５からの入射光６を受け、それを撮像する。撮像される
地上領域５は衛星２の直下点○を中心としＴＶカメラ３
の視野角ａｆと衛星２の高度ｈによって決まる。第２図
にＴＶカメラ３の概略構成図を示す。入射光６はしンズ
７を通りシャツ夕８の瞬間開放時撮像管９の光導電面１
０‘こ像を結び、記憶され、電子ビーム１１の走査によ
って続み出されて、アナログビデオ信号１２またはＡ／
Ｄ変捜されてＰＣＭディジタル信号１３として衛星２の
ＦＭ送信機１４またはＰＣＭ送信機１５を通じて地上に
伝送される。第３図に光導電面１０の構成図を示す。 光導電面１０は辺の長さａ，ｂの矩形であり、辺ａ、辺
ｂに平行に光電変換素子１６が稲密に配列されている。
入射光６は結像した光導電面１０上の場所に応じてそれ
ぞれの光電変換素子１６に記憶され、辺ｂ（辺ａでもよ
い）に平行な走査線１，２，・・・ｎの順に各走査線ｉ
（ｆ＝１，２，・・・ｎ）に沿って走査される電子ビー
ム１１によって各変換素子１６ごとに記憶された情報が
続み出される。続み出された画像アナログビデオ信号に
は緑像開始時、各走査線ｉ？ｉ＝１，２，・・・，ｎ）
を電子ビーム１１が走査開始する時等の同期信号が添付
されており、画像アナログビデオ信号と各光電変換素子
１６に結像した情報との一意的対応がとれるようになっ
ている。衛星の地心貴性座標上での位置が与えられると
、衛星の地表面直下点の地理学的緯度、経度度は一般に
よく知られる方法で求めることができる。 第４図に衛星２と衛星直下点○の地理学的総度りｏ、経
度入。との幾何学的関係を示す。第４図ａにおいて地心
Ｇを原点とした衛星位置ベクトルｙの地心慣性座標系（
Ｘ，Ｙ，Ｚ）からグリニッヂ座標系（Ｘ。，Ｙｃ，ＺＧ
）への変換は次式で与えられる。×ＧニＸのＳ８十ＹＳ
ｉｎ８ （１）ＹＧ：ＸＳｉｎ
８十ＹＣＯＳ８

【２｝Ｚｏ＝Ｚ
Ｂ｝ここで川畑寺刻ｔにおけるグリニツヂサイドリアル
タィムである。 （ＸＧ，ＹＧ，ＺＧ）を使えば衛星２の地心慣性座標系
での地心緯度６は６＝Ｓｉ『・（ゾＸ２Ｇ＋章も十＃Ｇ
〉 ■で与えられる。 地球は自転軸Ｚ。の回りに回転対称な回転楕円体である
ので、衛星直下点○の地理学的経度入ｏは入。 ＝ねｎ−・（美） ■で与えられるが、第３図
ｂに示す如く直下点○の地理学的緯度りｏはり。 ＝ｏｏまたは±９０ｏ以外のところでは直下点○の地
心緯度刀′。と異なる。地球偏平率をｄとすると、直下
点○の地心縞度刀′。から地理学的縞度りｏ を求める
計算式は一般に良く知られているように次の第側〜‘９
’式を使えば与えられる。ノ １−他の ■ ｒＣ＝ｒｅ ・一（２ｄ−ｄ２）ＣＯＳ２刀。 ′り。刺ｎ｛鰐毒｝ のｈ＝ノ〆−ｒ２ＣＳｉ
〆（刀。 −刀′。）一ｒｃｃｏｓ（り。 −り′。） （８）△り′。＝Ｓｉｎ−・｛き
ｉｎ（り。−刀′。）｝ 側ここにｒｅは地球赤道半径
であり、ｒは地球位置ベクトルｒの大きさｒ＝ｌｒｌで
ある。第‘６ｉ〜■式によりりｏを求めるには最初にり
′。＝６とおいて第〔仇‘７｝式を計算し、更に第｛８
｝，【９｝式を計算する。その結果△り′ｏ は一般に
零にならないのでり′。＝６−△刀′。とおいて第｛６
｝〜【９１式の計算を繰り返す。この繰り返し計算を△
り′。がある許容値に入るまで繰り返せば、その時のり
。が求める直下点０の地理学的緯度になる。またその時
