(57)【要約】【課題】  リアルタイム、かつ、高精度の姿勢角情報が出力できるようにする。【解決手段】  姿勢角センサで特定の対象を観測して得た信号から、各姿勢角センサの地上での取付アライメントに対する軌道上での取付アライメントの検出変位量を算出し、全ての姿勢角センサの当該検出変位量に基づき最小平均変位量を算出する変位量算出部と、最小平均変位量を用いて軌道取付アライメントを算出するアライメント算出部と、を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の姿勢角センサを備える人工衛星に搭載されて、前記姿勢角センサからの信号に基づき、軌道上での前記姿勢角センサの軌道取付アライメントを算出して姿勢を決定する姿勢決定装置であって、
前記姿勢角センサで特定の対象を観測して得た信号から、各姿勢角センサの地上での取付アライメントに対する軌道上での取付アライメントの検出変位量を算出し、全ての前記姿勢角センサの当該検出変位量に基づき最小平均変位量を算出する変位量算出部と、
前記最小平均変位量を用いて前記軌道取付アライメントを算出するアライメント算出部と、
を備えることを特徴とする姿勢決定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の姿勢決定装置であって、
前記変位量算出部は、前記地上取付アライメントに対する前記軌道取付アライメントの実際の変位量を実変位量、前記姿勢角センサに対する構造要因を重み係数とした際に、前記実変位量は、前記検出変位量に重み係数を乗算した値に等しいとして最小平均変位量を算出することを特徴とすることを特徴とする姿勢決定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の姿勢決定装置であって、
前記変位量算出部は、前記軌道相対アライメントに対応して前記検出変位量の２乗に前記重み係数を乗算した値の和が最小になる値を前記最小平均変位量として算出することを特徴とする姿勢決定装置。
【請求項４】
複数の姿勢角センサを備える人工衛星に搭載されて、前記姿勢角センサからの信号に基づき、軌道上での前記姿勢角センサの軌道取付アライメントを算出して姿勢を決定する姿勢決定方法であって、
前記姿勢角センサで特定の対象を観測して得た信号から、各姿勢角センサの地上での取付アライメントに対する軌道上での取付アライメントの検出変位量を算出し、全ての前記姿勢角センサの当該検出変位量に基づき最小平均変位量を算出する変位量算出手順と、
前記最小平均変位量を用いて前記軌道取付アライメントを算出するアライメント算出手順と、
を含むことを特徴とする姿勢決定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の姿勢決定方法であって、
前記変位量算出手順は、前記地上取付アライメントに対する前記軌道取付アライメントの実際の変位量を実変位量、前記姿勢角センサに対する構造要因を重み係数とした際に、前記実変位量は、前記検出変位量に重み係数を乗算した値に等しいとして最小平均変位量を算出することを特徴とすることを特徴とする姿勢決定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の姿勢決定方法であって、
前記変位量算出手順は、前記軌道相対アライメントに対応して前記検出変位量の２乗に前記重み係数を乗算した値の和が最小になる値を前記最小平均変位量として算出することを特徴とする姿勢決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星の姿勢情報を決定する姿勢決定装置及び姿勢決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星では、姿勢制御のために姿勢角センサが搭載されている。しかし、軌道上では熱歪や膨潤により姿勢角センサの取付アライメントが変動して、姿勢決定精度を劣化させる問題があった。従って、姿勢決定精度を高精度に保つために、熱歪や膨潤による変動を検出する必要がある。
【０００３】
