(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一台または複数台のスターセンサと、慣性座標系での星それぞれに関する情報を記憶してなるスターカタログデータベースと、前記スターセンサから出力される星像とスターカタログデータベースのスターカタログとをスターセンサ毎に照合して対応候補の組を出力するスター同定部と、対応候補それぞれについて人工衛星の姿勢候補の値を算出する姿勢算出部と、スターセンサから出力される星像とスターカタログとに基づいて姿勢候補の値を更新する姿勢更新部と、前サンプリング時刻の姿勢候補の値と機体角速度から現サンプリング時刻の姿勢候補の値を算出する姿勢伝搬部とからなる人工衛星の姿勢決定装置において、
前記姿勢更新部と前記姿勢伝搬部とで構成されるループの中に、前記姿勢算出部から算出される複数の姿勢候補の値を前記姿勢候補間で相互に比較し所定の誤差範囲内で互いに一致する姿勢候補の値を一つに絞り込み統合する姿勢候補統合部を備えた
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記姿勢候補統合部は、現サンプリング時刻で姿勢算出部が算出した姿勢候補の値と、過去に算出した姿勢候補を各サンプリング時刻での機体角速度を用いて現サンプリング時刻に伝搬して得た姿勢候補の値とを比較して一つに統合する
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記姿勢候補統合部は、一方のスターセンサから算出された姿勢候補を別のスターセンサから算出された姿勢候補と比較して一つに統合する
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記姿勢更新部は、姿勢候補毎にスターカタログに基づいて自スターセンサおよび他のスターセンサ画面における星像を予測し、該当スターセンサで出力された星像データと比較検証してその違いが明らかな場合にその姿勢候補を削除する
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、全天のスターカタログからの星をスターセンサで捕らえているかの同定を行い、同定結果に基づいて人工衛星の姿勢決定を行う人工衛星の姿勢決定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、例えば特開昭６１−６１００号公報に示された従来の人工衛星の姿勢決定装置の星同定部を示すものである。
【０００３】
上記公報に示された従来の人工衛星の姿勢決定装置は、次のようにして星同定を行う。すなわち、図５（ａ）に示すように、スターセンサを搭載した人工衛星２１により地球２２の周りを周回しながらスターセンサを用いて天球上の複数の星２３を観測する。そして、スターセンサで観測可能な天球上の星すべてについて、着目する星２４を中心としてスターセンサ視野角最大値を半径として円２５を描き、その内部に入る星で中心の星２４より暗い星２６を選び出す。中心の星２４から各星２６に放射状に線を引き、できあがった放射状図形に対して星２４の星番号を付けてパターンの番号とする。
【０００４】
その後、図５（ｂ）に示すように、全天の星のパターンを集めた集合２７から全てのパターンについてその特徴量とパターン番号を組み合わせてテーブル２８をつくる。そして、テーブル２８の特徴量の大きさ順に特徴量とパターン番号を並べたテーブル２９をつくり、テーブル２９のアドレスから特徴量への関数を近似する関数３１を作成し、テーブル２９のパターン番号のみの方をパターン番号テーブル３０とする。同定を行う場合には、スターセンサで観測した画像データにおいて最も明るい星について同様に作成されるパターンと関数３１を照合し、対応するテーブル３０の部分テーブルの中から共通部分を抽出し、それが１個のみであれば同定成功とする。
【０００５】
図５（ｃ）は、全天のスターカタログからの星をスターセンサで捕らえているかの同定を行い、同定結果に基づいて人工衛星の姿勢決定を行うための構成を示すもので、スターセンサ１で観測した画像データについて、スター同定部３によりスターカタログ２に基づいて作成したパターンと比較し、唯一の対応が得られれば同定成功とし、対応が唯一であれば、姿勢算出部４により同定結果から算出される姿勢も唯一で、初期捕捉が完了する。
【０００６】
また、図６は、他の従来例による人工衛星の姿勢決定装置の構成を示すブロック図である。図６において、図５（ｃ）に示す従来例と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、６はスターセンサ１から出力される星像とスターカタログデータベース２に記憶されたかスターカタログとに基づいて姿勢候補の値を更新する姿勢算出部、７は前サンプリング時刻の姿勢候補の値と機体角速度から現サンプリング時刻の姿勢候補の値を算出する姿勢伝搬部である。
【０００７】
