JP6583642B2 - 宇宙航行体、宇宙航行体用コントローラ、制御方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、人工衛星などの宇宙航行体に関する。

特許文献１は、人工衛星の姿勢制御を開示している。特許文献１の人工衛星は、地球に対する姿勢を検出するために、姿勢の基準となる地球をスキャンする地球センサを開示している。

特開平７−２１９４号公報

特許文献１の地球センサは、人工衛星の地球指向面だけに設けられている。地球指向面が地球を概ね指向した状態で人工衛星の姿勢が安定しているときには、地球指向面だけに設けられた地球センサであっても、常に、地球をスキャンし、人工衛星の姿勢誤差を検出することができる。

しかし、人工衛星の姿勢が不安定になり、地球を指向すべき地球センサが地球を指向しなくなることがある。地球センサが、地球を指向していなければ、地球のスキャンが行えず、人工衛星の姿勢を把握できなくなり、姿勢制御が困難となる。姿勢の不安定は、比較的小型の衛星、例えば、超小型衛星において、特に生じやすい。

姿勢が不安定になるのは、例えば、人工衛星が軌道に投入されたときである。人工衛星を軌道に投入するための衛星放出機構は、その機構原理上、衛星投入時に人工衛星を無スピンにできないことが多い。人工衛星がスピンすると、地球センサが常に地球を指向できなくなる。また、何らかの異常が発生し、人工衛星の姿勢が不安定になって、人工衛星がスピンしたり、人工衛星の地球指向面が地球を指向しなくなったりすることもある。

このように、地球センサだけで姿勢制御を行うのは困難であるため、地球センサ以外に、人工衛星の姿勢を大まかに安定させるための機構を人工衛星に別途備える必要が生じる。しかし、姿勢安定機構が別途必要となると、人工衛星の大型化・コスト高を招く。しかも、超小型衛星のような比較的小型の衛星の場合、大きさの制約上、そのような機構を備えることが非常に困難なこともある。

したがって、人工衛星のような宇宙航行体の姿勢が不安定になっても、地球のような基準天体を基準として姿勢を制御できることが望まれる。

本発明の一つの実施形態においては、全天球撮影装置によって撮影された画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、宇宙航行体の姿勢制御が行われる。これにより、宇宙航行体の姿勢が不安定になっても、基準天体を基準として姿勢を制御できる。

人工衛星の斜視図である。 人工衛星の構成を示すブロック図である。 撮影装置及び画像処理プロセッサのブロック図である。 処理選択のためのフローチャートである。 第１処理のフローチャートである。 第２処理のフローチャートである。 ２つの画像を用いた処理のフローチャートである。 姿勢制御のフローチャートである。

［１．宇宙航行体］

（１）実施形態に係る宇宙航行体は、例えば、人工衛星又は惑星間航行体である。人工衛星は、例えば、通信衛星、放送衛星、気象観測衛星、地球観測衛星、測位衛星であるが、その種類は特に限定されない。人工衛星は、商業用途であってもよいし、研究用途であってもよく、その用途は特に限定されない。人工衛星の大きさも、特に限定されないが、小型衛星であってもよいし、超小型衛星であってもよい。ここで、小型衛星とは、重量が５００ｋｇ以下のものとし、超小型衛星とは、重量が１００ｋｇ以下のものとする。超小型衛星は、５０ｋｇ以下であるのが好ましく、１０ｋｇ以下であるのがより好ましく、５ｋｇ以下であるのがさらに好ましい。

超小型衛星は、例えば、１ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよいし、２ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよいし、３ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよい。ここで、１ＵのＣｕｂｅＳａｔとは、１００×１００×１００ｍｍサイズ（高さ×縦×横；以下同様）の人工衛星である。２ＵのＣｕｂｅＳａｔとは、２００×１００×１００ｍｍサイズの人工衛星である。３ＵのＣｕｂｅＳａｔとは、３００×１００×１００ｍｍサイズの人工衛星である。

超小型衛星は、例えば、１ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよいし、１．５ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよいし、２ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよい。ここで、１ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔとは、５０×５０×５０ｍｍサイズの人工衛星である。１．５ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔとは、８９×５０×５０ｃｍサイズの人工衛星である。２ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔとは、１５３×５０×５０ｃｍサイズの人工衛星である。

