(57)【要約】本発明は、前方を視察する複数個のプレビューカメラを使用し、各プレビューカメラはそれぞれ異なる天底角で、接近しつつあるターゲットエリアにおける雲情報を得る視点で視察する。さらに、本発明ではファジー論理によるシステム及び他の決定メカニズムを使用し、どのターゲット画像を、どの順序で取得すべきか、またターゲット画像取得をいつスタートするかを決定する。本発明は、アジーレ型地球観測衛星に対して自律的決定能力を付与し、衛星自身がターゲットエリアにおける高画質画像を最も高い歩留りで得られるようにすることを意図する。【選択図】図５
2013518246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接近中のターゲットエリアにおける画像取得優先順位を決定するよう、軌道に沿って航行する宇宙船又は人工衛星の飛行体に取り付ける意思決定装置において、
制御可能な複数個の撮像装置であって、それぞれが前記飛行体の飛行方向前方を４５°以下の天底角で視察し、前記飛行体の飛行により前記飛行体に接近してくる前記ターゲットエリアの雲遮蔽を、前記ターゲットエリアが前記飛行体における主撮像装置の撮像範囲に入る手前で、プレビュー画像を得ることができるよう構成した、該撮像装置と、
前記制御可能な撮像装置から並列的に送信する画像から前記ターゲットエリア上の雲遮蔽情報を抽出する、データ処理セクションと、
前記データ処理セクションが送信するデータだけでなく、前記飛行体のそのときの状態、前記ターゲットエリアの形状及び位置、前記ターゲットエリアに対する依頼人の要望、前記ターゲットエリアにおける撮像試行履歴、及びターゲットエリアの画像取得優先順位を決定する意思決定ルールを処理する、意思決定セクションと、
を備えた意思決定装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、それぞれの前記制御可能な複数個の撮像装置は、それぞれ前記飛行体が上空を航行している地表面の異なるストリップ域に照準を合わせ、これらストリップ域は、それぞれ順次に隣接する前記撮像装置が照準を合わせる地表面におけるストリップ域間で互いにオーバーラップしないよう隣接させる構成とした装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記制御可能な撮像装置における視野を合わせた総合視野を、前記飛行体における前記主撮像装置の視野より広くした装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、前記複数個の撮像装置は、適切な光学素子を使用することにより、１個に減少することができる構成とした装置。
【請求項５】
軌道に沿って航行する宇宙船又は人工衛星の飛行体が、前記飛行体に接近しつつあるターゲットエリアの画像取得優先順位をデータの処理によって決定するため意思決定方法であって、前記データは、
前記飛行体の飛行に基づいて接近しつつあるターゲットエリアを覆う雲遮蔽に関して複数個の制御可能な撮像装置から送信される雲遮蔽データと、
接近中の前記ターゲットエリアにおける撮像の緊急性に関する依頼人の要望データと、
前記ターゲットエリアに対して画像取得を試行したが失敗に終わった画像取得試行をどのくらいの回数行ったかを反映する画像取得試行履歴データと、
画像取得を試みる際に、各ターゲットエリアの画像取得中、前記飛行体の天底角を反映するデータと、
前記データのすべてを処理し、前記飛行体がターゲットエリア上を航行中、どのターゲットエリアの画像をどの順序で、またどのターゲットエリア画像取得を断念すべきかを推奨し、最適な画像取得の組み合わせスケジュールを立てることができるようにする一式の決定ルールセットのデータと
を有するものとした、意思決定方法。
【請求項６】
請求項５記載の意思決定方法において、該意思決定方法は、前記飛行体に接近しつつある前記ターゲットエリアに関する優先順位化リストを生成し、また前記飛行体に搭載したコントローラに対して前記ターゲットエリアのうち最も優先順位の高いエリアの画道取得から開始するよう推奨し、また前記飛行体が前記ターゲットエリア上で費やせる時間窓中に前記ターゲットエリアの画像を前記優先順位に基づいてできるだけ数多く取得するよう推奨するものとした、意思決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、「宇宙航空学的機器」に関する。また、本発明は「誘導又は制御装置」のサブカテゴリーに関し、さらには「人工衛星に使用する機器の構成又は適合化」のサブカテゴリーに関する。本発明による装置は、地球観測衛星及び撮像宇宙船に使用することを意図し、人工衛星のコントローラが自律的な決定を行い、地球観測衛星が効率的に動作できるようにすることを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
