JP2006277007A - 観測衛星、衛星通信地上局及び観測衛星システム - Google Patents

Abstract

【課題】衛星搭載の撮像装置が撮像した画像の中で参照画像との比較により必要となる領域のみを抽出し、その参照画像との差分データを送信することにより、伝送効率のよい観測衛星、衛星通信地上局及び観測衛星システムを得る。
【解決手段】衛星位置を算出する衛星位置検出器と、衛星姿勢を算出する衛星姿勢検出器と、登録番号毎に観測対象位置と参照画像とを格納した衛星搭載データベースと、衛星姿勢変更データを算出して前記姿勢変更装置に出力すると共に撮像タイミングを算出して撮像装置に出力する計算機と、撮像タイミングに基いて撮像し撮像した画像データを画像必要領域抽出装置に出力する撮像装置と、撮像装置からの画像データと参照画像との相関をとり、最も相関のある部分の画像データを抽出して伝送装置に出力する画像必要領域抽出装置と、前記画像必要領域抽出装置からの画像データを地上局に送信する伝送装置を備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、地球表面を観測する観測衛星、衛星通信地上局及び観測衛星システムに関するものである。

現在、人工衛星に搭載した光学センサや合成開口レーダ等の撮像装置により地表面を観測する観測衛星システムが存在する。

このような観測衛星システムでは、地上局は観測する地上位置や撮像装置の撮像姿勢を指定するコマンドを設定して人工衛星に送信し、人工衛星は指定されたコマンドに従い搭載した撮像装置を制御して観測データの取得を行い、取得した観測データを地上局に送信していた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−８５２８４号公報

しかしながら、従来の観測衛星システムでは、観測衛星に搭載される撮像装置は視野角が固定のため観測する画像の画像サイズは固定であり、複数ある観測対象に対応して個別に画像の大きさを変更することが出来ない構成となっていた。このため、観測対象が小さく、衛星から地上局に送信すべき画像サイズが小さい場合であっても、撮像装置により撮像した画像の全ての画像データを蓄積し地上局に伝送するため、衛星から地上局へのデータ伝送の効率が悪いという課題があった。

また、画像の高分解能化や撮像点数の増加に伴い、全ての画像データを地上局に伝送するためには地上局への伝送データレートを高速にしなければならず、衛星及び地上局の設備規模が大きくなるという課題があった。

また、姿勢変更装置により制御される衛星の姿勢の制御誤差により、撮像装置が撮像する対象の位置に誤差が発生するため、必要となる撮像対象の範囲に対して、制御誤差による位置誤差を加えた一回り大きな領域を地上局に伝送する必要があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、衛星搭載の撮像装置が撮像した画像の中で参照画像との比較により必要となる領域のみを抽出し、その参照画像との差分データを送信することにより、伝送効率のよい観測衛星、衛星通信地上局及び観測衛星システムを得ることを目的とする。

この発明に係る観測衛星は、衛星位置を算出して衛星位置情報を出力する衛星位置検出器と、衛星姿勢を算出して衛星姿勢情報を出力する衛星姿勢検出器と、登録番号毎に地球表面の観測対象の位置を示す観測対象位置と前記観測対象位置を含む画像データである参照画像とを格納した衛星搭載データベースと、地上局から受信した前記登録番号に対応する前記観測対象位置と前記参照画像を前記衛星搭載データベースから抽出し、抽出した参照画像を画像必要領域抽出装置に出力し、また、抽出した前記観測対象位置と前記参照画像と前記衛星位置情報と衛星姿勢情報とから、衛星姿勢変更データを算出して前記姿勢変更装置に出力すると共に撮像タイミングを算出して撮像装置に出力する計算機と、前記撮像タイミングに基いて撮像し、撮像した画像データを画像必要領域抽出装置に出力する撮像装置と、前記撮像装置からの前記画像データと前記参照画像との相関をとり、最も相関のある部分の画像データを抽出して伝送装置に出力する画像必要領域抽出装置と、前記画像必要領域抽出装置からの前記画像データを地上局に送信する伝送装置を備えた。

