JP2012144137A - 観測運用計画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間航行体の性能を最大限に発揮しより多くの観測要求を満たす効率的な観測運用計画を生成する観測運用計画装置を提供する。
【解決手段】観測単位設定部で観測地点と観測方法を含む観測要求に航行体情報と観測方法に従い観測地点に観測可能な航行体の複数の軌道パスを指定し観測方法と観測制約条件に従い観測時刻設定可能範囲とノミナル観測時刻を求めた観測単位を設定し、運用計画生成・判定部で航行体毎に組合わせた観測単位に航行体の性能・観測制約条件に従い観測単位の観測時刻をノミナル観測時刻との差を小さくして設定した運用計画結果を生成しまた航行体の性能・観測制約条件に従い観測単位の組合せの観測可否を判定し、観測単位選択部で設定部の観測単位を航行体毎に組合わせて判定部に送りまた判定部からの観測可否判定と運用計画結果に従い観測要求を最大限満たす観測単位組合せを選択し判定部に送る。
【選択図】図１

Description

この発明は、１機あるいは複数の人工衛星等の空間航行体により地表面等の観測を行う観測システムのための観測運用計画を生成する、観測運用計画装置に関するものである。

航空機や人工衛星等の１機あるいは複数の空間航行体に搭載したセンサによって地表面等の観測を行う観測システムにおいて、多数の観測要求が与えられた場合に、より多くの要求を満たす効率的な観測運用計画を生成することが求められる。その際、１つの観測要求を満たすための手段、すなわち観測方法が１つではない場合に、最適な観測方法を設定する必要がある。例えば、空間航行体が観測地点付近を通過する際、センサの方向を変えることで観測地点通過前後のある一定区間内の任意のタイミングで観測が可能な場合、どのタイミングで観測を行うか、すなわち観測時刻を、観測運用計画全体の効率を考慮して最適に設定することが求められる。

従来の観測運用計画装置においては、観測時刻を決定する際、時間軸を離散化し、各時刻に対して観測要求への合致度合いである観測条件適合度を計算することで、最適な観測時刻を決定していた(例えば下記特許文献１参照)。

また、多くの観測要求が与えられた場合に、その全てを満たすことはできない場合もある。その場合は、多くの観測要求の中から、なるべく多くの観測要求を満たすために、観測要求の組合せを最適に選択することが求められる。

従来の観測運用計画装置においては、多数の観測要求の中から、採用する観測要求の組合せを選択する際、各観測要求に優先度を付与し、その優先度に従って観測要求の採否を判定していた(例えば下記特許文献２参照)。

さらに、一般にこのような空間航行体は、ある定められた軌道を繰り返し飛翔することが多い。例えば、高度数百ｋｍ〜１０００ｋｍ程度の地球周回軌道を飛翔する観測衛星は、１日の間に地球の周りを１０周以上まわり、その間の地球の自転により地表面上のあらゆる地点の上空付近を１回以上通過する。ある一定期間内、例えば１週間、１ヶ月といった期間内の観測運用計画を生成することを考えると、地表面上のある地点を観測したいとしても、その地点を観測可能な軌道をその期間内に何度も通るため、そのどの軌道部分(パスとよぶ)を利用して観測を行うか、多数の観測要求全体の効率を考慮して決定する必要があった。

特開２００５−２１９６１９号公報(１頁、図１) 特開２００４−２７２４２７号公報(１頁、図１)

久保、ペドロソ著、「メタヒューリスティクスの数理」、共立出版(２００９)

上記特許文献１に示されるような従来の観測運用計画装置においては、観測要求が多数与えられた場合に、ある観測要求にて指定される観測地点に対して最適な観測時刻を設定してしまうと、他の観測要求にて指定される観測地点が観測できなくなる可能性があった。すなわち、同じ航行体の同じ軌道パスから地点Ａと地点Ｂを観測しようとした場合、これら２地点の観測の間に航行体の姿勢や観測センサの向きを変更する必要があるが、地点Ａの最適な観測時刻と地点Ｂの最適な観測時刻が近い場合、そのための十分な時間がとれず、結果的に片方の地点を観測できなくなる可能性があった。

また、上記特許文献２に示されるような従来の観測運用計画装置においては、多数の観測要求の中から、最大限要求を満たすための観測要求の組合せを選択する際、各観測要求の優先度のみに基づいて決めていたため、航行体の性能や制約の範囲内でなるべく多くの要求を満たすような観測運用計画の作成ができなかった。さらに、ある観測要求を満たす航行体の軌道パスが複数あるということを考慮して、最適なパスを選択するといったこともできなかった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、多数の観測要求に対して、航行体の性能や制約の範囲内でなるべく多くの要求を満たすような観測運用計画の生成を行うための観測運用計画装置を得ることを目的としている。

この発明は、観測器を搭載した少なくとも１機の空間航行体により観測対象領域の観測を行う際の、入力された複数の観測要求をもとに観測運用計画を生成する観測運用計画装置であって、前記観測器を含む各空間航行体の性能・観測制約条件、軌道パスを含む航行体情報を格納した航行体情報記憶部と、少なくとも観測地点と観測方法を含む前記各観測要求に対し、前記航行体情報および観測方法に従って、観測地点に観測可能な空間航行体の複数の軌道パスを指定して、それぞれ観測方法および観測制約条件に従って観測時刻設定可能範囲、ノミナル観測時刻を求め、空間航行体、軌道パス、観測地点、観測方法、観測時刻設定可能範囲、ノミナル観測時刻からなる観測単位を設定する観測単位設定部と、前記空間航行体毎に組み合わせられた前記観測単位に対して、空間航行体の性能・観測制約条件に従いそれぞれの観測単位の観測時刻を、観測時刻とノミナル観測時刻との差が小さくなるように設定した運用計画結果を生成すると共に、空間航行体の性能・観測制約条件に基づき観測単位の組合せが観測可能か否かを判定する運用計画生成・判定部と、前記観測単位設定部からの観測単位を空間航行体毎に組み合わせて前記運用計画生成・判定部に送るとともに、前記運用計画生成・判定部から出力される観測可否判定結果と運用計画結果に従って、観測要求を最大限満たすように観測単位の組合せを選択し前記運用計画生成・判定部に送る観測単位選択部と、を備えたことを特徴とする観測運用計画装置にある。

