(57)【要約】   スペースデブリ等、宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定し、特定される物体の物理的および機械的特性の評価を可能とするシステムは、ステーション（２）上に搭載され、特定される物体（３）に属する複数の点（Pi）の、空間参照システムに対する空間座標を検出する少なくとも一つの遠隔センサーと、複数の点（Pi）から時間的に想定される複数の位置に関連するデータを取得し、複数の点（Pi）が辿る軌道を再構成する第１の手段と、軌道と関連付けられる、特定される物体の複数の瞬間回転軸を決定し、瞬間回転軸の各対に垂直な線分を順次決定し、線分の中間点の位置を特定する第２の手段と、線分の長さの離散関数d(tk)を計算し、離散関数d(tk)の極大値の包絡線（ｃ）を計算し、包絡線（ｃ）の最小値を決定して、特定される物体の重心G(tk*)の位置を特定する第３の手段と、を備える。システムにより特定される物体の物理的および機械的特性を評価する方法も記述される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定し、特定される前記物体の物理的および機械的特性の評価を可能とするシステムであって、
ステーション（２）に搭載されるのに適した少なくとも１つの遠隔センサー（１）であって、特定される前記物体（３）に属する複数の点（Pi）の、少なくとも一つの空間参照システムに対する空間座標を検出する遠隔センサー（１）と、
前記複数の点（Pi）から時間的に想定される複数の位置に関連するデータを取得し、前記複数の点（Pi）が辿る軌道を再構成する第１の手段と、
前記軌道と関連付けられる、特定される前記物体の複数の瞬間回転軸を決定し、前記瞬間回転軸の各対に垂直な線分を順次決定し、前記線分の中間点の位置を特定する第２の手段と、
前記線分の長さの離散関数d(tk)を計算し、前記離散関数d(tk)の極大値の包絡線（ｃ）を計算し、前記包絡線（ｃ）の最小値を決定して、特定される前記物体の重心G(tk*)の位置を特定する第３の手段と、を備えるシステム。
【請求項２】
前記遠隔センサー（１）は光学系である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ステーション（２）は、特定される前記物体に追従する宇宙機である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ステーション（２）は地球基地である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステムによって特定される、少なくとも一つの周回する物体の物理的および機械的特性を評価する方法であって、
適切なサンプリング頻度で、特定される前記物体の複数の点（Pi）から時間的に想定される位置の空間座標に関連するデータを取得するステップ（Ｆ１）と、
前記複数の点（Pi）のうちの少なくとも３つが辿る軌道を再構成するステップ（Ｆ２）と、
前記少なくとも３つの点（Pi）の前記軌道に関連付けられる複数の瞬間回転軸の位置を特定するステップ（Ｆ３）と、
前記ステップ（Ｆ３）において位置が特定される複数の前記瞬間回転軸の共面条件を判断し、共平面性が見出された場合には、ステップ（Ｆ８）に進み、そうでない場合にはステップ（Ｆ４）に進む、ステップ（ＩＦ−Ａ）と、
複数の前記瞬間回転軸の各対に垂直な線分の位置を順次特定し、該線分の長さd(tk)を計算するステップ（Ｆ４）と、
前記線分の中間点G(tk)を決定するステップ（Ｆ５）と、
方法を進めるための条件が存在することを検証するステップ（ＩＦ−Ｂ）と、
前記離散関数d(tk)の極大値の包絡線（ｃ）を作成するステップ（Ｆ６）と、
前記包絡線（ｃ）の最小値を探索し、前記最小値が発生する瞬間（tk*)を特定し、特定される前記物体の重心の最良の推定の位置を、前記瞬間（tk*)に前記ステップ（Ｆ５）で得られる前記離散関数G(tk)の値として特定するステップ（Ｆ７）と、
前記重心G(tk*)の位置の座標を利用可能とするステップ（Ｆ８）と、
を備える方法。
【請求項６】
前記ステップ（Ｆ３）はエベラーザー−ラヴィニ（Eberarther-Ravani）のアルゴリズムにより行われ、
前記アルゴリズムは、
対応する点Pi(tk)と点Pi(tk+1)を結ぶ複数のベクトル（gi）を計算するサブステップ（Ｆ３．１）と、
複数の前記ベクトル（gi）を端緒として前記物体の回転軸に垂直な平面（ε）を計算するサブステップ（Ｆ３．２）と、
前記平面（ε）上に、前記点Pi(tk)と点Pi(tk+1)の各対を射影するサブステップ（Ｆ３．３）と、