図６に示す構成の人工衛星の姿勢決定装置においては、一回の撮像におけるスターセンサ１の視野内の星の数が同定に必要な数に満たない場合にも星の同定を行うことができ、また、スター同定部３および姿勢算出部４で、始めに姿勢角の候補を複数用意しスターセンサ１で撮像を繰り返して星像が得られるに従って解の候補としてあり得ないものを姿勢更新部６により取り除いていくように構成したので、スター同定部３において特徴量の取り方に工夫を凝らす必要がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図５に示す従来の人工衛星の姿勢決定装置では、スター同定部３において対応候補を一つに絞り込み、姿勢算出部４以降では唯一の解のみを用いるように構成されている。そのため、ある時刻における１台のスターセンサ視野内の星画像１枚だけで照合を完結するように、特徴量の取り方に工夫を凝らす必要があった。さらに、同定に必要な数の星が視野内に必ず入るようにスターセンサ１の視野を十分に広くとるか、または十分な数の星が視野内に入らないときにはその時刻における同定をあきらめるなどの制約があった。
【０００９】
また、図６に示す従来の人工衛星の姿勢決定装置では、あり得ないものを取り除くという手段で候補を絞り込むため、一つの候補になるまでに時間がかかるという問題があった。
【００１０】
この発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、短時間で正しい姿勢候補を１つに絞り込むことができる人工衛星の姿勢決定装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る人工衛星の姿勢決定装置は、一台または複数台のスターセンサと、慣性座標系での星それぞれに関する情報を記憶してなるスターカタログデータベースと、前記スターセンサから出力される星像とスターカタログデータベースのスターカタログとをスターセンサ毎に照合して対応候補の組を出力するスター同定部と、対応候補それぞれについて人工衛星の姿勢候補の値を算出する姿勢算出部と、スターセンサから出力される星像とスターカタログとに基づいて姿勢候補の値を更新する姿勢更新部と、前サンプリング時刻の姿勢候補の値と機体角速度から現サンプリング時刻の姿勢候補の値を算出する姿勢伝搬部とからなる人工衛星の姿勢決定装置において、前記姿勢更新部と前記姿勢伝搬部とで構成されるループの中に、前記姿勢算出部から算出される複数の姿勢候補の値を前記姿勢候補間で相互に比較し所定の誤差範囲内で互いに一致する姿勢候補の値を一つに絞り込み統合する姿勢候補統合部を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記姿勢候補統合部は、現サンプリング時刻で姿勢算出部が算出した姿勢候補の値と、過去に算出した姿勢候補を各サンプリング時刻での機体角速度を用いて現サンプリング時刻に伝搬して得た姿勢候補の値とを比較して一つに統合することを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記姿勢候補統合部は、一方のスターセンサから算出された姿勢候補を別のスターセンサから算出された姿勢候補と比較して一つに統合することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、前記姿勢更新部は、姿勢候補毎にスターカタログに基づいて自スターセンサおよび他のスターセンサ画面における星像を予測し、該当スターセンサで出力された星像データと比較検証してその違いが明らかな場合にその姿勢候補を削除することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による人工衛星の姿勢決定装置を説明するためのブロック図である。
【００１６】
図１において、１はスターセンサ、２は慣性座標系での星それぞれに関する情報を記憶してなるスターカタログデータベース（以下、単にスターカタログと称す）、３はスターセンサ１から出力される星像とスターカタログデータベース２に記憶されたスターカタログとをスターセンサ毎に照合して対応候補の組を出力するスター同定部、４は対応候補それぞれについて人工衛星の姿勢候補の値を算出する姿勢算出部である。
【００１７】
また、５は複数の姿勢候補の値を相互に比較し一つに統合する姿勢候補統合部、６はスターセンサから出力される星像とスターカタログとに基づいて姿勢候補の値を更新する姿勢更新部、７は前サンプリング時刻の姿勢候補の値と機体角速度から現サンプリング時刻の姿勢候補の値を算出する姿勢伝搬部、１１はスターセンサ１とは別のスターセンサ、１２はスターカタログ２とは別のスターカタログ、１３はスター同定部３とは別のスター同定部、１４は４とは別の姿勢算出部である。ただし、スターカタログ２、スター同定部３および姿勢算出部４は、プログラムコードに共通のものを利用しても構わない。
【００１８】