この発明では、多くの観測要求が与えられた場合にも、複数の空間航行体の性能を最大限に発揮し、より多くの観測要求を満たす効率的な観測運用計画を生成できる。

この発明の実施の形態１による観測運用計画装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の観測単位設定部における観測単位の設定方法を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１の観測単位設定部における観測時刻設定可能範囲およびノミナル観測時刻の設定方法を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１の観測単位設定部における観測時刻設定可能範囲およびノミナル観測時刻の設定方法を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１の観測単位選択部にシミュレーテッドアニーリングを適用した場合の動作の一例を示す動作フローチャートである。 この発明の実施の形態１の運用計画生成・判定部の処理動作の一例を示す動作フローチャートである。 この発明の実施の形態１の運用計画生成・判定部における観測時刻の設定方法を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１による観測運用計画装置の変形例の構成を示すブロック図である。 この発明における空間航行体の一例を示す図である。 図８の変形例における空間航行体の状態の一例を示す図である。

以下、この発明による観測運用計画装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による観測運用計画装置の構成を示すブロック図である。観測運用計画装置は、例えばメモリ等を含むコンピュータで構成され、コンピュータのプラグラムや内部メモリ等で構成される機能ブロックとして示された観測単位設定部１、観測単位選択部２、運用計画生成・判定部３と、メモリで構成された空間航行体に関する情報を予め格納した航行体情報記憶部４、コンピュータの入力装置からなる入力部５、コンピュータの表示装置またはプリンタからなる出力部６からなる。運用計画生成・判定部３はさらに空間航行体毎の航行体Ａ運用計画生成・判定部３Ａ，航行体Ｂ運用計画生成・判定部３Ｂ，…等の複数の航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ，…等からなる。なお、航行体情報記憶部４、入力部５、出力部６はコンピュータにネットワーク(図示省略)を介して接続されたそれぞれ、データベース、ネットワーク端末の入力装置、表示装置またはプリンタからなるものであってもよい。また、入力情報は別途用意した入力ファイルに記述し、入力部５は、それらファイルを入力装置から手動あるいは自動的に選択する機能を備えていても良い。出力部６においても、各航行体に与える観測運用計画指示をファイルとして出力するような構成であってもよい。なお、出力部６は、各航行体に観測運用計画指示を実際に出力する送信手段の機能を含むものであってもよい。

図１において入力部５から複数の観測要求が入力されると、観測単位設定部１において、それらの複数の観測要求と、航行体情報記憶部４に格納された航行体情報に含まれる観測システムを構成する観測器を搭載した人工衛星等の空間航行体の性能・観測制約条件等の情報をもとに、観測単位を設定する。観測単位選択部２では、観測単位設定部１で設定されたそれら観測単位を入力し、これらのうち、どれとどれを採用するか、といった複数の観測単位の組合せを選択する。選択手法については後で詳しく述べる。

観測単位選択部２において複数の観測単位の組合せを選択する際、仮に選ばれた観測単位の組合せが実際に実現可能であるかどうかを、観測単位の組合せを運用計画生成・判定部３に入力して判定させる。運用計画生成・判定部３は、航行体毎に用意された個別の航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ…に分けられ、それぞれ観測単位の組合せの中で担当する航行体に該当するものを抽出し、それら観測単位それぞれの観測時刻を航行体の性能・観測制約条件を元に設定し、航行体ごとの運用計画を作成し、観測単位選択部２へ出力する。もし、与えられた観測単位の組合せのうち、いずれかの観測単位について、制約の範囲で観測時刻を設定することが不可能であったり、生成された運用計画が制約を満たさないものである場合は、運用計画生成・判定部３は観測単位選択部２に対して観測不可能という判定結果を出力する。観測単位選択部２では、それら運用計画および観測可否判定結果をもとに、最適な観測単位の組合せを選択する。すなわち、観測単位選択部２における観測単位の選択処理の中で、運用計画生成・判定部３は何度も実行されることになる。

観測要求、航行体情報、観測単位等に含まれ得る情報項目を以下に示す。
観測要求： 観測地点(観測目標位置座標)、観測方法(観測方向、観測時刻帯、航行体−観測地点距離、画像分解能、ステレオ画像取得(取得方法、取得回数含む)、同期条件、定期観測、等)、ノミナル観測時刻、
航行体情報： 航行体、航行体の性能・観測制約条件(仕様，各種駆動機能，観測可能領域等，搭載観測器の性能・観測制約条件(仕様，各種駆動機能，視線方向の駆動可能領域、画像分解能、データレコーダ容量等)、軌道(位置座標の時系列データ)および軌道パス、
観測単位： 航行体、軌道パス、観測地点、観測時刻(ノミナル観測時刻)、観測方法(観測方向、観測可能時刻帯、航行体−観測地点距離等)、観測時刻設定可能範囲、ＯＲフラグ、ＡＮＤフラグ、優先度
なお、軌道パスとは航行体の軌道を適当な時刻で区切ったもので、軌道全体は複数の軌道パスを合わせたものとなる。