人工衛星は、一般に、宇宙ステーション又はロケットに搭載された衛星放出機構から放出された後、軌道に乗る。衛星放出機構は、例えば、Picosatellite Orbital Deployer（ＰＯＤ）である。超小型衛星は、衛星放出機構から放出される際に、スピンすることが多い。

実施形態に係る宇宙航行体は、全天球撮影装置を備えることができる。ここで、全天球とは、人工衛星を中心として描かれる球を想定した場合に、その球の面の全体をいう。全天球撮影装置とは、人工衛星を中心として描かれる球を想定した場合に、その球の面の全体を撮影することができる装置をいう。全天球撮影装置は、人工衛星を中心とした上下左右前後方向の全方位において、ほぼ死角なく撮影をすることができる。全天球撮影装置は、全天球カメラともいわれる。

全天球撮影装置は、例えば、２つの半天球カメラを有して構成される。半天球とは、全天球の半分である。半天球カメラは、半天球を撮影する。第１の半天球カメラによって、全天球の一方の半天球を撮影し、第２の半天球カメラによって、全天球の他方の半天球を撮影することで、全天球の撮影が行える。全天球撮影装置は、３以上のカメラで、全天球の撮影を行うものであっても良い。

全天球撮影装置は、可視光を感知することで撮影するものであってもよいし、赤外線を感知することで撮影するものであってもよい。ここで、赤外線は、遠赤外線であってもよいし、近赤外線であってもよい。

実施形態に係る宇宙航行体は、宇宙航行体の姿勢制御をするコントローラを備える。実施形態のコントローラは、全天球撮影装置によって撮影された画像中の基準天体に基づいて、宇宙航行体の姿勢制御をする。全天球撮影装置は、人工衛星からみた全方位を撮影できるため、人工衛星の姿勢が変化しても死角は生じない。したがって、人工衛星のスピンなどによって、人工衛星の姿勢が変化しても、確実に、基準天体を撮影することができる。この結果、人工衛星の姿勢が大きく変化しても、コントローラは、基準天体を見失うことなく、基準天体に基づいて、姿勢制御をすることができる。

姿勢制御は、人工衛星のスピンを抑制するデスピン制御、又は、人工衛星を所望の向きに指向させる指向制御を含むことができる。デスピン制御又は指向制御等を確実に行うため、姿勢制御は、３軸姿勢制御であるのが好ましい。３軸姿勢制御とは、人工衛星におけるロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の３軸で姿勢を制御することである。

ここで、全天球撮影装置によって撮影された画像は、全天球が撮影された画像である。以下では、全天球が撮影された画像を、全天球画像という。全天球画像は、１つの画像データによって構成されてもよいし、複数の画像データによって構成されてもよい。全天球が複数のカメラによって分担して撮影された場合、複数の画像データが得られる。これら複数の画像データを全天球画像として取り扱っても良いが、複数の画像データを合成した一つの画像データを全天球画像として取り扱うのが好ましい。１つの画像データが全天球を表していることで、画像解析などの処理が容易となる。

基準天体とは、人工衛星の姿勢の基準となる天体である。天体とは、宇宙空間に存在する物体である。天体は、例えば、地球若しくはその他の惑星、月若しくはその他の衛星、すい星、太陽若しくはその他の恒星、星団、星雲、又は銀河である。天体は、他の宇宙航行体又はその他の人工物であってもよい。全天球画像中において基準天体となる天体は、１つでもよいし、複数でも良い。例えば、基準天体を、地球のみとしてもよいし、地球及び太陽としてもよいし、地球及び月としてもよいし、地球・太陽及び月としてもよい。全天球撮影装置は、人工衛星からみた全方位を撮影できるため、複数の天体を容易に撮影することができる。

（２）実施形態のコントローラが行う姿勢制御は、宇宙航行体に生じるスピンを抑制し、宇宙航行体を、少なくとも１つの基準天体に指向させることを含むことができる。スピンを抑制し、宇宙航行体を基準天体に指向させることが安定した姿勢が得られる。ここで、「スピンを抑制する」ことは、スピンを完全に停止させることであってもよいし、スピンを完全に停止させずにスピンを抑えることであってもよい。「宇宙航行体を少なくとも１つの基準天体に指向させる」とは、宇宙航行体を基準天体に向けることであり、例えば、宇宙航行体がある基準天体に指向すべき面を有する場合、その面を、基準天体に向けることをいう。

