(57)【要約】【課題】改善された精度を有しており、またこのシステムの個々のスターセンサまたはコンポーネントの故障による障害が補償されるかまたは低減される、姿勢決定のためのセンサシステムを提供すること。【解決手段】センサシステムを有する飛行物体の姿勢を求める方法であって、このセンサシステムは複数のスターセンサを有しており、これらのスターセンサは、１つずつの光学系および感光性マトリクス検出器を用いて星座区画を検出し、かつ、同じまたは相異なる視野と、相異なる視線と、１つの評価装置とを有しており、これにより、検出した星座区画と、星表との比較に基づいて前記飛行物体の姿勢情報を計算する、方法において、スターセンサは、バスシステムを介して互いに信号接続されており、測定精度を改善するためにこのバスシステムを介してデータを交換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサシステム（１）を有する飛行物体の姿勢を求める方法であって、
当該センサシステム（１）は、複数のスターセンサ（２，３，４，６）を有しており、
該スターセンサ（２，３，４，６）は、１つずつの光学系および感光性マトリクス検出器を用いて星座区画を検出し、かつ、同じまたは相異なる視野と、相異なる視線と、１つの評価装置（５）とを有しており、これにより、検出した星座区画と、星表との比較に基づいて前記飛行物体の姿勢情報を計算する、方法において、
前記各スターセンサ（２，３，４，６）は、バスシステム（８）を介して互いに信号接続されており、測定精度を改善するために該バスシステム（８）を介してデータを交換する、
ことを特徴する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記バスシステム（８）を介して、相異なるデータ処理レベルのデータを交換する、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
第１データ処理レベルは、測定したスターベクトルを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の方法において、
第２データ処理レベルは、スターベクトルから星表に基づいて処理したデータを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２から４までのいずれか１項に記載の方法において、
第３データ処理レベルは、スターセンサのオイラー角および／または４元数の形態の姿勢情報を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項２から５までのいずれか１項に記載の方法において、
前記バスシステム（８）を介して、少なくとも１つのデータ処理レベルの少なくとも１つのスターセンサ（２，３，４，６）の前記データを、誤動作する別のスターセンサ（２，３，４，６）に伝送する、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項２から６までのいずれか１項に記載の方法において、
少なくとも１つのスターセンサ（２，３，４，６）の少なくとも１つのデータ処理レベルの前記データを前記評価ユニット（５）またはマスタセンサとして使用されるスターセンサ（２，３，４，６）に伝送する、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項２から７までのいずれか１項に記載の方法において、
前記データ処理レベルのうちの少なくとも１つのデータ処理レベルの複数のデータの平均値形成に基づいて前記飛行物体の姿勢を求める、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項２から８までのいずれか１項に記載の方法において、
前記の別のスターセンサ（２，３，４，６）の平均値を基準にした、少なくとも１つのデータ処理レベルにおけるあらかじめ設定した偏差に基づいて、スターセンサ（２，３，４，６）の機能不良を求める、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項２から９までのいずれか１項に記載の方法において、
