(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地球の上空を所定の高度で航行する空間航行体に地球を指向するように搭載され、地球表面の画像データを取得する撮像機と、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星と、上記空間航行体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して空間航行体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機と、上記空間航行体の姿勢を検出する姿勢検出機と、上記空間航行体に搭載され、空間航行体の姿勢を変更する姿勢変更機と、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の軌道を変更する航路変更機と、上記航法衛星信号受信機から受信した上記空間航行体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記空間航行体の姿勢角度情報を解析し、空間航行体の位置及び姿勢角度と予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記航路変更機及び上記姿勢変更機に対して航路及び姿勢変更用の制御信号を発生する計算機、及び監視目標の位置を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換して記録すると共に上記計算機に送信する位置座標データベースを格納したメモリとにより構成され、上記計算機が監視目標の位置座標を制御目標値として上記航路変更機及び上記姿勢変更機を制御することを特徴とする監視装置。
【請求項２】
地球の上空を所定の高度で航行する空間航行体に地球を指向するように搭載され、地球表面の画像データを取得する撮像機と、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星と、上記空間航行体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して空間航行体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機と、上記空間航行体の姿勢を検出する姿勢検出機と、上記撮像機が視野方向を変更する視野方向変更機と、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の軌道を変更する航路変更機と、上記航法衛星信号受信機から受信した上記空間航行体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記空間航行体の姿勢角度情報を受信し、空間航行体の位置及び姿勢角度に基づき撮像機が指向する視野方向を解析し、予め計画された上記撮像機の視野方向の目標値とのずれ量を解析して、上記航路変更機及び上記視野方向変更機に対して航路及び視野方向変更用の制御信号を発生する計算機、及び監視目標の位置を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換して記録すると共に上記計算機に送信する位置座標データベースを格納したメモリとにより構成され、上記計算機が監視目標の位置座標を制御目標値として航路及び視野方向変更機を制御することを特徴とする監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は地球の上空を所定の高度で航行する空間航行体に搭載した撮像機を地上局で運用制御して、災害発生地域や監視を要する建造物や車両等の監視目標の画像情報を取得する監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の監視装置を説明するための図であり、図において１は地球２の上空を所定の高度で航行する人工衛星や航空機ないしは飛行船などのいわゆる空間航行体、３は上記空間航行体１に地球２を指向するように搭載され、地球表面の画像データを取得する撮像機、４は災害発生地域や監視を要する建造物や車両等の監視目標、５は撮像機の視線である。人工衛星や航空機などの空間航行体から地球表面の要監視対象物や災害発生地域等を監視する従来の監視装置では、空間航行体１が撮像機３を搭載して飛翔し、撮像機の視線５が監視目標４を捉える範囲で撮像機３を作動することにより、監視目標地点の画像情報を取得していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の監視装置の中で、空間航行体として人工衛星を使用する監視装置では、予め人工衛星の軌道と撮像機の視野方向を解析した上で、撮像機の視野が監視目標を捉える範囲と時刻を予測して撮像するため、軌道解析と撮像機視野範囲の解析の手間がかかり、緊急時や災害発生時に即応するのが難しいという課題があった。また軌道や視野方向の予測誤差が大きいため、監視目標を捉える精度が悪いという課題があった。
【０００４】
また、従来の監視装置の中で、空間航行体として航空機を使用する監視装置では、航空機の搭乗員が監視目標を視認して撮像機の方向を調整するため、人手と手間がかかるという課題があった。また監視可能領域が航空機の飛行可能範囲に限定されるという課題があった。
【０００５】
