(57)【要約】【課題】目標点の運動と観測条件から観測器の姿勢角指令値等を求め、目標点の運動と観測条件の両方に適合した観測を行うことが可能になる観測器の制御装置を得る。【解決手段】観測器１が観測する代表的な目標点の位置及び観測時刻に基き前記目標点の位置、速度及び加速度を生成する目標点運動生成部３と、前記目標点の位置及び前記観測器の位置に基き前記目標点の方向を生成する目標点方向生成部４と、前記目標点の速度に基き前記観測器の姿勢に対する観測条件を演算する観測条件演算部５と、前記目標点の速度及び加速度、前記目標点の方向、前記観測条件、並びに前記観測器の位置及び速度に基き前記観測器の姿勢角指令値、姿勢角速度指令値を演算する姿勢指令値演算部６と、前記観測器の姿勢角、姿勢角速度が、前記演算された姿勢角指令値、姿勢角速度指令値と等しくなるように前記観測器に姿勢制御トルクを出力する姿勢制御演算部２とを設けた。【選択図】        図１
2005028899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測器が観測する代表的な目標点の位置及び観測時刻に基づいて前記目標点の地球表面上における位置、速度及び加速度を生成する目標点運動生成部と、
前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の位置及び前記観測器の位置に基づいて前記目標点の方向を生成する目標点方向生成部と、
前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度に基づいて前記観測器の姿勢に対する観測条件を演算する観測条件演算部と、
前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度及び加速度、前記目標点方向生成部により生成された前記目標点の方向、前記観測条件演算部により演算された観測条件、並びに前記観測器の位置及び速度に基づいて前記観測器の姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値を演算する姿勢指令値演算部と
前記観測器の姿勢角及び姿勢角速度が、前記姿勢指令値演算部により演算された姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値と等しくなるように前記観測器に姿勢制御トルクを出力する姿勢制御演算部と
を備えたことを特徴とする観測器の制御装置。
【請求項２】
前記観測条件演算部は、
前記目標点の対地速度ベクトルと地表面において直交するベクトルと、前記観測器の光軸方向、及び前記観測器に設けられた検出器の長手方向の両方に直交する方向とが互に直交するように前記観測条件を演算する
ことを特徴とする請求項１記載の観測器の制御装置。
【請求項３】
前記観測条件演算部は、
前記目標点の対地速度ベクトルと、前記観測器に設けられた検出器の長手方向とが互に直交するように前記観測条件を演算する
ことを特徴とする請求項１記載の観測器の制御装置。
【請求項４】
前記目標点運動生成部は、
前記目標点の位置と、対地速度の目標値を与え、これらにより決まる地球中心を通る平面内において、前記目標点の軌跡を地球中心からの距離と回転角の時間多項式として表し、前記時間多項式の境界条件として、前記目標点の位置、及び対地速度の目標値に対応した距離と回転角、並びにその時間微分の値をその観測時刻において与え、前記時間多項式の係数を求める。
ことを特徴とする請求項１記載の観測器の制御装置。
【請求項５】
前記目標点運動生成部は、
前記目標点が複数与えられたときには、前記距離と回転角の時間多項式に対して、全ての目標点の観測時刻において前記境界条件を与え、それらを満たす時間多項式として前記距離と回転角を求める
ことを特徴とする請求項４記載の観測器の制御装置。
【請求項６】
前記目標点運動生成部は、
前記距離と回転角の時間多項式に対する境界条件に、前記目標点での速度と加速度との比が、前記観測器に設けられた検出器の地表面への投影の目標点進行方向長さとその時間変化率との比に等しくなるような条件を加える
ことを特徴とする請求項４又は５記載の観測器の制御装置。
【請求項７】
前記目標点運動生成部は、
前記距離と回転角の時間多項式に対する境界条件に、前記複数の目標点に対しては、それぞれの観測時刻における速度の比が、前記観測器に設けられた検出器の地表面への投影の目標点進行方向長さの比に一致するような条件、及びそれぞれの観測時刻における加速度の比が、前記目標点進行方向長さの時間変化率の比に一致するような条件を加える
ことを特徴とする請求項５記載の観測器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載されて上空から地表面等を観測する観測器において、予め定めた目標点の観測を行うときに、観測器が時々刻々変化する目標点の方向を向くように観測器の姿勢制御を行う観測器の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の人工衛星の姿勢制御方法では、衛星搭載の画像取得装置の画像幾何歪みを除去するために、衛星の地球座標に対する位置を検出する機能を衛星に搭載し対地進行軸と衛星の機軸方向を一致させるヨー制御の機能を衛星に搭載した（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の画像取り込み方法では、観測目標点の横方向および縦方向対地速度の指令値を、観測器の検出器の地表面投影サイズＰと、検出器のサンプリング周期Ｔｉに応じて次のように与え、それを満たすように観測器の姿勢制御を行う。
