(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星からのデータを格納し保持するテレメトリデータメモリと、
前記テレメトリデータメモリから姿勢角較正センサ検出信号を時系列データとして抽出する姿勢角較正センサデータ抽出器と、
前記テレメトリデータメモリから角速度センサ検出信号を時系列データとして抽出する角速度センサデータ抽出器と、
前記姿勢角較正センサ検出信号と前記角速度センサ検出信号とから姿勢角決定信号を生成するシーケンシャルカルマンフィルタ演算器と、
前記姿勢角決定信号から低周波姿勢検出信号を生成するローパスフィルタ演算器と、
前記低周波姿勢検出信号から低周波姿勢補間信号を生成する補間処理演算器と、
前記テレメトリデータメモリから高周波姿勢角センサ検出信号を時系列データとして抽出する高周波姿勢角センサデータ抽出器と、
前記高周波姿勢角センサ検出信号から高周波姿勢検出信号を生成するバンドバスフィルタ演算器と、
前記低周波姿勢補間信号と前記高周波姿勢角検出信号とから高精度姿勢検出信号を生成する姿勢データ生成器と、
を備えることを特徴とする人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置。
【請求項２】
前記補間処理演算器は、３次スプライン補間により前記低周波姿勢検出信号を補間することで前記低周波姿勢補間信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置。
【請求項３】
前記補間処理演算器は、前記低周波姿勢検出信号を線形近似補間することで前記低周波姿勢補間信号を発生し、さらに前記姿勢データ生成器において前記補間処理演算器から出力される前記低周波姿勢検出信号の補間値を用いて前記高周波姿勢角検出信号を補間することで前記高精度姿勢検出信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置。
【請求項４】
人工衛星からのデータをテレメトリデータメモリに格納し保持するステップと、
前記テレメトリデータメモリから姿勢角較正センサ検出信号を時系列データとして抽出する姿勢角較正センサデータ抽出ステップと、
前記テレメトリデータメモリから角速度センサ検出信号を時系列データとして抽出する角速度センサデータ抽出ステップと、
前記姿勢角較正センサ検出信号と前記角速度センサ検出信号とから姿勢角決定信号を生成するシーケンシャルカルマンフィルタ演算ステップと、
前記姿勢角決定信号から低周波姿勢検出信号を生成するローパスフィルタ演算ステップと、
前記低周波姿勢検出信号から低周波姿勢補間信号を生成する補間処理演算ステップと、
前記テレメトリデータメモリから高周波姿勢角センサ検出信号を時系列データとして抽出する高周波姿勢角センサデータ抽出ステップと、
前記高周波姿勢角センサ検出信号から高周波姿勢検出信号を生成するバンドバスフィルタ演算ステップと、
前記低周波姿勢補間信号と前記高周波姿勢角検出信号とから高精度姿勢検出信号を生成する姿勢データ生成ステップと、
を有することを特徴とする人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出方法。
【請求項５】
前記補間処理演算ステップでは、３次スプライン補間により前記低周波姿勢検出信号を補間することで前記低周波姿勢補間信号を発生することを特徴とする請求項４に記載の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出方法。
【請求項６】
前記補間処理演算ステップでは、前記低周波姿勢検出信号を線形近似補間することで前記低周波姿勢補間信号を発生し、さらに前記姿勢データ生成ステップにおいて前記補間処理演算器から出力される前記低周波姿勢検出信号の補間値を用いて前記高周波姿勢角検出信号を補間することで前記高精度姿勢検出信号を発生することを特徴とする請求項４に記載の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地上オフライン処理によって衛星の姿勢角変動を広帯域にわたり高精度に検出するための姿勢角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の姿勢決定装置の一例を示す構成図であり、１０１は姿勢角較正センサ、１０２は角速度センサ、３はシーケンシャルカルマン(Kalman)フィルタ演算器、１０４は姿勢角較正センサ検出信号、１０５は角速度センサ検出信号、１０６は姿勢角決定信号である。
【０００３】
