(57)【要約】【課題】宇宙空間における人工衛星の接近・ドッキングに使用される航法システムにおいて、システムを構成する装置の簡素化、小型化及び省電力化を実現させる。【解決手段】宇宙空間における対象物Ｔの姿勢を推定する航法システム１であって、対象物Ｔに取り付けられ光を反射する光学マーカ１０と、対象物Ｔに所定波長域の光を照射する光照射部２０と、所定波長域の光を反射した光学マーカ１０の画像を取得する画像取得部３０と、画像取得部３０で取得した画像を処理することにより対象物Ｔの姿勢を推定する画像処理部４０と、を備える。光照射部２０及び画像取得部３０を、宇宙航行体２に搭載する。【選択図】図１
2018192998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間における対象物の姿勢を推定する航法システムであって、
前記対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカと、
前記対象物に所定波長域の光を照射する光照射部と、
前記所定波長域の光を反射した前記光学マーカの画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部で取得した前記画像を処理することにより前記対象物の姿勢を推定する画像処理部と、を備え、
前記光照射部及び前記画像取得部は、宇宙航行体に搭載される、航法システム。
【請求項２】
前記所定波長域の光は、前記対象物の表面に形成された断熱膜によって吸収される波長域を有する光である、請求項１に記載の航法システム。
【請求項３】
前記画像処理部は、前記宇宙航行体に搭載される、請求項１又は２に記載の航法システム。
【請求項４】
前記画像処理部は、地上の基地局に設置される、請求項１又は２に記載の航法システム。
【請求項５】
前記光照射部は、発光ダイオードを有する、請求項１から４の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項６】
前記光学マーカは、再帰性反射材を有する、請求項１から５の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項７】
前記光学マーカは、前記対象物の所定の面に複数取り付けられるとともに、前記面に垂直な仮想軸に対して回転非対称に配置されている、請求項１から６の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項８】
前記画像取得部は、光学レンズと、撮像素子と、を有し、
前記光学レンズには、前記所定波長域の光を通す光学フィルタが設けられている、請求項１から７の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項９】
宇宙空間における対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカに所定波長域の光を照射する光照射部と、
前記所定波長域の光を反射した前記光学マーカの画像を取得する画像取得部と、を備え、
前記画像取得部で取得した前記画像が画像処理部によって処理されることにより、前記対象物の姿勢を推定することを可能とする、
宇宙航行体。
【請求項１０】
宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に前記対象物に取り付けられる光学マーカであって、
宇宙航行体の光照射部から照射された所定波長域の光を反射し、前記所定波長域の光を反射したその画像が前記宇宙航行体の画像取得部によって取得され、前記画像が画像処理部によって処理されることにより、前記対象物の姿勢を推定することを可能とする、光学マーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航法システム、宇宙航行体及び光学マーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球の周回軌道上の人工衛星には、資材補給、機材補修、任務終了に伴う回収、等を目的として、他の人工衛星への接近・ドッキングを行うものが存在する。近年においては、これら接近・ドッキングを安全かつ効率良く達成するため、接近・ドッキングの対象となる人工衛星の位置や姿勢（傾斜状態や回転状態）を推定する技術が種々提案されている。
【０００３】