そこで、特開平９−３２５０２０号公報においては、図４に示すようなアライメント変位検出装置が提案されている。このアライメント変位検出装置は、高精度観測センサ１０３、恒星センサ１０４、人工衛星構体１０１上に設置されたレーザダイオード１０５、レーザ光を、プリズム１０７を介して検出する衛星構体歪量検出器１０６等を備える。なお、レーザダイオード１０５は、高精度観測センサ１０３と恒星センサ１０４との近傍位置の人工衛星構体１０１上に設置されている。そして、検出した情報は姿勢制御用のコンピュータ１０８へ送られる。
【０００４】
姿勢制御用のコンピュータ１０８は、検出された情報を元に、人工衛星の姿勢のズレを補正すると同時に、高精度観測センサ１０３へ現在の姿勢データと人工衛星構体１０１の歪量データを送る。高精度観測センサ１０３側では、撮像画像データに、これらのデータを多重化し、地上局１０２へダウンリンクする。
【０００５】
地上局１０２では、これらのデータから画像データを補正することにより、画像データの精度を向上させることができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３２５０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特開平９−３２５０２０号公報に係るアライメント変位検出装置では、検出結果を地上局１０２へダウンリンクする必要があり、姿勢制御に対するリアルタイム性やレスポンス性に欠ける問題があった。
【０００８】
また、少なくともレーザダイオード１０５，１０５等の歪量検出部品の取付位置等が異なるにもかかわらず、同等に扱われているため、姿勢角情報を高精度に検出することが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明の主目的は、リアルタイム性等が良く、かつ、高精度の姿勢角情報が検出できるようにした姿勢決定装置及び姿勢決定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、複数の姿勢角センサを備える人工衛星に搭載されて、姿勢角センサからの信号に基づき、軌道上での姿勢角センサの軌道取付アライメントを算出して姿勢を決定する姿勢決定装置は、姿勢角センサで特定の対象を観測して得た信号から、各姿勢角センサの地上での取付アライメントに対する軌道上での取付アライメントの検出変位量を算出し、全ての姿勢角センサの当該検出変位量に基づき最小平均変位量を算出する変位量算出部と、最小平均変位量を用いて軌道取付アライメントを算出するアライメント算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、複数の姿勢角センサを備える人工衛星に搭載されて、姿勢角センサからの信号に基づき、軌道上での姿勢角センサの軌道取付アライメントを算出して姿勢を決定する姿勢決定方法は、姿勢角センサで特定の対象を観測して得た信号から、各姿勢角センサの地上での取付アライメントに対する軌道上での取付アライメントの検出変位量を算出し、全ての姿勢角センサの当該検出変位量に基づき最小平均変位量を算出する変位量算出手順と、最小平均変位量を用いて軌道取付アライメントを算出するアライメント算出手順と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、任意の時間に又はリアルタイムに取付アライメント算出処理が実行することができるので常に高精度な姿勢制御を行うことが可能になる。また、各姿勢角センサに対する構造要因を考慮して最小平均変位量を算出するので、構造要因による影響を抑制した姿勢角制御に必要な情報を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態にかかる姿勢決定装置のブロック図である。
【図２】取付アライメント算出処理の説明に用いるモデルである。
【図３】取付アライメント算出手順を示すフローチャートである。