次に、観測単位設定部１における観測単位の設定について説明する。観測単位とは、個々の観測目標位置座標(観測地点)、観測方法、観測を行う空間航行体とその軌道パス、観測時刻設定可能範囲、何も他との競合や制約がない場合に設定すべき観測時刻(ノミナル観測時刻)を指定したもので、１つの観測要求に対して、一般には複数の観測単位が生成される。すなわち、観測要求において指定された観測地点を観測可能な航行体は一般には複数の候補が考えられ、また、各航行体においても、その観測地点を観測可能な軌道パスは複数通りが考えられ、さらには後述するように観測要求によっては一つの観測地点を複数回観測することが求められる場合も考えられるため、それら複数の観測地点−航行体−軌道パス−観測の組合せをそれぞれ個別の観測単位として設定する。例えば、図２に模式的に示した状況においては、航行体Ａの軌道パスａと航行体Ｂの軌道パスｂがあり、それぞれの観測可能領域内に観測要求にて指定される観測地点が含まれているため、観測単位としては、２通りが生成される。観測要求において指定される観測地点がその観測可能領域内に含まれるような空間航行体および軌道パスの全ての組合せについて、個別に観測単位を設定してもよい。

なお、それら複数の観測単位は全て実行されるべきものではなく、それらのうちいずれか１つが実行されれば対応する観測要求は満たされることになる。すなわち、図２に示された状況においては、航行体Ａの軌道パスａからの観測と航行体Ｂの軌道パスｂからの観測のいずれか一方が実行されればよい。そこで、これらのようないずれか１つが選択されればよいという関係にある観測単位には、そのような条件を示すフラグを付けておき、観測単位選択部２における観測単位の選択処理の中で考慮する。なお、以下では説明の簡単化のために、そのようなフラグを「ＯＲフラグ」と呼ぶことにする。

観測単位設定部１で、観測要求がノミナル観測時刻または観測方向の要求を含む場合には観測要求における指定にもとづいて各観測単位のノミナル観測時刻を設定し、観測要求がノミナル観測時刻を含まない場合には、各観測単位のノミナル観測時刻を空間航行体が観測地点に最も近づく時刻とし、各観測単位の観測時刻設定可能範囲を、ノミナル観測時刻の前後の、空間航行体の性能・観測制約条件、および観測要求を満たすような範囲に設定する。

観測地点(観測目標位置座標)と航行体、および軌道パスを指定すると、航行体搭載の観測器の視線方向の駆動可能領域等の制約や、観測要求として与えられている条件(観測方法：望ましい観測方向の指定、望ましい観測時刻帯等)をもとに、その観測地点を観測可能な時刻の範囲(観測時刻設定可能範囲)が、軌道パスと観測地点との幾何学的関係や、軌道パスの各位置を通過する通過時刻情報(タイムスケジュール)等から求められる。

例えば、指定された軌道パスにおいて、指定された観測地点に最も近づく時刻(観測地点通過時刻と呼ぶ)は、曲線(地球周回軌道)と点の距離が最小となる位置として、幾何学的関係から簡単に求められる。観測要求として、航行体から観測地点までの距離がある値以下となるように指定されていた場合には、前記観測地点通過時刻前後のある範囲を観測時刻設定可能範囲として設定し、観測地点通過時刻をノミナル観測時刻として設定する。

また、別の例を図３を用いて説明する。図３は航行体の軌道パスと観測地点との関係を示す模式図であり、航行体の進行方向真横から見た図である。軌道パス上の各位置と時刻は１対１に対応するため、軌道パス上の位置と時刻を同一視して説明する。観測要求として、観測方法において観測地点を前方視的(航行体からの前方視野で)に観測したいということを指定される場合がある。その場合には、観測地点通過時刻より手前のある範囲に、観測時刻設定可能範囲およびノミナル観測時刻を設定する。図３の例では、前方視要求として指定されたある角度以上の見込み角で観測を行いたいという場合を想定し、そのある角度に対応した時刻をノミナル観測時刻とし、それよりも前で、観測器視線方向の制約(視線方向を傾けられる最大の角度)に対応した時刻までを観測時刻設定可能範囲として設定している。

また、観測要求において、観測方向が完全に指定されるような場合も想定される。そのような例を、図４を用いて説明する。図４は、図３と同様の模式図であるが、航行体の真上から地表面方向を見た図となっている。図４では、観測地点に対して、真北から東方向に４５度の方向から観測を行いたいという要求が与えられている。その場合、１つの軌道パスにおいて、その方向から観測が可能な時刻は１点であるから、ノミナル観測時刻をその時刻とし、観測時刻設定可能範囲もその時刻１点とする(範囲の上限と下限を同じ値とする)。

その他にも、観測時の入射角に対する要求、可視観測器(可視センサ)による画像を取得する場合の画像分解能に対する要求など、様々な要求や制約を満たすように、ノミナル観測時刻および観測時刻設定可能範囲を設定することができる。

また、観測要求として、ある地点のステレオ画像を取得することが要求される場合もある。すなわち、ある１つの観測地点を前方視および後方視でそれぞれ指定された回数観測することが求められる場合がある。例えば前方視、後方視でそれぞれ１回ずつ観測するような場合、前方視に対応する観測単位を１つ、後方視に対応する観測単位を１つ生成し、それぞれノミナル観測時刻や観測時刻設定可能範囲を適切に設定する。

