JP2015077917A - 観測器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ視線を鉛直方向から傾けて観測するような場合であっても、センサ視野全体にわたって最適な視点運動が実現でき、画像全体にわたってMTFの劣化を抑えることができる観測器の制御装置を提供する。【解決手段】CCDフットプリントの歪みを考慮し、センサ視野の手前側と奥側でフットプリントの移動速度が異なるようなセンサ視点運動を生成する。生成した視点運動を実現するよう観測器の姿勢目標値を求め、目標値に追従するように観測機の姿勢を制御する。これによりセンサ視線を傾けて観測する場合であってもフットプリント歪みによる画像端でのMTF劣化を抑えることができる。【選択図】図３

Description

この発明は、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載されて上空から地表面等を観測する観測器において、予め定めた目標点の観測を行うときに、観測器が時々刻々変化する目標点の方向を向くように観測器の姿勢制御を行う観測器の制御装置に関するものである。

人工衛星や航空機等に搭載された観測器において、TDI(Time Delay and Integration)型CCD(Charge Coupled Device)により観測を行う場合、CCD1画素の地表面投影アロングトラック方向サイズ（CCDフットプリント）と1画素あたりの積分時間（ラインレート）におけるセンサ視点の地表面での移動距離（GSD(Ground Sampling Distance)）がほぼ一致している必要がある（以下、この条件を「TDI条件」と呼ぶ）。これらの間に差がある場合、その差の大きさに応じて画像MTF(Modulation Transfer Function)が劣化する。そこで、CCDフットプリントとセンサ視点の移動速度に応じて適切なラインレートを設定し、観測を行う必要がある。

従来の観測器の制御装置では、例えば特許文献１に示すように、観測器が観測する代表的な目標点の位置及び観測時刻に基づいて前記目標点の地球表面上における位置、速度及び加速度を生成する目標点運動生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の位置及び前記観測器の位置に基づいて前記目標点の方向を生成する目標点方向生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度に基づいて前記観測器の姿勢に対する観測条件を演算する観測条件演算部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度及び加速度、前記目標点方向生成部により生成された前記目標点の方向、前記観測条件演算部により演算された観測条件、並びに前記観測器の位置及び速度に基づいて前記観測器の姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値を演算する姿勢指令値演算部と、前記観測器の姿勢角及び姿勢角速度が、前記姿勢指令値演算部により演算された姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値と等しくなるように前記観測器に姿勢制御トルクを出力する姿勢制御演算部とを設け、目標点運動生成部においては、観測目標点の対地速度ベクトルの向きと大きさを任意に与え、それによって決まる平面内で、目標点位置を極座標表現し、動径方向の距離ｒと回転角ｑによって表す。
このとき、距離ｒと回転角ｑのそれぞれを時間の多項式として与え、代表的な観測目標点の観測時刻において、その位置、および速度が目標の値に一致するという境界条件を満足するよう、多項式の係数を与えることが開示されている。

特許文献２に示す従来の撮像装置では、所定の走査方向に撮像対象を走査して撮像を行う場合に、受光素子毎の受光方向の違いによる画像の鮮鋭度のばらつきを抑えるため、TDI型CCDのブロックごとにGSDに応じた異なるラインレートを設定した技術が開示されている。

特開２００５−２８８９９号公報 特開２０１１−２４１６７号公報

特許文献１に示された従来の観測器の制御装置においては、センサ視野中心においては常にTDI条件を満たし、CCDフットプリントとセンサ視点の移動速度に応じて適切なラインレートを設定し、TDI型CCDに適した観測を行うことができる。しかしながら、センサ視線方向を鉛直方向から傾けて観測を行うような場合、CCD全体の地表面投影は台形状に歪むため、センサの手前側と奥側で最適なラインレートが異なり、センサ全体で同一のラインレートとした場合には画像端でのMTFが劣化するという課題があった（図６参照）。

また、特許文献２に記載された撮像装置では、センサ手前側と奥側等の部分ごとに適切なラインレートを設定し、センサ全体で最適なラインレートからの誤差を小さく抑えられる可能性がある。しかしながら、このような構成とする場合には駆動回路部分において生じるノイズの影響が大きいこと及び駆動回路が複雑化、大型化するため実現が難しいという課題があった。