のｈが直下点○より衛星２までの高度になる。第５図に
衛星２からＴＶカメラの視野角内の地表４上の任意の点
Ｐを見る視線ベクトルＰの定義図を示す。 今衛星２の質量中心Ｓを原点とした機械軸ｘ，ｙ，ｚを
次のように定義する。ＴＶカメラの光軸１７の方向で地
表４の向きをｚ軸とし、光軸１７に直交する光導電面１
０の辺ａに平行で衛星２の進行方向の向きをｘ軸とする
と、光軸１７と光導電面１０とは直交するので、ｘ軸、
ｚ軸は直交する。ｘ−ｚ面に直交し、右手直交系（ｘ，
ｙ，ｚ）を構成する向きをｙ軸とすればｘ−ｙ面は光導
電面１０とは平行となり、辺ａ，ｂが直交するので、ｙ
軸は辺ｂと平行となる。ここで、第５図に示す如く、辺
ａに平行で、ｘ軸と逆向きに軸を、辺ｂに平行にｙ軸の
向きにき鞠を定義する。光導電面１０上の各点はｆ−き
座標の点として定義できるので、地表４上の点Ｐよりの
入射光６が結像する光導電面１０上の点Ｑの座標を（ぎ
，き）とし、光軸１７が光導電面１０と交わる点をＣ（
ｆ。，きｏ）とすると、衛星質量中心Ｓを原点とし、Ｓ
からＰに向いた視野ベクトルＰが定義され、ｘ，ｙ，ｚ
座標系でのＰの方向余弦ＰＸ，Ｐｙ，Ｐ２は、ＰＸ＝ハ
（隻−等 ヅ （１０） 十 −ぎ。 十さ−き。Ｐｙ＝ノ −（ぎ−；。 ） （１１）十 よ−ｆ。）２十（き−さ。ア
十 − ｆ （１２）Ｐｚ＝ノ
ｆｒ（ ｒ。 十さ−き。で与えられる。 ここにｆはＴＶカメラの焦点距離である。（第５図では
ＳＣ＝ｆと考えている）。一般に軌道上の衛星は衛星質
量中心の回りに運動しており、衛星機械軸系と地球との
相対的関係は変動している。第６図に衛星機械軸系ｘ，
ｙ，ｚと地表４との相対的関係を示す。第６図ａにおい
て衛星質量中心Ｓを原点とした軌道基準座標系（ロール
軸、ピッチ軸、ョー軸）は次のように定義される。Ｓよ
り衛星の直下点○の向きをョ−軸１８、Ｓの速度ベクト
ルＶの向きをロール軸１９とすると、一般にョー軸１８
とロール軸１９とは直交し、更にロール軸１９、ョー軸
１８に直交して、ロール軸１９、ピッチ軸２０、ョー軸
１９の順に右手系をなすようにピッチ軸２０を定義する
。一般に衛星はＴＶカメラの撮像中、第６図Ｍこ示す如
く衛星機械軸、ｘ軸とロール軸１９、ｙ軸とピッチ軸２
０、ｚ軸とョー軸１８とが一致するように搭載姿勢制御
装置により制御されている。 しかし実際には制御誤差により衛星機械軸系ｘ，ｙ，ｚ
はロール軸１９、ピッチ軸２０、ョー軸１８の回りにそ
れぞれ微小角◇，ｘ，Ｊだけ回転した状態にある。この
時ｘ，ｙ，ｚ座標系からロール、ピッチ、ョー座標系へ
の座標変換行列■は一般によく知られている如く、め，
ｘ，Ｊが微小だとするとで与えられる。 視線ベクトルＰのロール、ピッチ、ョー座標系での方向
余弦をＰＲ，ＰＰ，ＰＹとすると、Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚと
の間にＱ関係が成立する。 第７図にＰ点の地理学的綾度り、経度入と視線ベクトル
Ｐとの幾何学的関係を示す。 衛星の直下点○を通る子午線２１と、衛星軌道運動にと
もなった直下点○の地表４上の軌跡２２とのなす角をし
とする。今地表４上の直下点０近傍の曲率中心を〇とし
、曲率半径Ｃ′○三ｒ′ｅとすると、〇は仮想的地球中