地球観測衛星は、晴天下でターゲットエリアの撮像を意図する。通常、地球観測用の衛星は他の人工衛星よりも低い軌道に配置し、この軌道は一般的には高度約４５０ｋｍである。組み込む宇宙航空学的機構上の理由により、このような低軌道上に配置したいかなる衛星も、地球の自転よりも遥かに速い速度で地球を周回する必要がある。このような地球観測衛星における一般的な軌道周回時間は約９０分である、このことは９０分毎に地球を一周することを意味する。軌道傾斜角は、衛星が地球を周回するときに同一軌道上を辿るか、又は異なる経路を巡るかを決める重要な要因である。例えば、軌道傾斜角が０°の人工衛星は他のいかなる場所をも通過することなく常に赤道上を周回する。軌道傾斜角が４５°の人工衛星は４５°の緯度範囲で地球の北半球及び南半球を周回する。軌道傾斜角が９０°又はそれ以上の角度である人工衛星は、地球上のあらゆる箇所を飛行する。原則的に、大部分の商業用地球観測衛星が望むのは、この９０゜の軌道傾斜角であり、なぜなら、地球観測衛星は依頼人が要望する地球上のあらゆる箇所を撮像する能力を必要とするからである。また、大部分の地球観測衛星は「太陽同期軌道」上を飛行する、このことは、地球の同一地点を常に同一ローカル（局地的）時間に通過することを意味する。撮像目的には日光が必要であるため、このことは地球観測のミッションにおいて重要である。観測衛星の軌道機構は実用上、及び文献においてよく知られている。これに関するよい情報源としては、モンテンブルック（Montenbruck）氏、及びジル（Gill）氏による２０００年刊行の書籍「Satellite Orbits: Models, Methods and Applications」を挙げることができる。
【０００３】
軌道が低高度に位置するため、観測衛星は地球の周りを、９０分の軌道周回時間という高速で地球を一周する。このことは７ｋｍ／秒、又は２５２００ｋｍ／時間もの対地速度に相当する。地球観測衛星は異なる経路の上空を特定螺旋軌道で地球を周回し、これら異なる経路は先行経路から数千ｋｍ隔たっている。このようにして、人工衛星は元の位置に約４日毎に回帰することになる。
【０００４】
地球観測衛星は、依頼人が選択したターゲット上を通過するときにターゲットエリアの撮像を行うよう構成する。過剰な雲で覆われたターゲットエリアの画像は、画像細部を不明瞭にするため望ましくない。依頼人が特定ターゲットエリアの画像を要望しても、衛星がそのターゲットエリアを通過する時点にそのエリアが多量の雲で覆われている場合、撮像を予定スケジュールにおける別の巡回時点で試みる必要がある。観測衛星はターゲットエリア上空で多雲気象条件が改善するまで待機するようホバリングできないため、衛星がターゲットエリア上空を再度通過する予定となっている時点に改めて撮像を試みなければならず、このことは数日の遅れを意味する。
【０００５】
観測衛星は約７ｋｍ／ｓもの高速対地速度で飛行する。したがって、観測衛星は、ターゲットエリア上においてほんの数秒間の時間窓（タイムウインドウ）しかなく、この時間窓は極めて効率的に利用する必要がある。さらにこの問題を複雑にするのは、この数秒間しかない観測時間窓中に、撮像することを必要とされるターゲットエリアが複数ある場合である。これら複数のエリアを撮像するためには、衛星に取り付けた主撮像機器をターゲットエリアに照準を合わせる必要がある。この照準合わせは瞬時にできるものではなく時間を要する。観測衛星に関する従来技術においては、「アジーレ」(agile)と称されるカテゴリーの人工衛星があり、このアジーレ型衛星はジャイロアクチュエータにより、その姿勢を３軸(ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸)に沿って制御することができる。この能力により、衛星はその飛行中に観測及び観測地点間でのトランジションを行うことができる。換言すれば、非アジーレ型衛星は軌道上において静止し、ターゲットエリアが直下を通過するまで待機するのに対し、アジーレ型衛星はピッチ、ヨー及びロール角を変化させることにより、その姿勢を撮像すべきターゲットに指向させるだけでなく、他のターゲットエリアに向けることができる。すなわち、アジーレ型衛星は直下のエリアだけでなく、飛行軌道に隣接するエリアの撮像も行うことができることを意味する。アジーレ及び非アジーレ型衛星における動作の違いは図８Ａ及び図８Ｂに説明する。図８Ａは、非アジーレ型衛星８２における基本的な動作を示す。衛星がその経路に沿って移動する時、ターゲットエリア８４,８５の一方を選択する必要がある。これは、衛星がロール軸に沿ってロール回転し、ターゲットエリアの一方しか撮像できないからである。図示の実施形態では、人工衛星８２は撮像時間窓８９中にピッチ回転できないため、エリア８４を撮像し、エリア８５の撮像は犠牲にする。図８Ｂは、同一実施形態におけるアジーレ型衛星９２の動作を示す。ピッチ及びヨー回転機能を付与したことによりターゲット８４に照準を合わせる観測窓が拡大し、ターゲット８４の撮像が完了した直後に、ターゲット８５に照準を合わせることができる。これにより、飛行中により多くのターゲットエリアを撮像することが可能になる。
【０００６】