（３）実施形態のコントローラが行う姿勢制御は、画像中の基準天体の表面パターンに基づく姿勢の制御を含むのが好ましい。基準天体の表面パターンとは、撮影された基準天体の外観である。地球の表面パターンは、例えば、大陸や海の形状によって決まる。基準天体の表面パターンを姿勢制御に用いると、基準天体上の特定の位置へ宇宙航行体を精度良く指向させることができる。

（４）１又は複数の基準天体は、第１天体と、第１天体とは異なる第２天体と、を含むのが好ましい。基準天体は、３以上であってもよい。実施形態のコントローラが行う姿勢制御は、画像中の第１天体に基づいて、宇宙航行体を基準とする第１の向きを第１天体に指向させ、画像中の第２天体に基づいて、第１の向きに沿った方向に沿った軸回りの姿勢を、前記画像中の前記第２天体の位置に基づいて調整することを含むことができる。この場合、宇宙航行体は、複数の天体の位置関係に応じた適切な姿勢をとることができる。

（５）第１天体は、例えば、地球である。第１天体は、例えば、航行の目標となる天体又はその他の天体であってもよい。第２天体は、例えば、太陽である。第２天体は、その他の天体であってもよい。

（６）実施形態の全天球撮影装置は、全天球の可視光画像及び全天球の赤外線画像を得るよう構成されていてもよい。実施形態のコントローラは、可視光画像及び赤外線画像のいずれか一方の画像を選択し、選択された画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、姿勢制御をすることができる。

（７）実施形態のコントローラは、可視光画像中の１又は複数の基準天体及び赤外線画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、姿勢制御をすることができる。

（８）実施形態において、宇宙航行体は、超小型衛星であるのが好ましい。

（９）実施形態において、コントローラは、全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、宇宙航行体の姿勢制御をすることができる。

（１０）実施形態において、宇宙航行体の姿勢制御をする方法は、全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づく。

（１１）実施形態において、コンピュータプログラムは、全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、宇宙航行体の姿勢制御をすることを含む処理をコンピュータに実行させる。コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納される。記憶媒体に格納されたコンピュータプログラムは、プロセッサによって実行される。

［２．超小型衛星の例］

図１は、超小型衛星１０の例を示している。この衛星１０は、例えば、１ＵのＣｕｂｅＳａｔであり、地球の地上局との間で無線通信を行う通信衛星である。衛星１０から送信されるデータは、例えば、衛星１０によって撮影された画像データである。

画像データは、静止画像データであってもよいし、動画像データであってもよい。動画像データは、例えば、人工衛星から撮影した宇宙ライブ映像である。動画像データのような大容量のデータを伝送するには、大きな無線伝送帯域を必要とする。大容量のデータ伝送には、例えば、Ｋｕ帯のような高周波領域が用いられるのが好ましい。Ｋｕ帯のような、高周波領域では波長が短いため、通信アンテナを小型化できる。小型のアンテナは、超小型衛星に適している。

衛星１０は、地球指向面１１ａを有する。地球指向面１１ａは、衛星１０において、地球に向くべき面である。地球指向面１１ａには、地球の地上局との通信のための通信アンテナ３０が設けられている。アンテナ３０は、円偏波アンテナであるのが好ましい。十分な電波信号電力を地上まで送るには、アンテナ３０の方向を精度良く、地上アンテナに向ける必要がある。アンテナ３０を精度良く地上アンテナに向けるべく、実施形態に係る衛星１０は高い精度で姿勢制御される。高精度の姿勢制御により、アンテナ２０が設けられている地球指向面１１ａは、精度良く地上アンテナに向けられる。

なお、地球指向面１１ａには、アンテナ３０に代えて、又はアンテナ３０に加えて、衛星１０の種類に応じた他のデバイスが設けられても良い。他のデバイスは、例えば、地球を観測するためのセンサである。

図１においては、衛星１０の軌道に沿って進行する向きをＸとし、衛星１０から地球の中心に向く向きをＺとし、右手直交系においてＸ及びＺと直交する向きをＹとする。図１の衛星１０は、立方体形状であり、その表面に、地球指向面１１ａを含む６つの面１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有する。