少なくとも１つのスターセンサ（２，３，４，６）の少なくとも１つのデータ処理レベルの前記データを用いて、スターセンサ（２，３，４，６）のアライメント誤りを補正する、および／または、誤りを補正する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項２から１０までのいずれか１項に記載の方法において、
前記別のスターセンサ（２，３，４，６）と比べて殊にしっかりと前記飛行物体のプラットホームに接続されたスターセンサ（２，３，４，６）をマスタセンサとして決定し、
前記飛行物体の姿勢を求めるかまたは補正するため、および／またはスターセンサ（２，３，４，６）を補正するために、少なくとも１つのデータ処理レベルの当該マスタセンサのデータを、重み付けを重くして組み入れる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
飛行物体を姿勢制御するためのセンサシステム（１）であって、
該センサシステムは、複数のスターセンサ（２，３，４，６）を有しており、
該スターセンサ（２，３，４，６）は、１つずつの光学系および感光性マトリクス検出器を用いて星座区画を検出し、かつ、同じまたは相異なる視野と、相異なる視線と、１つの評価装置（５）とを有しており、これにより、検出した前記星座区画と、星表との比較に基づいて前記飛行物体の姿勢情報を計算して請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法を実行する、
ことを特徴とするセンサシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサシステムを有する飛行物体の姿勢を求める方法に関しており、このセンサシステムは、複数のスターセンサを有しており、これらのスターセンサは、１つずつの光学系および感光性マトリクス検出器によって星座区画を検出し、かつ、同じまたは相異なる視野と、相異なる視線と、１つの評価装置とを有しており、これにより、検出した星座区画と、星表との比較に基づいて上記の飛行物体の姿勢情報を計算する。
【背景技術】
【０００２】
このような姿勢の決定は、計画されたミッションを実現するのに極めて重要であるため、上記のシステムの信頼性を高めることには極めて大きな意味がある。上記のスターセンサは、光学系と、感光性マトリクス検出器と、評価装置とから構成され、これにより、検出した星座区画と、慣性座標系をベースにした星表との比較によって飛行物体の姿勢情報が計算される。１つのシステムにおいて複数のスターセンサを使用することにより、上記の姿勢の測定精度および信頼性を高めることができる。
【０００３】
例えば衛星、宇宙ステーション、スペースシャトルなどの上記のような飛行物体の姿勢決定は、１つまたは複数のスターセンサのデータを評価する方法によって行われ、これらのスターセンサは、あらかじめ定められた視野により、以下では星座区画とも称される星空の１つの区画に配向されており、また画像認識を用いて、マトリクス検出器において検出した星座区画と、記憶装置にあらかじめ保存されている星表とを比較する。上記の星座区画を対応付けた後、上記の飛行物体の姿勢を求める。ここでこれは、例えば、QUESTアルゴリズムにしたがって、測定したスターベクトルおよび星表のデータからオイラー角および／または４元数を求め、上記のセンサシステムの座標系から飛行物体の座標系に変換することによって行われる。上記のセンサシステムにおいて評価される星が多ければ多いほど、このセンサシステムの測定精度は高くなる。個々のセンサを種々異なる視線に配向することにより、３つの空間角（オイラー角）の誤差をほぼ同じ大きさかつ最小にすることができる。
【０００４】
EP 1 111 402 A1からは、種々異なる方向に配向された視野を有する３つのスターセンサが配置されたセンサシステムが公知であり、各スターセンサは、複数の星のポジションを検出してこれらを中央の評価装置に出力し、この評価装置において上記のセンサシステムの姿勢が求められ、飛行物体に対するこのセンサシステムの配向からこの飛行物体の姿勢が求められる。ここではスターカメラが、固定のブロックにおける付加的な誤差を回避するために設けられている。このシステムの信頼性の検査は行われない。
【０００５】