心となりＳＯは地表面４に直交するので、ＳＯＧ′は直
線となる。直線Ｓ〇に直交し、点Ｐを通る平面２３とＳ
Ｇ′との交点を○′とし、子午線２１および衛星直下点
軌跡２２と平面２３との交点それぞれと点０′を結んだ
直線上にあって、○′を原点としそれぞれ北Ｎ向きおよ
び衛星質量中心Ｓの速度ベクトルＶの向きを正とする軸
をｌｎ，ｌｘとする。平面２３上にあって、軸ｌｘｌｎ
それぞれに直交し、衛星の進行方向に向って左側および
西Ｗ向きを正の向きとする軸をそれぞれｌｙ，ｌｗとす
ると、平面２３上の２次元の直交系（】ｘ，ｉｙ）は直
交系（ｌｎ，ｌｗ）を○′の回りに角度レ（一１８０ｏ
くレミ１８０ｏ）だけ回転させたものである。この時、
ｌｎ軸を北Ｎから東Ｅに回転させる向きをし＞０とする
。従って（１ｎ， ＩＷ）系から（ｌｘ，ｌｙ）系への
座標変換行列は、で与えられる。次に二ＯＧＰ三Ｑ（Ｏ
ＳＱ＜ｏｏ）とすると点○の地理学的緯度、経度は（汀
。，入。）であるから、グリニッヂ座標系でのベクトル
Ｇ′○，〇○（グリニツヂ座標系の原点をＧ′点に平行
移動したと考える。）の内積からＣＯＳＱ±ＣＯＳり。
ＣＯＳり・Ｃ。Ｓく入一入。）十ＳＩｎりがｉｎり（１
６）が成立する。 このＱを使えば、高度Ｓ○三ｈ，ＧＯ′＝ＧＰ＝ｒｅよ
りＳＯ′＝ｈ＋ｒ′ｅ（１−ｃｏｓＱ）であるから、（
ｌｘ，ｌｙ）系でのベクトル○′Ｐのｌｘ，ｌｙ成分ｌ
ｘｐ，ｌｙｐは、ＩＸｐニ ｛ｈ＋でＣ（１一ｃｏｓＱ
）｝ｔａｎ８× （１７）ＩＸｐェ ｛ｈ＋ｒ′ｅ（
１一ｃｏｓｏ）｝ｔａｎａｙ （１８）ここで、ｏｘ
，８ｙはＰ点よりｌｍ ｌｙに下した垂線の足をＡ，Ａ
′としたときのく〇ＳＡ三８ｘ，二〇ＳＡ己８ｙである
（Ａ，Ａ′がそれぞれｌｘ＞○，ｌｙ＞○のところにあ
る時８ｘ＞○，８ｙ＞○）。 他方ベクトル○′Ｐの（ｌｎ，ｌｗ）系での成分ｌｎｐ
，ＩＷｐを次のように与えられる。Ｐ点よりｌｎ，ｌｗ
に下した垂線の足をＢ，Ｂ′とし、（刀−り。）および
（＾一入。）が小さいとすると、く〇〇Ｂ＝（リー刀。
），く○′Ｇ′Ｂ＝（入一入。）ｃｏｓり。で与えられ
るからｌｎｐ＝ｒｅｃ。 ｓＱ・ｔａｎ（リーり。） （１則ＩＷｐ＝ｒ′ｅ
Ｃ○ＳＱ．ｔａｎ｛（＾−＾。）．Ｃ○Ｓり。｝
（２０）が成立する
。従って（１５）式の座標変換行列Ｇを使えば（ｌｘＭ
ｌｙｐ）は（ｌｎ”ｌｗｐ）よりで与えられる。第（
１７），（１８）式におけるｔａｎ８ｘ，ねｎａｙは第
（１４）式で与えた視線ベクトルＰの成分ＰＲ，ＰＰ’
Ｐｙを使えばＰＲ （２
２）脚８Ｘ＝丙−ＰＰ
（２３）ねｎａｙニ下すで与えられるので、第（１７）
，（１８）式はＩＸｐ＝｛ｈ＋ｒ′ｅ（１−ＣＯＳＱ）
｝昔 （２心ＩＷコ｛ｈ十ｒ′ｅ（１‐ＣＯＳＱ）｝
羊 （２５）で書きかえられる。 以上より第｛１の，（１１），（１２），（１３），（
１４），（１５），（１６），（１９），（２０），（
２１），（２４），（２５）式を使えばＰ点の地理学上
の緯度刀、経度入と、光電面上の、Ｐ点の像の座標（ｆ
，き）とを結びつけることが出来る。 第

【１■，（１１），（１２），（１３），（１４），
（２４），（２５）式から】Ｘｐ＝｛ｈ＋ｒ′ｅ（１一
ｃｏｓＱ）｝（ｆ−ｆ。 ）十（き−Ｓジセ＋ｆＸ （２６）一（ま−ぎ。
）×−（き−さ。）ぐ十ｆｌｙｐ＝｛ｈ十ｒｅ（１一ｃ