図５では、角速度センサ１０２により検出した角速度センサ検出信号１０５と姿勢角較正センサ１０１により検出した姿勢角較正センサ検出信号１０４とをシーケンシャルカルマンフィルタ演算器３に入力し、衛星の姿勢角推定値である姿勢角決定信号１０６を発生する構成をとる。このときシーケンシャルカルマンフィルタ演算器３では、衛星に搭載された角速度センサ１０２（たとえばジャイロ）と姿勢角較正センサ１０１（たとえば恒星センサであるスタートラッカ：ＳＴＴ）が持つノイズ特性を確率モデルとして実現した上で、そのモデルを用いて各センサで検出した角速度センサ検出信号１０５と姿勢角較正センサ検出信号１０４とに含まれるノイズの推定ならびに除去を実施し、高精度な衛星の姿勢角決定信号１０６を生成する。
【０００４】
図５に示す従来の姿勢決定装置は、比較的容易な構成により実現可能であるため、本来、オンボード上の処理系（リアルタイム処理）として開発されたものであるが、地上において受信したテレメトリデータから角速度センサ検出信号１０５と姿勢角較正センサ検出信号１０４を時系列データとして抽出できれば、オフライン処理系でも容易に適用可能となる。そのため図５に示す従来の姿勢決定装置は、オンボード上処理系と地上処理系に共通の装置として広く利用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＳＴＴなどの姿勢角較正センサ１０１は一般に、計測精度は優れているものの計測周期は角速度センサ１０２と比較すると１０倍以上長いため、たとえ角速度センサ１０２の計測周期を向上させたとしても、むだ時間の影響で検出できる周波数帯域には限界がある。角速度センサ１０２だけを用いれば衛星姿勢変動を高周波数域まで検出することは可能だが、この場合には角速度センサ検出信号１０５に含まれるノイズの影響が大きくなるため、シーケンシャルカルマンフィルタ演算器３が発生する姿勢角決定信号１０６の精度は著しく劣化してしまうという問題点が生じる。
【０００６】
本発明は、広帯域で高精度な衛星姿勢検出ができる人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、上記の目的を達成するために、人工衛星からのデータを格納し保持するテレメトリデータメモリと、テレメトリデータメモリから姿勢角較正センサ検出信号を時系列データとして抽出する姿勢角較正センサデータ抽出器と、テレメトリデータメモリから角速度センサ検出信号を時系列データとして抽出する角速度センサデータ抽出器と、姿勢角較正センサ検出信号と角速度センサ検出信号とから姿勢角決定信号を生成するシーケンシャルカルマンフィルタ演算器と、姿勢角決定信号から低周波姿勢検出信号を生成するローパスフィルタ演算器と、低周波姿勢検出信号から低周波姿勢補間信号を生成する補間処理演算器と、テレメトリデータメモリから高周波姿勢角センサ検出信号を時系列データとして抽出する高周波姿勢角センサデータ抽出器と、高周波姿勢角センサ検出信号から高周波姿勢検出信号を生成するバンドバスフィルタ演算器と、低周波姿勢補間信号と高周波姿勢角検出信号とから高精度姿勢検出信号を生成する姿勢データ生成器とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このとき姿勢角較正センサとしてはスラートラッカ（ＳＴＴ）、角速度センサとしてはジャイロ、高周波姿勢角センサとしては液体を利用した角度変位センサなどを適用することで構成することができる。
【０００９】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、補間処理演算器において、３次スプライン補間により低周波姿勢検出信号を補間することで低周波姿勢補間信号を発生することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の発明は、第１の発明において、補間処理演算器において、低周波姿勢検出信号を線形近似補間することで低周波姿勢補間信号を発生し、さらに姿勢データ生成器において補間処理演算器から出力する低周波姿勢検出信号の補間値を用いて高周波姿勢角検出信号を補間することで高精度姿勢検出信号を発生することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明による人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置の第１の実施の形態を示す構成図である。図１で示すこのオフライン広帯域姿勢検出装置は、テレメトリデータメモリ２０，姿勢角較正センサデータ抽出器１、角速度センサデータ抽出器２、シーケンシャルカルマンフィルタ演算器３、ローパスフィルタ演算器４、高周波姿勢角センサデータ抽出器５、バンドパスフィルタ演算器６、補間処理演算器７、姿勢データ生成器８を備える。９は姿勢角較正センサ検出信号、１０は角速度センサ検出信号、１１は姿勢角決定信号、１２は低周波姿勢検出信号、１３は高周波姿勢角センサ検出信号、１４は高周波姿勢検出信号、１５は低周波補間信号、１６は高精度姿勢検出信号１６を示す。
