JP2018043617A - 宇宙機搭載監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙機の軌道上展開物及び駆動機器の状況を視覚的に確認する重量低減された宇宙機搭載監視装置を提供する。【解決手段】機器を撮影する撮影装置１と、撮影装置の視野内に設けられたミラー５を備え、撮影装置は、ミラーで反射された機器２の画像を撮影する。これにより視野を遮られる位置にある機器の撮影を可能とでき、搭載カメラの台数を減らして宇宙機の重量を低減できる。【選択図】図１

Description

この発明は、宇宙機に搭載された機器の状況を、宇宙空間において、視覚的に確認することが可能な監視装置に関するものである。

衛星打ち上げ後に、アンテナや太陽電池パネル等の軌道上展開物や、衛星搭載の駆動機器の状況を視覚的に確認する場合、通常は、予め衛星に配置しておいたカメラを用いて該当箇所の撮影を行う。
このカメラは、搭載数を極力減らす観点から、可能な限り、複数の撮影対象物が同一視野内に入る位置に配置をすることが望ましい。しかしながら、撮影対象物が離れた位置にある場合や、撮影対象物が衛星構体等によって視野を遮られる位置にある場合においては、撮影対象物専用のカメラを別に用意し、衛星内にカメラを配置するようにしていた。

特開平１０−１４７２９８号公報

近年の宇宙機では、軌道上展開物及び動きのある駆動機器の状況を視覚的に確認するため、また、衛星の健全性評価や特異事象発生時の原因究明に役立てるため、モニタカメラの搭載が要求されている。

従来は、搭載スペースや衛星質量の関係でカメラの台数を極力少なくすることが望ましいことから、複数の撮影対象物が可能な限り視野に入るように、固定式カメラを宇宙機に配置してきた。
しかしながら撮影対象物が遠く離れた位置にある場合や、撮影対象物が衛星構体等に遮られて視野に入らない位置にある場合、１台の固定式カメラで撮影対象物を全て撮影できない。
このような場合には、撮影対象物毎に１台のカメラを配置しなければならないという課題があった。

また、複数の撮影対象物が視野に入るように固定式カメラの配置を決定した後、衛星コンフィギュレーションを検討する過程で、撮影対象物の配置や構造物の形状が変更される場合もある。
カメラを追加して搭載することになる場合、付随するコンポーネントの追加もしくはチャンネル数を増やす改修が必要となるという課題があった。

また、駆動式カメラを使用することで複数の対象物を順に撮影することは可能だが、同時に展開・駆動する対象物の撮影には対応できず、駆動式カメラであっても撮影対象物ごとにカメラを配置することが必要であるという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、最少の台数で、宇宙機の複数の撮影対象物を、同時に、撮影可能な監視装置を提供することを目的とする。

この発明に係る宇宙機搭載監視装置は、宇宙機に搭載され、前記宇宙機に搭載された複数の機器を撮影する宇宙機搭載監視装置であって、
前記複数の機器に含まれる少なくとも１つの機器を撮影する撮影装置と、
前記宇宙機に搭載され、前記撮影装置の視野内にあって、前記撮影装置から前記複数の機器に含まれる他の機器を撮影可能な位置に固定されたミラーと、
からなる。

この発明によれば、最少台数のカメラで複数の撮影対象物を、同時に、撮影することが可能となり、カメラ台数の削減や衛星重量の軽量化が図れる、という効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る宇宙機搭載監視装置の構成を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る宇宙機搭載監視装置の矢視Ａからみた構成を示した図である。 この発明の実施の形態１に係るミラーの保持構造を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る展開物の展開率とカメラの調整位置の関係を示したリストの一例である。 この発明の実施の形態１に係る展開物の展開率とミラーの回転方向の関係を示したリストの一例である。 この発明の実施の形態２に係る宇宙機搭載監視装置の複数のミラーを使用した撮影方法を説明する図である。 衛星に搭載される太陽電池パネルの収納状況を示した図である。 衛星に搭載される太陽電池パネルの展開状況を示した図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る宇宙機搭載監視装置５０の構成と各構成の配置を説明する図である。なお、ここでは宇宙機として人工衛星を例として挙げるが、人工衛星以外の飛しょう体や宇宙ステーションなどでも本発明を適用可能である。