この発明は上記ような課題を改善するためになされたものであり、監視目標を撮像機の視野が捉えるための手続きが簡略で、かつ精度よく撮像機で画像情報を取得できる監視装置を提供している。また空間航行体として人工衛星を使用することにより地球全体のいかなる地域も監視可能な監視装置を提供できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による監視装置は地球の上空を所定の高度で航行する空間航行体に地球を指向するように搭載され、地球表面の画像データを取得する撮像機と、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星と、上記空間航行体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して空間航行体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機と、上記空間航行体の姿勢を検出する姿勢検出機と、上記空間航行体に搭載され、空間航行体の姿勢を変更する姿勢変更機と、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の軌道を変更する航路変更機と、上記航法衛星信号受信機から受信した上記空間航行体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記空間航行体の姿勢角度情報を解析し、空間航行体の位置及び姿勢角度と予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記航路変更機及び上記姿勢変更機に対して航路及び姿勢変更用の制御信号を発生する計算機、及び監視目標の位置を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換して記録すると共に上記計算機に送信する位置座標データベースを格納したメモリにより構成され、上記計算機が監視目標の位置座標を制御目標値として上記航路変更機及び上記姿勢変更機を制御するものである。
【０００７】
また、第２の発明による監視装置は地球の上空を所定の高度で航行する空間航行体に地球を指向するように搭載され、地球表面の画像データを取得する撮像機と、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星と、上記空間航行体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して空間航行体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機と、上記空間航行体の姿勢を検出する姿勢検出機と、上記撮像機が視野方向を変更する視野方向変更機と、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の軌道を変更する航路変更機と、上記航法衛星信号受信機から受信した上記空間航行体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記空間航行体の姿勢角度情報を受信し、空間航行体の位置及び姿勢角度に基づき撮像機が指向する視野方向を解析し、予め計画された上記撮像機の視野方向の目標値とのずれ量を解析して、上記航路変更機及び上記視野方向変更機に対して航路及び視野方向変更用の制御信号を発生する計算機、及び監視目標の位置を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換して記録すると共に上記計算機に送信する位置座標データベースを格納したメモリとにより構成され、上記計算機が監視目標の位置座標を制御目標値として航路及び視野方向変更機を制御するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図であり、図において１は地球２の上空を所定の高度で航行する空間航行体、３は上記空間航行体１に地球２を指向するように搭載された撮像機、４は災害発生地や要監視地域などの監視目標、５は上記撮像機３の視線、６は電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の航法衛星、７は上記空間航行体１に搭載され、複数の航法衛星６から発する測距用電波を受信して空間航行体１の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、８は上記空間航行体１の姿勢を検出するジャイロやスターセンサなどの姿勢検出機、９は上記空間航行体１に搭載され、空間航行体１の姿勢を変更するスラスタやモーメンタムホイールなどの姿勢変更機、１０は上記航法衛星信号受信機７から受信した上記空間航行体１の位置情報と上記姿勢検出機８から受信した上記空間航行体１の姿勢角度情報を解析し、空間航行体１の位置及び姿勢角度と、予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記姿勢変更機８に対して姿勢変更用の制御信号を発生する計算機、１１は上記空間航行体１に搭載され、上記空間航行体１の航路を変更する航路変更機、１２は監視目標を含む地上各地の位置座標を上記航法衛星６の採用する座標系に変換し、記録すると共に上記計算機１０に送信する位置座標データベースを格納したメモリである。図において航法衛星６、空間航行体１及び地球２の上の任意の点の位置は、航法衛星６が採用する座標系によって一意に表現できるので、航法衛星信号受信機７による空間航行体１の位置座標と姿勢検出機８による空間航行体１の姿勢情報を使用して、撮像機３の視線５の起点と方向を航法衛星６が採用する座標系の位置座標と方向ベクトルとして決定できる。監視目標４を含む地上各地の位置情報は位置座標データベースを格納したメモリ１２に予め記録してあるか、または計測して座標変換することにより上記航法衛星６の用いる座標系として表現する。座標系の具体例としてはＷｏｒｌｄ  Ｇｅｏｄｅｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ８４と呼ばれる測地座標系などが使用できる。