飛行物体の姿勢は、あらかじめ定められたミッションを実現するために重要であるため、上記のセンサシステムの高い信頼性が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】EP 1 111 402 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、改善された精度を有しており、かつ、このシステムの個々のスターセンサまたはコンポーネントの故障による障害が補償されるかまたは低減される、姿勢決定のためのセンサシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、つぎのようにセンサシステムを有する飛行物体の姿勢を求める方法によって解決され、ここでこのセンサシステムは、複数のスターセンサを有しており、これらのスターセンサは、１つずつの光学系および感光性マトリクス検出器によって星座区画を検出し、かつ、同じまたは相異なる視野と、相異なる視線と、１つの評価装置とを有しており、これにより、検出した星座区画と、星表との比較に基づいて上記の飛行物体の姿勢情報を計算する。ここで上記のスターセンサは、バスシステムを介して互いに信号接続されており、これにより、複数のコンポーネントが故障した場合であっても高い測定精度を確保するためにデータが伝送される。個別の各スターセンサは有利には、自律的に姿勢決定を行うことできる。上記のバスシステムでは、種々異なる処理段階の種々異なるデータ処理レベルのデータなどの信号が交換され、これによって個々のスターセンサのコンポーネントの故障の影響を、スターセンサの機能に相応して抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】複数のスターセンサを信号接続するバスを有するセンサシステムの概略図である。
【図２】スターセンサおよびそのユニットの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで上記の方法を実行するために有利であることが判明したのは、１つのスターセンサをマスタセンサとして決定することである。マスタセンサとして有利には、飛行物体のプラットホームに殊に安定して固定されているスターセンサを選択する。
【００１１】
個々のスターセンサの座標系は、上記のマトリクス検出器のｘ−ｙ平面および視野のｚ軸から得られる。マスタ座標系は、上記のセンサシステムの座標系である。この際にこのマスタ座標系は、必ずしも上記のマスタセンサの座標系と同じである必要はない。座標変換により、上記のセンサシステムの個々のスターセンサの姿勢データを上記のマスタ座標系に変換することができる。また例えば方向余弦行列の形態の姿勢マトリクスを用いて、上記の飛行物体の座標系への上記のマスタ座標系の変換を行うことができるため、上記の飛行物体は、オイラー角および／または４元数の形態で持続的に補正されかつ実際の姿勢を得るのである。
【００１２】
個々のスターセンサは有利には対物レンズと、マトリクス検出器と、スターベクトルを計算しまた不所望の信号を除去するユニットと、星を識別するための星表を有するユニットと、有利にはQUESTアルゴリズムにしたがって姿勢情報を計算するためのユニットと、上記のバスシステムに対する情報を選択し、符号化して上記のバスシステムを制御する、バスインタフェースを有するバス制御ユニットと、ベースとなる慣性系にしたがって上記のマスタ座標系または飛行物体の姿勢情報を出力する出力ユニットと、スーパバイザユニットとを有する。このスーパバイザユニットは、センサのすべてのコンポーネントの動作を監視し、品質信号を導出し、上記のバス制御ユニットと協調動作し、例えば、個々のスターセンサなどのユニットの機能および機能不良などの品質を決定する量に依存して、上記のスターセンサ間で情報交換が確実に行われるようにする。さらに各スターセンサは、クロック発生器および電力供給ユニットを有する。有利には上記のセンサシステムのスターセンサは、それらのユニットと並列に動作する。すなわち高い冗長性で動作するのである。上記のセンサシステムの精度を高めるため、上記のバスシステムを介して上記の複数のセンサの姿勢情報を１つの機能ユニットに、例えばマスタユニットにまとめる。さらに個々のスターセンサの姿勢情報を互いに比較して、生じ得る個々のスターセンサのアライメント誤りを確認することができる。１つのユニットが故障している場合、つぎのスターセンサが、故障したこのユニットの機能も引き継ぐ。このためには上記のバスシステムを介して意図的に情報交換する必要がある。合理的かつコスト的に有利な製造の点からは、上記のセンサシステムのスターセンサを同じに構成して個々に使用できるようにもする。上記のセンサシステムが同種の複数のスターセンサから構成される場合、十分に冗長な複数のユニットが得られ、これにより、これらのスターセンサ間で相応に制御して情報交換する場合には高い信頼性が確保されるのである。