この発明に係る観測器の制御装置は係る課題を解決するためになされたものであり、センサ視線を鉛直方向から傾けて観測するような場合であっても、センサ視野全体にわたって最適な視点運動が実現でき、画像全体にわたってMTFの劣化を抑えることができる観測器の制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る観測器の制御装置は、飛しょう体に搭載され光学センサを走査することにより地表面の観測対象を撮像する観測器を制御する制御装置であって、前記制御装置は曲率演算部と視点運動演算部と姿勢制御部を有し、前記曲率演算部は、前記光学センサが前記地表面に投影された地表面投影における前記光学センサの手前側のフットプリントサイズと奥側のフットプリントサイズに基づいて、前記観測対象の中心位置における前記センサが指向するセンサ視線方向が前記地表面と交差する点であるセンサ視点の移動軌跡の曲率を算出し、前記視点運動演算部は、前記曲率を有して前記地表面を移動する移動軌跡を生成し、前記姿勢制御部は、前記センサ視点が前記移動軌跡を追随するように、前記観測器の姿勢を制御する。

この発明に係る観測器の制御装置によれば、フットプリント歪みによる画像端でのMTF劣化を抑えることができ、画像全体で画質最適化が図れる。また、CCD全体で同一のラインレートとする前提のため、画像に新たなノイズが発生することがなく、画像性能の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る曲率演算部による曲率の算出方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る、センサ視野手前側と奥側のフットプリントの違いに応じて曲率を与えた場合の視点運動を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る視点運動演算部による、視点移動の拘束平面の回転方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る拘束平面の回転における比例係数κの設定方法の一例を説明する図である。 フットプリントの歪みより、画像端での最適なラインレートが異なることの原理を説明するための図である。

実施の形態１.
図１はこの発明の実施の形態１に係る観測器１の制御装置１０の構成を示すブロック図である。制御装置１０は、曲率演算部２と、視点運動演算部３と、姿勢制御演算部４からなる。

曲率演算部２は、観測対象の位置を示す観測地点位置、観測を行う時間帯の中心時刻である観測中心時刻、観測器１のセンサ移動速度、センサ視野中央に対応した視点位置である観測中心位置等が与えられると、センサ視点運動の曲率を算出する。ここでセンサ視点とは、観測器１が搭載するセンサ１１の中心位置のセンサ（以下、センサ中心という）が地表面を向くセンサ視線方向（以下、センサ視線方向（センサ中心）という）が地表面と交差する点のことをいう。センサ視点はセンサ中心視点ともいう。また、センサ視点運動とは、センサ視点が所定の速度や加速度で地表面を移動する移動軌跡のことをいう。

視点運動演算部３は、曲率演算部２で算出した曲率を実現するよう、センサ視点の地表面軌跡、速度、加速度などの視点運動を生成する。

姿勢制御演算部４は、生成した視点運動を実現する観測器１の姿勢運動目標値を求め、求めた姿勢運動目標値に観測器の姿勢が追従するよう、姿勢制御演算を行い、観測器の姿勢を制御する。なお、姿勢制御演算部４が視点運動に基づいて行う観測器１の姿勢運動目標値の算出および姿勢制御については、例えば特許文献１に示す従来の方法で実現可能であり、ここではその詳細については省略する。

以下、曲率演算部２で算出するセンサ視点運動の曲率の算出方法について、具体的に説明する。
曲率演算部２に対しては、例えば地上設備等の外部からのコマンド等により、観測目標の中心位置、観測中心時刻（観測を行う時間帯の中心時刻）、観測中心位置におけるセンサ視点（センサ視線方向が地表面と交差する点）の移動速度が与えられる。
観測器１は、センサ視点が与えられた観測中心時刻に、与えられた観測目標の中心位置を、与えられた移動速度で通過し、さらに、観測中心時刻の前後の観測時間の間、観測を行うように制御される。