例えば、フラッシュ・ライダ(Flash Lidar)を利用して対象物にレーザ光を照射し、対象物で反射した光を二次元アレイの光検出器で検出し、検出した光に基づいて演算部で対象物の画像を出力して対象物の姿勢を推定する技術（非特許文献１参照）や、ライダを利用することなく姿勢推定の精度を高めるために高度な画像処理を行う技術（非特許文献２参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R.W.Dissly、外５名、「FLASH LIDARS FOR PLANETARY MISSIONS」、International Workshop on Instrumental for Planetary Missions (2012)、平成２４年、インターネット<URL: http://www.lpi.usra.edu/meetings/ipm2012/pdf/1145.pdf>
【非特許文献２】M.Aviles、外３名、「A Complete IP-based Navigation Solution for the Approach and Capture of Active Debris」、67th International Astronautical Congress (IAC)、平成２８年９月、インターネット<URL: http://iafastro.directory/iac/archive/tree/IAC-16/A6/6/IAC-16,A6,6,5,x33749.brief.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載された技術は、レーザ光を対象物に照射するため電力消費量が大きく、また、出力される画像データが二次元的であって量が膨大であるため、データ処理にはＦＰＧＡ等の特殊な処理系が必要となるという問題がある。また、非特許文献２に記載された技術においては、きわめて複雑で緻密な画像処理の手法を用いる必要があり、また、接近時の処理のために人間が対象物の特徴点を抽出したモデルを用意する必要があることから、航法系の設計に膨大な労力を要するという問題があった。このように、従来の航法技術を採用すると、装置の複雑化や大型化が避けられず、消費電力も大きくなる。この結果、開発・製造コストがきわめて大きくなる虞があることに加え、質量１００ｋｇ程度の小型衛星に搭載することが困難となる虞があった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、宇宙空間における人工衛星の接近・ドッキングに使用される航法システムにおいて、システムを構成する装置の簡素化、小型化及び省電力化を実現させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る航法システムは、宇宙空間における対象物の姿勢を推定するものであって、対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカと、対象物に所定波長域の光を照射する光照射部と、所定波長域の光を反射した光学マーカの画像を取得する画像取得部と、画像取得部で取得した画像を処理することにより対象物の姿勢を推定する画像処理部と、を備え、光照射部及び画像取得部は、宇宙航行体に搭載されるものである。
【０００８】
また、本発明に係る宇宙航行体は、宇宙空間における対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカに所定波長域の光を照射する光照射部と、所定波長域の光を反射した光学マーカの画像を取得する画像取得部と、を備え、画像取得部で取得した画像が画像処理部によって処理されることにより、対象物の姿勢を推定することを可能とするものである。
【０００９】
さらに、本発明に係る光学マーカは、宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に対象物に取り付けられるものであって、宇宙航行体の光照射部から照射された所定波長域の光を反射し、所定波長域の光を反射したその画像が宇宙航行体の画像取得部によって取得され、画像が画像処理部によって処理されることにより、対象物の姿勢を推定することを可能とするものである。
【００１０】
かかる構成を採用すると、宇宙航行体の光照射部から照射された所定波長域の光を、宇宙空間における対象物に取り付けられた光学マーカによって反射させ、所定波長域の光を反射した光学マーカの画像を宇宙航行体の画像取得部によって取得し、その取得した画像を画像処理部で処理することにより対象物の姿勢を推定することができる。対象物が例えば人工衛星である場合には、その表面は、所定波長域の光（例えば３００〜４００ｎｍの波長域を有する近紫外域の光）を吸収する性質を有する断熱膜によって被覆されていることが想定される。このように所定波長域の光を吸収する表面を有する対象物に光学マーカを取り付けると、その光を反射する光学マーカの画像を画像取得部で容易に取得することができ、その画像の処理も容易となる。従って、画像取得部の構成の簡素化・小型化を実現させることができるとともに、画像処理部で消費する電力を節減することができる。この結果、航法システムの開発・製造コストを低減させることができ、また、画像取得部を搭載する宇宙航行体の小型化を実現させることができる。画像処理部は、宇宙航行体に搭載されてもよく、地上の基地局に設置されてもよい。