図１では、衛星１０において、地球指向面１１ａ及びその反対面１１ｂに直交する軸を、ｚ軸としている。以下では、ｚ軸をヨー軸ともいい、ｚ軸方向をヨー方向ともいう。ｚ軸が、地球指向面１１ａが地球の中心に向いている場合、ｚ軸方向はＺ方向と一致する。ｚ軸方向がＺ方向と一致しているときにＸ方向と一致する軸をｘ軸とし、Ｙ方向と一致する軸をｙ軸とする。以下では、ｘ軸をロール軸ともいい、ｘ軸方向をロール方向ともいう。また、ｙ軸をピッチ軸ともいい、ｙ軸方向をピッチ方向ともいう。

衛星１０は、ｘ軸と直交する第１面１２ａ及び第２面１２ｂと、ｙ軸と直交する第３面１２ｃ及び第４面１２ｄを有する。第１面１２ａ及び第２面１２ｂには、それぞれ、全天球撮影装置５０の魚眼レンズ２１及び魚眼レンズ２２が設けられている。魚眼レンズ２１は、魚眼レンズ２１側の半天球を撮影するためのものであり、魚眼レンズ２２は、魚眼レンズ２２側の半天球を撮影するためのものである。２つの魚眼レンズ２１，２２により、衛星１０を中心とした全天球を、ほぼ死角なく、撮影することができる。

魚眼レンズ２１，２２は、面１２ｃ及び面１２ｄに設けられていても良いし、地球指向面１１ａ及び反対面１１ｂに設けられていても良い。ただし、レンズ２１，２２を地球指向面１１ａ以外の面に配置することで、地球指向面１１ａにおいて、アンテナ３０等の設置スペースを広く確保できる。

実施形態において、面１２ｃには、太陽光発電パネル４０が設けられている。太陽光発電パネル４０は、衛星４０の動作のための電力を発生させる。太陽光パネル４０は、面１１ｄ及び面１２ｄに設けられていても良い。

図２に示すように、衛星１０は、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、衛星１０に内蔵され、衛星１０の姿勢制御等をする。コントローラ７０は、プロセッサ７１とメモリ７２とを備えるコンピュータによって構成されている。プロセッサ７１は、メモリ７２に記憶されたコンピュータプログラム７３を実行する。プログラム７３は、衛星１０の姿勢解析モジュール７３ａ、姿勢制御モジュール７３ｂ、通信処理モジュール７３ｃなどの様々な処理モジュールを有する。メモリ７２は、撮影装置５０によって撮影された画像を保存するための領域７４も有する。

衛星１０は、姿勢制御用のアクチュエータ８０を備える。アクチュエータ８０は、ｘｙｚ軸の３軸の姿勢制御をする。アクチュエータ８０は、例えば、磁気トルカを有する。2軸の磁気トルカとその補完する１軸の駆動装置、たとえば、モーメンタムホイルの組み合わせで、３軸の姿勢制御が可能となる。磁気トルカは、小型であるため、超小型衛星の姿勢制御には適している。アクチュエータ８０は、磁気トルカに限られず、例えば、スラスタであってもよい。スラスタも３軸姿勢制御を行える。また、３軸のモーメンタムホイルとの組み合わせでも、３軸の姿勢制御は行える。

アクチュエータ８０は、インタフェース７６を介して、コントローラ７０のプロセッサ７１に接続されている。コントローラ７１は、アクチュエータ８０に対して、姿勢制御のための制御信号を与える。アクチュエータ８０は、コントローラ８０からの制御信号に応じて作動する。

衛星１０は、衛星１０の姿勢解析のため、撮影装置５０を備える。撮影装置５０は、衛星１０を中心とした全天球を撮影する。撮影装置５０は、姿勢の基準となる天体として、少なくとも地球を撮影することができる。撮影装置５０によって得られた画像は、画像処理プロセッサ６０によって、画像処理され、コントローラ７０に与えられる。画像処理プロセッサ６０は、インタフェース７５を介して、プロセッサ７１に接続されている。コントローラ７０は、得られた画像を、画像保存領域７４に保存することができる。コントローラ７０は、得られた画像における基準天体としての地球の動き及び位置に基づいて、衛星１０の姿勢を解析する。姿勢解析の処理は、姿勢解析モジュール７３ａが担う。