図１において人工衛星１００は、衛星本体である衛星構体１０と、衛星構体１０に電流を供給する太陽電池パネル２と、観測機器であるアンテナ４を備える。アンテナ４は衛星構体１０に設けられた支柱６に設置されている。
図２は、図１に示した矢視Ａから見た人工衛星の構成を示した図である。
監視装置５０は、カメラ１とミラー５から構成される。
カメラ１の視野内にミラー５を配置し、アンテナ４をカメラの視野に収めた上で、逆方向にある太陽電池パネル２をミラー５を介して撮影する構成を示したものである。カメラ１の視野内にミラー５を配置することで視野を分割し、一台のカメラ１で複数の対象物（アンテナ４及び太陽電池パネル２）を同時に撮影することを可能としている。
回転する太陽電池パネル２の先端までを撮影するのに必要なミラー５の大きさは、縦４００ｍｍ×幅５００ｍｍ程度であり、構造物への搭載は十分可能である。

図３はミラー５と、ミラー５を保持する保持構造を示した図である。
衛星は打上げの際に振動、衝撃等を受けるため、振動、衝撃等の打ち上げ環境に耐えるものでなければならない。そこで本実施例では、ミラー５はバックストラクチャ７で保持する構造とする。
図３で、ミラー５は、帯電防止のため小型パネル８に導電性接着剤で接着固定される。この際、ミラー５と小型パネル８の熱膨張率の差によりミラー５に割れが生じることを防ぐため、画像を得るための１枚のミラーを小型パネル８にそのままの状態で接着するのではなく、１枚のミラーを複数に分割した複数のミラー（分割ミラー）５ａ、５ｂ、５ｃ・・、を縦横に整列して接着し、ミラー５を構成することが望ましい。
また、ミラー５の表面は宇宙環境における原子状酸素や紫外線による劣化防止のため、予め導電性コーティング及びＵＶ（Ultra Violet）コーティングを施しておく。
このように、表面に導電性コーティング及びＵＶコーティングを施した複数のミラー５を縦、横に整列して並べ、導電性接着剤で接着固定した小型パネル８を、ミラーの反対側の背面側から保持構造物であるバックストラクチャ７で保持するようにした。バックストラクチャ７は例えば所定の鋭角をもつ板材であり、バックストラクチャ７は衛星の軌道展開物や駆動機器の状況を視覚的に確認できる位置に固定される。

従来、撮影対象であるアンテナ４と太陽電池パネル２を両方、同時に撮影する場合、２個のカメラ１を衛星構体１０に設けて、各々のカメラでアンテナ４と太陽電池パネル２を撮影していた。

本実施の形態に係る宇宙機搭載監視装置では、アンテナ４がカメラ１の撮影視野内にあって、このアンテナ４の下部に、太陽電池パネル２がミラー５を介して撮影可能な新たにミラー５を設ける。
ミラー５は、ガラスに銀またはアルミを蒸着させたものを小型のパネルに接着し、バックストラクチャで支える。ミラー５は平面ミラー、凸面ミラーのいずれでもよく、撮影対象の位置、大きさ等によりミラー曲面を設計することができる。
なお、ミラー５が打上げ環境及び宇宙環境に曝されると、ミラーに割れ・欠けが生じる可能性も想定されるが、仮に割れ・欠けが生じた場合であっても、ミラー５の面積の数％以下の割れ・欠けであれば支障はない。

カメラ１は直線方向（ｘ、ｙ、ｚ）、回転方向（θ、φ、η）、傾斜方向（Ｌ）に移動可能な光学ステージ（図示なし）に載置され、衛星構体１０に設置される。
直線方向、回転方向、傾斜方向の移動は、地上局からの遠隔操作により調整可能であるようにしてもよい。

次に、動作を説明する。
まず、衛星に搭載される太陽電池パネル２は、打ち上げ時にはロケットのフェアリング内に収まるよう、収納状態で打ち上げられる。
図７は衛星打ち上げ時の、収納状態の太陽電池パドルを示している。図７において、２は太陽電池パネル、２１は太陽電池素子、３０は保持ブッシュ、４０は展開ヒンジ、１０は衛星構体を表す。太陽電池素子２１を実装した太陽電池パネルは２は折り重なるように折り重なるように収納されている。

このような状態で打ち上げられた衛星１は宇宙空間で太陽電池素子を実装した太陽電池パネルを所定の位置までで展開し、必要な電力を衛星に供給する。
図８は宇宙空間で展開した状態の太陽電池パドルを示している。図は４枚の太陽電池板、及び衛星構体との結合部材であるヨーク６０を有する太陽電池パドルを表している。

