JP2011218834A

JP2011218834A - スペースデブリ観測方法

Info

Publication number: JP2011218834A
Application number: JP2010086542A
Authority: JP
Inventors: Kiyohide Sekimoto; 清英関本; Atsushi Izawa; 淳伊澤; Yukito Kitazawa; 幸人北澤; Aritsune Kawabe; 有恒川辺; Takeshi Yokozawa; 剛横澤
Original assignee: Inc Eng Co Ltd; IHI Corp; INC Engineering Co Ltd
Current assignee: Inc Eng Co Ltd; IHI Corp; INC Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP5647430B2

Abstract

【課題】太陽や地球との位置関係による観測可能な空間の制約を減らすことができるスペースデブリ観測方法を提供すること。
【解決手段】ＣＣＤカメラ１の撮影範囲の空間に向けてレーザ送信装置３からレーザ光Ｌを出射させ、その空間に存在するスペースデブリＤに照射させる。そして、ＣＣＤカメラ１のレンズ１ａの手前に配置した光学フィルタ５により、レーザ光Ｌとは波長が異なる太陽光や恒星等の光をカットし、レーザ光Ｌが照射されたスペースデブリＤからの反射レーザ光のみを透過させて、撮影範囲内のスペースデブリＤのみをＣＣＤカメラ１で撮影させる。スペースデブリＤの存在の特定に太陽光を利用しないので、太陽が地球の陰になる空間や太陽光が逆光になる空間でも観測できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、地球周回軌道上のスペースデブリを観測する方法に関するものである。

スペースデブリを観測することは、宇宙機（人工衛星や宇宙ステーション、スペースシャトル等）の円滑な運用を実現する上で重要である。従来から行われているスペースデブリの観測方法の一つとして、地球上や軌道上においてＣＣＤカメラにより撮影した画像中の高輝度部分を抽出することで、スペースデブリの存在を特定する方法がある（例えば、特許文献１）。

特開２００３−３２３６２５号公報

上述した従来の観測方法では、太陽が地球の陰になる位置にあるスペースデブリについては、輝度不足によりＣＣＤカメラの撮影画像から存在を特定することができない。また、スペースデブリの背後に太陽が位置して太陽光が逆光になる場合にも、ＣＣＤカメラの撮影画像にハレーションが生じてスペースデブリの存在を特定することができない。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、太陽や地球との位置関係による観測可能な空間の制約を減らすことができるスペースデブリ観測方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のスペースデブリ観測方法は、地球周回軌道上のスペースデブリを観測する方法であって、宇宙空間上において、スペースデブリの被観測空間に対してレーザ光を照射し、宇宙空間上において、前記レーザ光の波長成分を選択的に透過させる光学フィルタを介して前記被測定空間をカメラにより撮影し、前記カメラによる撮影画像の輝度情報から、前記被測定空間に存在するスペースデブリを特定することを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のスペースデブリ観測方法によれば、スペースデブリの被測定空間に存在する恒星や太陽からの光は、光学フィルタによって大幅に低減され、スペースデブリの識別能力が向上する。

また、被測定空間に照射したレーザ光が恒星や太陽に到達するまでには極めて長い時間がかかり、同様に、恒星や太陽からの反射レーザ光がカメラに到達するまでにも極めて長い時間がかかる。したがって、カメラが撮影するのは、レーザ光が照射された被測定空間のスペースデブリのみとなる。よって、光学フィルタを介してカメラが撮影した画像の高輝度部分を抽出することで、地球周回軌道上のスペースデブリの存在が特定される。

このように、レーザ光が照射された被測定空間のスペースデブリを、そのスペースデブリからの反射レーザ光に基づいて特定するので、太陽が地球の陰になって太陽光が当たらない空間や、太陽光が逆光になる空間等、太陽や地球との位置関係による観測可能な空間の制約を減らすことができる。