画像において地球が静止せずに動いていれば、衛星１０にスピンが生じている。姿勢解析モジュール７３ａは、画像における地球の動きの速度と方向に基づいて、衛星１０のスピンの角速度とスピン方向とを求めることができる。また、画像において地球が静止していたとしても、画像における地球の位置が、地球指向面１１ａが地球を正しく指向しているときにあるべき位置から外れていれば、衛星１０には姿勢誤差がある。姿勢解析モジュール７３ａは、画像における地球の位置から、衛星１０の姿勢誤差を求めることができる。

コントローラ７０が、姿勢解析に用いる画像は、全天球画像である。全天球画像には、衛星１０がスピンをしているときや、姿勢が大きく崩れていているときでも、姿勢の基準となる地球が常に写っている。したがって、コントローラ７０は、スピンのような衛星の動きを含む姿勢解析を常に行うことができる。なお、撮影された画像は、アンテナ３０から地球へ送信されてもよい。

姿勢制御モジュール７３ｂは、衛星１０の角速度、スピン方向、姿勢誤差等の姿勢解析情報に基づいて、衛星１０を姿勢制御する。姿勢制御モジュール７３ｂは、姿勢解析情報に基づき、アクチュエータ８０を作動させるための制御信号を、アクチュエータ８０へ出力する。コントローラ７０は、衛星１０のスピンを抑制し、地球指向面１１ａが地球を指向するように、アクチュエータ８０を制御する。コントローラ７０は、地球指向面１１ａに直交するｚ軸方向が、地上アンテナへ向くようにアクチュエータ８０を制御する。これにより、アンテナ２０が地上アンテナに向けられ、良好な衛星通信が可能となる。

コントローラ７０には、インタフェース７７を介して、無線通信機１００が接続されている。無線通信機１００は、アンテナ３０を備える。無線通信機１００は、通信処理モジュール７３ｃから与えられた通信信号から無線周波数の信号を生成し、その信号をアンテナ３０から地上アンテナへ送信する。無線通信機１００は、地上アンテナから送信された信号を受信することもできる。

撮影装置５０、画像処理プロセッサ６０、コントローラ７０、アクチュエータ８０、及び無線通信機１００等の衛星１０の各部に供給される電力は、太陽光発電パネル４０によって発電される。発電された電力は、バッテリ９０に蓄電され、バッテリ９０から各部へ電力が供給される。

図３は、撮影装置５０の例を示している。図３に示す撮影装置５０は、可視光画像及び赤外線画像を取得する。ただし、撮影装置５０は、可視光画像だけを取得するものであってもよいし、赤外線画像だけを取得するものであってもよい。

撮影装置５０は、全天球撮影のため、前述のように、第１のレンズ２１と第２のレンズ２２とを備える。第１のレンズは、全天球のうちの第１の半天球分の視野の光を集光する。第２のレンズは、全天球のうちの残りの半天球である第２の半天球分の視野の光を集光する。なお、レンズ２１により集光される視野と、レンズ２２により集光される視野とは、単一の全天球画像生成を容易にするために、一部重複しているのが好ましい。

第１のレンズ２１によって集光された第１の半天球分の視野の光は、スプリッタ５２ａを介してイメージセンサ５３ａ，５４ａに与えられる。スプリッタ５２ａは、可視光を反射し、赤外線を透過させる。イメージセンサ５３ａは、可視光を電気信号に変換する。つまり、イメージセンサ５３ａは、第１の半天球に対応した第１可視光画像２０１を出力する。イメージセンサ５４ａは、赤外線を電気信号に変換する。つまり、イメージセンサ５４ａは、第１の半天球に対応した第１赤外線画像３０１を出力する。

第２のレンズ２２によって集光された第２の半天球分の視野の光は、スプリッタ５２ｂを介して、イメージセンサ５３ｂ，５４ｂに与えられる。スプリッタ５２ｂは、可視光を反射し、赤外線を透過させる。イメージセンサ５３ｂは、可視光を電気信号に変換する。つまり、イメージセンサ５３ｂは、第２の半天球に対応した第２可視光画像２０２を出力する。イメージセンサ５４ｂは、赤外線を電気信号に変換する。つまり、イメージセンサ５４ｂは、第２の半天球に対応した第２赤外線画像３０２を出力する。