さらに、観測要求として、同じ航行体および軌道パスからステレオ画像を取得することが求められていれば、これら生成した２つの観測単位は常に同時に選択されるようなフラグを付けておき、観測単位選択部２において考慮すればよい。以下では、説明の簡単化のために、そのような、同時に選択されるべき複数の観測単位に付けられたフラグを「ＡＮＤフラグ」と呼ぶことにする。「ＡＮＤフラグ」を付ける観測要求としては、上述のステレオ画像の他に、観測器の観測幅よりも広い領域を複数回に分けて、かつ、それら分割した全ての観測地点を、同じ航行体の同じ軌道パスから観測するような場合なども考えられる。あるいは、別々の観測地点であっても、ほぼ同じ時期に合わせて観測を行いたい場合なども想定され、そのような場合も、この「ＡＮＤフラグ」を用いることで考慮可能である。

また、各観測単位には、個別に優先度を設定することもできる。例えば、観測要求として与えられた優先度の他に、観測時の気象条件が良好であることが予想されている観測単位にはより高い優先度を設定することや、あるいは、なるべく早く観測したい場合には、より早い時刻に観測可能な航行体、軌道パスによる観測単位の優先度を上げるなどといったことが可能である。これら設定した優先度は、観測単位選択部２における観測単位の組合せ選択において考慮し、より望ましい条件での観測が可能となる観測単位がなるべく多く選択されるようにするといったことが可能となる。

さらには、同じ地点を定期的に観測するといった観測要求があった場合にも、観測単位設定部１において適切に観測単位を設定することで、そのような条件を考慮可能である。すなわち、そのような場合、要求された観測頻度に応じて複数の観測単位をそれぞれ別のものとして設定すればよい。

このように、観測単位設定部１においては、個々の観測要求から、観測が可能な航行体や軌道パスごとに別々の観測単位を設定し、それぞれについてノミナル観測時刻と観測時刻設定可能範囲を観測要求や航行体の性能・観測制約条件に応じて適切に設定し、さらには観測単位ごとの「優先度」や、「ＯＲフラグ」、「ＡＮＤフラグ」といった設定を付加することで、様々な観測要求に柔軟に対応することができ、かつ、観測に最適な航行体や軌道パスの選択まで含めた効率的な観測運用計画の生成が容易となる。

次に、観測単位選択部２における観測単位の選択方法について説明する。観測単位選択部２においては、観測単位設定部１において設定された多数の観測単位の中から、なるべく多くの観測要求を満たすように、最適な組合せを選択する。これは、個々の観測単位について、それを採用するか否かという決定を、全ての観測単位について行うことになり、一般には組合せ最適化問題と呼ばれる部類の最適化問題となっている。組合せ最適化問題に対しては、古くから様々な研究がなされており、一般によく知られている効率的なアルゴリズムが種々存在する。観測単位選択部２における観測単位の組合せ選択においては、そういった組合せ最適化問題のアルゴリズムを容易に適用することができる。その一例として、シミュレーテッドアニーリングと呼ばれるアルゴリズムを観測単位選択部２に適用した場合の観測単位選択部２の動作について説明する。なお、以下では最適化問題の評価指標は値が小さいほど良い解である(最小化問題)として説明する。

シミュレーテッドアニーリングは、組合せ最適化問題の最適解の候補を少しずつ変化させ、解の変化に対して評価指標値が減少(改善)する場合にはその変化を採用し、評価指標値が増加(悪化)する場合にもその増加量に応じた確率でその変化を採用するという手法である。その採用確率を決めるパラメータを「温度」Ｔと呼び、Ｔを大きな値(評価指標値が増加する場合にも解を採用する確率が高い)から徐々に小さな値(評価指標値が増加する場合に解を採用する確率が低い)へと変化させる。一般的なシミュレーテッドアニーリングについては、例えば上記非特許文献に詳しい説明がある。

図５は、観測単位選択部２にシミュレーテッドアニーリングを適用した場合の動作の一例を示す動作フローチャートであり、以下これに従って動作を説明する。観測単位設定部１で設定された全ての観測単位が観測単位選択部２に入力されると、まず、ステップＳＴ２０１では、各種初期設定を行う。すなわち、シミュレーテッドアニーリングのパラメータである温度Ｔを適当に大きな値に設定する。また、観測単位の組合せＸを初期設定し、対応する評価指標の値Ｌを計算する。ここで、観測単位の組合せ初期設定としては、例えば観測単位を１つも採用しない(観測を全く行わない)という設定でもよい。また、最適な組合せを初期設定としてＸｏｐｔ＝Ｘ、対応する評価指標値をＬｏｐｔ＝Ｌとしておく。

次にステップＳＴ２０２では、観測単位の組合せＸを少し変化させた新たな組合せＸｔｒｙを生成する。ここで、ＸｔｒｙはＸを元に予め決められたルールに従って生成する。その生成方法は様々な手法が考えられるが、例えば、Ｘに含まれていない観測単位ｙをランダムに１つ選択し、それをＸに含めたものをＸｔｒｙとする。その際、追加される観測単位ｙに対応した「ＡＮＤフラグ」が付けられている観測単位が他にある場合、それらも同時にＸｔｒｙに含める。また、元の組合せＸの中で、追加される観測単位ｙに対応した「ＯＲフラグ」が付けられている観測単位がある場合、Ｘｔｒｙからは、その観測単位を除いておく。

ステップＳＴ２０３では、ステップＳＴ２０２において生成された観測単位の組合せＸｔｒｙを運用計画生成・判定部３に入力し、運用計画の作成(観測単位の組合せが観測可能か否かの判定を含む)を行わせる。