図１及び図２を使用して説明するのに必要ないくつかの技術用語について説明し、問題点をより明確にする。技術用語において、天底１５（Ｎｐ）は、軌道に沿って飛行中に任意の時刻に衛星の直下にある地上のポイントを指す。また、天底角１６（Ｎａ）は衛星−天底ポイント間を結ぶライン（Ｓ‐Ｎｐ）と撮像カメラが指し示すポインティングライン（Ｓ‐Ｖｐ）との間における角度を指す。アジーレ型衛星においては、主撮像機器を使用して、飛行経路の両側に位置するターゲットエリア、並びに＋／−３０°の天底角範囲にわたる、前方及び後方のターゲットを撮像することができる。３０°の天底角により、衛星の飛行経路から２６０ｋｍ（側方に）離れたターゲットエリアを撮像することができる。技術的には０°でない天底角でターゲットを撮像することができるが、天底角が大きくなるに伴い画質が低下する。すなわち、０°の天底角で撮像したターゲットエリアの画像は、３０°の天底角で撮像した画像よりも好適である。
【０００７】
人工衛星における上述の「アジーレ」機能は、ターゲットエリアの撮像に新たな可能性をもたらすものである。＋／−３０°の天底角内に位置するエリアを撮像する機能により、軌道経路の側方だけでなく、人工衛星における天底の前後方向に位置するターゲットエリアを撮像することもできるようになり、撮像できるターゲットエリアの範囲が拡大する。利用できる時間窓は限られているため、全ターゲットエリアを撮像できない。依頼人の要望を優先させることが重要であるとともに、どのターゲットエリアを撮像すべきかを決定することも重要である。大きな天底角で撮像したターゲット画像は、依頼人によっては容認できるかもしれないが、容認できない依頼人も存在する。また、過度の雲で覆われた画像は、大部分の依頼人にとって全く容認できない。雲で覆われる度合いが１０％の画像は若干の依頼人にとっては容認できるかもしれない。従って、観測衛星は撮像時間窓を広く使用することが、依頼人にとって容認できる画像を取得する上で重要になる。雲で覆われること（雲遮蔽）が地表の撮像において最も重要な阻害要因であるため、競合する注文のうち、特に撮像した画像における雲遮蔽レベル容認できるレベルで注文を満足させることが重要である。調査によれば、商業用の観測衛星が取得した画像の８０％が過度の雲遮蔽により使用できないことが分かっている（非特許文献１参照）。ターゲットエリアの撮像を何らかの理由により先送りする場合、撮像は他の周回時に取得するようスケジュールを立てる。依頼人が指定する画像取得期限が迫ってくるにつれ、この特定ターゲットの優先度は高くなる。これらすべての付加的要因を考慮する必要があるとともに、撮像の時間窓中にどのターゲット画像を取得すべきかを決定しなければならない。
【０００８】
地球観測衛星における主要観測機器は撮像機器であり、この撮像機器は電子式撮像カメラとして構成する。衛星の対地速度は高速であるため、通常は感光センサの線形アレイを使用し、衛星の前進運動を利用して地表画像をスキャンする。衛星が一方向スキャン動作でスキャンできる地表面の幅は「走査幅」と称され、図１に参照符号１０で示す。また、衛星１１の移動方向は符号１４で示す。通常の地球観測衛星における「走査幅」は約１７ｋｍであり、これ以上の幅を有するターゲットエリアに関しては、反復的なスキャンを行う必要がある。特定ターゲットの画像取得に必要な持続時間は考慮すべき重要なパラメータであり、これは結局のところ、他の隣接するターゲットエリアを撮像するのに残された利用可能時間に影響するからである。
【０００９】
近年の地球観測衛星における主要観測機器は撮像機器であり、この撮像機器は衛星本体の中心において長手方向に取り付けるのが一般的である。また現在の設計では、カメラは衛星本体に堅固に固着する。このような堅固な連結のため、衛星本体はターゲットエリアに向けて指向させ、これによりターゲットの画像を捕らえる必要がある。衛星本体の向き再調整にはジャイロアクチュエータ、又はスラスタによって行うが、これには若干の時間がかかる。衛星本体の向き再調整に時間を要するため、特定ターゲットを撮像することは、他のターゲットの撮像に影響がでる。衛星が新しいターゲットに向向き再調整するのに要する動作量は「アジリティ要件」と称され、これが衛星の向き再調整時間を規定する。この向き再調整時間は、ターゲット画像の利用可能な撮像時間窓を消費する。従って、衛星が要する向き再調整時間は、どのターゲットをどの順番で画像取得するかを選定する上で考慮すべき重要なパラメータでもある。
【００１０】
地球観測衛星には、地球を周回する間に、地上ステーションとの通信に制限がある。通常、観測衛星はその飛行途上で地上ステーションとの通信を通して撮像すべきエリアに関するリストを入手し、目的地に達するまで航行を続ける。ターゲット画像を取得すると、画像データを衛星に搭載したメモリに保存し、衛星が他の地上ステーションに到達し、画像ファイルがダウンロードされるまで保存する。平均すると、通常の地球観測衛星が地上ステーションと通信できる割合は、その飛行時間の１０％である（非特許文献２参照）。通信可能な時間が限られているため、衛星は地上のオペレータからの指示を待つことなく、ターゲットの優先順位決定を自律的に行う必要がある。
【００１１】
衛星オペレータによる画像注文リクエストの実行
【００１２】