【００１３】
上記のバスシステムは、センサシステムのスターセンサ間で有利には３つのデータ処理レベルで信号またはデータを交換することができる。このセンサシステムは冗長に実施するかまたは冗長性なしに実施することができる。このことが意味するのは、スターセンサが種々異なる視野および／または同じ視野を検出できることである。
【００１４】
第１データ処理レベルは、例えば、測定したスターベクトルに関しており、これらは、センサ座標系における単位ベクトルであり、これらはマトリクス検出器によって検出される。これらのデータは、外部光源を除去することによって簡単に前処理することができる。これらのデータは、アナログ−デジタル変換部を通過し、サブピクセル補間がすでに行われている。このレベルにおいて伝送すべきデータの範囲は、各センサにおいて観察される星の個数に依存する。
【００１５】
上記のスターセンサ間のデータ交換に有利な第２データ処理レベルでは、処理されたデータが伝送される。これらのデータを形成するためには星座識別が必要である。ここでは、QUESTアルゴリズムを実行するのに使用する式を計算する。この形態のデータ伝送の利点は、第１データ処理レベルのデータに匹敵し得る精度を達成しながら、上記の信号接続を介する伝送コストが低減されることである。
【００１６】
スターセンサにおける姿勢計算は有利には、いわゆるQUESTアルゴリズムにしたがって行われるため、第２データ処理レベルにおけるデータ前処理は、例えば、つぎのように実行することができる。すなわち、
センサシステムの姿勢を表す４元数ベクトルｑの１つの成分は、４×４行列Ｋの固有値、すなわち
【数１】
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と３×３単位行列Ｉとから得られる。
【００１７】
３×３行列ＢおよびベクトルＺには、測定した上記のスターベクトルｖiと、星表からの対応する基準ベクトルｗiとが含まれている。式（２）および（５）においてスターベクトルを加法的に結合することに起因して、第２データ処理レベルのインタフェース量としての行列ＢおよびベクトルＺは、前処理されたスターベクトルとして使用することでき、また上記のバスシステムを介して伝送することができる。すなわち、
Ｂ＝ΣＢk        （６）
Ｚ＝ΣＺk        （７）
である。
【００１８】
ＢkおよびＺkは、ｋ番目のスターセンサのデータである。これにより、変数の個数を少なくしひいては伝送コストを少なくして、第１データ処理レベルと変わらないスターベクトル結合の精度が得られるのである。
【００１９】
第３データ処理レベルでは個別の各スターセンサによってオイラー角および／または４元数の形態で姿勢情報が供給されて上記のマスタ座標システムに変換される。これらのデータも上記のバスシステムを介して伝送可能である。個々のスターセンサの計算したオイラー角および／または４元数はふつう互いにわずかしか偏差しない。この場合、マスタ座標系を基準にした結果的に得られる飛行物体の姿勢は、対応する複数のオイラー角または４元数ベクトルの複数の成分の平均値形成によって計算することができる。この計算手法とは択一的にまたはこれに付加的には、上記の第１および／または第２データ処理レベルに基づいて飛行物体の姿勢の計算を行うことができる。例えば、別の複数のスターセンサの平均値形成によって形成されたスターセンサの姿勢データと、あらかじめ定めた量との偏差は、該当するスターセンサの機能の誤りまたはアラインメント誤りを示している。通信し合うスターセンサの姿勢データは、アライメント誤りの補正に使用することができる。ここでは飛行物体のプラットホームに殊に安定して接続されるマスタセンサの姿勢データは基準として使用することが可能である。１つのセンサの姿勢データの偏差は、姿勢行列の計算に使用される。この姿勢行列により、別の処理の前に、上記のアライメント誤りのあるスターセンサのスターベクトルを変換し、これにより、場合によっては発生しているスターセンサのアライメント誤りを補償して、結果的に得られる精度を高めるのである。場合によって発生している偏差を相互に補正するためにこのデータ処理レベルを使用することの利点は、データ伝送が殊に簡単であり、また場合によって発生している偏差を簡単に補償できることであり、ここでこれらの偏差は、例えば、上記のマスタ座標系、飛行物体の座標系または星表の慣性系における上記のスターセンサの求めた姿勢の偏差である。