このように、太陽電池パネルは打ち上げ時にはロケットのフェアリング内に収納され、宇宙空間において順次展開されるが、太陽電池パネルの展開が途中で停止するなどの不具合が生じた場合、その状況を視覚的に確認することで対策を取り易くなる。
このことは太陽電池パネルのほか、アンテナなどの軌道上の展開物や衛星搭載の動作のある駆動機器にも該当する。

本実施の形態では、アンテナの展開と、太陽電池パネルの展開動作の両方を、カメラ１により同時に撮影する動作について説明する。
まず、太陽電池パネルの収納状態（図７）において、カメラ１を載置する光学ステージの直線方向、回転方向、傾斜方向の移動調整を行う。このとき、展開前のアンテナ４（図示せず）と、展開前の太陽電池パネルの両方が視野に入るように光学ステージの直線方向、回転方向、傾斜方向の移動調整を行う。
カメラ１の視野内にミラー５を配置することで視野を分割し、アンテナ４と、ミラー５に映された収納状態の太陽電池パネル２を同時に撮影する。

次に、アンテナ４と太陽電池パネル２が展開中の状態を撮影する。
このとき、予めアンテナ４の展開状態（全展開の状態を１００としたときの展開の割合）と太陽電池パネル２の展開状態（全展開の状態を１００としたときの展開の割合）に応じたカメラ１の最適な位置、向きを予め計算等で算出しリスト７０化する。
図４は、太陽電池パネル２の展開において算出したリスト７０の一例である。リスト７０に基づき、太陽電池パネル２の展開状態（展開率）に応じて、カメラ１の直線方向、回転方向、傾斜方向の調整位置を求めることができる。
アンテナ４と太陽電池パネル２の展開状態に応じて、リスト７０に基づいて光学ステージ（図示せず）の直線方向（ｘ、ｙ、ｚ）、回転方向（θ、φ、η）、傾斜方向（Ｌ）の移動量を決定し、光学ステージを移動させる。
このようにすることで、アンテナ４と太陽電池パネル２が共に動いている状態であっても、アンテナ４と太陽電池パネル２を最適な状態で撮影することができる。
なお、光学ステージの移動は、衛星１に搭載された計算機（図示せず）により制御することが可能である。

最後に、アンテナ４と太陽電池パネル２の展開が共に完了した時点で、光学ステージの移動を停止する。
このとき、カメラ１の視野内にミラー５を配置することで視野を分割し、アンテナ４と、ミラー５に映された全展開状態の太陽電池パネル２を同時に撮影することができる。

ミラー５に映る太陽電池パネル２の大きさは、ミラー５の曲面形状やカメラ１の位置、性能等に影響されるが、ミラー５を使わず直接撮影する場合と比較して、撮影対象物の健全性評価（展開・駆動の確認）の観点からは十分である。
なお、焦点距離の異なるレンズを持つカメラに置き換えることによって全性評価（展開・駆動の確認）の正確性、容易性を比較してもよい。

なお、本実施の形態では、カメラ１を光学ステージに載置し、カメラの位置、姿勢を調整可能としたが、カメラ１を光学ステージには載置せずに直接衛星構体１０に固定するようにしてもよい。
この場合カメラ位置、姿勢の調整機構は無く、カメラ１の視野調整はできないが、その分、カメラ動作の信頼性が向上するという効果を奏する。

なお、カメラ１を光学ステージには載置せずに直接衛星構体１０に固定した場合には、ミラー５を光学ステージ（図示せず）に搭載し、太陽電池パネル２の展開状態（展開率）に応じて、光学ステージを直線方向、回転方向、傾斜方向に移動させるようにしてもよい。これにより、ミラー５の面の方向（ミラー５の面方位）を展開率に応じて調整することができる。
この場合、重量の重いカメラ１は固定した状態のまま、カメラ１より軽量であるミラーの面の方向を調整することで、カメラ１を移動させる場合よりも信頼性を向上させつつ、太陽電池パネルの展開状況をカメラ１で撮影することが可能となる。
図５は、太陽電池パネル２の展開において算出したリスト７１の一例である。リスト７１に基づき、太陽電池パネル２の展開状態（展開率）に応じて、光学ステージ（光学ステージに搭載されたミラー５）の直線方向、回転方向、傾斜方向を調整する。
なお、光学ステージの調整は、リスト７０、７１をメモリに格納した制御機により行うことができる。

このように本実施の形態に係る宇宙機搭載監視装置は、カメラ１の視野内にミラー５を設け、カメラ１により直接撮影する対象と、ミラー５により間接的に撮影する対象の複数の対象を、同時に撮影することを可能とした。