横方向対地速度＝±ｍ／（ｍ２＋ｌ２）×Ｖｒｅｆ
縦方向対地速度＝±ｌ／（ｍ２＋ｌ２）×Ｖｒｅｆ
ここで、Ｖｒｅｆ＝Ｐ／Ｔｉであり、ｍ、ｌは整数である（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２９１１９９号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】
特表２０００−５１５９８２号公報（第１頁−第２頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の人工衛星の姿勢制御方法では、人工衛星に搭載された観測器の直下点の速度ベクトルと、観測器で観測する目標点の対地速度ベクトルが、地球の自転の影響によって異なる場合に、常に衛星の機体軸を目標点の対地速度ベクトルと平行になるように制御することで、観測器で観測される領域を対地速度ベクトルと平行な長方形領域にとることができる。しかしながら、このような撮像が可能となるのは、観測器の観測する領域が観測器の直下の場合のみであり、目標点の位置や対地速度を変化させる場合には対応できないという問題点があった。
【０００６】
また、上述したような従来の画像取り込み方法では、希望の観測目標点の対地速度を実現するために、地上においてそれに応じた観測器の姿勢角および角速度設定値を計算し、観測器に伝送する。そして、搭載コンピュータにおいてそれらを実現するためのアクチュエータの指令値が計算される。しかし、目標の観測点の対地速度を実現するための姿勢角の運動は一般には時間に依存したものとなり、観測器へ伝送するコマンドの量が増大してしまうという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、目標点の運動（目標点の位置と対地速度の時間変化）と観測条件から観測器の姿勢角指令値を求めるとともに、それらの時間微分値を用いて観測器の姿勢角速度指令値を求めるようにし、目標点の運動と観測条件の両方に適合した観測を行うことが可能になる観測器の制御装置を得るものである。
【０００８】
また、目標点の運動を単純な運動とすれば、目標点の位置や対地速度は少ないパラメータで表すことができるので、そのパラメータだけを観測器に伝送しておけば、時々刻々目標点の位置や対地速度が変化するような場合にも、観測器を目標点に向けて望ましい観測を行うことが可能になる観測器の制御装置を得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る観測器の制御装置は、観測器が観測する代表的な目標点の位置及び観測時刻に基づいて前記目標点の地球表面上における位置、速度及び加速度を生成する目標点運動生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の位置及び前記観測器の位置に基づいて前記目標点の方向を生成する目標点方向生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度に基づいて前記観測器の姿勢に対する観測条件を演算する観測条件演算部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度及び加速度、前記目標点方向生成部により生成された前記目標点の方向、前記観測条件演算部により演算された観測条件、並びに前記観測器の位置及び速度に基づいて前記観測器の姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値を演算する姿勢指令値演算部と、前記観測器の姿勢角及び姿勢角速度が、前記姿勢指令値演算部により演算された姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値と等しくなるように前記観測器に姿勢制御トルクを出力する姿勢制御演算部とを設けたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１１】
図１において、本制御装置は、姿勢制御演算部２と、目標点運動生成部３と、目標点方向生成部４と、観測条件演算部５と、姿勢指令値演算部６とを備える。これらの姿勢制御演算部２、目標点運動生成部３、目標点方向生成部４、観測条件演算部５、及び姿勢指令値演算部６は、例えば、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載されたコンピュータを動作させるソフトウェアから構成されている。
【００１２】
姿勢制御演算部２は、観測器１の姿勢制御に必要な演算を行う。また、目標点運動生成部３は、観測器１が観測する目標点（観測器１の光軸が地球表面と交わる点）の運動を定める。目標点方向生成部４は、目標点の位置と観測器１の位置に基づいて、観測器１から見た目標点の方向を定める。観測条件演算部５は、目標点の運動（速度）と観測器１が観測する領域との関係から観測器１の姿勢の満たすべき関係を求める。姿勢指令値演算部６は、目標点の方向や観測器１の姿勢の満たすべき観測条件や目標点の速度や加速度から観測器１の姿勢角や姿勢角速度を求める。