前記平面（ε）上に射影される対応する前記点Pi(tk)と点Pi(tk+1)を結ぶ複数の線分の軸を作成するサブステップ（Ｆ３．４）と、
複数の前記線分の軸のすべての可能な対を交差させるサブステップ（Ｆ３．５）と、
すべての前記交点の幾何学的な重心を計算して、前記回転軸に属する点を推定するサブステップ（Ｆ３．６）と、
収集した情報を端緒として前記回転軸を作成するサブステップ（Ｆ３．７）とを含む、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ステップ（Ｆ７）は、
前記離散関数d(tk)の極大値の位置を特定するサブステップ（Ｆ７．１）と、
前記極大値を包む曲線（ｃ）を評価するサブステップ（Ｆ７．２）と、
前記曲線（ｃ）が絶対最小値を有する瞬間（tk*）を評価するサブステップ（Ｆ７．３）と、
見出された前記瞬間（tk*）における関数G(tk)を評価するサブステップ（Ｆ７．４）とを含む、
請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムおよび特定される物体の物理的および機械的特性を評価する関連の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
未知かつ非協調的な宇宙物体の回収、捕獲、軌道の逸脱などの操作は、質量、慣性のテンソル、重心の位置、主慣性軸の向きといった量に依存する慣性およびジャイロの効果に影響されることが知られている。
一般に、これらの量は直接計測できない。それらを計測するために取り得る方法としては、特定対象物体を、観測衛星に搭載可能な遠隔センサ（典型的にはビデオカメラ）によって観測することが挙げられる。
特定対象物体の特定の複数の点の観測は既知の画像解析技術により可能であり、それらの複数の点を観測者と一体の参照システム内において、または、任意の別の参照システムに対して定義することで、辿られる軌道を計測できる。
【０００３】
EP2340998は、慣性のオンライン推定に基づく航空宇宙機の制御システムを開示する。システムは航空宇宙機に搭載されたプロセッサを備え、プロセッサは、航空宇宙機の慣性をオンラインで推定し、航空宇宙機の角度位置および角速度を判断するように適合される。航空宇宙機の姿勢の計測と慣性のオンライン推定により、航空宇宙機の動きと向きを確認できる。特に、角速度の推定および航空宇宙機に搭載されたアクチュエータのモーメントの推定計測値を利用することで、プロセッサは航空宇宙機の質量中心に対する慣性マトリックスの生成を可能にする。
【０００４】
しかしながら、EP2340998は、慣性マトリックスを生成するのに必要な手段を欠いた人工衛星や物体の重心を決定するという課題を解決しない。
課題が特に認識されるのは、地球を囲む宇宙空間に存在する周回物体を識別し、捕獲し、除去するためのシステムによって周回デブリを捕獲し、除去する航空宇宙分野においてである。周回デブリは現在および将来の航空宇宙活動のリスクの潜在的な源として設定され得る。
【０００５】
１９５７年１０月４日に最初のスプートニク人工衛星がソビエト連邦によって打ち上げられて以来、４８００回を超える打ち上げがなされた。そして、約１５０００基の人工衛星が軌道に乗せられ、それらのうち、現状８００基だけがまだ作動している。これは、任務を終えた多くの物体がいまだに地球を周回していることを意味する。これらの人間によって築かれた物体の集合は「スペースデブリ」として識別される。
地表大気の最高高度で周回する物体は別として、他のすべてのデブリは、自然崩壊過程の効果によって、地球へ再突入するように仕向けられている。
【０００６】
平均すれば、毎日、直径１０ｃｍより大きいものに分類される物体が地球上に落下する。再突入のリスクは機械的衝撃だけでなく、化学的又は放射線による環境の汚染によってももたらされる。さらに、スペースデブリは、作動中の人工衛星に衝突したり、光学系の表面上に堆積して性能を悪化させたり、太陽電池パネルやアンテナを劣化させて伝送容量を減少させたり信号との干渉を生じたりすることによって、作動中の人工衛星の操作を損なう場合がある。
そのため、大型のスペースデブリを捕獲して除去するために必要な技術を開発する必要がある。
【０００７】
周回物体の重心を特定するという課題は、いわゆるＮＥＯｓ（Near Earth Objects：地球近傍天体）に関連付けられるリスクの予防にも関連して生じる。