ステップＳＴ２０４では、運用計画生成・判定部３の各航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ，…等からの出力を受けて、いずれかの観測可否判定結果が「観測不可能」であった場合は、ステップＳＴ２０２へ戻り、観測可能であった場合は次のステップＳＴ２０５へ進む。

ステップＳＴ２０５では、観測単位の組合せＸｔｒｙについて、評価指標値Ｌｔｒｙを計算する。評価指標値ＬｔｒｙはＸｔｒｙおよびその運用計画結果に基づいて計算されるものであり、その値が小さいほど観測要求をより多く満たし、より効率的な観測計画となるように設定する。例えば、各観測単位に与えられた優先度の総和と、運用計画生成・判定部３により設定された各観測単位の観測時刻と観測単位設定部１において設定されていたノミナル観測時刻との差の絶対値の総和、各観測単位の観測時における観測器視線方向の傾け角絶対値に、それぞれ重み係数をかけて足し合わせたものを評価指標値Ｌｔｒｙとする。

次に、ステップＳＴ２０６において観測単位の組合せＸｔｒｙを実際に採用するかどうかを、評価指標値Ｌｔｒｙと元の組合せＸに対応した評価指標値Ｌとを用いて決定する。具体的には、ＬｔｒｙがＬよりも小さければ(改善していれば)、Ｘｔｒｙを採用する。また、ＬｔｒｙがＬよりも大きい場合も、その増加量ｄＬ＝Ｌｔｒｙ−Ｌに応じて以下の手順で採否を決定する。
(１) ０から１の間の一様乱数ｒ(疑似乱数)を生成する。
(２) ｒ≦ｅｘｐ(−ｄＬ／Ｔ)であれば、Ｘｔｒｙを採用する。ここで、ｅｘｐは指数関数である。

ステップＳＴ２０６において不採用の判定となった場合は、ステップＳＴ２０２へ戻る。採用の判定となった場合は次のステップＳＴ２０７に進む。

ステップＳＴ２０７では、元の組合せＸおよび対応する評価指標値Ｌを採用された組合せＸｔｒｙおよび対応する評価指標値Ｌｔｒｙに入れ替える。すなわち、Ｘ＝Ｘｔｒｙ、Ｌ＝Ｌｔｒｙとする。

ステップＳＴ２０８では、ステップＳＴ２０７までで得られたＸが、それまでに得られている最適な組合せＸｏｐｔよりも評価指標値が小さい、より良い組合せかどうかを判定する。すなわち、Ｌ＜Ｌｏｐｔかどうかを判定する。Ｌ＜Ｌｏｐｔであった場合は、次のステップＳＴ２０９に進み、最適な組合せを今回得られた組合せに更新する。すなわち、Ｘｏｐｔ＝Ｘ、Ｌｏｐｔ＝Ｌとする。Ｌ＜Ｌｏｐｔでない場合は、ステップＳＴ２０９はとばしてステップＳＴ２１０へ進む。

ステップＳＴ２１０では、シミュレーテッドアニーリングのパラメータである温度Ｔを小さくする。その更新則としては一般に様々なものが知られているが、そのいずれを用いても、あるいはまた別の方法を用いても良い。一般的に知られている「幾何冷却」と呼ばれる手法では、温度Ｔに１より小さいある定数値κをかけて、温度Ｔを小さくする。ここで、κとしては０.９、０.９９等の１に近い値を与えることが多い。

最後にステップＳＴ２１１において、計算を終了すべきかどうかを判定する。その判定条件としては、例えばＴが予め定められた所定の小さな値以下となった場合や、計算のステップ数がある閾値を超えた場合、あるいは、ステップＳＴ２０６における採否判定で、連続して所定回数以上不採用が続いた場合などといった条件が用いられる。計算終了の条件を満たさない場合は、ステップＳＴ２０２へ戻って計算を続ける。終了条件を満たす場合には計算を終了し、最適な観測単位の組合せＸｏｐｔおよび対応する運用計画結果を出力部６から出力させる。

なお、その際、最適な観測単位の組合せＸｏｐｔのみではなく、それに準ずる性能を有する組合せをいくつか計算の途中でコンピュータの内蔵メモリ(図示省略)に保存しておいて、それら全てを出力することも可能である。例えば、ステップＳＴ２０８において、評価指標値Ｌの値がそれまでに得られている値の中で小さいものから１０番目以内に入る場合には、最適な観測単位の組合せＸｏｐｔに加えてそれらも保存しておけばよい。

以上、観測単位選択部２における観測単位の選択手法として、シミュレーテッドアニーリングを適用した場合を説明したが、シミュレーテッドアニーリング以外にも様々な組み合わせ最適化手法が適用できることは既に述べた通りである。

さらに、上記説明のように観測単位選択部２における観測単位の選択は、初期の設定さえすれば後は全てコンピュータ等に自動で行わせることができるが、運用者が手動で観測単位の選択を変更することも容易である。すなわち、運用者の操作する入力部５が表示画面(図示省略：出力部６と兼用でも可)も有する場合には(タッチパネル付表示画面等)、表示画面に選択可能な観測単位を表示し、運用者がタッチパネルまたはマウスによるクリックなどで観測単位を選択し、選択された観測単位の組合せを運用計画生成・判定部３に入力して観測可否判定と運用計画の生成を実行する。実行の結果やそれに対する評価指標値を再び端末画面等からなる出力部６に表示して、それを元に運用者が観測単位を追加あるいは削除していくような構成も容易に実現可能である。