【００１３】
つぎに、この実施の形態１に係る観測器の制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
目標点運動生成部３では、代表的な観測目標点の位置と観測時刻から、観測器１の観測目標点の地球表面上における位置、速度、加速度の時間変化を与える。例えば、地球表面上における速度ベクトルの大きさや向きを一定にとって、その時間積分の形で地球表面上における位置の時間変化を与える。
【００１５】
目標点方向生成部４は、目標点運動生成部３の出力である目標点の位置と観測器１の位置から、観測器１の光軸上に目標点がくるように観測器１から目標点をのぞむ角度を求める。
【００１６】
観測器１の姿勢は３自由度あるが、観測器１の光軸を目標点の方向に向けるのに必要な自由度は２自由度なので、さらに観測器１の姿勢に対して拘束条件を定めなければ、観測器１の姿勢は一意には定まらない。このための拘束条件（観測条件）を定めるのが観測条件演算部５であり、もっとも簡単には観測器１の光軸回りの姿勢角度を設定することで観測器１の姿勢が一意的に定まる。
【００１７】
目標点運動生成部３の出力である目標点の速度及び加速度と、目標点方向生成部４の出力である観測器１の光軸の方向と、観測条件演算部５の出力である観測器１の姿勢に対する拘束条件は、いずれも姿勢指令値演算部６へ入力される。この姿勢指令値演算部６では、観測目標点が所定の運動を行うように、これらの入力と、観測器１の位置及び速度とから観測器１の姿勢運動（姿勢角および姿勢角速度）の指令値を求める。
【００１８】
観測器１の姿勢角及び姿勢角速度が、姿勢指令値演算部６の出力である姿勢運動の指令値と等しくなるように、姿勢制御演算部２ではフィードバック制御を行い、観測器１の姿勢制御アクチュエータに姿勢制御トルクを出力する。この制御系の働きによって、観測器１の姿勢角及び姿勢角速度はその指令値とほぼ等しくなり、目標点運動生成部３で設定した観測目標点の運動が実現されることになる。
【００１９】
このように、目標点運動生成部３において観測目標点の地球表面上における運動を与えて、それから目標点方向生成部４、観測条件演算部５、姿勢指令値演算部６によって観測器１の姿勢運動の指令値を求めるようにしたので、目標点運動生成部３には代表的な観測目標点の位置と観測時刻を与えるだけで、目標点の運動と観測条件の両方に適合した、各時刻における観測器１の姿勢運動の指令値が得られるという効果がある。さらに、観測目標点の追加や変更などにも柔軟に対処することが可能となり、観測器１の観測効率の向上につながる。
【００２０】
図２は、この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【００２１】
観測器１には図２に示すような横長の検出器７があり、観測器１の並進運動にともない検出器７が逐次検出を行うことで、結果的に検出器７の幅と観測時間で決まる広い領域の２次元的な観測を行う。従って、検出器７の長手方向の軸と観測器１の進行方向とは、通常ほぼ直交させる。しかし、観測目標点の対地速度ベクトルが与えられているので、観測条件演算部５では、より合理的な観測器１の姿勢に対する条件を導く。
【００２２】
いま、図２に示すように、検出器７の長手方向をｙ軸とし、観測器１の光軸方向をｚ軸とするように、観測器１に固定された座標軸をとる。なお、ｘ軸は、ｘｙｚの３軸が直交右手系をなすように定める。観測目標点の対地速度ベクトルと地表面において直交するベクトルをとり、観測条件演算部５では、このベクトルと観測器１のｘ軸とが直交するように観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する。
【００２３】
このように拘束条件を定めると、検出器７の長手方向の地表面への投影は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと直交することになり、観測時間分だけの広い領域を観測したときに、観測される領域が地表面においてほぼ長方形となる。従って、地図との照合が容易になり、ある領域をくまなく観測するような場合にも長方形領域を観測できるので都合がよい。
【００２４】
すなわち、観測器自身の並進運動を利用して広い領域の観測を行う観測器の姿勢制御を行う制御装置において、観測器１が観測する目標点の運動を生成する目標点運動生成部３と、観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する観測条件演算部５、および目標点の運動から観測器１の姿勢指令値を求める姿勢指令値演算部６とを設けたことが特徴である。このように目標点運動生成部３と姿勢指令値演算部６を設けたことにより、観測器１の姿勢運動は目標点の運動から自動的に生成することができるため、観測器１の制御装置に与える指令情報は少なくてもよく、また観測目標点の変更にも柔軟に対処できる。
【００２５】