本発明によれば、衛星搭載の撮像装置が撮像した画像の中で参照画像との比較により必要となる領域のみを抽出し、その参照画像との差分データを送信することにより、観測衛星と衛星通信地上局間のデータ伝送の伝送効率を向上させることができる。

実施の形態．
以下、図１を用いてこの発明に係る実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態による観測衛星システムの構成図である。

観測衛星（以下、衛星という）１は、衛星位置検出器２、衛星姿勢検出器３、撮像装置４、画像必要領域抽出装置５、データ記録・伝送装置６、姿勢変更装置７、計算機８、衛星搭載データベース１２から構成される。衛星通信地上局（以下、地上局という）９は、コマンド装置１０、データ受信装置１１、地上局データベース１５から構成される。

衛星位置検出器２は、衛星位置を算出するための装置であり、例えばＧＰＳ受信機のようにＧＰＳ衛星からの信号を受信して位置を算出するものや、地上から送られた軌道情報をもとに現在の衛星位置を算出するものであり、算出した衛星の位置を表す衛星位置情報１０１を出力する。

衛星姿勢検出器３は、例えば、スタートラッカのように恒星の位置情報から衛星姿勢を検出するものや、地球センサのように地球の熱赤外の検出データをもとに衛星姿勢を算出するものであり、算出した衛星姿勢情報１０２を出力する。

撮像装置４は、光学センサまたは合成開口レーダのように地表の画像を撮像するための装置であり、撮像した画像を画像データ１０３として出力する。

必要領域抽出装置５は、後で説明するように、観測対象が入るように撮像した画像データ１０３の中から観測対象を含んだ必要な領域のみを抽出する装置であり、衛星搭載データベース１２に登録された参照画像１４との相関を取ることにより参照画像１４と最も相関のある部分を画像データ１０３の中から抽出する。参照画像１４とは、観測対象を含む領域を予め撮影してデータベースに格納した画像であり、ある特定の地点を定期的に観測する際の基準の画像となるものである。

また、必要領域抽出装置５は、相関のある部分を抽出した画像データと参照画像１４との差分をとることで、相関画像差分データ１０８を算出する。

姿勢変更装置７は、衛星姿勢方向を制御するための装置であり、計算機８からの衛星姿勢変更データ１０９に基いて衛星の姿勢を変更する。例としてリアクションホイールやスラスタなどがある。

計算機８は、衛星位置検出器２が出力する衛星位置情報１０１と衛星姿勢検出器３が出力する衛星姿勢情報１０２、及び撮像対象情報１０４で指定した観測対象位置１３に基いて、撮像装置４を観測対象の方向に向けるために衛星１の姿勢変更を行う衛星姿勢変更データ１０９を算出して、姿勢変更装置７に送る。また、計算機８は、コマンド装置１０が送信した撮像対象情報１０４で指定した参照画像１４を衛星搭載データベース１２から抽出して、画像必要領域抽出装置５に送る。また、計算機８は、衛星位置検出器２が出力する衛星位置情報１０１と衛星姿勢検出器３が出力する衛星姿勢情報１０２、及び撮像対象情報１０４で指定した観測対象位置１３に基いて撮像装置４の撮像開始時刻と撮像終了時刻を算出し、撮像装置４の撮像タイミングの制御を行う。

衛星搭載データベース１２には、登録番号ごとに、撮像対象の位置を指定する観測対象位置１３と観測対象位置１３周辺を予め撮像した参照画像１４とが関連付けられて登録されている。図２に、衛星搭載データベース１２のデータ内容の一例を示す。計算機８は登録番号を指定することにより、衛星データベース１２から観測対象位置１３とその観測対象を予め撮像した参照画像１４を抽出するできる。