現在、地球観測衛星のオペレータがどのように画像注文リクエストを取り扱っているかを理解することは、観測衛星に関する問題点を十分認識する上で不可欠である。通常、注文処理は、顧客が利用可能なオンラインツールを使用して、ターゲットエリアの座標を指定することからスタートする。オンライン上のソフトウェアツールは、座標、エリア、及び画像取得コストを特定するのに役立つ。さらに、顧客は、画像取得における容認可能な天底角、容認可能な雲遮蔽レベル、及び画像取得期日を指定する。これら情報は全て、衛星オペレータが競合する注文の中から異なる事情の下にどの注文を優先するかを決めて優先順位を決定するのに必要とされる。ターゲットエリア上における雲遮蔽情報は優先順位を決定する重要な要素である。現在の実施においては、雲観測衛星がターゲットエリア上における雲遮蔽情報を提供する。最新の雲遮蔽情報を定期的に受信するが、局地的な雲遮蔽状況は急激に変化することが知られている（非特許文献３，４参照）。さらに、雲観測衛星に関する他の問題点は、雲観測衛星による画像解像度が低い点である。この低い解像度のため、特定のターゲットエリア上における実際の雲遮蔽状況を予測することは困難である。
【００１３】
依頼人にとって容認可能な天底角及び画像取得期日を考慮して、地上管制センターは事前に衛星飛行に関して画像収集プランを準備し、地上との通信接続が確立し次第、この計画情報を衛星にアップロードする。衛星オペレータは、雲観測衛星からの雲遮蔽履歴情報並びに最新雲画像を使用して、どのターゲットエリアが問題になりそうかを予測し、またこの予測を画像取得スケジュールに利用する（非特許文献５参照）。究極的には、衛星オペレータは、雲で覆われている可能性があるエリアを回避し、上空が澄んでいるエリアを優先することを試みる。衛星が目的地までの飛行を完了するとき、ターゲットエリアの画像を取得し、衛星内に搭載したメモリに保存し、地上ステーションに衛星が達したとき、この地上ステーションで画像データをダウンロードする。地上管制センターが画像を受信した後、雲遮蔽状況をチェックし、画質の点で容認できるかを確認する。雲遮蔽レベルが容認できないと判断した場合、地上管制センターが次回の衛星飛行に対して、改めて同一ターゲットエリア用の他の画像取得スケジュールを立てる。軌道力学によれば、正確に同一の地点への巡回タイミングが分かり、その巡回タイミングまでは数日のオーダーである。
【００１４】
画像取得プロセスを困難にする問題点
【００１５】
いくつかの問題が現在行われている画像取得プロセスを複雑化している。そのうちの１つは雲遮蔽であり、この雲遮蔽の問題は画像取得プロセスを幾分予測不能なものにする。地上管制センターはターゲットエリアにおける雲遮蔽に関する履歴情報を入手するが、実際に重要なのは画像取得時における実際の雲遮蔽状況である（非特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】A.J.Tatem, S.J.Goetz, and S.I.Hay, “Fifty Years of Earth Observation Satellites”, Am Sci.; Vol.96, Issue5, pp. 390-398, September 2008.
【非特許文献２】G.Beaumet, G. Verfaillie and M.Cahrmeau, “Decision-Making on-board an Autonomous Agile Earth-Observing Satellite“, In Proc. of ICAPS-2008, the Eighteenth International Conference on Automated Planning and Scheduling, 2008.
【非特許文献３】P.Bissolli, “Construction of a cloud cover reference climatology using satellite and in situ data for the climate monitoring programme SAT-KLIM”, Proceedings of the 2003 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference Weimar, Germany, 2003
【非特許文献４】U.Maier, H.Nitsche, “SAT-KLIM: Using Satellite Derived Cloud Products for Operational Climate Monitoring”, Proceedings of EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, 2009. Available at:http://www.eumetsat.int/idcplg?IdcService=GET_FILE&dDocName=PDF_CONF_P_S4_12_NITSCHE_P&RevisionSelectionMethod=LatestReleased.