CN-A-101 435 732は、請求項１の序文に記載の重心検出のためのシステムを開示する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的は、宇宙空間で周回する物体またはどのようにであれ移動する物体の重心を特定できるシステムを提供することである。
さらなる目的は、重心の特定を可能とする方法を提供することである。
【０００９】
本発明の上記および他の目的と利点は、以下の説明から明らかとなるように、請求項１に記載の、宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムによって得られる。
【００１０】
さらに、請求項５に記載のように、本発明の上記および他の目的と利点は、特定される物体の物理的および機械的特性を評価する方法によって得られる。
本発明の好ましい実施形態および非自明な変形は、従属請求項の主題である。
添付の特許請求の範囲の全ての請求項は、本明細書と一体不可分のものであることが意図される。
【００１１】
添付の特許請求の範囲により表される本発明の範囲から逸脱することなく、数多くの変形および修正（例えば、形状、大きさ、配置および同等の機能を有する部品に関するもの）を、記載された構成に対して行い得ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面を参照しながら、非限定的な例として提供されるいくつかの好ましい実施形態により本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明に係る宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムの第１の実施形態の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明に係る宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムの第２の実施形態の概略図を示す。
【図３】図３は、本発明に係る宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムにより特定される物体の引き続く２つの瞬間における位置を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明により特定される物体の重心の位置を定義するためのグラフを示す。
【図５】図５は、本発明に係る宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムにより特定される物体の物理的および機械的特性を評価する方法の実施形態のステップのフロー図を示す。
【図６】図６は、図５に関連したフロー図を示し、特定される物体の瞬間回転軸の位置を特定するための方法の一連のステップを示す。
【図７】図７は、図５に関連した重心位置の最良の推定量を探索するための方法の一連のステップのフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１および図２を参照し、宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体（例えば、スペースデブリ等）の重心の位置を特定するためのシステムは、特定される物体の物理的および機械的特性の評価を可能とするように適合され、
ステーション２に搭載される少なくとも１つの遠隔センサー１であって、少なくとも一つの空間参照システムに対する、特定される物体３の所定の複数の点Piから時間内に想定される空間座標を検出するように適合される、遠隔センサー１と、
複数の点Piから時間的に想定される複数の位置に関連するデータを取得して複数の点Piが辿る軌道を再構成するするように適合される第１の手段と、
特定される物体の、軌道と関連付けられる複数の瞬間回転軸を決定し、瞬間回転軸の各対に垂直な線分を順次決定し、線分の中間点の位置を特定するように適合される第２の手段と、を含む。
宇宙空間で周回する少なくとも一つの物体の重心の位置を特定するためのシステムはさらに、線分の長さの離散関数d(tk)を計算し、関数d(tk)の極大値の包絡線ｃを計算し、包絡線ｃの最小値を決定して、特定される物体の重心G(tk)の位置を特定するように適合される第３の手段を含む。
【００１４】
遠隔センサー１は、光学系等であってもよい。
ステーション２は、特定される物体に追従するように適合される宇宙機であってもよい。あるいは、ステーション２は、地球基地でもあってもよい。
システムにより特定される周回物体の物理的および機械的特性を評価する方法は、周回物体の典型的な運動が、軌道に沿った重心運動と、重心周りの物体の回転運動とに分解できるという考えに基づくものである。物体は外部と力および質量を交換しないものと仮定すると、重心を通過しない軸の周りに回転運動が発生することはあり得ない。