曲率演算部２は、与えられた情報（観測目標の中心位置、観測中心時刻、観測中心位置におけるセンサ視点の移動速度）、観測器１の観測中心時刻における位置、センサ瞬時視野（CCDの１画素分の視野角）、センサ視野をもとに、観測中心時刻におけるセンサフットプリントを求める。
センサフットプリントは、観測器１の位置と観測中心位置を基に観測器１の視線方向が求められ、更に、センサ視点の移動速度方向からセンサ視線周りの姿勢も与えられるため、幾何学的関係から一意に計算することができる。

図２は、曲率演算部２による曲率の算出方法を説明する図である。
図２において、センサ視野の両端において求めたセンサフットプリントのアロングトラック方向長さを、観測器１から見て手前側をｄｎ、奥側をｄｆとおく。
そして、観測中心位置からそれぞれのフットプリント位置までの距離をｌｎ、ｌｆとしたときに、曲率Ｒ（観測中心位置におけるセンサ視点軌跡の曲率半径）を以下の式（１）により与える。

図３は、センサ視野手前側と奥側のフットプリントの違いに応じて曲率Ｒを与えた場合のセンサ視点運動を説明する図である。
このように式（１）で与えられる曲率Ｒに従いセンサ視線を移動させることで、センサ視野両端の手前側と奥側での視点移動速度の比がフットプリント長さの比に一致し、両端でのＭＴＦ劣化を抑えることができる。

次に、視点運動演算部３による視点運動生成方法について、以下説明する。
視点運動演算部３に対しては、曲率演算部に対して与えられたのと同様の情報に加え、観測時間が与えられる。
また、曲率演算部２にて算出された曲率Ｒも視点運動演算部３の入力となる。
観測中心位置と視点移動速度方向が与えられると、地球中心と観測中心位置を通り、視点移動方向を含む平面が定まる。ここでは、この平面を視点移動の拘束平面と呼ぶ。

視点運動演算部３では、センサ視点の地表面軌跡を拘束平面内において極座標表現により表す。すなわち、地球中心からの動径ｒと、平面内での回転角ｑで表す。ｑは、ｑ＝０が観測中心位置に対応するようにする。さらに、視点移動の拘束平面の向きを、観測中心位置と地球中心を通る直線を中心軸とした回転角λにより表す。λ＝０が観測中心時刻における拘束平面を表すとする。

図４は視点運動演算部３による、視点移動の拘束平面の回転方法を説明する図である。
視点運動演算部３では、視点移動の拘束平面を以下の式（２）により、視点の移動に従って回転させる。

ここで、κは比例係数である。視点運動演算部３は、曲率演算部２で求めた曲率Ｒに応じてその曲率を実現するように、比例係数κを設定する。
観測中心時刻にｑ＝０とし、その前後でｑを変化させることで拘束平面内でセンサ視点が移動し、さらに上式に従ってλが変化することで拘束平面が回転し、それらの複合により地表面における視点軌跡が曲率を持ったものになる。
視点運動演算部３では、その曲率がＲに一致するように比例係数κを設定することで、曲率演算部２で求めた曲率を実現する。

図５は、拘束平面の回転における比例係数κの設定方法の一例を説明する図である。
具体的なκの設定方法としては、例えば観測中心時刻における幾何学的関係をもとに、以下の式（３）により与える。

ここで、ｒ０は動径ｒの観測中心時刻における値であり、すなわち、地球中心から観測中心位置までの距離である。
このように拘束平面の回転を与えることで、所望の曲率を持った視点運動を簡易な計算により求めることができる。

以上のように実施の形態１に係る観測器の制御装置によれば、曲率演算部２においてセンサ視野手前側と奥側のフットプリントの違いに応じて、視点運動の曲率Ｒを与え、次に視点運動演算部３において与えられた曲率Ｒを実現するようなセンサ視点運動を算出するようにした。

これにより、センサフットプリントが台形状に大きく歪むような観測の場合にも、センサ視野全体にわたって最適な視点運動が実現でき、撮像した画像全体にわたってＭＴＦの劣化を抑えることができる。