以上のように、観測単位選択部２においては、観測運用計画の生成を、観測単位の組合せを選択するという組み合わせ最適化問題の形に定式化したことで、一般的な組合せ最適化問題に対するアルゴリズムを適用でき、従来から数多くの研究がなされてきたそれらアルゴリズムにおける工夫や効率化の成果を利用して、効率的に観測運用計画を生成できる。さらに、観測単位の組合せに対する運用計画生成・判定部３における観測可否判定および観測運用計画結果を元に、組合せ選択のための評価指標を設定したことで、観測単位の選択において航行体の性能、観測制約条件を考慮することができ、最大限に航行体の性能を発揮させることができる。これにより、最大限観測要求を満たすような効率的な観測運用計画を生成できる。

次に、運用計画生成・判定部３における処理について説明する。図１に示すように、運用計画生成・判定部３は航行体ごとに用意された複数の航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ，…(航行体Ａ運用計画生成・判定部３Ａ，航行体Ｂ運用計画生成・判定部３Ｂ，…)に分けられる。すなわち、観測システムを構成する空間航行体が航行体Ａ、航行体Ｂとあった場合は、航行体Ａ運用計画生成・判定部３Ａ、航行体Ｂ運用計画生成・判定部３Ｂに分けられる。

図６に運用計画生成・判定部３の処理動作の一例を示す動作フローチャートを示し、以下これに従って処理動作を説明する。なお、航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ，…は、全て同じ処理フローを用いても良いし、航行体ごとの特性に合わせて処理フローを変えても良い。また、同じ処理フローを用いた場合においても、各航行体毎運用計画生成・判定部３Ａ，３Ｂ，…において考慮される航行体の性能や観測制約条件については、当然ながらそれぞれの航行体に対する値を用いる。

航行体Ａ運用計画生成・判定部３Ａに、Ｎ個の観測単位が与えられたとする。以下、個々の観測単位を、観測時刻の順に符号ｉにより表す(ｉ＝１，…，Ｎ)。図６において、観測単位選択部２から観測単位(ｉ＝１，…，Ｎ)の組み合わせが入力されると、ステップＳＴ３０１では、各観測単位ｉの観測時刻ｔ(ｉ)を設定する。その設定方法については後述する。

次に、ステップＳＴ３０２において、観測時刻順に、隣り合う観測単位間の観測時刻の差(観測時刻間隔)を計算し、観測単位ｉと観測単位ｉ＋１の間の観測時刻間隔をＴ(ｉ)と表す。すなわち、Ｔ(ｉ)＝ｔ(ｉ＋１)−ｔ(ｉ)(ｉ＝１，…，Ｎ−１)である。

次に、ステップＳＴ３０３において、観測単位ｉとｉ＋１の間で必要な遷移時間の最小値(最短所要遷移時間)Ｔｍｉｎ(ｉ)(ｉ＝１、・・・、Ｎ−１)を計算する。
Ｔｍｉｎ(ｉ)としては、観測単位ｉの観測時間(１回の観測を開始してから終了するまでの所要時間)のうちの観測時刻ｔ(ｉ)以降の部分の時間と、観測単位ｉ＋１の観測時間のうちの観測時刻ｔ(ｉ＋１)以前の部分の時間と、観測単位ｉの観測から観測単位ｉ＋１の観測の間に観測器の視線方向を変えるために、図９に示す観測器ＯＢの視線方向Ｄ_ＯＢおよび観測器ＯＢを搭載した航行体ＳＡの姿勢Ｐ_ＳＡを駆動しなければならない場合には、その駆動のための最短の所要時間、さらには、観測と観測の間で観測器等の電源を入れるあるいは切るといった手順が必要な場合はその所要時間等、観測単位ｉの観測時刻から観測単位ｉ＋１の観測時刻までの間に必要な様々な所要時間が含まれる。

例えば、航行体の姿勢を駆動するための時間は、観測単位ｉの観測時の姿勢と、観測単位ｉ＋１の観測時の姿勢、さらには航行体Ａの姿勢駆動能力等から求めることができる。各観測時の姿勢は観測時刻および航行体情報記憶部４の軌道パスと観測地点との幾何学的関係より求まる。航行体Ａの姿勢駆動能力は、航行体情報記憶部４の航行体の性能として、姿勢遷移速度(例えば角速度(度／秒))を格納しておけばよい。さらに航行体情報記憶部４の航行体の性能の中の搭載観測器の性能として、視線遷移速度(例えば角速度(度／秒))を格納しておいてもよい。または、これらをまとめて航行体の性能として航行体観測視線遷移速度(例えば角速度(度／秒))として格納しておいてもよい。さらに、より詳細に、姿勢条件に応じた航行体Ａの姿勢駆動方式アルゴリズムを航行体情報記憶部４に格納しておき、当該アルゴリズムに従って姿勢駆動を行う場合の所要時間を求めても良い。観測器のオンオフ時間は、航行体情報記憶部４の航行体の性能の中の搭載観測器の性能として、格納しておけばよい。

ステップＳＴ３０３において全ての観測単位間での最短所要遷移時間Ｔｍｉｎ(ｉ)(ｉ＝１，…，Ｎ−１)が計算されると、ステップＳＴ３０４において、ステップＳＴ３０２において求めた観測時刻間隔Ｔ(ｉ)と比較する。いずれかの観測単位間においてＴ(ｉ)＜Ｔｍｉｎ(ｉ)となっていた場合は、その観測時刻設定では最短所要遷移時間Ｔｍｉｎ(ｉ)が観測時刻間隔Ｔ(ｉ)を満たせないということであるから、ステップＳＴ３０１に戻って観測時刻設定をやり直す。全ての観測単位間(ｉ＝１，…，Ｎ−１)でＴ(ｉ)≧Ｔｍｉｎ(ｉ)が成り立っていた場合は、次のステップＳＴ３０５へ進む。