【００１５】
図３を参照して、開始のデータは、システムにより計測される複数の周回物体のうちの１つの周回物体のn個の点（例えばP1、P2、P3）の複数の軌道で構成される。
観測される点P1、P2、P3のそれぞれについて、座標は引き続く複数の瞬間tkで適切な参照システムにおいて利用可能でなければならず、サンプリング頻度は十分に高くなければならない。
【００１６】
２つの引き続くサンプリング間隔[tk-1、tk]、[tk、tk+1]に関連するデータが考慮される。各間隔において、動きは、回転−平行移動として記述でき、瞬間回転軸は、例えば、当技術分野で知られているエベラーザー−ラヴィニ（Ebherarter-Ravani）によって発見された方法を用いて確定できる。
２つの引き続く間隔[tk-1、tk]、[tk、tk+1]を分析することによって２つの瞬間回転軸が得られる。
【００１７】
もし２つの瞬間回転軸が同一平面上にあって非平行ならば、交点の位置が特定できる。物体の動きが純粋な回転であり、物体の重心が、位置が特定された交点と一致する場合には、他の操作を実行する必要はないと言える。
その代わりに、２つの軸がねじれている場合、物体は、一般的な回転−平行移動運動を有する。さらに、これらの軸の間には交点が存在しないが、両方の軸に垂直で、軸間距離に相当する長さの線分の位置を特定することが可能である。
十分に高いサンプリング頻度を考慮に入れれば、距離は短く、両軸に直交する線分の中間点の位置は、瞬間tkにおける物体の重心G(tk)の位置の推定量である。
【００１８】
図４を参照して、重心G(tk)の位置の推定を、取得した全ての有効なサンプリングの瞬間に行う。推定には、引き続く複数の瞬間に評価される回転軸間の距離の離散関数d(tk)を得ることが必要である。
離散関数d(tk)は、複数の極大値を有し、対応する最小値はゼロに隣接する。
重心位置を定義するために、極大値に対する包絡線ｃが構成され、その最小点の位置が特定される。極小値に隣接して計算される推定量は、重心位置の最良の推定量と見なされる。
図４はまた、重心の位置を十分正確に特定できる更なる点を示す。
【００１９】
図５を参照して、、上述のシステムにより特定される少なくとも１つの周回物体の物理的および機械的特性評価のための本発明に係る方法は、以下のステップを含んでもよい。 
ステップ（Ｆ１）：適切なサンプリング頻度で、本発明に係るシステムのセンサ１により特定された物体の複数の点Piから時間的に想定される複数の位置の空間座標に関連するデータを取得する。
ステップ（Ｆ２）：引き続く３つの瞬間tk-1、tk、tk+1での少なくとも３つの点Piの軌道データの利用可能性を検証し、利用可能ならば、少なくとも３つの点Piが辿る軌道を再構成する。この条件が検証されなければ、次の瞬間tk、tk+1、tk+2での３つの点Piの新たな軌道データを待つ必要がある。
ステップ（Ｆ３）：本発明に係るシステムの第２の手段により少なくとも３つの点Piの軌道に関連付けられる、典型的には２つの瞬間回転軸の位置を特定する。
ステップ（ＩＦ−Ａ）：本発明に係るシステムの第２の手段によりステップ（Ｆ３）において位置が特定された軸の共面条件を検証する。共面性が見出された場合にはステップ（Ｆ８）に進み、そうでなければステップ（Ｆ４）に進む。
【００２０】
ステップ（Ｆ４）：瞬間回転軸の各対に垂直な線分の位置を順次特定し、その長さd(tk)を本発明に係るシステムの第２の手段により計算する。
ステップ（Ｆ５）：本発明に係るシステムの第２の手段により位置が特定された線分の中間点G(tk)を決定する。
ステップ（ＩＦ−Ｂ）：方法を進めるための条件が発生しているかどうかを検証する。
ステップ（Ｆ６）：離散関数d(tk)の極大値の包絡線ｃを本発明に係るシステムの第３の手段により作成する。
ステップ（Ｆ７）：包絡線ｃの最小値を探索し、最小値が発生する瞬間tk*を特定し、瞬間tk*におけるステップ（Ｆ５）で得られる離散関数G(tk)の値としての物体の重心の最良の推定量を、例えば、本発明に係るシステムの第３の手段により特定する。
ステップ（Ｆ８）：例えば本発明に係るシステムの第３の手段により、利用可能な重心G(tk*)の位置を設定する。
そのため、重心の位置は、３つの参照システム、すなわち、慣性のシステム、観測者と一体のシステム、物体と一体のシステムにおいて表される。
【００２１】
十分な精度で計測を行い得るとき、重心によって想定される位置の配列は、観測される物体が移動する軌道の一部である。これらのデータにより、既知の方法により、観測される物体が動く実際の軌道を計算できる。