ｏｓＱ）｝ −（ぎ−；。 ）山十（；− さ。）十ｆ？ （２７）−（ｆ−
ｆ。）×−（き−さ。）○十ｆが導かれ、第（１５），
（１９），（２０），（２１）式からＩＸｐ＝ｒｅＣ○
ＳＱ．〔ｔａｎ（刀一り。 ）Ｃ○Ｓレーねｎ｛（入一入。）Ｃ○Ｓり。｝ ．Ｓｉ
ｎレ〕 （２８）１ｙｐ＝ｒｅＣ○ＳＱ．〔ｔａｎ（リ
ーり。）Ｓｉｎリ十ねｎ｛（入一入。）ｃｏｓり。｝
．ｃｏｓｙ〕（２９）が導かれる。ｈ十ｒ′ｅ（１−ｃ
ｏｓＱ）三ｈ′とおいて第（２６），（２７）式を衛星
の微４・回転角◇，ｘ，Ｊについて展開すると、ＩＸｐ
（き−さ。 ）・ぐ十｛ＩＸｐ（ぎ一よ。）十ｈ′ｆ｝ｘ十ｈ′（；
一；。 ）心一１Ｘｐｆ十日（ま−ｆ。）＝０
（３の｛ｌｙｐ（ぎ−；。）十日ｆ
｝◇十ｌｙｐくる−多〇）Ｘ−ｈくｆ−ｆ。 ）し−１ｙｐ十日く；−；。）＝０
（３１）となり、（３０）×ｌｙ
ｐ−（３０）×ｌｘｐによって整理し第（２８），（２
９）においてＭＸニねｎ（り−り。 ）ｃｏｓレ−ｔａｎ｛く＾一＾。 ）Ｃ○Ｓり。｝ ．Ｓｍレ（３２）ＭｙＥはｎ（リーり
。）ｓｉｎレ十松ｎ｛（入一入。 ）．Ｃ○Ｓり。｝Ｃ○Ｓリ（３３）とおくと、肌ｘ・◇
‐ｆＭｙ・ｘ−｛ＭＸ（多−ぎ。 ）十Ｍｙ（き−さ。）｝心十｛ＭＸ（き−さ。 ）−Ｍｙ（ぎ−ま。）｝＝。（３少となる。第（３２）
，（３３）式において、直下点の地理学的縞度りｏ、経
度入。および直下点の地表上軌跡と子午線のなす角〃【
ま衛星の地心慣性座標での軌道位置、撮像時刻が与えら
れれば第ｍ〜‘９’式により求まり、Ｐ点の地理学的緯
度り、経度入は直下点近傍の地図（標準メルカトール地
図等）を参照すれば与えられる。他方第（３４）式にお
いて光導電面上の、Ｐ点の結像点の座標（ｆ，き）は、
取得された画像と参照地図とを比較し画像上のＰ点の画
素番号を検出することにより与えられる。また光導電面
上の光鯛と交わる点の座標（ｆ。，きｏ）は一般には光
導電面上の中心点に設定ａされるので、第３図に示した
如くｆ。 ＝裏，きｏ＝旨で与えられ、ｆは撮像装置自体のパラメ
−夕とに与えられる。従って第（３４）式は衛星機械麹
×’ｙ’ｚのロール、ピッチ、ョー軸回りの微４・回転
角で，ｘ，心を未知数とした方程式であり、Ｐ点の地理
学的緯度、経度および画像点座標の組み合わせ（り，入
，ｆ，き）が３組それぞれ異なって与えられれば、つま
り１つの画像に対して撮像範囲内の３つの異なった点Ｐ
，，Ｐ２，Ｐ３、について（りｉ，入ｉ，まｉ，きｉ）
（ｉ＝１，２，３）を与えれば、衛星の姿勢ぐ，ｘ，Ｊ
は一意的に決定できる。この発明の構成図を第８図に示
す。 ＴＶカメラ３によって取得されたＰＣＭ画像信号１３と
標準地図ファイル２４の中から取り出した取得画像に対
応した参照図２５とを参照点測定部２６に入力し、あら
かじめ決められた少くとも３点の参照Ｖ点の地図上での
縞度り、経度入及び画像上の画素位置（ぎ，き）を測定
する。又衛星の初期位置の地心慣性座標系成分（Ｘｏ，
Ｙｏ，幼）及び撮像時刻Ｔとから第１の演算部２７によ
って撮像時点での衛星位置の地心慣性座標系成分（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）及びサイドリアルタイム８を計算し、その結果
に基づいて第２の演算部２８によって撮像時点における