【００２０】
さらに上記のデータの種々異なる処理段階を有する種々異なるレベルにおいて複数のスターセンサが共同作業することにより、１つまたは複数のスターセンサのコンポーネントの故障を補償することができる。このことは殊に重要である。それは、上記のスターセンサは、飛行物体の外皮に配置されており、そこで殊に厳しい環境条件に曝されるからである。例えばスターセンサのスーパバイザユニットにより、星座識別のユニットの故障が確認される場合、上記のスターベクトルを別のスターセンサに、有利にはマスタセンサに伝送することができる。この場合にここでは上記のスター画像識別および上記の別のデータ処理を実行することができる。
【００２１】
上で説明した３つのデータ処理レベルにより、スターセンサを確実に動作させながら高いフレキシビリティを得ることができる。以下の表１には、（引き続いて説明しない）典型的な故障に起因する、センサシステムの特性についての概略が示されており、ここでは、太字で印刷した表の行に示された状態は、ここで提案した方法により、高い精度で解決することができる。
【００２２】
表１
【表１】
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【００２３】
上記の障害のない動作は有利には上記のマスタセンサによって実現され、このマスタセンサは、有利には上記の中間のデータ処理レベルを介して別のスターセンサの姿勢情報を得る。これらの別のスターセンサは高い冗長性で動作し、同様に姿勢情報を供給するが精度は低い。マスタセンサの姿勢と、上記の計算した姿勢との間の実質的な偏差を使用し、方向余弦行列を適当に定めることにより、上記の配向誤りのあるスターセンサのスターベクトルを補正することができる。
【００２４】
飛行物体には、上記の方法を実行するために最適化された複数のスターセンサが含まれており、これらのスターセンサは、殊に精度が高く、散乱光の影響を受けにくく、機械的な安定性が高く、耐放射線性が高く、重量が少なく、十分な計算性能を有し、十分な大きさの星表で設計されている。
【００２５】
有利には約２０°×２０°の視野ないしは２０°の円形の視野を有するスターセンサを使用する。
【００２６】
上で提案した方法を実行するセンサシステムの互いにネットワーク接続された複数のスターセンサは、殊に１つまたは複数のスターセンサまたはバスシステムが故障した場合に従来通りに使用することができる。
【００２７】
本発明には、提案した上記の方法の他に、この明細書に記載したように上記の提案した方法を実行する互いにネットワーク接続された複数のスターセンサを有するセンサシステムが含まれている。
【００２８】
図１および２に示した実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。ここで
図１は、複数のスターセンサを信号接続するバスを有するセンサシステムの概略図を示しており、
図２は、スターセンサおよびそのユニットの概略図を示している。
【実施例】
【００２９】
図１には、バスシステム８によって信号接続されているスターセンサ２，３，４を有しかつ図示しない飛行物体に実装されるセンサシステム１が示されている。ここでスターセンサ２，３，４は、簡略化された図には示されていないが、有利にはそれらの光学軸により、相異なる３つの空間方向に配向されている。バスシステム８によって設定される信号接続を介し、例えば相異なる３つのデータ処理レベルのデータが、バス制御ユニットの指示にしたがって個々のセンサ２，３，４に双方向に伝送される。択一的には種々異なる信号接続を有する別のインタフェースをスターセンサ２，３，４に設けることができる。障害のない動作時には、スターセンタ３および４の第２データ処理レベルのあらかじめ処理された信号が、マスタセンサとして設けられたスターセンサ２に伝送される。