また、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと地表面において直交するベクトルと、観測器１の光軸方向と検出器７の長手方向の両方に直交する方向とを、たがいに直交させることが特徴である。このように構成することで、観測器１の検出器７で得られる情報は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと直交するようにでき、観測器１の並進運動を利用して広い領域の情報を得る場合に、地表面における長方形領域の情報が得られるので、地図との照合も容易で観測効率の向上につながる。
【００２６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００２７】
図３は、この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【００２８】
この実施の形態２では、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと検出器７の長手方向とが直交するように観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する。
【００２９】
このように拘束条件を定めると、検出器７の短い方向の辺（これは図３のｘ軸と平行になる）の地表面への投影は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと平行になり、観測時間間隔を密にすると一部の領域において完全にオーバーラップして観測することができるようになる。このようにオーバーラップして観測ができると、積分効果により、観測の信号／雑音比を向上させることができる。
【００３０】
すなわち、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと検出器７の長手方向とを、たがいに直交させることが特徴である。このように構成することで、観測器１の検出器７の短い方の辺の地表面への投影が、観測目標点の対地速度ベクトルと平行になるようにでき、観測器１の並進運動を利用して広い領域の情報を得る場合に、常に同一領域をオーバーラップして観測しながら領域を広げていくことができるので、観測器１の信号／雑音比を向上させることができる。
【００３１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００３２】
図４は、この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【００３３】
目標点運動生成部３において、代表的な観測目標点の位置と、対地速度の目標値を与え、これらにより決まる地球中心を通る平面内において、図４に示すように、目標点の軌跡を地球中心からの距離ｒと回転角ｑの時間多項式として表す。距離ｒと回転角ｑの時間多項式の境界条件として、代表的な観測目標点の位置、および対地速度の目標値に対応した距離ｒと回転角ｑ、およびその時間微分の値をその観測時刻において与え、多項式の係数を求める。
【００３４】
このように目標点運動生成部３を構成することで、代表的な目標点の観測時刻における位置と対地速度ベクトルを与えるだけで、目標点の運動は単純な時間多項式として生成され、少ないコマンド数で望ましい観測を行うことができる。
【００３５】
すなわち、目標点運動生成部３において、観測目標点の対地速度ベクトルの向きと大きさを任意に与え、それによって決まる平面内で、目標点位置を極座標表現し、動径方向の距離ｒと回転角ｑによって表す。このとき、距離ｒと回転角ｑのそれぞれを時間の多項式として与え、代表的な観測目標点の観測時刻において、その位置、および速度が目標の値に一致するという境界条件を満足するよう、多項式の係数を与えることが特徴である。このように構成することで、地表面上における観測目標点の運動は単純な時間多項式により表されるため、目標点運動生成部３に少ない指令情報を与えるだけで、望ましい観測を行うことができる。
【００３６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る観測器の制御装置について説明する。この発明の実施の形態４に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００３７】
代表的な観測目標点が複数与えられたときには、距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対して、全ての代表的な目標点の観測時刻において同様に境界条件を与え、それらを満たす時間多項式として、距離ｒと回転角ｑを求める。
【００３８】
このように構成することで、代表的な観測目標点を滑らかに結ぶような目標点運動が生成でき、目標点の間での観測器１の姿勢変更が少なくなることで、より効率的な観測が行える。
【００３９】
すなわち、複数の代表的な観測目標点が与えられ、それらを連続して観測する場合に、上記距離ｒと回転角ｑに対する時間多項式に、それぞれの観測時刻において、上記境界条件を与えることが特徴である。このように構成することで、複数の目標点を観測する場合にも目標点を滑らかに結ぶような目標点運動を生成でき、目標点の間での観測器１の姿勢変更が少なくて済むため、観測効率が向上する。
