JP2002068100A - 人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置及びその方法 - Google Patents

人工衛星のオフライン広帯域姿勢検出装置及びその方法

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JP2002068100A
JP2002068100A JP2000265553A JP2000265553A JP2002068100A JP 2002068100 A JP2002068100 A JP 2002068100A JP 2000265553 A JP2000265553 A JP 2000265553A JP 2000265553 A JP2000265553 A JP 2000265553A JP 2002068100 A JP2002068100 A JP 2002068100A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域で高精度な衛星姿勢検出が可能なオフ
ライン姿勢決定装置を提供する。 【解決手段】 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１
２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。補間処理演算
部７と姿勢データ生成器８を用いて低周波姿勢検出信号
１２と高周波姿勢検出信号１４を組み合わせることで、
高精度でかつ広帯域な姿勢決定が実現できる。

Description

【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、１０
５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１
０１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１０
２（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１
０６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
とから高周波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１
０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ω l
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１
５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】 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
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年８月１５日（２００１．８．１
５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【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。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
    から高周波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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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
    から高周波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。
  5. 【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。
  6. 【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。
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