イメージセンサ５３ａ，５４ａ、５３ｂ，５４ｂから出力された画像は、画像処理プロセッサ６０に与えられる。画像処理プロセッサ６０は、第１可視光画像２０１及び第２可視光画像を組み合わせて、単一の可視光全天球画像２０３を生成する。また、画像処理プロセッサ６０は、第１赤外線画像３０１及び第２赤外線画像３０２を組み合わせて、単一の赤外線全天球画像３０３を生成する。画像処理プロセッサ６０は、画像２０３，３０３をコントローラ７１へ送信する。コントローラ７０の姿勢解析モジュール７３ａは、画像２０３，３０３のいずれか一方又は両方を用いて、衛星１０の姿勢を解析する。

図４に示すように、姿勢解析モジュール７３ａは、ステップＳ１において、可視光全天球画像２０３を用いた姿勢解析をする第１処理Ｓ２−１と、赤外線全天球画像３０３を用いた姿勢解析をする第２処理Ｓ２−２とのいずれを実行するかを、選択する。この選択は、複数の画像２０３，３０３のうち姿勢解析により適した画像を、姿勢解析に用いるため行われる。選択は、例えば、時間に基づいて行われてもよいし、いずれの画像が地球をより鮮明に撮影しているかの評価に基づいて行われてもよい。

赤外線画像３０３は、地球の昼夜を問わず、地球の輪郭を映し出すことができるため、多くの時間帯において、姿勢解析に適している。ただし、撮影している地球が昼間であるときには、可視光画像のほうが地球表面のパターンを示す情報（地形や都市・国等の位置などの情報）をより精度良く得られるため、より正確な姿勢制御に適している。この観点から、ステップＳ１の選択処理では、姿勢解析により適した画像を用いる処理が選択される。

図５は、第１処理Ｓ２−１の例を示している。第１処理Ｓ２−１では、姿勢解析モジュール７３ａが、ステップＳ１２において可視光全天球画像２０３を読み出し、ステップＳ１３において基準天体である地球の画像２０３中での動き及び位置を解析することで衛星１０の姿勢解析情報を得る。姿勢解析情報は、前述のように、衛星１０の角速度、スピン方向、姿勢誤差等を含む。姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ１４において、姿勢解析情報に基づいて、アクチュエータ８０を作動させる。

図６は、第２処理Ｓ２−２の例を示している。第２処理Ｓ２−２では、姿勢解析モジュール７３ａが、ステップＳ２２において赤外線全天球画像３０３を読み出し、ステップＳ２３において基準天体である地球の画像３０３中での動き及び位置を解析することで衛星１０の姿勢解析情報を得る。姿勢解析情報は、前述のように、衛星１０の角速度、スピン方向、姿勢誤差等を含む。姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ２４において、姿勢解析情報に基づいて、アクチュエータ８０を作動させる。

図７は、姿勢解析モジュール７３ａが、可視光全天球画像２０３及び赤外線全天球画像の両方を用いて姿勢解析をする場合の手順を示している。姿勢解析モジュール７３ａは、ステップＳ３１及びステップＳ３２において、可視光全天球画像２０３及び赤外線全天球画像３０３を読み出す。姿勢解析モジュール７３ａは、ステップＳ３３において、両画像３０３を用いて、姿勢解析をする。両画像３０３を用いた姿勢解析では、例えば、地球の明るい部分（昼間の部分）については可視光全天球画像２０３から得られる情報が用いられ、暗い部分（夜間の部分）については、遠赤外線全天球画像から得られる情報が用いられる。撮影された地球に明るい部分と暗い部分とが共存している場合には、両画像２０３，３０３から得られる情報を補完的に用いることで、より精度の高い姿勢解析情報が得られ、特に、姿勢誤差を精度よく求めることができる。姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ３４において、姿勢解析情報に基づいて、アクチュエータ８０を作動させる。

図８は、ステップＳ１３，Ｓ２４，Ｓ３４の姿勢制御処理を示している。姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ４１において、基準天体（第１天体）である地球が、画像２０３，３０３において、移動しているか否か（画像中の位置が変化しているか否か）を判定する。移動しているか否かは、例えば、姿勢解析情報に含まれる角速度及びスピン方向の情報に基づいて行われる。画像２０３，３０３中の地球が移動していると判定された場合、衛星１０はｘ軸（ロール軸）回り及び／又はｙ軸（ピッチ軸）回りにスピンしている。そこで、姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ４２において、アクチュエータ８０を作動させ、ロール軸及び／又はピッチ軸回りのスピンを抑制する。スピン抑制のための制御量は、角速度及びスピン方向に基づいて決定される。