データ記録・伝送装置６は、画像必要領域抽出装置５が出力した相関画像差分データ１０８を地上局９に伝送する。

地上局９は、コマンド装置１０、受信装置１１、地上局データベース１５から構成される。

地上局データベース１５には、登録番号ごとに、撮像対象の位置を指定する観測対象位置１３と観測対象位置１３を含む領域を予め撮像した参照画像１４とが関連付けられて登録されており、衛星１に搭載される衛星搭載データベース１２と同一内容のデータベースである。

地上局９は撮像する対象位置が決まると、地上局データベース１５の観測対象位置１３から撮像対象となる対象位置を検索し、その登録番号を抽出する。コマンド装置１０は、抽出した地上局データベース１５の登録番号を撮像対象情報１０４として衛星１に対して送信する。
登録番号である撮像対象情報１０４を受信した衛星１は、前に説明したように、登録番号を指定することで衛星搭載データベース１２から、観測対象位置１３と参照画像１４を抽出できる。このように、地上局９は地上局データベース１５の登録番号を撮像対象情報１０４として衛星１に送信することで、衛星１に対して観測対象位置１３を指定することができ、また後で説明する画像抽出のための参照画像１４を、送信することなく衛星１に設定することができる
また、コマンド装置１０は撮像対象情報１０４を地上局９の受信装置１１にも送信する。

なお、地上局９で行う撮像位置の決定、登録番号の抽出、撮像対象情報の送信は作業者が行ってもよく、また、プログラミングされた計算機により実行されてもよい。

受信装置１１は、衛星のデータ記録・伝送装置６から送信される画像データを受信する。

なお、コマンド装置１０が衛星搭載データベース１２に登録されていない観測対象位置や参照画像１４を送信するときは、登録番号を送信するのではなく観測対象の位置データ自体及び参照画像データ自体を撮像対象情報１０４により送信する。

次に、図１を用いてこの発明に係る実施の形態の観測衛星システムの動作について、説明する。
コマンド装置１０は、衛星１に対して撮像対象情報１０４を衛星に送信する。衛星位置検出器２は、例えば１秒に1回の頻度で定期的に衛星位置情報１０１を計算機８に出力し、同じく、衛星姿勢検出器３は、例えば１秒に１回の頻度で定期的に衛星姿勢情報１０２を計算機８に出力する。

計算機８は受信した撮像対象情報１０４に基いて衛星搭載データベース１２から観測対象位置１３を抽出し、定期的に受信する衛星位置情報１０１と衛星姿勢情報１０２と併せて、衛星姿勢変更データ１０９及び撮像タイミング１０７を算出する。算出した衛星姿勢変更データ１０９及び撮像タイミング１０７をそれぞれ姿勢変更装置７、撮像装置４に送る。また、計算機８は、受信した撮像対象情報１０４に基いて衛星搭載データベース１２から参照画像１４を抽出し、画像必要領域抽出装置５に送る。

姿勢変更装置７は、衛星姿勢変更データ１０９に従い衛星の姿勢を変更する。
撮像装置４は衛星の姿勢変更後、撮像タイミング１０７に従って撮像の開始と終了を行い撮像対象の画像データ１０３を取得する。取得した画像データ１０３は必要領域抽出装置５に出力する。
必要領域抽出装置５は、後で説明するように、撮像装置４により取得された画像データ１０３と計算機８から送られてきた参照画像１４との相関をとり、最も相関のある部分の画像データを抽出する。さらに、必要領域抽出装置５は、抽出された画像データと参照画像１４との差分をとった相関画像差分データ１０８をデータ記録・伝送装置６に出力する。
データ記録・伝送装置６は、必要領域抽出装置５からの相関画像差分データ１０８を地上局９の受信装置１１に送信する。

次に、受信装置１１は相関画像データ１０８を受信した後、コマンド装置１０からの撮像対象情報１０４に基いて、必要領域抽出装置５で差分をとった参照画像１４と同じ参照画像１４を地上局データベース１５から抽出する。この後、抽出した参照画像１４と相関画像差分データ１０８に基いて、撮像目的である必要領域の画像データを復元する。
復元した画像データは、記憶装置に記憶すると共にモニタ画面などに表示する。