また、請求項２に記載した本発明のスペースデブリ観測方法は、請求項１に記載した本発明のスペースデブリ観測方法において、既設の観測衛星に搭載されたカメラの撮影範囲を前記被測定空間とし、該既設の観測衛星に搭載されたカメラにより前記光学フィルタを介して撮影した画像の輝度情報から、前記被測定空間に存在するスペースデブリを特定するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載した本発明のスペースデブリ観測方法によれば、請求項１に記載した本発明のスペースデブリ観測方法において、太陽光を利用したスペースデブリの観測等に用いている既設の観測衛星のカメラを有効利用して、本発明の方法によるスペースデブリの観測を行うことができる。

本発明によれば、太陽や地球との位置関係による観測可能な空間の制約を減らすことができ、またデブリの識別や距離の計測等の観測を効率化することができるので、識別能力が向上する。

太陽光を利用したスペースデブリ観測方法を示す概念図である。本発明によるスペースデブリ観測方法の一実施形態を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施形態を具体的に説明するのに先立って、太陽光を利用したスペースデブリ観測方法の概要について、図１を参照して説明する。図１では、地球周回軌道Ｏ上の観測衛星に搭載したＣＣＤカメラ１による撮影画像からスペースデブリＤの位置を特定する場合を示している。

この場合、観測衛星は、スペースデブリＤの地球周回軌道に高度が近い別の地球周回軌道Ｏ上を周回する。この観測方法では、ＣＣＤカメラ１による撮影画像から存在を特定できるスペースデブリＤの位置が限られる。その理由は以下に示すとおりである。

例えば、太陽Ｓが地球Ｅの陰になる図１中の引用符号Ｎで示す空間のスペースデブリＤは、太陽光がスペースデブリＤに照射されず輝度不足となるため、ＣＣＤカメラ１の撮影画像から存在を特定できない。また、太陽光が逆光になる図１中の引用符号Ｂで示す空間のスペースデブリＤも、ＣＣＤカメラ１の撮影画像にハレーションが生じ、光の回折効果でデブリ位置の特定が困難になるので、ＣＣＤカメラ１の撮影画像から存在を特定できない。したがって、太陽光によるスペースデブリＤの観測は、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲Ａが空間Ｎ，Ｂ以外となる位置を観測衛星が周回している時にしか行えない。

また、ＣＣＤカメラ１の撮影画像からスペースデブリＤの存在を特定するには、スペースデブリＤを恒星と区別するために、ＣＣＤカメラ１による複数の撮影画像を重ね合わせてスペースデブリＤを抽出する処理を行う必要がある。その場合、各撮影画像の撮影タイミングが異なるため、各撮影画像上のスペースデブリＤの位置はそれぞれ異なる。このため、複数の撮影画像を重ね合わせるのに当たって、同一恒星の輝点と考えられる画素が画像上の同じ位置となるように、各撮影画像からそれぞれ一部の領域を切り取る処理が必要となる。このような処理は非常に煩雑なものとなる。

これに対し、本発明のスペースデブリ観測方法は、太陽Ｓや地球Ｅとの位置関係に関係なく簡便な処理によって、ＣＣＤカメラ１の撮影画像からスペースデブリＤの存在を特定できる。そこで、図２を参照して、本発明によるスペースデブリ観測方法の一実施形態を説明する。図２は、本実施形態に係るスペースデブリ観測方法を示す概念図である。

本実施形態のスペースデブリ観測方法では、図１に示したような観測衛星に搭載したＣＣＤカメラ１の他に、パルス状のレーザ光Ｌを照射するレーザ送信装置３と、レーザ送信装置３のレーザ光Ｌと同じ波長成分以外をカットする光学フィルタ５と、ＣＣＤカメラ１による撮影画像を解析してスペースデブリを特定する解析装置７とが用いられる。

レーザ送信装置３は不図示の人工衛星に搭載される。この人工衛星は、ＣＣＤカメラ１を搭載した観測衛星と同一の地球周回軌道上を周回する。この人工衛星と観測衛星との間は常に適切な間隔に保たれる。この間隔により、レーザ送信装置３のレーザ光Ｌは、地球に遮られることなく、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲の空間（請求項中の被測定空間に相当）に照射される。