ステップＳ４３において、姿勢制御モジュール７３ｂは、画像２０３，３０３における地球（第１天体）の位置が正しいか否かを判定する。この位置判定に用いられる全天球画像２０３，３０３は、例えば、図５及び図６に示すフォーマットを有する。図５及び図６の画像２０３，３０３においては、横方向θ_１が−１８０°から＋１８０°までの水平方位に対応し、縦方向θ_２が−９０°から＋９０°までの垂直方位に対応している。なお、横方向θ_１は、ｘｚ平面における方位角であり、縦方向θ_２はｙ軸方向の方位角である。

例えば、地球指向面１１ａが地球に対向するとともにｚ軸が地球の中心を指向するのが正しい姿勢であるときにおいては、画像２０３，３０３における地球Ｅ１、Ｅ３の中心位置が、（θ_１，θ_２）＝（０，０）の位置にあれば、衛星１０が正しい姿勢をとっていることになる。これに対し、画像２０３，３０３における地球Ｅ１，Ｅ３の中心位置が、（θ_１，θ_２）＝（０，０）から外れていると、姿勢誤差があり、正しい姿勢ではないことがわかる。

地球の位置が正しくないと判定すると、姿勢制御モジュール７３は、ステップＳ４４において、アクチュエータ８０を作動させ、ロール軸及び／又はピッチ軸回りに衛星の姿勢を変更して、正しい姿勢を取るようにする。これにより、ｚ軸が地球の特定の目標位置（例えば、地上アンテナの位置）に向かう方向に一致する適切な姿勢が得られる。

例えば、目標位置が日本の東京である場合、画像２０３，３０３において、東京の位置を探索し、探索された位置の座標が（θ_１，θ_２）＝（０，０）になるように姿勢が制御される。なお、目標位置の探索には、赤外線全天球画像３０３よりも可視光全手球画像２０３のほうが適している。

なお、ｚ軸が、指向すべき目標位置（例えば、地上アンテナの位置）に正しく指向しているか否かは、画像２０３，３０３に基づいて判定してもよい。この判定は、例えば、基準全天球画像２０５，３０５と画像２０３，３０３との対比によって行われる。基準画像２０５，３０５は、メモリ７２に予め格納されている。基準画像２０５，３０５は、例えば、制御時の時刻において、ｚ軸が目標位置を正しく指向している場合の画像である。画像２０３における地球の像が、基準画像２０５における地球の像に一致するように、姿勢制御することで、正しい姿勢が得られる。基準画像２０５を用いる場合も可視光画像２０３を用いるほうが好ましい。

ステップＳ４５において、姿勢制御モジュール７３ｂは、画像２０３，３０３における地球の像が回転しているか否かを判定する。衛星１０がｚ軸回りにスピンしている場合、画像２０３，３０３中で地球の位置が変化せず静止していても、静止した状態で地球が回転する。地球の像の回転の有無は、地球の表面パターンの変化の有無によって判定される。表面パターンの変化の有無を判定するには、可視光画像２０３を用いるほうが好ましい。

衛星１０がｚ軸回りだけでスピンしていても、通信アンテナ３０が円偏波アンテナであれば、問題はないが、ｚ軸回りのスピンが問題となる場合、姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ４６において、アクチュエータ８０を作動させ、ｚ軸（ヨー軸）回りのスピンを抑制する。スピン抑制のための制御量は、地球の回転の角速度及び回転方向に基づいて決定される。

以上の３軸姿勢制御により、地球指向面１１ａが、地球の目標位置を指向した姿勢で衛星１０を安定させることができる。ただし、姿勢制御モジュール７３ｂは、太陽光発電効率を上げるため、ステップＳ４７の姿勢制御も行う。ステップＳ４７の姿勢制御では、ｚ軸（ヨー軸）回りの姿勢だけが制御される。

太陽光発電パネル４０は、太陽に対して正対していると発電効率が最も高くなるため、太陽光発電パネル４０はできるだけ太陽に正対しているのが好ましい。そこで、姿勢制御モジュール７３ｂは、ステップＳ４７において、画像２０３，３０３における太陽（第２天体）の位置に基づいて、太陽光発電パネル４０が設けられている面１２ｃが、できるだけ太陽の方を指向するようにｚ軸回りに衛星１０の姿勢を変更する。この姿勢制御により、太陽光発電パネル４０の向きを太陽の位置に応じて変更することができる。なお、ステップＳ４７の姿勢制御では、ｚ軸（ヨー軸）回りの姿勢だけが制御され、ｘ軸及びｙ軸回りの姿勢は変化しないため、地球指向面１１ａが地球の目標位置を指向した姿勢は維持される。