【００１３】
本実施形態の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置は図１に示すように、従来の姿勢決定装置と同一のシーケンシャルカルマンフィルタ演算器３が生成する姿勢角決定信号１１をローパスフィルタ演算器４に入力することで得られる低周波姿勢検出信号１２を補間処理し生成した低周波姿勢補間信号１５と、高周波姿勢角センサデータ抽出器５が抽出する高周波姿勢角センサ検出信号１３をバンドパスフィルタ演算器６に入力することで得られる高周波姿勢検出信号１４とに対して姿勢データ生成器８において平均化及び加算処理を行い、高精度姿勢検出信号１６を発生する。
【００１４】
地上系では、衛星から地上局へ定期的に送信されるテレメトリデータが、連続した時系列データとしてテレメトリデータメモリ２０に格納される。そこで姿勢角較正センサデータ抽出器１と角速度センサデータ抽出器２と高周波姿勢角センサデータ抽出器５は、それぞれ、テレメトリデータメモリ２０に格納されたテレメトリデータから、共通の時刻列データに対応した角速度姿勢角較正センサ検出信号９と角速度センサ検出信号１０と高周波姿勢角センサ検出信号１３とを抽出し生成する。
【００１５】
このときシーケンシャルカルマンフィルタ演算器３では、姿勢角較正センサデータ抽出器１が発生する姿勢角較正センサ検出信号９を姿勢角較正データとする角速度センサ検出信号１０の伝播処理を実施し、姿勢角決定信号１１を生成する。さらにこの姿勢角決定信号１１はローパスフィルタ演算器４（カットオフ周波数ωc）に入力して低周波姿勢検出信号１２を得た後、補間処理演算器７においてサンプリング周期間の欠落したデータの補間処理を実施することで、短いサンプリング周期で取得されている高周波姿勢角センサ検出信号１３に対応したサンプリング周期の低周波姿勢補間信号１５が発生される。
【００１６】
一方、高周波姿勢角センサデータ抽出器５で生成した高周波姿勢角センサ検出信号１３を、低域側のカットオフ周波数ωl、広域側のカットオフ周波数ωhを設定したバンドパスフィルタ演算器６に入力することで、高周波姿勢検出信号１４が生成される。ただしバンドパスフィルタ演算器６の低域側カットオフ周波数ωlは、ローパスフィルタ演算器４で設定したカットオフ周波数ωcとの間でωl＝ωcとなるよう設定する。
【００１７】
最後に姿勢データ生成器８では、補間処理演算器７が発生する低周波姿勢補間信号１５とバンドパスフィルタ演算器６が発生する高周波姿勢検出信号１４を入力とし、これら二つの信号から広帯域の高精度姿勢角を生成し、それを高精度姿勢検出信号１６として発生する。
【００１８】
本発明の人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置は、その適用範囲を地上で受信する衛星からのテレメトリデータに基づくオフライン処理系に限定することで、テレメトリデータメモリ２０から抽出できる姿勢角較正センサ検出信号９と角速度センサ検出信号１０とからサンプリング周期の比較的長いデータである姿勢角決定信号１１を発生させた後、補間処理演算器７によりそのデータ列間を補間することで高周波姿勢角センサ検出信号１３から生成したデータ列である高周波姿勢検出信号１４に対応した低周波姿勢補間信号１５を生成し、姿勢データ生成器８において低周波姿勢補間信号１５と高周波姿勢検出信号１４を組み合わせることで、低域から高域まで広帯域における姿勢変動を高精度に検出できる点に特徴がある。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態の補間処理演算器７における補間処理に３次スプライン補間を適用することで低周波姿勢補間信号１５を発生する。
【００２０】
図２では、低周波姿勢検出信号１２と、低周波姿勢検出信号１２に対し３次スプライン補間を実施することで高周波姿勢検出信号１４と同一のサンプリング周期データとなる低周波姿勢補間信号１５との関係を示す。３次スプライン補間は、任意のサンプリング周期によって取得された離散データをスムージングする作用により、高精度のデータ補間が可能となる。本発明の第２の実施の形態では低周波姿勢検出信号１２のデータ間をこの３次スプライン補間によって補間し、低周波姿勢検出信号１２で欠落しているデータを近似することで、低周波姿勢検出信号１２の精度を維持しつつ高周波姿勢検出信号１４に対応した離散データの生成を可能とした。このとき姿勢データ生成器８では、補間処理演算部７で生成した低周波姿勢補間信号１５に対し、そのサンプリング時刻に対応した高周波姿勢検出信号１４を足し合わせるだけで高精度姿勢検出信号１６を発生できるため、高周波姿勢角センサ検出信号１３の検出精度が高精度姿勢検出信号１６の精度として反映される。