【００４０】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００４１】
図５は、この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【００４２】
目標点運動生成部３において、距離ｒと回転角ｑの時間多項式の境界条件として、代表的な観測目標点での速度Ｖと加速度Ａとの比が、検出器７の地表面への投影の目標点進行方向長さ（フットプリント）Ｌとその時間変化率ｄＬとの比に等しくなるよう、すなわちＡ／Ｖ＝ｄＬ／Ｌとなるような条件を加える。
【００４３】
複数の代表的な観測目標点が与えられた場合も同様である。また、必要であれば、検出器７のサンプリング周期をＬ／Ｖに設定する。複数の目標点に対しては、それぞれで異なるサンプリング周期となっても良い。
【００４４】
このように目標点運動を構成することで、図５に示すように、フットプリントの変化に応じて目標点の地表面速度を変化させることができ、観測器１の運動によりフットプリントが時間とともに変化する場合にも常にフットプリントに対して同じ割合でサンプリングし、観測領域の歪を抑えることができる。
【００４５】
また、検出器７のサンプリング周期もフットプリントに応じて上記のように与えることで、フットプリントとサンプリング周期毎の目標点の距離間隔を常に一致させることができる。例えば、観測器１において検出器７を複数列並べ、観測器１の並進運動を利用して同じ領域を複数回観測する場合に、サンプリング周期毎の観測領域が複数列の検出器７で同一となり、積分効果により観測器１の信号／雑音比を向上させることができる。
【００４６】
すなわち、上記実施の形態３あるいは実施の形態４における距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対する境界条件に、代表的な観測目標点での地表面速度と加速度との比が、代表的な目標点観測時の検出器７の地表面への投影の目標点進行方向長さ（フットプリント）とその時間変化率との比に等しくなるような条件を加えることが特徴である。このように構成することで、観測器１の運動によりフットプリントが時間とともに変化する場合にも、常にフットプリントに対して同じ割合でサンプリングすることができ、観測領域の歪を抑えることができる。
【００４７】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る観測器の制御装置について説明する。この発明の実施の形態６に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００４８】
複数の代表的な観測目標点に対しては、それぞれの観測時刻における速度Ｖｉの比が、フットプリントＬｉの比に一致するように、またそれぞれの観測時刻における加速度Ａｉの比が、フットプリントの時間変化率ｄＬｉの比に一致するように、すなわち、ｎ（自然数：代表的な観測目標点の数）個の観測目標点に対し、以下のようになるように、距離ｒと回転角ｑの時間多項式に境界条件を加える。
【００４９】
Ｖ１：Ｖ２：．．．：Ｖｎ＝Ｌ１：Ｌ２：．．．：Ｌｎ
Ａ１：Ａ２：．．．：Ａｎ＝ｄＬ１：ｄＬ２：．．．：ｄＬｎ
【００５０】
また、必要であれば、検出器７のサンプリング周期をＬｉ／Ｖｉ（上式によりｉによらない値となる）に設定する。
【００５１】
このように目標点運動を構成することで、上記実施の形態５と同様の効果をもたらすことができる。
【００５２】
すなわち、上記実施の形態４における距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対する境界条件に、代表的な観測目標点の観測時刻における地表面速度ＶｉとフットプリントＬｉの比が一致し、地表面加速度Ａｉとフットプリントの時間変化率ｄＬｉの比が一致するような条件を加えることが特徴である。このように構成することで、複数の目標点を観測する場合にもフットプリントに対して同じ割合でサンプリングすることができ、観測領域の歪を抑えることができる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明に係る観測器の制御装置は、以上説明したとおり、目標点運動生成部３と姿勢指令値演算部６を設けたことにより、観測器１の姿勢運動が目標点の運動から自動的に生成することができるため、観測器１の制御装置に与える指令情報は少なくてもよく、また観測目標点の変更にも柔軟に対処できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１  観測器、２  姿勢制御演算部、３  目標点運動生成部、４  目標点方向生成部、５  観測条件演算部、６  姿勢指令値演算部、７  検出器。
【図１】
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【図２】
2005028899.tif 000004
【図３】
2005028899.tif 000005
【図４】
2005028899.tif 000006
【図５】
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