本実施形態では、衛星１０は、全天球撮影装置５０を備えているため、衛星１０がどのような姿勢であっても、地球及び太陽という位置関係が変化し得る二つの天体を常に同時に撮影することができる。

［３．変形］

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１０ 人工衛星
１１ａ 地球指向面
１１ｂ 反対面
１２ａ 第１面
１２ｂ 第２面
１２ｃ 第３面
１２ｄ 第４面
２１ 第１魚眼レンズ
２２ 第２魚眼レンズ
３０ アンテナ
４０ 太陽光発電パネル
５０ 全天球撮影装置
６０ 画像処理プロセッサ
７０ コントローラ
７１ プロセッサ
７２ メモリ
７３ コンピュータプログラム
７３ａ 姿勢解析
７３ｂ 姿勢制御
７３ｃ 通信処理
７４ 画像保存領域
７５ インタフェース
７６ インタフェース
７７ インタフェース
８０ アクチュエータ
９０ バッテリ
１００ 無線通信機

Claims (11)

1. 宇宙航行体を中心とした全天球画像を撮影するように前記宇宙航行体に配置された複数の面から撮影が可能な全天球撮影装置と、
   前記全天球画像を解析し、前記全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記宇宙航行体の姿勢制御をするコントローラと、
   を備える宇宙航行体。
2. 前記全天球撮影装置は、
   前記宇宙航行体を中心とした全天球の一方の半球を撮影するように前記宇宙航行体に設けられた第１半天球カメラと、
   前記全天球の他方の半球を撮影するように、前記宇宙航行体において前記第１半天球カメラが設けられた位置の反対側に設けられた第２半天球カメラと、
   を有する請求項１に記載の宇宙航行体。
3. 前記姿勢制御は、前記画像中の前記基準天体の表面パターンに基づく姿勢の制御を含む
   請求項１又は２に記載の宇宙航行体。
4. １又は複数の前記基準天体は、第１天体と、前記第１天体とは異なる第２天体と、を含み、
   前記姿勢制御は、
   前記画像中の前記第１天体に基づいて、前記宇宙航行体を基準とする第１の向きを前記第１天体に指向させ、
   前記画像中の前記第２天体に基づいて、前記第１の向きに沿った方向に沿った軸回りの姿勢を、前記画像中の前記第２天体の位置に基づいて調整することを含む
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の宇宙航行体。
5. 前記第１天体は、地球であり、前記第２天体は、太陽である
   請求４に記載の宇宙航行体。
6. 前記全天球撮影装置は、全天球の可視光画像及び全天球の赤外線画像を得るよう構成され、
   前記コントローラは、前記可視光画像及び前記赤外線画像のいずれか一方の画像を選択し、選択された画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記姿勢制御をする
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の宇宙航行体。
7. 前記全天球撮影装置は、全天球の可視光画像及び全天球の赤外線画像を得るよう構成され、
   前記コントローラは、前記可視光画像中の１又は複数の基準天体及び前記赤外線画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記姿勢制御をする
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の宇宙航行体。
8. 超小型衛星である請求項１〜７のいずれか１項に記載の宇宙航行体。
9. 宇宙航行体を中心とした全天球を撮影した全天球画像を撮影するように前記宇宙航行体に配置された複数の面から撮影が可能な全天球撮影装置によって撮影された前記全天球画像を解析し、前記全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記宇宙航行体の姿勢制御をするコントローラ。
10. 宇宙航行体を中心とした全天球を撮影した全天球画像を撮影するように前記宇宙航行体に配置された複数の面から撮影が可能な全天球撮影装置によって撮影された前記全天球画像を解析し、前記全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記宇宙航行体の姿勢制御をする方法。
11. 処理をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
    前記処理は、宇宙航行体を中心とした全天球を撮影した全天球画像を撮影するように前記宇宙航行体に配置された複数の面から撮影が可能な全天球撮影装置によって撮影された前記全天球画像を解析し、前記全天球画像中の１又は複数の基準天体に基づいて、前記宇宙航行体の姿勢制御をすることを含む
    コンピュータプログラム。
    

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