この場合にこのマスタセンサでは、オイラー角および／または４元数の形でマスタ座標系の姿勢および飛行物体の姿勢を求めるため、有利にはQUESTアルゴリズムおよび必要な変換によって別のデータ処理が行われる。障害のない動作時にはこれに並行して、マスタセンサでないスターセンサ３，４は、自分で測定したスターベクトルによって自律的にスターセンタ３，４の姿勢を求め、これを上記のマスタ座標系に変換する。すべてのスターセンサ２，３，４の機能に問題がない場合、マスタ座標系を基準にして実質的に同じ姿勢データが得られる。センサ２の形態のマスタセンサが故障した場合、センサシステム１のスターセンサ３，４のうちの１つがマスタセンサの機能を引き継ぐ。マスタセンサでないスターセンサ３，４の複数のユニットが故障した場合、上記のスーパバイザユニットは、どのデータ処理レベルにおいて、上記の故障したセンサの障害のない信号をマスタセンサに伝送できるかを判断し、これによって結果的に得られる姿勢信号が、可能な限りに多くの星から求められるようにする。スターセンサ２，３，４は、図示しない給電端子の他に２つずつの出力部を有しており、これらの出力部のうち、出力部Ａ1，Ａ2，Ａ3は、例えば４元数ベクトルの形態で、補正されていない姿勢を出力し、これに対して出力部Ａs1，Ａs2，Ａs3は、例えば４元数ベクトルの形態で、各スターセンサ２，３，４の１つずつの補正された姿勢を表し、ここでこれは、有利には残りのスターセンサのデータによって補正される。出力Ａs1，Ａs2，Ａs3は、評価装置５によって捉えられ、そこで、例えば、信頼に値する姿勢情報が相応に重み付けされ、信頼に値しない姿勢情報が抑制されるなどして、まとめられた姿勢として求められる。この姿勢は、例えば上記のマスタ座標系から飛行物体の座標系に変換することができ、また例えば４元数ベクトルとして出力部Ａsを介して飛行物体の制御部に出力される。
【００３０】
図２には、実質的に図１のスターセンサ２，３，４に相応するスターセンサ６が略示されており、このスターセンサ６は、対物レンズおよびマトリクス検出器を有するスターカメラＢ１と、ＡＤ変換部が接続されたアナログデータ前処理部Ｂ２と、セントロイディング部およびスターベクトル計算部を有するデジタルデータ処理部Ｂ３と、星表を有する星座識別部Ｂ４と、４元数および／またはオイラー角を計算するユニットＢ５と、結果的に得られた姿勢データないしは補正した姿勢データを計算し、データ線路７を介してこれを飛行物体に伝送する評価ユニットＢ６と、スターセンサ６のユニットの機能を監視するスーパバイザユニットＢ７と、バス制御ユニットＢ８と、クロック発生器Ｂ９と、電力供給部Ｂ１０とを有する。障害がない場合、バスシステム８は有利には第２データ処理レベルの信号ＢkおよびＺkを残りのスターセンサからマスタセンサに伝送する。スーパバイザユニットＢ７が障害を確認した場合、障害を受けたユニットに依存して、センサシステム１（図１）の最大の精度を実現する信号伝送が選択される。姿勢データを補正する処理ユニット５（図１）は、上記のスターセンサに実現することも、スタンドアロンユニットとして実現することもできる。センサシステムのすべてのスターセンサは有利には同じに構成されているが、飛行物体および／またはセンサシステムの動作状態に依存して、例えばエネルギを節約するためにいくつかのユニットを遮断するか、または実装しないことが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  センサシステム、  ２  スターセンサ、  ３  スターセンサ、  ４  スターセンサ、  ５  評価装置、  ６  スターセンサ、  ７  データ線路、  ８  バスシステム、  Ａ1  出力部、  Ａ2  出力部、  Ａ3  出力部、  Ａs1  出力部、  Ａs2  出力部、  Ａs3  出力部、  Ａs  出力部、  Ｂ１  対物レンズおよびマトリクス検出器を有するスターカメラ、  Ｂ２  アナログデータ前処理部およびＡＤ変換部、  Ｂ３  デジタルデータ処理部、セントロイド計算部、スターベクトル計算部、  Ｂ４  星表を有する星座識別部、  Ｂ５  ４元数および／またはオイラー角計算部、  Ｂ６  出力インタフェース、  Ｂ７  スーパバイザユニット、  Ｂ８  バス制御ユニット、  Ｂ９  クロック発生器、  Ｂ１０  電力供給部
【図１】
2013142703.tif 000005
【図２】
2013142703.tif 000006