【０００９】
次に位置座標を目標値とした姿勢変更量の決定方法について図２により説明する。図において１は空間航行体、２は地球、４は監視目標、５は撮像機の視線、１２は位置座標データベースを格納したメモリ、１４は座標原点、１５は座標系、１６ａは第１の目標角度、１６ｂは第２の目標角度である。座標系として地球重力中心を座標原点１４とし、３次元位置座標を３つのパラメータＸ，Ｙ，Ｚで記述する座標系１５を採用すると、座標原点１４は（０、０、０）となり、監視目標４の位置座標は（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、空間航行体１の位置座標は（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）としてそれぞれ一意に決定される。撮像機の視線方向５は空間航行体１の位置座標（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）と監視目標４の位置座標（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を結ぶベクトルとなるので、撮像機の視線５が監視目標４を指向するための目標角度は第１の目標角度１６ａ及び際２の目標角度１６ｂとして一意に決定される。予め空間航行体１の指向している方向は角度検出機により計測し、計算機により解析されているので、第１の目標角度１６ａ及び第２の目標角度１６ｂとの差分を求めれば、計算機が姿勢変更機に指示すべき姿勢変更量が決定される。なおここでは姿勢変更量に関わる角度として２つのパラメータを用いた例を示したが、視線ベクトルの回転成分のパラメータを加えて３つの角度成分で扱うこともできるのは言うまでもない。
【００１０】
次に計算機１０の中の処理について図３により説明する。図において７は航法衛星信号受信機、８は姿勢検出機、９は姿勢変更機、１０は計算機、１２は位置座標データベースを格納したメモリ、ｓ１は空間航行体と撮像機視線の相対角度を与える処理１、ｓ２は撮像機の視線ベクトルを算出する処理２、ｓ３は目標視線ベクトルを算出する処理３、ｓ４は姿勢角の変更量を与える処理４、ｓ５は姿勢変更角度の許容範囲を評価する処理５、ｓ６は航路変更量を算出する処理６である。図において計算機１０では、航法衛星信号受信機７から受信する空間航行体の位置座標Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２と姿勢検出機８から受信する空間航行体の姿勢角度φ２、θ２、λ２と、予め計算機１０の内部に記録している空間航行体と撮像機の視線方向の相対角度を示す、処理１により得られる初期値に基づき、特定の瞬間の撮像機の視線ベクトルを処理２として算出できる。また同様にして計算機１０では航法衛星信号受信機７から受信する空間航行体の位置座標Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２と位置座標データベースを格納したメモリ１２から受信する監視目標の位置座標Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１に基づき処理３として目標視線ベクトルを算出できる。そこで上記撮像機の視線ベクトルと目標視線ベクトルの差分をして、処理４として姿勢角度変更量Δφ、Δθ、Δλを算出する。次に算出した姿勢角度変更量が撮像機の許容範囲内であるか否かを処理５として判定する。この結果が許容範囲内であれば、制御パラメータとして姿勢変更機９に送信し、姿勢変更機９を動作させる。このため空間航行体１の姿勢が変わり、撮像機３の視線５は監視目標４を指向するよう制御される。また空間航行体１の航路が監視目標４から遠くて、処理５の結果が許容範囲内に納まらず、撮像機３の視野範囲でカバーできない場合には、処理６として航路変更機１１を動作させて空間航行体１の航路を監視目標４に接近するように変更する。例えば空間航行体１として低軌道で地球を周回する人工衛星を使用する場合には空間航行体１の次の周回以降に監視目標４を撮像可能な最短時間を計算すると共に、航路変更した場合に次の周回以降に監視目標４を撮像可能な最短時間を計算する。この結果航路変更した方が観測までのインターバルが短い場合には適正軌道及びその軌道に投入するための軌道変更機動作量を計算機１０が計算し、軌道変更機１３を動作して飛翔体１の軌道を変更する。軌道変更の手段としては軌道変更機１３としてはスラスタを用いて、軌道の近地点でスラスタを動作して別の楕円軌道に投入するなどの手段が採用できる。
【００１１】
なお監視目標の位置座標は、予め地上で航法衛星受信機を用いて測定して位置座標データベースを格納したメモリ１２に記録しておいてもよいし、ＧＩＳ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）などのデータベースを位置座標データベースを格納したメモリ１２として流用することも可能である。また人工衛星からの立体視や航空写真の解析により実測した結果を位置座標データベースを格納したメモリ１２の座標変換機能を用いて航法衛星座標系に座標変換して用いてもよい。また撮像機としては視覚画像を取得する可視光学センサや合成開口レーダのようなイメージクレーダ、マイクロ波放射計、赤外線センサ、紫外線センサなどが使用可能である。