【非特許文献５】WorldView-1 Product.quick reference guide.Version 2.1, 7.20.09, available at:wwww.digitalglobe.com/…/file.php/…/WV-1_Product_QR_Guide.pfd
【非特許文献６】Weather Source, Historical Weather Data Products and Services, Available at:http://weather-source.com/prodservices.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
画像取得プロセスを複雑化する別の問題は、ターゲットエリア間の近接性に関連する。ターゲットエリア毎の画像取得時間窓がそれぞれ十分に離れていれば、この近接性の問題は画像取得プロセスにおいて大きな障害にはならない。しかし、ターゲットエリア毎における画像取得時間窓がそれぞれ極めて近接していると、衛星を新しいターゲットに向き再調整するのに時間的な余裕がない可能性がある。
【００１８】
複雑さは、画像取得機器を衛星本体内に堅固に取り付けることからも生ずる。衛星本体全体を新しいターゲットエリアに向けるよう向き再調整しなければならない。衛星がターゲットに向かって２７，０００ｋｍ／ｈ以上の対地速度で移動し、また新しい画像取得のために衛星本体を向き再調整するのに時間がかかることを考慮すれば、衛星を各ターゲットに向かわせるよう操舵するのに時間が制限されていることは容易に理解できるであろう。この問題を図４につき説明する。図４には画像取得すべきターゲットエリアが３つあり、それぞれＡ、Ｂ及びＣの符号を付けて示す。衛星がターゲットＡに向かって移動するとき、衛星本体は適正な天底角でターゲットに整列する。ターゲットＡの端縁が主撮像機器に現出する瞬間に、衛星がターゲットＡを通過するまで画像取得を行う。このとき画像取得シーケンスにおいて、ターゲットＢが次のターゲットになる。しかし、ターゲットＢは、画像を適正に取得するには異なる天底角及び向きが必要になる。さらに別のターゲットエリアＣが存在し、このターゲットエリアＣはターゲットＡ及びＢの双方に近接し、しかもその画像取得時間窓中での画像取得が競合する。対地速度が高速であり、及びターゲットエリアＡ、Ｂ及びＣにおける互いの近接性を考慮すれば、衛星を３つのターゲットエリア全てに向き再調整して画像を取得するには十分な時間がないことは明らかである。このため、地上管制センターでは雲遮蔽に関する履歴データを解析し、この解析に基づく予測によってエリアＢをスキップし、エリアＣを優先させる。これにより、地上管制センターは衛星にエリアＡ及びＢでなくＣの画像取得を指示する。複雑さは、雲遮蔽に関する履歴情報が常に正確だとは限らないことから生ずる。雲は分刻みで移動するため、予測が覆る。議論上、ターゲットエリアＣが直近に雲で覆われ、低画質の画像になると仮定する。この場合、エリアＣ及びＢ双方の画像を入手する機会を失う。
【００１９】
このような問題点は、雲遮蔽情報をよりよく入手し、これによりどのターゲットを他のターゲットよりも優先させるかの決定をよりよく行うことができるようになる方法を必要としていることを示唆する。雲遮蔽に関する履歴情報に頼っていると、良質な画像を得られる歩留りがきわめて低い結果となる。参照文献[２]によれば、この手法では衛星が撮像した画像の８０％がムダになる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のシステムは、アジーレ型地球観測衛星用に到来するターゲットの選択に関して自律的に決定することができるシステムを提供する。本発明システムは、若干のハードウェアと、これらハードウェアからの情報に基づいて動作する決定メカニズムとを備える。
【００２１】
本発明システムのハードウェア部分は、前方を視察する複数個のカメラであって、所定のターゲット上空における雲遮蔽を検出するカメラを有する。これらカメラは、それぞれ飛行経路に沿って異なる天底角で規定される、互いに異なるストリップ域に向けて照準を合わせる。各カメラは、それぞれの巡回ストリップ域に現出し得るターゲットエリア上の雲遮蔽状況を測定する。これら前方を視察するプレビューカメラは、ジャイロスコープで安定させるジンバル機構に取り付け、このジンバル機構により、衛星の飛行経路に沿って常に進行方向に照準を合わせるよう維持する。各カメラは、衛星に対して戦略的に配置し、また衛星のヨーイング、ローリング及びピッチング動作による影響を受けないように配置する。データ処理ユニットは、各カメラから送られる画像を処理し、ターゲットエリア上の雲遮蔽情報を決定する。雲遮蔽情報、依頼人による優先順位、依頼人が容認できる雲遮蔽量、依頼人が容認できる天底角、及び新しいターゲットへの対処に要求されるアジリティなどが、本発明による意思決定ユニットに送信する入力データとして供給され、この入力データに基づいて意思決定ユニットが数秒しかない利用可能な時間窓において決定する。本発明における出力は、接近しつつあるターゲットエリアの優先順位付けしたリスト、及び各ターゲットの画像取得の正確なタイミングとともに画像取得シーケンスを含む。