【００１１】
本発明に係る航法システムにおいて、発光ダイオードを有する光照射部を採用することができる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、比較的省電力な光照射部を構成することができるとともに、比較的遠距離から光学マーカを照射することができる。
【００１３】
本発明に係る航法システムにおいて、再帰性反射材を有する光学マーカを採用することができる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、光学マーカから光が出射する方向を、光学マーカに光が入射する方向と一致させることができるので、対象物の姿勢に関わらず光学マーカの画像を取得することが可能となる。
【００１５】
本発明に係る航法システムにおいて、光学マーカを、対象物の所定の面に複数取り付けるとともに、この面に垂直な仮想軸に対して回転非対称に配置することができる。
【００１６】
かかる構成を採用すると、光学マーカの回転状態（ひいては対象物の回転状態）を容易に推定することができる。
【００１７】
本発明に係る航法システムにおいて、光学レンズと、撮像素子と、を有する画像取得部を採用することができる。かかる場合において、光学レンズに、所定波長域の光を通す光学フィルタを設けることができる。
【００１８】
かかる構成を採用すると、所定波長域の光（例えば３００〜４００ｎｍの波長域を有する近紫外域の光）以外の光の画像が撮像素子によって取得されるのを防ぐことができる。従って、光学マーカの画像を容易に識別することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、宇宙空間における人工衛星の接近・ドッキングに使用される航法システムにおいて、システムを構成する装置の簡素化、小型化及び省電力化を実現させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る航法システムの構成を説明するための構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る航法システムを構成する光学マーカの配置を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本発明の実施形態に係る航法システム１の構成について説明する。本実施形態に係る航法システム１は、宇宙空間における対象物（ターゲット衛星）Ｔの姿勢を推定するためのものであって、図１に示すように、光学マーカ１０と、光照射部２０と、画像取得部３０と、画像処理部４０と、を備えている。光照射部２０、画像取得部３０及び画像処理部４０は、宇宙航行体（対象物Ｔに接近するチェイサ衛星）２に搭載されている。宇宙航行体２は、ロケットに取り付けられて宇宙空間に打ち上げられた後、ロケットから分離して宇宙空間を自律的に移動できるように構成されている。
【００２３】
光学マーカ１０は、図１及び図２に示すように、対象物Ｔの所定の面Ｓに取り付けられており、光を反射するように構成されている。本実施形態における光学マーカ１０は、少なくとも、対象物Ｔの表面に形成された断熱膜で吸収されるような所定波長域の光（例えば３００〜４００ｎｍの波長域を有する近紫外域の光）を反射するように構成されているが、全波長域の光を反射する光学マーカ１０を採用してもよい。
【００２４】
本実施形態においては、図２に示すように、対象物Ｔの所定の面Ｓに光学マーカ１０を５個取り付けており、かつ、所定の面Ｓに垂直な中心に配置された仮想軸Ａに対して光学マーカ１０を回転非対称に配置している。このように光学マーカ１０を配置することにより、（図示されていない）所定の回転軸を中心とした対象物Ｔの回転状態を推定することが可能となる。なお、対象物Ｔの回転軸は、仮想軸Ａと一致している必要はない。対象物Ｔが回転軸を中心に回転すると、複数の光学マーカ１０の各々の位置が変更されるため、その回転前後の位置関係に基づいて回転状態を推定することが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態においては、再帰性反射材を有する光学マーカ１０を採用している。このため、光学マーカ１０から光が出射する方向を、光学マーカ１０に光が入射する方向と一致させることができる。
【００２６】
光照射部２０は、対象物Ｔに所定波長域の光を照射するものである。本実施形態における光照射部２０は、発光ダイオードを有しており、図１に示すように、宇宙航行体２の所定位置に取り付けられている。光照射部２０の取付位置や個数は、光学マーカ１０の位置や個数に応じて適宜設定することができる。