光学フィルタ５は、観測衛星に搭載されて、ＣＣＤカメラ１のレンズ１ａの前方に配置される。この光学フィルタ５の存在によりＣＣＤカメラ１は、撮影範囲内に存在する物体のうち、レーザ送信装置３のレーザ光Ｌと同じ波長成分の光を発する物体のみを撮影することになる。

解析装置７は、ＣＣＤカメラ１や光学フィルタ５と共に観測衛星に搭載してもよいが、観測衛星の重量増加を防ぐ意味から地上に設置するのが現実的である。その場合には、ＣＣＤカメラ１の撮影映像を観測衛星との無線通信により地上の解析装置７に伝送することになる。

なお、ＣＣＤカメラ１を搭載した観測衛星の姿勢は、解析装置７からの指令に基づいて制御される。この観測衛星の姿勢制御によって、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲が制御される。また、レーザ送信装置３を搭載した不図示の人工衛星の姿勢は、解析装置７からの指令を受けた観測衛星からの指令に基づいて制御される。この制御により人工衛星は、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲の空間にレーザ送信装置３がレーザ光Ｌを照射する姿勢とされる。

本実施形態のスペースデブリ観測方法は、以上のような構成を用いて実施するので、ＣＣＤカメラ１は既存の観測衛星に搭載したものを流用してもよく、新たな観測衛星に搭載して、レーザ送信装置３の人工衛星と同じ地球周回軌道上に打ち上げてもよい。但し、既存の観測衛星に搭載したＣＣＤカメラ１を流用する場合、その観測衛星には、地上での設定により光学フィルタ５として機能し得る構成が搭載されていることが望ましい。また、既存の観測衛星に搭載したＣＣＤカメラ１を流用する場合は、そのＣＣＤカメラ１による撮影画像を解析する既存の解析装置７を、制御プログラムの変更等によって流用することもできる。

次に、上述した構成を用いた本実施形態のスペースデブリ観測方法の手順について説明する。まず、レーザ送信装置３からレーザ光ＬをＣＣＤカメラ１の撮影範囲の空間に向けて出射させる。このレーザ光Ｌは、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲に存在するスペースデブリＤに照射される。スペースデブリＤに照射されたレーザ光Ｌの反射レーザ光の一部は、光学フィルタ５を透過してＣＣＤカメラ１のレンズ１ａに到達する。

なお、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲の無限遠方に存在する恒星（図示せず）にレーザ送信装置３のレーザ光Ｌが到達するには、スペースデブリＤに到達するのに要する時間とは比較にならないほど極めて長い時間を要する。また、恒星に到達したレーザ光の反射光（反射レーザ光）が観測衛星の付近に到達するのにも、同様に極めて長い時間を要する。したがって、光学フィルタ５を介してＣＣＤカメラ１のレンズ１ａに到達する反射レーザ光は、実質的に全てスペースデブリＤからのものであることになる。

また、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲に存在するスペースデブリＤ以外の物体からの光、つまり、太陽光や不図示の恒星等からの光は、レーザ送信装置３のレーザ光ＬやスペースデブリＤからの反射レーザ光とは波長が異なるので、光学フィルタ５において大幅に低減され、スペースデブリの識別能力が向上する。

したがって、光学フィルタ５を透過した光によりＣＣＤカメラ１が撮影するのは、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲内に存在するスペースデブリＤのみとなる。ＣＣＤカメラ１による撮影画像は解析装置７に送信され、解析装置７において、撮影画像の撮影時刻における観測衛星の位置と各画素の輝度差とに基づいて、スペースデブリＤの位置が特定される。

なお、解析装置７では、スペースデブリＤの地球周回軌道や大きさを特定することもできる。そのためには、観測衛星の移動を無視できる程度の短い周期で連続してＣＣＤカメラ１により撮影した複数の撮影画像を用いる。具体的には、各撮影画像からそれぞれ特定されたスペースデブリＤの位置を用いてスペースデブリＤの運動方程式を割り出す。この運動方程式に基づいて、スペースデブリＤの地球周回軌道や大きさを特定することができる。