【００２２】
本発明による好適な一実施形態では、前方を視察する３個のカメラを設け、これらカメラは前方に向け３０°傾斜させるが、各カメラにおける天底角を互いに異ならせ、地表における異なるストリップ域を捕らえるようにする（図５参照）。中心で前方を視察するカメラは、天底角−１５°〜＋１５°の範囲わたる中心ストリップ域を撮像する。左側前方を視察するカメラは、−１５°〜−４５°の天底角にわたるストリップ域をスキャンし、右側前方を視察するカメラは＋１５°〜−４５°の天底角にわたるストリップ域をスキャンする。これらプレビューカメラはジャイロスコープによって安定化させたジンバル機構マウントに取り付け、飛行方向前方に対面させる。安定化させたジンバル機構マウントにより、各カメラの姿勢は衛星によるピッチング、ローリング及びヨーイング動作によって影響されない。
【００２３】
画像処理ユニットは画像処理し、ターゲット上の雲遮蔽情報を得る。このターゲットエリア上の雲遮蔽は、雲遮蔽で生ずるる高い放射輝度によって識別される。本発明による好適な一実施形態における意思決定メカニズムはファジー論理意思決定システムに基づく。また従来技術で知られている意思決定技法も、意思決定プロセス適用することができる方法である。ファジー論理システムは、ファジールール及びメンバーシップ関数に基づいて動作し、どのターゲットエリアに対して撮像における優先度を付与すべきかの決定を行う。ファジー論理意思決定ユニットは、意思決定を行い、また新たなターゲットが現出し、条件が変わった時に行った意思決定を更新する。また、ファジー論理意思決定システムの出力は、特定シーケンスで取得することが必要なターゲットの優先順位付けしたリストである。
【００２４】
雲量検出に関する従来技術
【００２５】
前方を視察するカメラを使用して、到来するエリアの輝度レベルを検出することは種々の目的で人工衛星の用途で利用される技術である。米国特許第５,３５３,０５５号は、撮像カメラの感度を調節するために、到来する経路における輝度レベルを測定するよう構成した画像撮影システムを開示している。この米国特許発明は、到来するエリアにおける輝度レベル情報を提供し、これにより、主撮像カメラの感度を事前に調節して、カメラのダイナミックレンジ全体を活用するようにする。この米国特許発明では衛星に堅固に固着した、前方を視察するカメラを使用し、このカメラは、主撮像カメラが視察するのとまったく同一のストリップ域を視察する。この米国特許発明による装置は、選択したエリアにおける雲遮蔽を決定するためではなく、到来するエリアにおける輝度レベル情報を連続的に供給し、これにより主撮像カメラの感度閾値を連続的に調節するよう構成したものである。
【００２６】
この段階で述べるべき、雲に関連する他のいくつかの特許及び出願がある。独国特許第１０２００４０２４５９５号には、画像操作技術を利用して異なる時点で撮影した画像をオーバーラップさせ、また操作することによって、雲で覆われた画像から鮮明な画像に修復する発明を開示している。
【００２７】
独国特許出願公開第１０２００５０１０１１５５号は、ターゲットエリア上を反復飛行することによって、ターゲットエリア上の雲遮蔽のプレビューを得るという、ターゲットエリア上の雲情報のプレビュー方法を開示している。ターゲットエリアの真上ではない経路上を衛星が飛行するとき、ターゲットエリアは大きな天底角の側方で見えるようになる。衛星は主撮像装置を使用して、ターゲットに向けて衛星をローリングさせることにより、ターゲットエリアにおける雲遮蔽のプレビューを得るようにしている。衛星はこのようにしてターゲットエリア上の雲遮蔽に対するプレビューを取得する。衛星が地球に対して次の周回を行ってターゲットに接近するとき、適切な意思決定をするために雲遮蔽情報を利用する。この方法は雲遮蔽検出において実行可能な方法ではあるが、衛星がターゲットエリアを通過するとき、プレビュー行為の時点と実際に撮像を行う時点との間に約９０分の時差が存在する。雲遮蔽状況はきわめて流動的であり、かつ急速に変化することが知られており、プレビューで得られた情報が役に立たなくなる可能性がある。
【００２８】