【００２７】
光照射部２０で照射される光の波長域は、対象物Ｔの表面に形成される断熱膜の種類や材料等に応じて適宜設定することができる。例えば、銀テフロン製の断熱膜が形成された表面は、３０５〜３１５ｎｍの波長域の光のエネルギを約９５％吸収することが知られている。一方、アルミ蒸着カプトン製の断熱膜が形成された表面は、３００〜４００ｎｍの波長域の光のエネルギを８５％以上吸収することが知られている。このため、これらの波長域を有する光を光照射部２０で照射し、このような波長域の光を光学マーカ１０で反射させることができる。本願発明の発明者は、銀テフロン、アルミ蒸着カプトン、白色塗料等で形成される断熱膜が近紫外域の光を吸収することに着目し、このような波長域の光を光学マーカ１０で反射させる構成を採用することにより、本願発明を完成させたのである。
【００２８】
画像取得部３０は、所定波長域の光を反射した光学マーカ１０の画像を取得するものである。本実施形態においては、光学レンズと、撮像素子と、を有する画像取得部３０を採用しており、光学レンズには、所定波長域の光を通す光学フィルタが設けられている。所定波長域としては、対象物Ｔの表面に形成された断熱膜で吸収される波長域（例えば３００〜４００ｎｍ）を採用することができる。画像取得部３０は、図１に示すように、宇宙航行体２の所定位置に取り付けられている。画像取得部３０の取付位置は、光学マーカ１０の位置や個数に応じて適宜設定することができる。
【００２９】
画像処理部４０は、画像取得部３０で取得した画像を処理することにより対象物Ｔの姿勢を推定するものである。画像処理部４０としては、画像処理及び姿勢推定用の各種プログラムや各種データをメモリから読み出して画像処理や姿勢推定に関する演算を実行するプロセッサを採用することができる。本実施形態においては、画像処理部４０を宇宙航行体２に搭載している。
【００３０】
次に、本発明の実施形態に係る航法システム１を用いて対象物Ｔの姿勢を推定する方法について説明する。
【００３１】
まず、対象物Ｔに向けて宇宙航行体２０を移動させ、対象物Ｔの所定の面Ｓに対して宇宙航行体２０を正対させる。そして、宇宙航行体２に搭載した光照射部２０から対象物Ｔに向けて所定波長域の光を照射し、対象物Ｔに取り付けた光学マーカ１０でその所定波長域の光を反射させる。次いで、宇宙航行体２に搭載した画像取得部３０を用いて、所定波長域の光を反射した光学マーカ１０の画像を取得する。この際、画像所得部３０の光学レンズに設けられた光学フィルタにより、所定波長域の光のみを検出する。続いて、宇宙航行体２に搭載した画像処理部４０を用いて、画像取得部３０で取得した画像を処理することにより、対象物Ｔの姿勢を推定する。
【００３２】
以上説明した実施形態に係る航法システム１においては、宇宙航行体２の光照射部２０から照射された所定波長域の光を、宇宙空間における対象物Ｔに取り付けられた光学マーカ１０によって反射させ、所定波長域の光を反射した光学マーカ１０の画像を宇宙航行体２の画像取得部３０によって取得し、その取得した画像を画像処理部４０で処理することにより対象物Ｔの姿勢を推定することができる。ターゲット衛星である対象物Ｔの表面は、所定波長域の光（例えば３００〜４００ｎｍの波長域を有する近紫外域の光）を吸収する性質を有する断熱膜によって被覆されていることが想定される。このように所定波長域の光を吸収する表面を有する対象物Ｔに光学マーカ１０を取り付けると、その光を反射する光学マーカ１０の画像を画像取得部３０で容易に取得することができ、その画像の処理も容易となる。従って、画像取得部３０の構成の簡素化・小型化を実現させることができるとともに、画像処理部３０で消費する電力を節減することができる。この結果、航法システム１の開発・製造コストを低減させることができ、また、画像取得部３０を搭載する宇宙航行体２の小型化を実現させることができる。
【００３３】
また、以上説明した実施形態に係る航法システム１においては、発光ダイオードを有する光照射部２０を採用している。このため、比較的省電力な光照射部２０を構成することができるとともに、比較的遠距離から光学マーカ１０を照射することができる。
【００３４】
また、以上説明した実施形態に係る航法システム１においては、再帰性反射材を有する光学マーカ１０を採用しているため、光学マーカ１０から光が出射する方向を、光学マーカ１０に光が入射する方向と一致させることができる。従って、対象物Ｔの姿勢に関わらず光学マーカ１０の画像を取得することが可能となる。
【００３５】
また、以上説明した実施形態に係る航法システム１においては、光学マーカ１０を、対象物Ｔの所定の面Ｓに複数取り付けるとともに、この面Ｓに垂直な仮想軸Ａに対して回転非対称に配置しているため、光学マーカ１０の回転状態（ひいては対象物Ｔの回転状態）を容易に推定することができる。