なお、本実施の形態では曲率演算部２と視点運動演算部３はともに観測器に搭載されたものとして説明したが、曲率演算部２を観測器１外部の、例えば地上管制局等に設置し、求めた曲率Ｒを観測器１にコマンドとして送信する構成としてもよい。
さらに、曲率演算部２と視点運動演算部３をともに観測器１外部に設置し、求めたセンサ視点運動をコマンドとして送信する構成としてもよい。
また、本実施の形態では曲率演算部２による曲率Ｒの算出と視点運動演算部４における拘束平面の回転の算出をともに式により与えたが、繰り返し計算等を用いることも可能である。特に、上記のように曲率演算部２と視点運動演算部３を地上管制局等に設置する場合など、計算にかかる計算負荷を小さく抑える必要がない場合は、有効な手段となる。

実施の形態２.
実施の形態２に係る観測器１の制御装置１０の構成は実施の形態１と同様であるが、実施の形態２では、曲率演算部２における曲率Ｒの算出方法が異なる。

実施の形態１における曲率演算部２は、センサ視野両端におけるフットプリント長さのみを用いて曲率を決定した。しかしながら、センサフットプリントは完全な台形ではなく、いびつな形となることも多いため、両端のみの情報から曲率を決定した場合はセンサ視野内のその他の領域においてセンサ視点の移動速度が最適ではなくなる可能性がある。

そこで本実施の形態２では、センサ視野全体で平均的に最適な視点移動速度となるように曲率を算出する。
具体的な方法は以下の通りである。センサ視野内において、あらかじめ定められた複数の方向ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）において、実施の形態１のときと同様にフットプリント長さを求め、それらをｄｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）とする。
また、観測中心位置（センサ視野中央に対応した視点位置）を原点とし、センサ視野全体のフットプリント長手方向にとった軸をｘ軸とし、各方向ｉに対応する視点位置をｘ軸上でｘｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）とする。そして、曲率Ｒを以下の式（４）をもとに求める。

ここで、ｄｃはセンサ視野中央（ｘ軸原点）におけるフットプリント長さである。上式（４）は未知数Ｒに関してＮ個の式となっておりすべてのｉについて厳密に満たすことは不可能であるが、ｘｉとｄｉに関して係数にＲを含む線形の式となっているため、一般によく知られた線形最小２乗法により残差を小さくするような解を求めることができる。

このように本実施の形態によれば、式（４）により算出された曲率Ｒに従ってセンサ視点が動くことで、センサ視野全体で平均的に最適な視点移動速度となり、画像全体にわたって平均的にＭＴＦ劣化を抑えることができる。

１ 観測器、２ 曲率演算部、３ 視点運動演算部 、４ 姿勢制御演算部、１０ 制御装置、１１ 光学センサ。

Claims (3)

1. 光学センサを走査することにより地表面の観測対象を撮像する観測器を制御する制御装置であって、
   前記制御装置は曲率演算部と視点運動演算部と姿勢制御部を有し、
   前記曲率演算部は、前記光学センサが前記地表面に投影された地表面投影における前記光学センサの手前側のセンサフットプリントの前記走査方向の長さと、前記光学センサの奥側のセンサフットプリントの前記走査方向の長さに基づいて、前記観測対象の中心位置における前記センサが指向するセンサ視線方向が前記地表面と交差する点であるセンサ中心視点の移動軌跡の曲率を算出し、
   前記視点運動演算部は、前記曲率を有して前記地表面を移動する前記センサ中心視点の移動軌跡を生成し、
   前記姿勢制御部は、前記センサ中心視点が前記移動軌跡を追随するように、前記観測器の姿勢を制御することを特徴とする観測器の制御装置。
2. 前記視点運動演算部は、地球中心と前記観測対象の中心位置を通り、前記センサ中心視点の移動方向を含む平面である拘束平面を定め、
   前記拘束平面の向きを前記観測対象の中心位置と地球中心を通る直線を中心軸として所定の角度で回転した拘束平面と、前記地表面とが交差する軌跡を前記センサ中心視点の移動軌跡として生成することを特徴とする請求項１記載の観測器の制御装置。
3. 前記曲率演算部は、前記地表面投影を前記光学センサの手前側と奥側の間で複数に分割し、各々の前記分割位置におけるセンサフットプリントの前記走査方向の長さを用いて前記曲率を算出することを特徴とする請求項１、２いずれか記載の観測器の制御装置。

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