アジーレ型衛星における意思決定プロセスは取り組むのが困難な問題であり、容認できる解決法を開発するには相当多くの学究的努力が費やされるものと考えられている。このような研究の１つにビューメット（Beaumet）氏らがIn Proc.of ICAPS-2008, the Eighteenth International Conference on Automated Planning and Scheduling, 2008に発表した“Decision-Making on-board an Autonomous Agile Earth-Observing Satellite”と題した論文がある。同論文において、著者らは衛星が到来するターゲットエリアに関する雲遮蔽情報を得るための方法を提唱しており、この方法によれば、衛星本体を前方に傾動させ、主撮像機器が到来するターゲットエリアに対して３０°の前方を見ることができるようにし、雲遮蔽情報を事前に得るものである。この技法の利点は、既存の撮像機器を使用して雲遮蔽情報が得られるので、いかなる付加的なハードウェアを設ける必要がないことにある。さらに、同論文の著者らは、意思決定プロセスのため「欲張りサーチアルゴリズム」の使用を提唱している。主撮像カメラを使用することは、ターゲットエリア上を覆う雲の存在を検出する実行可能な方法ではあるが、雲のプレビューを得るために衛星を反復的に傾動させる行為によるエネルギー消費は、問題を引き起こす。さらに、この方法による別の問題点は、このような単純な作業のために衛星を繰り返し操作することであり、このことは最終的には衛星の寿命を危うくする。
【００２９】
本発明は最新の雲プレビューを得るためのコストが妥当なハードウェア、及び優先順位決定のためのファジールールを使用した解決法を提供する。雲存在検出に使用する前方を視察するプレビューカメラは比較的低解像度の撮像カメラであり、主撮像機器に比べて質量及び体積が小さい。複数個の前方視察カメラを使用することにより、ターゲットの雲遮蔽情報を互いに異なる天低角のストリップ域で同時かつ効率的にプレビューすることが容易になる。また、位置を安定化させたジンバル機構のマウントが、各カメラを衛星の運動に影響されず飛行方向に指向させることができる。これにより、画像処理プロセスをより簡単にし、また信頼性をより高くする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】地球観測衛星における走査幅を示す説明図である。
【図２】地球観測衛星における天底角及び天底を示す説明図である。
【図３】非アジーレ型衛星における走査幅を示す説明図である。
【図４】１つより多いターゲットエリアが互いに近接しているときのオペレータが抱えるジレンマを示す説明図である。
【図５】好適な一実施形態におけるプレビューカメラを示す説明図である。
【図６】好適な一実施形態におけるプレビューカメラを示す側面図である。
【図７】プレビューカメラにおけるジンバル支持しまた安定化させる構体を示す説明図である。
【図８Ａ】非アジーレ型衛星における画像取得プロセスを示す説明図である。
【図８Ｂ】アジーレ型衛星における画像取得プロセスを示す説明図である。
【図９】ファジー論理による意思決定プロセスを示すブロック図である。
【発明の実施形態】
【００３１】
以下、本発明の動作を添付図面につき説明する。図１及び図２では、本発明の中枢である天底ポイント、並びに天底角の概念について説明する。符号１４は衛星の進行方向、符号１０は走査幅、符号１６は天底角、さらに符号１５は天底ポイントをそれぞれ示す。図３は、通常の地球観測衛星における画像取得プロセスを示しており、この図における衛星２０は矢印方向２５に進行し、カメラ２１を使用して地球２２におけるストリップ域２３の画像を取得する。
【００３２】
図４は、Ａ、Ｂ及びＣの符号を付した３つのターゲットエリアにおけるオペレータの抱える典型的なジレンマを示す。ターゲットエリアが互いに近接していることにより、衛星は１つ又は２つのエリアしか撮像することができず、３つすべてを撮像する時間がない。上空が澄みきったターゲットエリアを選択することは重要である。
【００３３】
図５は、プレビューカメラの詳細を示す。本発明によるプレビューカメラの好適な一実施形態では、衛星２０の本体に３個のプレビューカメラ３１,３２,３３を設ける。プレビューカメラ３３は、天底角が−１５°〜＋１５°の範囲にわたる、符号３５で示す。また、プレビューカメラ３１は、天底角が＋１５°〜−４０°の範囲にわたる、符号３６で示すストリップ域を視察する。さらに、プレビューカメラ３２は、天底角が＋１５°〜＋４０°の範囲にわたる、符合３７で示すストリップ域を視察する。図６は、図５に示すプレビューカメラを側面図で示す。この図では、衛星における主撮像カメラ４０を符号４４で示す。プレビューカメラ４１,４２,４３は飛行方向前方に３０°傾斜させ、ターゲットエリア５０及び５１に接近する際に雲遮蔽を見通すことができるようにする。各プレビューカメラは、それぞれのストリップ域内にくるターゲットエリアの撮像に関与する。カメラ４１はストリップ域４７を撮像し、またこのストリップ域４７内における各ターゲットエリアの雲遮蔽を決定する。同様に、カメラ４２はストリップ域４６内のターゲットに関与し、またカメラ４３はストリップ域４５内のターゲットに関与する。衛星４０は、矢印方向４９に進行するものとする。