【００２１】
また本発明の第３の実施の形態では、第１の実施の形態の補間処理演算器７における補間処理に線形補間を適用し低周波姿勢補間信号１５を生成した上で、第１の実施の形態の姿勢データ生成器８において各サンプル毎に高周波姿勢検出信号１４と低周波姿勢補間信号１５との差をとり、低周波姿勢検出信号１２のサンプル周期単位でその差を平均化してその差の平均値を得た後に、この平均値と低周波姿勢補間信号１５との誤差値を角サンプルデータ毎に高周波姿勢検出信号１４に加え高精度姿勢検出信号１６を発生する。
【００２２】
図３は低周波姿勢検出信号１２と、低周波姿勢検出信号１２に対し線形補間を実施することで高周波姿勢検出信号１４と同一のサンプリング周期で得られる低周波姿勢補間信号１５との関係を示す。線形近似補間とは、任意のサンプリング周期で取得された２つの離散データを直線で結び、サンプリング間のデータ補間を実施することである。本発明の第３の実施の形態では、離散データとなる低周波姿勢検出信号１２のデータ欠落部分をこの線形近似補間によって補間することで、低周波姿勢検出信号１２の精度を維持しながらも高周波姿勢検出信号１４に対応した離散データを導出することを可能とした。
【００２３】
さらに図４は、姿勢データ生成器８において、高周波姿勢検出信号１４を低周波姿勢補間信号１５と足し合わせる際に用いる各サンプルデータ毎の誤差値Δ1〜Δnの意味を具体的に説明した図である。姿勢データ生成器８には高周波姿勢角センサ検出信号１３のサンプリング周期に対応した高周波姿勢検出信号１４と低周波姿勢補間信号１５が入力されるが、この時、姿勢データ生成器８ではそれぞれのデータを低周波姿勢検出信号１２のサンプリング周期で区切り（区間内に含まれるデータ数をnとする）、そこに含まれる同一時刻における各データ誤差をそれぞれΔ1〜Δnとした上で、それらの平均値ｄを下式のように定義し、この平均値ｄを高周波姿勢検出信号１４に足し合わせることで高精度姿勢検出信号１６を発生する。
【００２４】
【数１】
0003858574.tif 000002
補間処理演算器７で線形近似補間を適用した場合、その近似誤差が高周波姿勢検出信号１４の補正に大きな影響を及ぼす可能性が考えられるが、本発明の第３の実施の形態では、各データの誤差平均値dを導入することで、この線形近似補間の影響を平滑化し、発生する高精度姿勢検出信号１６の精度劣化を抑制できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のシーケンシャルカルマンフィルタから構成される姿勢決定装置に補間処理演算器及び姿勢データ生成器を組み合わせることで、高周波姿勢角センサによって検出した高周波姿勢検出信号との重ね合わせが容易に可能となり、その結果、高精度で広帯域な姿勢決定が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の形態において低周波姿勢検出信号に対する３次スプライン補間と低周波姿勢補間信号の関係を示す模式図である。
【図３】本発明の第３の形態における補間処理演算器で低周波姿勢検出信号に対する線形近似補間と低周波姿勢補間信号の関係を示す模式図である。
【図４】本発明の第３の形態における姿勢データ生成器で低周波姿勢検出信号に対する高周波姿勢検出信号と低周波姿勢補間信号との関係を示す模式図である。
【図５】従来例による人工衛星の姿勢検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１   姿勢角較正センサデータ抽出器
２  角速度センサデータ抽出器
３  シーケンシャルカルマンフィルタ演算器
４  ローパスフィルタ演算器
５  高周波姿勢角センサデータ抽出器
６  バンドパスフィルタ演算器
７  補間処理演算器
８  姿勢データ生成器
９  姿勢角較正センサ検出信号
１０  角速度センサ検出信号
１１  姿勢角決定信号
１２  低周波姿勢検出信号
１３  高周波姿勢角センサ検出信号
１４  高周波姿勢検出信号
１５  低周波姿勢補間信号
１６  高精度姿勢検出信号
２０  テレメトリデータメモリ
１０１  姿勢角較正センサ
１０２  角速度センサ
１０４  姿勢角較正センサ検出信号
１０５  角速度センサ検出信号
１０６  姿勢角決定信号
【図１】
0003858574.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003858574.tif 000005
【図４】
0003858574.tif 000006
【図５】
0003858574.tif 000007