ステップＳＴ３０５では、観測時刻設定や最短所要遷移時間以外の様々な制約条件について、満たしているかどうかを確認する。そのような制約条件としては、例えば観測される画像の分解能が許容範囲であるかどうかや、観測データを蓄積する航行体搭載のデータレコーダの容量をオーバーしていないかどうか、等、航行体単独での運用計画が実行可能であることを確認するものであれば何でも良い。これらは航行体情報記憶部４に航行体の性能・観測制約条件として格納されている。ステップＳＴ３０５において設定しておいたいずれかの制約が満たされない場合には、運用計画生成・判定部３は観測不可能の判定結果を出力する。全ての制約を満たし、観測時刻が適切に設定された場合は、運用計画生成・判定部３は観測可能の判定とともに、各観測単位の観測時刻等を含んだ運用計画結果を出力する。

次に、ステップＳＴ３０１における観測時刻設定について、図７を用いて説明する。図７では、２つの観測単位ｉとｉ＋１についてのみ示している。まず、図７の(ａ)に示すように、観測単位ｉについては前方視の要求があり、ノミナル観測時刻と観測時刻設定可能範囲が観測地点通過時刻よりも前に設定されている。観測単位ｉ＋１についてはノミナル観測時刻が観測地点通過時刻に設定されている。

まず、初期設定として、各観測単位の観測時刻ｔ(ｉ)およびｔ(ｉ＋１)をそれぞれのノミナル観測時刻に設定したとする。そのときに、図７の(ａ)に示すように、ステップＳＴ３０２において求められる観測時刻間隔Ｔ(ｉ)が、ステップＳＴ３０３において求められる最短所要遷移時間Ｔｍｉｎ(ｉ)よりも小さかったとすると、ステップＳＴ３０４においてステップＳＴ３０１へ戻ることが選択され、観測時刻を再設定することになる。

その場合、図７の(ｂ)に示すように、各観測時刻ｔ(ｉ)およびｔ(ｉ＋１)は、各々のノミナル観測時刻との差がなるべく小さくなるように、かつ、その観測時刻間隔Ｔ(ｉ)がＴｍｉｎ(ｉ)以上となるように、それぞれノミナル観測時刻よりも前後にずらした時刻に設定される。

ステップＳＴ３０３において求められる最短所要遷移時間Ｔｍｉｎ(ｉ)が観測時刻ｔ(ｉ)およびｔ(ｉ＋１)に依存して決まる場合は、このように設定した観測時刻ｔ(ｉ)およびｔ(ｉ＋１)に対して最短所要遷移時間Ｔｍｉｎ(ｉ)を求めると、再度観測時刻間隔Ｔ(ｉ)よりも大きくなり、再びステップＳＴ３０１へ戻る可能性があるが、そのような場合にも、上記手順によりステップＳＴ３０１からステップＳＴ３０４までを繰り返し計算することで、全ての観測時刻間隔が最短所要遷移時間よりも長くなるような観測時刻設定が得られる。

あるいは別の可能性として、ステップＳＴ３０１において観測時刻設定可能範囲での観測時刻設定が不可能となることもある。すなわち、ステップＳＴ３０３において求められたＴｍｉｎ(ｉ)が、観測単位ｉの観測時刻設定可能範囲下限から観測単位ｉ＋１の観測時刻設定可能範囲上限までの時間よりも大きい場合にそのようなことが起こる。そのような場合には、ステップＳＴ３０１において計算ループを抜けて、運用計画生成・判定部３は観測不可能という結果を出力する。

なお、図７を用いた上記説明においては、簡単のために２つの観測単位ｉとｉ＋１のみがある場合について示したが、３つ以上の観測単位がある場合についても、上記と同様に、各観測時刻ｔ(ｉ)(ｉ＝１，…，Ｎ)は、各々のノミナル観測時刻との差がなるべく小さくなるように、かつ、観測時刻間隔Ｔ(ｉ)(ｉ＝１，…，Ｎ−１)がＴｍｉｎ(ｉ)以上となるように、設定すればよい。

以上のように、運用計画生成・判定部３では、航行体の性能や観測制約条件を考慮した最短所要遷移時間に応じて、観測単位設定部１において設定されたノミナル観測時刻と観測時刻設定可能範囲に基づいて観測時刻を設定することで、航行体の性能や制約を考慮しつつ、最大限観測要求を満たすような運用計画が生成できる。

なお、上記実施の形態では、複数の航行体からなる観測システムを、地上におけるコンピュータシステム等を用いて運用しており、観測要求は観測データを利用する個人や公的機関、民間企業等から入力部５により与えられる場合を想定していた。しかしながらこの発明はこれに限らず、例えば図１０に示すように複数の航行体ＳＡ１，ＳＡ２が互いに無線通信を行い、図８に示すように、(無線)通信装置からなる入力部５ａにより無線通信により航行体ＳＡ１，ＳＡ２から得られる航行体搭載の観測器からの観測データ及び航行体・観測器状態データ、観測要求生成用情報記憶部８に予め格納された観測要求生成用情報をもとに、観測要求生成部７が少なくとも観測地点と観測方法を含む観測要求を自動的に生成するような、自律的な観測システムであってもよい。

観測要求生成部７は例えば、観測器からの観測データの閾値比較の結果等から観測地点を定め、航行体・観測器状態データ(航行体の位置及び姿勢データ、観測器の視線方向データ等：航行体情報記憶部４の情報も使用可)から該観測地点の観測目標位置座標を求め、また、観測要求生成用情報記憶部８に格納された、例えば観測目標位置座標から観測方法を指定する規定等から各観測地点での観測方法を設定する。