また、解析装置７では、ＣＣＤカメラ１からのスペースデブリＤの距離を特定することもできる。その場合は、レーザ送信装置３からのレーザ光Ｌの出射時刻と、そのレーザ光Ｌに対応するスペースデブリＤからの反射レーザ光のＣＣＤカメラ１による撮影（受光）時刻とを取得する等して、両者の時間差を割り出せばよい。

以上に説明した本実施形態のスペースデブリ観測方法によれば、ＣＣＤカメラ１の撮影範囲の空間に向けてレーザ送信装置３からレーザ光Ｌを出射させ、その空間に存在するスペースデブリＤに照射されるようにした。そして、ＣＣＤカメラ１のレンズ１ａの手前に配置した光学フィルタ５により、レーザ光Ｌとは波長が異なる太陽光や恒星等の光をカットし、レーザ光Ｌが照射されたスペースデブリＤからの反射レーザ光のみを透過させることで、ＣＣＤカメラ１が撮影範囲内のスペースデブリＤのみを撮影するようにした。

このため、光学フィルタ５を介してＣＣＤカメラ１が撮影した画像の高輝度部分を解析装置７で抽出するという簡便な処理によって、地球周回軌道上のスペースデブリＤの存在を特定することができる。

また、レーザ送信装置３のレーザ光Ｌが照射されたスペースデブリＤを、そのスペースデブリＤからの反射レーザ光に基づいて特定するので、太陽Ｓが地球Ｅの陰になる図１中の引用符号Ｎで示す空間のスペースデブリＤの存在も特定できる。さらに、スペースデブリＤの存在の特定に太陽光を利用しないので、太陽光が逆光になる図１中の引用符号Ｂで示す空間のスペースデブリＤの存在も特定できる。

このため、太陽Ｓや地球ＥとスペースデブリＤとの位置関係（又は、太陽Ｓや地球ＥとＣＣＤカメラ１の撮影範囲との位置関係）による、スペースデブリＤの存在を観測可能な空間の制約を、減らし又は極力なくすことができる。

なお、上述した実施形態では、地球周回軌道Ｏ上に打ち上げた人工衛星のレーザ送信装置３と、観測衛星のＣＣＤカメラ１及び光学フィルタ５とにより、地球周回軌道上のスペースデブリＤを観測する場合について説明した。しかし、本発明は、静止衛星軌道上のスペースデブリを観測する場合にも適用可能である。その場合には、観測対象のスペースデブリが存在する静止衛星軌道上に打ち上げた人工衛星のレーザ送信装置と、観測衛星のＣＣＤカメラ及び光学フィルタとを用いて、上述した実施形態と同様の方法によってスペースデブリを観測することになる。

また、上述した実施形態では、カメラとしてＣＣＤカメラ１を用いる場合について説明した。しかし、撮影画像から画素毎の輝度情報を取得できるものであれば、ＣＣＤイメージセンサ以外の固体撮像素子（例えばＣＭＯＳイメージセンサ）を搭載したカメラを用いて本発明を実施してもよい。

１ＣＣＤカメラ
１ａレンズ
３レーザ送信装置
５光学フィルタ
７解析装置
Ａ撮影範囲
Ｂ空間
Ｄスペースデブリ
Ｅ地球
Ｌレーザ光
Ｎ空間
Ｏ地球周回軌道
Ｓ太陽

Claims

地球周回軌道上のスペースデブリを観測する方法であって、
宇宙空間上において、スペースデブリの被観測空間に対してレーザ光を照射し、
宇宙空間上において、前記レーザ光の波長成分を選択的に透過させる光学フィルタを介して前記被測定空間をカメラにより撮影し、
前記カメラによる撮影画像の輝度情報から、前記被測定空間に存在するスペースデブリを特定する、
ことを特徴とするスペースデブリ観測方法。
既設の観測衛星に搭載されたカメラの撮影範囲を前記被測定空間とし、該既設の観測衛星に搭載されたカメラにより前記光学フィルタを介して撮影した画像の輝度情報から、前記被測定空間に存在するスペースデブリを特定するようにしたことを特徴とする請求項１記載のスペースデブリ観測方法。