次に、動作について説明する。スターセンサ１は、各サンプリング時刻においてセンサ視野内の天球の画像を出力する。画像処理部（図示しない）は、スターセンサ１の出力画像から星像を抽出し、各星像の中心位置や輝度などの星像データを出力する。スター同定部３は、撮像した星像間の距離や各星像の輝度等をスターカタログ２に記載される恒星間の距離や輝度等と比較照合して、撮像した星像とスターカタログ２に記載される恒星との対応を求める。
【００１９】
ここで、スターセンサ１のセンサ視野内に十分な星が見えていなかったり、惑星や宇宙放射線による一時的な輝点あるいはデブリ（debris）など、恒星以外のものがセンサ画面に映っていたりする場合に、対応を一つに絞ることが困難である。特に、スターセンサ１に安価な部品を適用する場合には、比較検証における判断基準を緩く取らざるを得ないので、複数の対応候補が残ることが多い。その場合には、複数の候補を出力する。
【００２０】
姿勢算出部４では、スター同定部３で求めた対応候補から、人工衛星の慣性空間に対する姿勢候補を算出する。星像の対応が複数存在することから、姿勢も候補が複数個算出される。
【００２１】
スターセンサ１１、スター同定部１３および姿勢算出部１４の動作は、スターセンサ１、スター同定部３および姿勢算出部４の動作と同様である。
【００２２】
姿勢候補統合部５では、姿勢候補の値を相互に比較する。正しい姿勢候補であれば、検出誤差、カタログ誤差、アライメント誤差の範囲内でお互いに一致するはずなので、近しい姿勢候補がある場合にそれが正しい姿勢候補であると判定して姿勢候補の値を一つに絞り込み、初期捕捉完了フラグを立てる。これで、初期捕捉が完了する。姿勢候補の数が一つ以下の場合や、お互いに一致するような姿勢候補が見つからない場合は、姿勢候補の組をそのまま出力する。
【００２３】
以後は、姿勢更新部６で、現サンプリング時刻で取得した星像データとスターカタログ２に基づいて姿勢の決定値で予測される恒星の見え方とを比較照合して、星像データにより近づくように姿勢の決定値を更新する。
【００２４】
さらに、姿勢伝搬部７で、姿勢角速度情報と組み合わせて次のサンプリング時刻まで姿勢の決定値を伝搬する。次のサンプリング時刻で、スターセンサ１の出力画像から星像を抽出し、姿勢更新部６で姿勢の決定値を更新する。この処理を繰り返す。
【００２５】
以上のように、実施の形態１では、姿勢更新部６と姿勢伝搬部７とで構成される処理ループの中に姿勢候補統合部５を設けたので、スター同定部において対応候補を一つに絞りきれない場合にも、姿勢候補間での比較で姿勢候補を一つに絞り込むことが可能になり、恒星以外のものがセンサ画面に映っていても誤った姿勢決定を行うことを回避できる。
【００２６】
また、スター同定部において対応候補を一つに絞り込まなくてよいので、スターセンサの星像検出精度に対する要求を緩和することができる。
【００２７】
なお、実施の形態１では、人工衛星の姿勢に関して全く情報がない状態について説明したが、太陽センサや地球センサのような他の姿勢センサの情報を利用できる場合や、過去の姿勢決定値を利用できる場合には、スター同定部３においてスターカタログ２の検索範囲を制限することで恒星との対応を一つに絞り込むことが容易になる。
【００２８】
また、姿勢更新部６において星像データと十分な対応がとれない場合には、姿勢の決定値が正しくないと判断して再び姿勢の初期捕捉にもどってもよい。
【００２９】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図であり、図１に示す姿勢算出部４と姿勢候補統合部５と姿勢伝搬部７の関係をより具体的に明らかにするものである。
【００３０】
図２において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。
【００３１】
次に動作について説明する。図２において、姿勢候補統合部５は、姿勢算出部４の出力の他に、姿勢伝搬部７の出力も入力する。姿勢候補間の比較に際して、現サンプリング時刻ｔＢに算出した姿勢候補の値ｐ１（ｔＢ）と、過去のサンプリング時刻ｔＡに算出した姿勢候補ｑ１（ｔＡ）を姿勢伝搬部７でサンプリング周期毎に伝搬を繰り返して現サンプリング時刻ｔＢでの値に変換した姿勢候補ｑ１（ｔＢ）の値とを、比較検証する。
【００３２】
以上のように、実施の形態２では、姿勢候補統合部５の入力に姿勢伝搬部７の出力を追加したので、１回のサンプリングで姿勢候補を一つに絞りきれない場合にもデータとして蓄積し、次回以降のサンプリング時刻において姿勢候補統合部での姿勢候補間の比較に利用することが可能になり、確実に正しい姿勢に決定することができる。
【００３３】
なお、過去に算出した姿勢の決定値は、単に角速度を用いて伝搬するだけでなく、姿勢更新部６において星像データとスターカタログから観測更新を行ってより精度の高い決定値にすることも考えられる。
【００３４】
また、姿勢更新部６はセンサ視野が異なる方が効果が大きいため、サンプリング時刻毎に行う必要はない。さらに、姿勢候補すべてについて同時に行うのではなくその一部について順に行うことで、計算時間を短縮することも考えられる。