【００１２】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２を示す構成図であり、図において１は地球２の上空を所定の高度で航行する空間航行体、３は上記空間航行体１に地球２を指向するように搭載された撮像機、４は災害発生地や要監視地域などの監視目標、５は上記撮像機３の視線、６は電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の航法衛星、７は上記空間航行体１に搭載され、複数の航法衛星６から発する測距用電波を受信して空間航行体１の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、８は上記空間航行体１の姿勢を検出するジャイロやスターセンサなどの姿勢検出機、９は上記空間航行体１に搭載され、空間航行体１の姿勢を変更するスラスタやモーメンタムホイールなどの姿勢変更機、１０は上記航法衛星信号受信機７から受信した上記空間航行体１の位置情報と上記姿勢検出機８から受信した上記空間航行体１の姿勢角度情報を解析し、空間航行体１の位置及び姿勢角度と、予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記視野方向変更機１３に対して視野方向変更用の制御信号を発生する計算機、１１は上記空間航行体１に搭載され、上記空間航行体１の航路を変更する航路変更機、１２は監視目標を含む地上各地の位置座標を上記航法衛星６の採用する座標系に変換し、記録すると共に上記計算機１０に送信する位置座標データベースを格納したメモリ、１３は上記撮像機３に取付けられ、撮像機３の視線の方向を変更する視野方向変更機である。
【００１３】
図において航法衛星６、空間航行体１及び地球２の上の任意の点の位置は、航法衛星６が採用する座標系によって一意に表現できるので、航法衛星信号受信機７による空間航行体１の位置座標と姿勢検出機８による空間航行体１の姿勢情報を使用して、撮像機３の視線５の起点と方向を航法衛星６が採用する座標系の位置座標と方向ベクトルとして決定できる。また同様に監視目標４の位置座標も航法衛星６が採用する座標系の位置座標として決定できる。計算機１０及び位置座標データベースを格納したメモリ１２の動作は実施形態１と同様である。
【００１４】
本発明による監視装置では監視目標４の位置を位置座標データベースを格納したメモリ１２で位置座標に変換した後に地上からコマンドとして計算機１０に送信する。次に撮像機３の視線５が監視目標４を指向するための視野方向変更量を計算機１０を解析し、視野方向変更機１３を動作させる。このため撮像機３の視線５は監視目標４を指向するよう制御される。視野方向変更機としては、光学センサで反射ミラーを回動する方式や、センサ自体を回動する方式、または電波センサで電気的に視野方向を変更する方式、検出器の使用部分を選別する方式などを採用できる。また空間航行体１の航路が監視目標４から遠くて、撮像機３の視野範囲でカバーできない場合には、航路変更機１１を動作させて空間航行体１の航路を監視目標４に接近するように変更する。例えば空間航行体１として低軌道で地球を周回する人工衛星を使用する場合には空間航行体１の次の周回以降に監視目標４を撮像可能な最短時間を計算すると共に、航路変更した場合に次の周回以降に監視目標４を撮像可能な最短時間を計算する。この結果航路変更した方が観測までのインターバルが短い場合には適正軌道及びその軌道に投入するための軌道変更機動作量を計算機１０が計算し、軌道変更機１３を動作して飛翔体１の軌道を変更する。軌道変更の手段としては軌道変更機１３としてはスラスタを用いて、軌道の近地点でスラスタを動作して別の楕円軌道に投入するなどの手段が採用できる。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、人工衛星の軌道や航空機の飛行経路の解析や、撮像機の視野方向を地上で解析する必要がないので、監視目標を撮像機の視野が捉えるための手続きが簡略であり、災害発生時や緊急事態に対応して即座にデータを取得できるという効果がある。また監視目標の位置を直接制御系の目標値とするので誤差要因が少なく、精度よく撮像機で画像情報を取得できるという効果がある。また空間航行体として人工衛星を使用することにより地球全体のいかなる地域も監視可能な監視装置を提供できるという効果がある。
【００１６】
また、第２の発明によれば、監視目標を撮像機の視野が捉えるための手続きが簡略で、精度よく撮像機で画像情報を取得でき、いかなる地域も監視可能な監視装置を提供できるという点は実施形態１と同様であるが、これに加えて空間航行体自体の姿勢を変更するのに比較して少ない労力で視野変更が可能となるという効果がある。また撮像機を複数具備することで、同時に複数の監視目標を撮像可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による監視装置の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】この発明の実施形態１による監視装置で位置座標を目標値として姿勢変更量を決定する方法を示す図である。
【図３】この発明の実施形態１による監視装置で計算機の中の処理について示す図である。
【図４】この発明による監視装置の実施の形態２を示す構成図である。
【図５】従来の監視装置を示す図である。
【符号の説明】
１  空間航行体、２  地球、３  撮像機、４  監視目標、５  撮像機の視線、６  航法衛星、７  航法衛星信号受信機、８  姿勢検出機、９  姿勢変更機、１０  計算機、１１  航路変更機、１２  メモリ、１３  視野方向変更機、１４  座標原点、１５  座標系、１６  目標角度。
【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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