【図４】関連技術の説明に適用される変位検出装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる姿勢決定装置２のブロック図である。この姿勢決定装置２は、計測部１２、慣性基準部１３、変位量算出部１４、アライメント算出部１５、姿勢角情報決定処理部１６を主要構成とする。そして、この姿勢決定装置２は、人工衛星等に搭載されて、当該人工衛星に搭載されている姿勢角センサの取付アライメントを推定し、その推定値に基づく姿勢情報を出力する。
【００１５】
計測部１２は、３個以上の姿勢角センサＳ（Ｓ１〜Ｓ３）を含んでいる。人工衛星には、その姿勢を高精度に検出するために、光学角度センサの一種である恒星センサが搭載されている。本実施形態では、この恒星センサを姿勢角センサとして用いる場合を例に説明する。無論、当該恒星センサに限定するものではなく、太陽センサ、地球センサ等が利用できることを付言する。
【００１６】
慣性基準部１３は、姿勢角センサＳの取付アライメントの変動を検出する際の基準座標（例えば、Ｊ２０００）の原点をなす。
【００１７】
変位量算出部１４は、姿勢角センサＳが検出出力した信号から、当該姿勢角センサＳの地上での位置に対する軌道上での位置の変位量を検出変位量εとして算出する（変位量算出処理）。なお、姿勢角センサＳからはクオータニオンのデータが出力される。
【００１８】
アライメント算出部１５は、変位量算出部１４で算出された検出変位量εを用いて、取付アライメント算出処理により軌道上での姿勢角センサＳの軌道取付アライメントＢを算出する。
【００１９】
姿勢角情報決定処理部１６は、算出された軌道上での軌道取付アライメントＢを用いて、人工衛星の姿勢を決定し、これを姿勢角情報として出力する。人工衛星の姿勢制御装置は、この姿勢角情報に基づき高精度に姿勢制御を行うことになる。
【００２０】
次に、図２及び図３を参照して、取付アライメントの算出処理を説明する。図２は、この取付アライメント算出処理の説明に用いるモデルである。また、図３は処理手順を示すフローチャートである。
【００２１】
図２に示すモデルでは、人工衛星が地上に位置しているときの姿勢角センサＳを実線丸印で示し、打ち上げ後に軌道に位置しているときの姿勢角センサＳを点線丸印で示している。人工衛星が地上に位置しているときとは、熱歪や膨潤により姿勢角センサの取付アライメントが、変動していない状態を言い、軌道に位置しているときとは、熱歪や膨潤の影響を受けて姿勢角センサの取付アライメントが変動している状態を言う。
【００２２】
そして、地上に位置しているときの慣性基準部１３からの姿勢角センサＳの位置は地上取付アライメントＡ（Ａ１〜Ａ３）であり、軌道上での慣性基準部１３からの姿勢角センサＳの位置は軌道取付アライメントＢ（Ｂ１〜Ｂ３）である。また、軌道上での各姿勢角センサＳの間の各アライメントを軌道相対アライメントＲ（Ｒ２１，Ｒ３２，Ｒ３１）とする。
【００２３】
この状態で、軌道上では熱歪や膨潤の影響を受けて姿勢角センサの取付アライメントが変動して、地上取付アライメントＡと軌道取付アライメントＢとの間に変位が生じたとする。このときの変位量を後述する手順に従い、変位量算出処理により算出された検出変位量ε（ε１、ε２、ε３）とする。
【００２４】
この様な条件では、地上取付アライメントＡ、軌道取付アライメントＢ、軌道相対アライメントＲ、検出変位量εはベクトルとなる。姿勢角センサＳ１→姿勢角センサＳ２→姿勢角センサＳ３と循環すると元の姿勢角センサＳ１に戻るため、各ベクトルを行列表示したときには、各軌道相対アライメントＲ（Ｒ２１，Ｒ３２，Ｒ３１）の間には式１の拘束条件が成り立つ。但し、Ｉは単位行列である。
【００２５】
Ｒ２１＊Ｒ３２＊Ｒ１３＝Ｉ      …  （１）
軌道相対アライメントＲは、軌道取付アライメントＢ及びその逆行列Ｂ−１  を用いて、式２〜式４で与えられる。
【００２６】
Ｒ２１＝Ｂ２・Ｂ１−１        …  （２）
Ｒ３２＝Ｂ３・Ｂ２−１        …  （３）
Ｒ１３＝Ｂ１・Ｂ３−１        …  （４）
一方、軌道取付アライメントＢは、検出変位量εを用いて式５〜式７で与えられる。
【００２７】
Ｂ１＝Ａ１・ε１      …  （５）
Ｂ２＝Ａ２・ε２      …  （６）