【００３５】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図であり、図１に示す姿勢算出部４と姿勢候補統合部５と姿勢伝搬部７と姿勢算出部１４との関係をより具体的に明らかにするものである。
【００３６】
図３において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。
【００３７】
次に動作について説明する。時刻ｔＡにおいてスターセンサ１の出力画像から抽出された星像データをもとに、スター同定部３（図示せず）は、スターカタログ２に記載される恒星との対応を求める。姿勢算出部４は、この対応から人工衛星の慣性空間に対する姿勢ｑ１（ｔＡ）を算出する。一方、時刻ｔＣにおいてスターセンサ１１の出力画像から抽出された星像データをもとに、スター同定部１３（図示せず）は、スターカタログ１２に記載される恒星との対応を求める。
【００３８】
姿勢算出部１４は、この対応から人工衛星の慣性空間に対する姿勢ｒ１１（ｔＣ）を算出する。
【００３９】
姿勢候補統合部５は、姿勢候補間の比較に際して、現サンプリング時刻ｔＣに算出した姿勢候補ｒ１１（ｔＣ）の値と、過去のサンプリング時刻ｔＡに算出した姿勢候補を姿勢伝搬部７でサンプリング周期毎に伝搬を繰り返して現サンプリング時刻ｔＣでの値に変換した姿勢候補ｑ１（ｔＣ）の値とを、比較検証する。
【００４０】
以上のように、実施の形態３では、姿勢候補統合部５で他のスターセンサから出力された姿勢候補と比較するようにしたので、一つのセンサ視野の中で見ると同程度に確からしい姿勢候補が複数存在したときに、別のセンサ視野で求めた姿勢候補と比較することで真に確かな姿勢候補を選び出すことが可能になる。
【００４１】
また、スターセンサから星像データを抽出して姿勢候補を算出し比較検証するまでの処理において、他のスターセンサからのデータを用いないため、星像データの抽出、同定、姿勢候補の算出、姿勢候補の検証の４つの処理の一部またはすべてを、別の計算機で実行させてその結果だけを利用することが可能である。このような分散処理により、スターセンサの台数が多い場合でも、姿勢決定装置の計算機負荷の増大を抑制できる。
【００４２】
さらに、以上の説明では、複数台あるスターセンサのサンプリング時刻が同期していることを前提にしたが、サンプリング時刻が異なる場合でも、機体角速度の推定値と組み合わせて評価すべき時刻に姿勢候補を伝搬することで同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４３】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図であり、図１に示す姿勢算出部４と姿勢更新部６と姿勢伝搬部７とスターセンサ１１との関係をより具体的に明らかにするものである。
【００４４】
図４において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。
【００４５】
時刻ｔＡにおいてスターセンサ１の出力画像から抽出された星像データをもとに、スター同定部３（図示せず）は、スターカタログ２に記載される恒星との対応を求める。姿勢算出部４は、この対応から、人工衛星の慣性空間に対する姿勢ｑ１（ｔＡ）を算出する。一方、時刻ｔＤにおいてスターセンサ１１の出力画像から星像データが抽出される。
【００４６】
姿勢更新部６は、過去のサンプリング時刻ｔＡに算出した姿勢候補ｑ１（ｔＡ）を姿勢伝搬部７でサンプリング周期毎に伝搬を繰り返して現サンプリング時刻ｔＤでの値に変換した姿勢候補ｑ１（ｔＤ）の値よりスターカタログ２に基づいてスターセンサ１１のセンサ視野における恒星の見え方を予測し、取得した星像データと比較検証し、予測と星像データの近しさを指標として、明らかに異なる候補を排除する。
【００４７】
以上のように、実施の形態４では、姿勢更新部６で他のスターセンサから出力された星像とも比較検証し、明らかに異なる候補を排除するようにしたので、一つのセンサ視野の中で見ると同程度に確からしい姿勢候補が複数存在したときに、別のセンサ視野で比較することで真に確かな姿勢候補とそうでない候補とを分離し、明らかに異なる候補を排除することで候補の数を絞ることが可能になる。
【００４８】
また、スターセンサから星像データを抽出して姿勢候補を算出するまでの処理において、他のスターセンサからのデータを用いないため、星像データの抽出、同定、姿勢候補の算出の３つの処理の一部またはすべてを、別の計算機で実行させてその結果だけを利用することが可能である。このような分散処理により、スターセンサの台数が多い場合でも、姿勢決定装置の計算機負荷の増大を抑制できる。
【００４９】
さらに、以上の説明では、複数台あるスターセンサのサンプリング時刻が同期していることを前提にしたが、サンプリング時刻が異なる場合でも、機体角速度の推定値と組み合わせて評価すべき時刻に姿勢候補を伝搬することで同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５０】