衛星の地表上直下点の綾度りｏ、経度＾。及び衛星の軌
道面と子午線とのなす角度ｙとを計算する。このとき上
記取得画像に対応した参照地図２５は上記緯度刀ｏ、経
度入ｏに基づいて取り出される。最後に上記緯度り、経
度入、画像位置（ｆ，き）及び緯度りｏ、経度入ｏ、角
度ｙを決定部２９に入力し衛星の軌道基準座標系を基準
とした衛星の姿勢角（０，ｘ，心）を決定する。以上の
構成によって撮像時の衛星姿勢を決定することができる
。この発明は以上のようになっているからスピン安定型
または三軸安定型人工衛星の撮像時における姿勢を決定
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は軌道上衛星に搭載されたＴＶカメラの撮像概念
図、第２図はＴＶカメラの概略構成図、第３図は光導電
面と電子ビームによる画像績み出しを示す説明図、第４
図は衛星直下点の地理学的緯度、経度の幾何学的関係図
、第５図は衛星上のＴＶカメラより地表の任意の点を見
る視線ベクトルの定義図、第６図は衛星の機械轍と地表
との幾何学的関係を示す説明図、第７図は地表上の任意
の点の地理学的緯度、経度と視線ベクトルとの幾何学的
関係図、第８図はこの発明の人工衛星の姿勢決定装置を
示す構成図であり、１は軌道、２は人工衛星、３はＴＶ
カメラ、４は地表、５は撮壊される地上領域、６は入射
光、７はしンズ、８はシャツ夕、９は撮像管、１川ま光
導電面、１１は電子ビーム、１２は画像ビデオ信号、１
３は画像ＰＣＭ信号、１４はＦＭ送信機、１５はＰＣＭ
送信機、１６は光電変換素子、１７は光軸、１８はョ−
軸、１９はｏール軸、２０はピッチ軸、２１は子午線、
２２は直下点軌跡、２３はＰ点を通りＳＧ′に直向する
平面、２４は標準地図ファイル、２５は参照地図、２６
は参照Ｖ点測定部、２７は第１の演算部、２８は第２の
演算部、２９は決定部、Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏは衛星初期位
置の地心慣性座標系成分、Ｔは撮像時刻である。 なお図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して示
してある。第３図第１図 第２図 第７図 第４図 第５図 第８図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シヤツタ付の光学映像面電子走査型撮像装置等を搭
   載した人工衛星の姿勢決定装置において、地表面を撮像
   する撮像装置と、上記撮像装置によつて撮像された画像
   信号と参照地図とを比較して取得画像上の任意の参照点
   の地図上での緯度、経度及び画像上の画素位置を測定す
   る参照点測定手段と、上記撮像装置の撮像時刻における
   衛星の位置の地心慣性座標系成分及びサイドリアルタイ
   ムに基づいて撮像時刻における衛星の地表上直下点の緯
   度、経度及び衛星軌道運動にともなつた直下点の地表上
   の軌跡と子午線とのなす角度とを計算する演算手段と、
   上記参照点測定手段と上記演算手段の出力に基づいて衛
   星の軌道基準座標系を基準とした衛星に姿勢角を決定す
   る手段とを備えたことを特徴とする人工衛星の姿勢決定
   装置。