その場合、この発明による観測運用計画装置を構成する観測単位設定部１、観測単位選択部２、運用計画生成・判定部３、航行体情報記憶部４、入力部５ａ、出力部６ａ、観測要求生成部７、観測要求生成用情報記憶部８は図９に１００で示すように航行体ＳＡ１，ＳＡ２のうちの１つに搭載されるか、あるいは図１０に示すように複数の航行体ＳＡ１，ＳＡ２に分散して搭載されることになるが、構成や機能はそのまま適用可能である。また複数の航行体ＳＡ１，ＳＡ２に分散して搭載される場合、出力部６ａは、各航行体に観測運用計画の指示を実際に無線通信により出力する(無線)通信装置となる。なお、観測領域は地表に限定されるものではない。

この発明では、多くの観測要求が与えられた場合にも、複数の空間航行体の性能を最大限に発揮し、より多くの観測要求を満たす効率的な観測運用計画を生成できる。また、与えられた観測単位の組合せに対して、航行体の性能を最大限に発揮するような観測時刻設定が可能となり、ひいては、観測単位の組合せごとの観測可能性が増すことで、より多くの観測要求を満たす効率的な観測運用計画の生成が可能となる。また、観測単位の選択において航行体の性能や制約を考慮することができ、航行体の性能を最大限に発揮させ、観測要求を多く満たすような効率的な観測運用計画を生成できる。また、観測に最適な航行体や軌道パスの選択まで含めた効率的な観測運用計画の生成が容易になる。そして運用計画部において、観測要求や航行体の性能、制約を考慮した観測時刻設定が容易となる。

１ 観測単位設定部、２ 観測単位選択部、３ 運用計画生成・判定部、３Ａ，３Ｂ 航行体毎運用計画生成・判定部、４ 航行体情報記憶部、５，５ａ 入力部、６，６ａ 出力部、７ 観測要求生成部、８ 観測要求生成用情報記憶部、ＯＢ 観測器、ＳＡ，ＳＡ１，ＳＡ２ 空間航行体。

Claims (5)

1. 観測器を搭載した少なくとも１機の空間航行体により観測対象領域の観測を行う際の、入力された複数の観測要求をもとに観測運用計画を生成する観測運用計画装置であって、
   前記観測器を含む各空間航行体の性能・観測制約条件、軌道パスを含む航行体情報を格納した航行体情報記憶部と、
   少なくとも観測地点と観測方法を含む前記各観測要求に対し、前記航行体情報および観測方法に従って、観測地点に観測可能な空間航行体の複数の軌道パスを指定して、それぞれ観測方法および観測制約条件に従って観測時刻設定可能範囲、ノミナル観測時刻を求め、空間航行体、軌道パス、観測地点、観測方法、観測時刻設定可能範囲、ノミナル観測時刻からなる観測単位を設定する観測単位設定部と、
   前記空間航行体毎に組み合わせられた前記観測単位に対して、空間航行体の性能・観測制約条件に従いそれぞれの観測単位の観測時刻を、観測時刻とノミナル観測時刻との差が小さくなるように設定した運用計画結果を生成すると共に、空間航行体の性能・観測制約条件に基づき観測単位の組合せが観測可能か否かを判定する運用計画生成・判定部と、
   前記観測単位設定部からの観測単位を空間航行体毎に組み合わせて前記運用計画生成・判定部に送るとともに、前記運用計画生成・判定部から出力される観測可否判定結果と運用計画結果に従って、観測要求を最大限満たすように観測単位の組合せを選択し前記運用計画生成・判定部に送る観測単位選択部と、
   を備えたことを特徴とする観測運用計画装置。
2. 運用計画生成・判定部が、
   個々の観測単位の観測時刻と空間航行体の性能・観測制約条件に応じて、観測順が隣り合う観測単位間での最短所要遷移時間を計算する手段と、
   各観測時刻間隔が各々の前記最短所要遷移時間以上となり、かつ、個々の観測時刻とノミナル観測時刻との差がより小さくなるように個々の観測時刻を観測時刻設定可能範囲の中で設定する手段と、
   を含み、
   前記観測時刻の初期値を前記ノミナル観測時刻とし前記最短所要遷移時間の計算と前記観測時刻の設定を交互に繰り返すことで、観測時刻を設定することを特徴とする請求項１に記載の観測運用計画装置。
3. 観測単位選択部が、複数の観測単位の組合せを運用計画生成・判定部に入力し、前記運用計画生成・判定部から出力される観測可否判定結果および運用計画結果に従って計算される評価指標値をもとに、観測要求を最大限満たす観測単位の組合せを選択することを特徴とする請求項１に記載の観測運用計画装置。
4. 観測単位設定部が、観測要求において指定される観測地点がその観測可能領域に含まれるような空間航行体および軌道パスの全ての組合せについて、個別に観測単位を設定することを特徴とする請求項１に記載の観測運用計画装置。
5. 観測単位設定部が、観測要求がノミナル観測時刻または観測方向の要求を含む場合には観測要求における指定にもとづいて各観測単位のノミナル観測時刻を設定し、観測要求がノミナル観測時刻を含まない場合には、各観測単位のノミナル観測時刻を空間航行体が観測地点に最も近づく時刻とし、各観測単位の観測時刻設定可能範囲を、ノミナル観測時刻の前後の、空間航行体の性能・観測制約条件、および観測要求を満たすような範囲に設定することを特徴とする請求項１に記載の観測運用計画装置。

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