【００３６】
また、以上説明した実施形態に係る航法システム１においては、光学レンズと、撮像素子と、を有する画像取得部３０を採用し、光学レンズには、所定波長域の光（例えば３００〜４００ｎｍの波長域を有する近紫外域の光）を通す光学フィルタを設けているため、所定波長域の光以外の光の画像が撮像素子によって取得されるのを防ぐことができる。従って、光学マーカ１０の画像を容易に識別することができる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、画像処理部４０を宇宙航行体２に搭載した例を示したが、地上の基地局に画像処理部４０を設置することもできる。かかる場合には、宇宙航行体２の画像取得部３０で取得した画像データを地上の画像処理部４０に送信するための送信手段を設けるようにする。
【００３８】
また、本実施形態においては、対象物Ｔの所定の面Ｓに光学マーカ１０を取り付けた例を示したが、光学マーカ１０が取り付けられる面は必ずしも平面でなくてもよく、若干の凹凸があってもよい。また、光学マーカ１０の個数は５個に限定されるものではない。
【００３９】
また、本実施形態においては、対象物Ｔとして人工衛星（ターゲット衛星）を例示したが、対象物はこれに限られるものではない。
【００４０】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４１】
１…航法システム
２…宇宙航行体
１０…光学マーカ
２０…光照射部
３０…画像取得部
４０…画像処理部
Ａ…仮想軸
Ｓ…所定の面
Ｔ…対象物
【図１】
2018192998.tif 000003
【図２】
2018192998.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月27日(2017.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間における対象物の姿勢を推定する航法システムであって、
前記対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカと、
前記対象物に所定波長域の光を照射する光照射部と、
前記所定波長域の光を反射した前記光学マーカの画像を取得する画像取得部と、
前記画像取得部で取得した前記画像を処理することにより前記対象物の姿勢を推定する画像処理部と、を備え、
前記光照射部及び前記画像取得部は、宇宙航行体に搭載され、
前記所定波長域の光は、前記対象物の表面に形成された断熱膜によって吸収される波長域を有する光である、航法システム。
【請求項２】
前記画像処理部は、前記宇宙航行体に搭載される、請求項１に記載の航法システム。
【請求項３】
前記画像処理部は、地上の基地局に設置される、請求項１に記載の航法システム。
【請求項４】
前記光照射部は、発光ダイオードを有する、請求項１から３の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項５】
前記光学マーカは、再帰性反射材を有する、請求項１から４の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項６】
前記光学マーカは、前記対象物の所定の面に複数取り付けられるとともに、前記面に垂直な仮想軸に対して回転非対称に配置されている、請求項１から５の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項７】
前記画像取得部は、光学レンズと、撮像素子と、を有し、
前記光学レンズには、前記所定波長域の光を通す光学フィルタが設けられている、請求項１から６の何れか一項に記載の航法システム。
【請求項８】
宇宙空間における対象物に取り付けられ光を反射する光学マーカに所定波長域の光を照射する光照射部と、前記所定波長域の光を反射した前記光学マーカの画像を取得する画像取得部と、を備え、前記画像取得部で取得した前記画像が画像処理部によって処理されることにより、前記対象物の姿勢を推定することを可能とする宇宙航行体であって、
前記所定波長域の光は、前記対象物の表面に形成された断熱膜によって吸収される波長域を有する光である、宇宙航行体。
【請求項９】
宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に前記対象物に取り付けられる光学マーカであって、
宇宙航行体の光照射部から照射された所定波長域の光を反射し、前記所定波長域の光を反射したその画像が前記宇宙航行体の画像取得部によって取得され、前記画像が画像処理部によって処理されることにより、前記対象物の姿勢を推定することを可能とし、前記所定波長域の光は、前記対象物の表面に形成された断熱膜によって吸収される波長域を有する光である、光学マーカ。