この発明の要点についてさらに述べると次の通りである。
この発明において、スター同定部では候補が複数あっても可とする。そのため、スター同定部では、例えば星像３個で三角形を構成し、スターカタログにおける星３個で構成した三角形と辺の長さを比較するといった単純な特徴量で姿勢候補をとりあえず複数算出すればよく、特徴量の取り方に工夫を凝らす必要がない。
【００５１】
また、姿勢候補を一つに絞り込み初期捕捉を完了する手段として、姿勢候補毎に星像データと比較検証して対応のとれない候補を排除する、１枚の画像の中で複数得られた姿勢候補の間で近しさを指標に一つに絞る、過去の画像で得られた姿勢候補を時間伝搬して現在の画像で得られた姿勢候補とあわせて近しさを指標に一つに絞る、別のスターセンサで得られた姿勢候補ともあわせて近しさを指標に一つに絞る、という４つの手段を持つ。
【００５２】
そのため、同定に必要な数の星が視野内に入らなくても、姿勢候補毎に星像データと比較検証して対応のとれない候補を排除することが可能であり、また、姿勢候補を時間伝搬して同定に必要な数の星が視野内に入るまで待つことも可能である。また、別のスターセンサで得られた姿勢候補も利用するので、あるスターセンサの視野内に星が少なくても、別のスターセンサの視野内に星が十分な数見えていればよい。
【００５３】
また、本発明では、姿勢候補統合部を追加し、姿勢候補の間で近しさを指標に一つに絞る。さらに、複数のスターセンサから出力される星像データとそれから算出される姿勢候補を用いる。そのため、短時間で正しい候補に絞り込むことができる
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、姿勢更新部と姿勢伝搬部とで構成されるループの中に、姿勢算出部から算出される複数の姿勢候補の値を前記姿勢候補間で相互に比較し所定の誤差範囲内で互いに一致する姿勢候補の値を一つに絞り込み統合する姿勢候補統合部を備えたので、人工衛星の姿勢が未決定の段階、すなわち初期捕捉の段階で、スター同定部で同程度に確からしい候補が複数残ったときに、姿勢候補統合部で姿勢候補のうちお互いに近いものが最も確からしいという判定を行って姿勢候補を一つに決定することが可能になる。
【００５５】
また、前記姿勢候補統合部は、現サンプリング時刻で姿勢算出部が算出した姿勢候補の値と、過去に算出した姿勢候補を各サンプリング時刻での機体角速度を用いて現サンプリング時刻に伝搬して得た姿勢候補の値とを比較して一つに統合するようにしたので、人工衛星の姿勢を初期捕捉する段階で、現サンプリング時刻において一つしか姿勢候補が得られず確からしさを確認できない場合にも、過去に求めた姿勢候補と比較することで、確実に正しい姿勢に決定することができる。
【００５６】
また、前記姿勢候補統合部は、一方のスターセンサから算出された姿勢候補を別のスターセンサから算出された姿勢候補と比較して一つに統合するようにしたので、人工衛星の姿勢を初期捕捉する段階で、同時刻あるいは過去に他のスターセンサで算出した姿勢候補も姿勢候補統合部で利用することができ、さらに確実に正しい姿勢に決定することができる。
【００５７】
さらに、前記姿勢更新部は、姿勢候補毎にスターカタログに基づいて自スターセンサおよび他のスターセンサ画面における星像を予測し、該当スターセンサで出力された星像データと比較検証してその違いが明らかな場合にその姿勢候補を削除するようにしたので、人工衛星の姿勢を初期捕捉する段階で、一つのセンサ視野の中で見ると同程度に確からしい姿勢候補が複数存在したときに、別のセンサ視野で比較することで真に確かな姿勢候補とそうでない候補とを分離することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による人工衛星の姿勢決定装置を説明するためのブロック図である。
【図２】  この発明の実施の形態２による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図である。
【図３】  この発明の実施の形態３による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図である。
【図４】  この発明の実施の形態４による人工衛星の姿勢決定装置を説明するための図である。
【図５】  特開昭６１−６１００号公報に示された従来例の人工衛星の姿勢決定装置の星同定部を示すブロック図である。
【図６】  他の従来例による人工衛星の姿勢決定装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１１  スターセンサ、２，１２  スターカタログデータベース、３，１３スター同定部、４，１４  姿勢算出部、５  姿勢候補統合部、６  姿勢更新部、７  姿勢伝搬部。
【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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