本実施の形態では、撮影対象物ごとにミラーを配置することになるが、配線が不要であることや付随するコンポーネントが不要であることから、カメラを撮影対象物毎に配置するよりも配置の自由度が大きく、搭載スペース等のリソースを有効に活用できる。

また、撮影対象物の急な配置変更への対応（ミラーの配置変更）も比較的容易である。

また、ミラーに凸面鏡等を利用することでより広範囲を撮影可能となり、ミラーの数をも削減することも可能である。

このように、本実施の形態によれば、宇宙機へのカメラ搭載を最少台数としつつ、宇宙機の複数の撮影対象物を、同時に、撮影可能な監視装置を提供できる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る宇宙機搭載監視装置の構成を示した図である。実施の形態１とは異なり、カメラ１の視野内に複数（図６では２個）のミラー５を配置し、それぞれのミラー５を介して二つの太陽電池パネル２を撮影する構成を示したものである。

図６において、１はカメラであり、図ではカメラの視野が真上を向くように固定されている。
カメラ１の上方で、アンテナ４の下方にはミラー５aとミラー５ｂが設けられている。ミラー５aとミラー５ｂの各々の反射面は異なる向きに設置され、カメラ１から見たミラー５aには図左側の太陽電池パネル２aが映され、ミラー５aには図右側の太陽電池パネル２ｂが映される。

このように、カメラ１の視野内にミラー５a、５ｂを配置することで視野を分割し、アンテナ４と、ミラー５a、５ｂに映された全展開状態の太陽電池パネル２を同時に撮影することができる。
実施の形態１の場合は、双方向に展開する太陽電池パネルのうちの一方の太陽電池パネルとアンテナ４を、同時に撮影することができたが、実施の形態２の構成では、双方の太陽電池パネルとアンテナ４を、同時に撮影することができる。

ミラー５a、５ｂに映る太陽電池パネル２の大きさは、ミラー５a、５ｂの曲面形状やカメラ１の位置、性能等に影響されるが、ミラー５a、５ｂを使わず直接撮影する場合と比較して、撮影対象物の健全性評価（展開・駆動の確認）の観点からは十分である。

このように実施の形態２によれば、カメラ１の視野内に入るミラーを複数とすることで、カメラ１で撮影可能な撮影範囲をより広くする設定することができる。

１ カメラ、２ 太陽電池パネル、４ アンテナ、５ ミラー、５ａ、５ｂ、５ｃ 分割ミラー、６ 支柱、７ バックストラクチャ、８ 小型パネル、１０ 衛星構体、２０ 太陽電池パネル、２１ 太陽電池素子、３０ 保持ブッシュ、４０ 展開ヒンジ、５０ 宇宙機搭載監視装置、６０ ヨーク、７０ 展開率に関連付けされたカメラの位置、角度の調整リスト、７１ 展開率に関連付けされたミラーの位置、角度の調整リスト、１００ 人工衛星。

Claims (6)

1. 宇宙機に搭載され、前記宇宙機に搭載された機器を撮影する宇宙機搭載監視装置であって、
   前記機器を撮影する撮影装置と、
   前記撮影装置の視野内に設けられたミラーと、
   を備え、
   前記撮影装置は、前記ミラーで反射された前記機器の画像を撮影することを特徴とする宇宙機搭載監視装置。
2. 前記機器は展開構造物であり、
   前記撮影装置は、前記展開構造物の展開率と前記撮影装置の視野方向とを関連付けしたリストに基づき、前記視野方向を移動することを特徴とする請求項１記載の宇宙機搭載監視装置。
3. 前記機器は展開構造物であり、
   前記ミラーは、前記展開構造物の展開率と前記ミラーの面の向く方向とを関連付けしたリストに基づき、前記ミラーの面を回転させることを特徴とする請求項１記載の宇宙機搭載監視装置。
4. 前記撮影装置は、前記ミラーで反射された前記機器の画像を撮影すると共に、前記撮影装置の視野内の機器を同時に撮影することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の宇宙機搭載監視装置。
5. 前記ミラーは並べられた複数の分割ミラーから構成され、
   前記分割ミラーの表面は導電性コーティング及びＵＶコーティングが施され、
   前記分割ミラーは導電性接着剤によりパネルに固定され、
   前記パネルは保持構造物により前記宇宙機に搭載されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の宇宙機搭載監視装置。
6. 前記機器は宇宙空間で動作のある駆動機器であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の宇宙機搭載監視装置。

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