モニターされる各点の軌道においては、点自体が観測者に対して隠されるため、i番目の点の座標が計測できない瞬間があり得る。
【００２２】
ある瞬間tk、その前の瞬間tk-1およびその次の瞬間tk+1に、少なくとも３つの異なる点Piの座標が利用可能な場合にはアルゴリズムをある瞬間tkに適用することができる。この条件が確認されていない場合、直後の瞬時tk+1に適用可能かを検証して、瞬間tk、tk+1、tk+2におけるデータの利用可能性を検証することができる。必要なデータが利用可能な３つの瞬間が特定できるまで、この反復を繰り返す必要がある。
【００２３】
少なくとも３つの点Piの軌道に関連付けられる瞬間回転軸の位置を扱うプロセスに属する最初の一連のステップを説明する。開始のデータは、２つの一般的な引き続く瞬間tk、tk+1での少なくとも３つの点P1、P2、P3の座標により構成される。
アルゴリズムは、回転−平行移動運動を、瞬間回転軸により特徴付けられる回転運動で近似できる程度に各瞬間が互いに近いものであると仮定して、軸を決定する。
【００２４】
まずはじめに、時間間隔tk、tk+1における各点Piの変位を説明するベクトルが作成される。giにより示される複数のベクトルが分かれば、物体の回転軸に垂直な平面εを特定できる。
３つのベクトルgiの内の２つについて、複数の射影riが平面ε上に作成され、それらの中間点の位置が特定される。
そして、それらの中間点を通過する複数のベクトルriに対する複数の垂線が引かれ、それらの交点Qが特定される。交点は、平面ε上における回転軸の描画である。
次に、回転軸を、それと直交する平面およびその平面との交点Ｑが分かっていることに基づき決定する。
【００２５】
点Piの座標に関連するデータがノイズの影響を受けていると仮定して、３つを超える多くの点を考慮に入れ、得られる結果の最小二乗推定により、探索される平面εを決定することも可能である。
点Ｑの探索、平面ε上の回転軸の描画は、すべての利用可能なベクトルを平面ε上に射影し、各対の射影rm、rnの位置と、中間点を通過する垂線の関連する交点Qm、nの位置を特定し、最後に、位置が特定された点の集合の幾何学的な重心を計算することによって行われる。
【００２６】
図６を参照し、ステップ（Ｆ３）は、例えば、以下のサブステップを含むエベラーザー−ラヴィニ（Eberarther-Ravani）のアルゴリズムにより実行されるものとすることができる。
サブステップ（Ｆ３．１）：対応する点Pi(tk)、Pi(tk+1)を結ぶように適合されるベクトルgiを計算する。
サブステップ（Ｆ３．２）：ベクトルgiを端緒として物体回転軸に垂直な平面εを計算する。
サブステップ（Ｆ３．３）：平面ε上に点Pi(tk)、Pi(tk+1)の各対を射影する。
サブステップ（Ｆ３．４）：平面εに射影された対応する点Pi(tk)、Pi(tk+1)を結ぶ複数の線分の軸を作成する。
サブステップ（Ｆ３．５）：複数の線分の軸のすべての可能な対を交差させる。 
サブステップ（Ｆ３．６）：すべての交点の幾何学的な重心を計算することで回転軸に属する点を推定する。 
サブステップ（Ｆ３．７）：収集した情報を端緒として回転軸を作成する。
【００２７】
ステップ（Ｆ３）が、本発明の目的に適した他の任意のアルゴリズムにより行い得るものであることは、当業者にとって自明な事項である。重心の位置の定義を扱うプロセスに属する次の一連のステップについて説明する。包絡線ｃは、離散関数d(tk)の極大値に対して作成され、その最小点の位置が特定される。
極小点tk*に隣接して計算される推定量が、重心G(tk*)の位置の最良の推定量であると想定される。
【００２８】
図７を参照し、重心G(tk*)の最良の推定量の評価を扱うステップ（Ｆ７）は以下のサブステップを含むものとしてもよい。
サブステップ（Ｆ７．１）：関数d(tk)の極大値の位置を特定する。 
サブステップ（Ｆ７．２）：極大値を包む曲線ｃを評価する。 
サブステップ（Ｆ７．３）：曲線ｃが絶対最小値を有する瞬時tk*を評価する。 
サブステップ（Ｆ７．４）：見出された瞬時tk*における関数G(tk)を評価する。
【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】
2017520462.tif 000008
【図７】
2017520462.tif 000009
【国際調査報告】
2017520462.tif 000010
2017520462.tif 000011
2017520462.tif 000012