Ｂ３＝Ａ３・ε３      …  （７）
軌道取付アライメントＢは、これを計測する手段が人工衛星には搭載されていないので直接計測できない。しかし、検出変位量εは２つの姿勢角センサＳで、同一の対象（恒星等）を観測したときのデータの差分から算出することができる（ステップＳｔ１）。
【００２８】
軌道取付アライメントＢは、熱歪の大きさの比や軌道上で使用する姿勢角センサＳの組み合わせの頻度、姿勢決定精度を良くしたい姿勢角センサＳの組み合わせ方等の使用環境、構造、利用形態に起因した成分（以下、構造要因と記載する）を含んでいる。従って、検出変位量εにはこの構造要因が含まれる。
【００２９】
即ち、１つの検出変位量εの例としてε１を考えると、この検出変位量ε１は式５から軌道取付アライメントＢ１と関係する。そして、軌道取付アライメントＢ１は式２の軌道相対アライメントＲ２１、及び、式４の軌道相対アライメントＲ１３と関係する。
【００３０】
従って、１つの物理量ε１は、３つの姿勢角センサＳ１、Ｓ２，Ｓ３からの観測結果から求まる。しかし、姿勢角センサＳ１、Ｓ２，Ｓ３は、同じように変位している保証はない。例えば、取付位置の違いにより姿勢角センサＳ１、Ｓ２，Ｓ３の変位量は、これらの取付位置により熱膨張量が違うことが起きえる。このため本来同じであるはずの式２を介して算出された検出変位量と、式４を介して算出された検出変位量とに違いが生じる。この違いの発生原因が、上述した構造要因による。
【００３１】
そこで、このような構造要因による影響を受けた変位量を実変位量η（η１〜η３）と記載し、影響の度合いを重み係数μ（μ１〜μ３）で表す。即ち、実変位量ηと検出変位量との間には式８が成り立つとする。
【００３２】
η１＝μ１０．５＊ε１
η２＝μ２０．５＊ε２
η３＝μ３０．５＊ε３      …（８）
この重み係数μは、構造要因に基づき計測や解析等により予め取得して決定して、予めアライメント算出部１５に記憶している。このとき、例えば３つの姿勢角センサＳに対しての組み合わせは３通り（軌道相対アライメントＲ２１，Ｒ３２，Ｒ１３に対応）ある。そこで、一番精度を良くしたい組み合わせ程、重みμを大きくする。
【００３３】
本実施形態では、式９で示すように検出変位量εの２乗和を用いた値Ｊを定義し、検出変位量εが式１を満たしながら値Ｊを最少になるときの変位量εを求める（変位量算出処理：ステップＳｔ２）。以下、この様にして求めた変位量を最小平均変位量εと記載する。
【００３４】
Ｊ＝η１２＋η２２＋η３２
＝μ１＊ε１２  ＋μ２＊ε２２  ＋μ３＊ε３２        …  （９）
このようにして求めた最小平均変位量εを用いて、式５〜式７から、姿勢角センサＳの軌道取付アライメントＢを求める（取付アライメント算出処理：ステップＳｔ３）。なお、値Ｊを最小にする最小平均変位量とは、全ての姿勢角センサに対する平均的な変位量に相当する。
【００３５】
そして、アライメント算出部１５は、この様にして求めた最小平均変位量を用いて軌道取付アライメントＢを算出し、この軌道取付アライメントＢを用いて姿勢角情報決定処理部１６が姿勢決定に必要な情報を作成する。
【００３６】
以上説明した取付アライメント算出処理は、任意の時間に又はリアルタイムに実行することができるため、常に高精度な姿勢制御を行うことが可能になる。また、各姿勢角センサに対する構造要因を考慮して最小平均変位量を算出するので、構造要因による影響を抑制した姿勢角制御に必要な情報を得ることが可能になる。即ち、姿勢角制御が高精度に行えるようになる。
【符号の説明】
【００３７】
２    姿勢決定装置
１２    計測部
１３    慣性基準部
１４    変位量算出部
１５    アライメント算出部
１６    姿勢角情報決定処理部
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ３）  姿勢角センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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