【００３４】
図７Ａ及び図７Ｂは、雲観測用のプレビューカメラの斜視図、及び衛星にこれらプレビューカメラを取り付ける状況を示す。各プレビューカメラ７１はベースプレート７３に取り付け、ベースプレート７３は部分７０で示した機構によって、ジンバル支持し、またジャイロスコープ的に安定化させる。部分７０に組み込んだ安定化機構により、ベースプレート及び各カメラは常に進行方向７２前方に対面し、また軸線７４，７５,７６に沿って自在に回転し、衛星のヨーイング、ローリング及びピッチング挙動の影響を受けないようにすることができる。
【００３５】
アジーレ型と非アジーレ型衛星との違いを、図８Ａ及び図８Ｂにつき説明する。図８Ａは、非アジーレ型観測衛星における典型的な挙動を示す。衛星８２がその経路９０に沿って移動し、画像取得時間窓８９に達すると、ターゲットエリア８４又は８５のいずれかを選択する必要がある。非アジーレ型衛星はそのロール軸線周りにローリングし、一方のターゲットエリアしか撮像できない。図示の状況では、衛星８２はターゲットエリア８４の撮像を行うが、ターゲットエリア８５に関しては、撮像時間窓８９における時間がなく撮像を犠牲にする。図８Ｂは、図８Ａに示すのと同一状況におけるアジーレ型衛星９２の挙動を示す。ピッチング及びヨーイング機能を付与したことにより、衛星は観測窓を拡大することができ、この拡大は、撮像時間窓８９中にターゲット８４に照準を合わせ、ターゲット８４の撮像を完了した直後に、ターゲット８５照準を合わせることによって生ずる。この方法を利用することで、衛星はその飛行中により多くのターゲットエリアの画像取得を行うことが可能になる。図８Ｂでは、上述のアジーレ型衛星による能力を利用し、全てのターゲットエリアを撮像する。
【００３６】
しかし、ターゲットエリア８４〜８８の撮像をいつ開始するかの計画を立てることがきわめて重要であることは言うまでもない。さらに、画像取得に関するリクエストの緊急性、依頼人が容認できる雲遮蔽レベル、依頼人の希望する天底、以前にスキップしたターゲットエリア回数等の要因は、ターゲットエリアの優先順位に影響する重要なパラメータである。図９は、本発明による決定機構を示す。プレビューカメラ６１,６２,６３は、画像情報を画像処理ユニット６４に提供し、これにより到来するターゲットエリアに関する雲遮蔽情報を得ることができる。この雲遮蔽情報は、ファジー論理意思決定機構６７に供給され、この決定機構６７は通常コンピュータ上で動作するソフトウェアとして構成する。ファジー論理意思決定システムは、衛星から、状態インプット情報６５、すなわち現在の天底角、天底ポイント、特定到来ターゲットエリアに利用可能な時間に関する情報を受け取り、また特定のターゲットエリアを撮像するために必要なアジリティ量に関する情報をファジー論理意思決定ユニットに供給する。依頼人の要望（ブロック６６）、例えば容認可能な雲遮蔽レベル、容認可能な天底角などの情報も意思決定システム６７に供給する。ファジー論理意思決定システム６７に供給する他のインプット情報としては、システムが優先すべき基準である一連のファジールール６８がある。好適な一実施形態におけるファジールール６８の一部として以下を挙げることができる。すなわち、
・接近中のターゲットが衛星の「アジリティ的」に対応可能であり、また雲遮蔽の観点からターゲット画像品質がよくなると思われる場合に、画像を取得する。
・接近中のターゲットにおいて、アジリティの観点で重要であり、また雲遮蔽レベルが容認でき、さらにはターゲットの撮像を断念した回数が多い場合に、画像を取得する。
・アジリティ要件、又は雲遮蔽のいずれかが好ましくない場合、画像を取得しない。
【００３７】
ファジー論理システムによる出力６９は、ターゲットの優先順位付けリスト、及び各ターゲットの画像取得をいつ開始するかの画像取得シーケンスを含む。この優先順位リストを適正な動作を実行するために衛星のコントローラに送信する。
【００３８】
ファジールールの生成、ファジーメンバーシップ関数、及び脱ファジー処理も、全てファジー論理システムを構築する要素であり、この分野における当業者にとってはよく知られている。
【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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【図６】
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【図７Ａ−７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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