ここで、必要領域抽出装置５の動作について説明する。
図３に、撮像装置４により取得した画像データ１０３から必要領域を抽出する抽出方法の概念図を示す。衛星１に搭載された撮像装置４により取得する画像の大きさは、撮像装置４に備えられ一列に画素が並んだラインセンサの幅で決まる観測幅と、撮像時間により定まる。図３において、Ｘ１とＸ２の座標の間隔で表される幅が観測幅に相当し、Ｘ１とＸ３あるいはＸ２とＸ４の座標の間隔で表される幅が撮像装置４の撮影時間に相当する。撮像装置４により取得する画像データの大きさは観測幅と撮像時間の積であり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の座標で囲まれる領域に相当する。

図４に衛星による地表面画像取得の概念図を示す。撮影開始時刻Ｔ１における衛星位置情報１０１と衛星姿勢情報１０２により、時刻Ｔ１における撮像装置４の視線方向が算出でき、視線方向と地表面の交点を算出することにより、撮影開始時刻Ｔ１で撮像装置４が撮像開始したときの地表面座標、すなわち図３で示したＸ１、Ｘ２の座標が求められる。同様に、撮影終了時刻Ｔ２における衛星位置情報１０１及び衛星姿勢情報１０２により撮影終了時刻Ｔ２で撮像装置４が撮像を終了したときの地表面座標、すなわち図３で示したＸ３、Ｘ４の座標が求められる。すなわち、撮像装置４は、座標Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４で囲まれる領域を撮像する。

なお、図４では、観測幅の方向に画素が一列に並んだラインセンサを用いた観測をベースに説明しているが、エリア撮像を行うセンサの場合にも同様にして取得した画像の地表面座標を算出できる。

一般に、画像データ１０３から座標を指定して必要領域（図３のＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４で囲まれた領域）を抽出する際は、衛星位置情報１０１及び衛星姿勢情報１０２には誤差があるため、抽出した画像が必ずしも必要領域に一致するとは限らず、よって、位置誤差を加味して必要領域より一回り大きな領域（図３のＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４により囲まれるた領域）を抽出しなければならない。

この発明の実施の形態の画像必要領域抽出装置５は、必要領域（図３のＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４で囲まれた領域）を抽出するにあたり、撮像装置４により取得した画像データ１０３と予め衛星搭載データベース１２に格納した参照画像１４（図３のＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４で囲まれた領域）との相関処理を行う。すなわち、観測対象位置１３を指定して撮像装置４が撮像した画像データ１０３の中で、同じ観測対象位置１３と関連付けられた参照画像１４と相関処理を行い、最も相関が高い領域を抽出することで必要領域を抽出するようにした。

取得した画像データと参照画像から必要領域を抽出する相関処理の方法としては、例えば、取得した画像データの中で必要画像が含まれる衛星位置誤差、衛星姿勢誤差を考慮した画像データ範囲から参照画像と同じ大きさの画像を抽出位置をずらしながら抽出し、参照画像との間で、エリアごとに一致、不一致を調べて相関係数を算出し、相関係数の最も大きな画像を選択する方法や、取得した画像データと参照画像の特徴的な形状を比較することによるパターンマッチングなどの方法が挙げられる。

さらに、画像必要領域抽出装置５は、相関処理により抽出した画像データと相関処理に用いた参照画像１４との差分をとった相関画像差分データ１０８をデータ記録・伝送装置６に送信することを行う。

このように、この発明の実施の形態によれば、衛星１と地上局９は共に、観測対象位置１３とその観測対象位置に関連付いた参照画像１４からなる内容が同一のデータベースを備え、撮像装置４が撮像した画像データ４と参照画像１４との相関処理を行うことで必要領域のみを抽出するようにしたので、従来のように撮像した画像の全ての画像データを送信しなくてよく、衛星から地上局へのデータ伝送の効率を向上させることができる。

また、衛星位置検出器２及び衛星姿勢検出器３の検出精度が悪い場合であっても、その検出精度の悪さに起因して、必要領域に位置誤差を加えた一回り大きな領域を抽出する必要がなく、相関処理により得られた必要領域のみの画像データを送信すればよいので、衛星１から地上局９へのデータ伝送の効率を向上させることができる。

また、衛星１において抽出した必要領域の画像と参照画像１４の差分をとり、その差分データのみを送信するようにし、地上局９においてその受信した差分データと衛星１で差分を取った参照画像１４と同一の参照画像１４に基いて必要領域の画像を復元するようにしたので、伝送データ量を削減することができ、衛星１から地上局９へのデータ伝送の効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態による観測衛星システムを説明するための図である。 この発明の実施の形態による衛星搭載データベースの一例を示す図である。 この発明の実施の形態における撮像装置の画像データと必要領域抽出装置で抽出する画像領域の関係を説明するための図である。 この発明の実施の形態における撮像装置による画像データ取得の概念図である。

符号の説明

１ 衛星、２ 位置検出器、３ 姿勢検出器、４ 撮像装置、５ 画像必要領域抽出装置、６ データ記録・伝送装置、７ 姿勢変更装置、８ 計算機、９ 地上局、１０ コマンド装置、１１ 受信装置、１２ 衛星搭載データベース、１３ 観測対象位置、１４ 参照画像、１５ 地上局データベース、１０１ 衛星位置情報、１０２ 衛星姿勢情報、１０３ 画像データ、１０４ 撮像対象情報、１０６ 姿勢変更情報、１０７ 撮像タイミング、１０８ 相関画像差分データ、１０９ 衛星姿勢変更データ。

Claims (4)

1. 地球表面の画像データを取得する観測衛星であって、
   衛星位置を算出して衛星位置情報を出力する衛星位置検出器と、
   衛星姿勢を算出して衛星姿勢情報を出力する衛星姿勢検出器と、
   登録番号毎に観測対象位置と参照画像とを格納した衛星搭載データベースと、
   地上局から受信した前記登録番号に対応する前記観測対象位置と前記参照画像を前記衛星搭載データベースから抽出し、抽出した前記参照画像を画像必要領域抽出装置に出力し、抽出した前記観測対象位置と前記参照画像及び前記衛星位置情報と前記衛星姿勢情報に基いて、衛星姿勢変更データを算出して姿勢変更装置に出力すると共に撮像タイミングを算出して撮像装置に出力する計算機と、
   前記衛星姿勢変更データに基いて衛星の姿勢変更を行う姿勢変更装置と、
   前記撮像タイミングに基いて撮像し、撮像した画像データを画像必要領域抽出装置に出力する撮像装置と、
   前記撮像装置が撮像した前記画像データと前記計算機からの前記参照画像との相関をとり、最も相関のある部分の画像データを抽出して伝送装置に出力する画像必要領域抽出装置と、
   前記画像必要領域抽出装置からの前記画像データを地上局に送信する伝送装置を備えたことを特徴とする観測衛星。
2. 前記画像必要領域抽出装置は、前記画像必要領域抽出装置で抽出した画像データと前記参照画像との差分をとった相関画像差分データを前記伝送装置に出力することを特徴とした請求項１記載の観測衛星。
3. 登録番号毎に観測対象位置と参照画像とを格納した地上局データベースと、
   前記登録番号を送信するコマンド装置と、
   衛星から送信され、前記登録番号に対応した観測対象位置を撮像した画像データと前記登録番号に対応した参照画像とで最も相関のある部分を抽出した画像データと前記参照画像とで差分をとった相関画像差分データを受信し、受信した前記相関画像差分データと前記地上局データベースに登録され前記登録番号に対応する前記参照画像を用いて画像を復元することを特徴とした衛星通信地上局。
4. 請求項２記載の観測衛星と請求項３記載の衛星通信地上局とで構成され、前記衛星搭載データベースと前記地上局データベースとはデータベースの内容が同一であることを特徴とした観測衛星システム。

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