JP2019202587A - 衛星観測スケジューリングシステム及びスケジューリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 地表観測用センサを有する衛星による観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、組合せごとの評価関数を最小化して、最適な観測を行う衛星観測スケジューリングシステム等を提供する。【解決手段】衛星軌道計算部３、観測要求受付部２、観測機会算出部４、観測機会組合せ管理部５、姿勢制御競合判定部６、観測機会組合せ評価部７を備え、姿勢制御競合判定部は、観測地点と観測機会の組合せごとに観測地点に対する観測機会までに衛星の姿勢制御の可否を判定し、観測機会組合せ管理部は、姿勢制御不可と判定された観測地点を観測対象外とし、観測機会組合せ評価部は、観測地点と観測機会の組合せごとに、観測時刻と基準時刻の差及びオフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数から算出される値の総和が最小となり、かつ、観測対象となる観測地点の数が最大となる組合せを算出する評価関数によって最適な組合せを決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、地表観測用センサを有する衛星による観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、組合せごとの評価関数を最小化することによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行う衛星観測スケジューリングシステム及びスケジューリング方法に関する。

通常、地球観測衛星地上システムでは、衛星軌道とユーザが希望する観測地点、条件をもとに観測計画の立案を実施している。

ここで、軌道の回帰性を利用して観測地点の離散的な観測機会を地上システムにて計算する。しかし、単一の衛星の場合、観測地点が近接している場合は、姿勢変更が間に合わず、観測地点の優先度に応じて一方の観測地点が不採用となる場合がある。

また、近年、衛星搭載デバイスの小型化やロケット打ち上げ費用の低価格化などにより、民間企業が多くの衛星を打ち上げ、複数の衛星でコンステレーションを構築することがある。この場合、衛星リソースが増えた分、観測地点が不採用となる確率は減少するものの、適切なリソース配分を行う必要がある。

衛星による観測計画立案システムにおいては、従来から、運用負荷の観点で自動化の要望が数多くあり、ダウンリンク計画などの立案結果を最適化するアイデアが出されていた（例えば、特許文献１参照）。

一方、非特許文献１では、地球観測衛星の衛星コンステレーションの最適性を論じている。衛星による観測能力として「衛星観測確率」を、地上での情報抽出能力として「視認性・判読性係数」を反映した総合的かつ明快な指標を算出するサービサビリティ関数を導入した。そこでは、太陽同期準回帰軌道だけでなく傾斜軌道も含めたコンステレーションがサービサビリティ関数を最大化していることがわかっている。しかし、姿勢マヌーバによる競合も含めて観測スケジューリングを自動化するシステムは考えられていない。

特開２０１４−１７２５５５号公報

中村太一，"衛星による災害観測能力の総合的評価手法の提案とそれに基づくコンステレーション設計に関する研究"，博士論文，２０１６

従来の観測計画立案システムでは、衛星による観測スケジューリングの際、システムの運用者が観測要求一つ一つを吟味して、マニュアルでスケジューリングしており、運用者の負荷が高く、運用コストも大きいという課題があった。

特に、姿勢変更が間に合わないための競合により不採用となる観測要求があるが、スケジューリング後に姿勢制御シミュレーションを実施するまでは競合の発生が分からず、イタレーション（試行錯誤）が発生し、無駄が多かった。

そこで、本発明では、地表観測用センサを有する衛星による観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、さらに、算出した組合せに姿勢マヌーバによる競合判定も加味し、この組合せごとの評価関数を最小化することによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、地表観測用センサを有する衛星の衛星観測スケジューリングシステムであって、前記衛星の軌道計算を行う衛星軌道計算部と、前記衛星による観測を希望する観測地点を受け付ける観測要求受付部と、前記観測地点ごとの前記衛星による観測機会を算出する観測機会算出部と、前記観測地点と前記観測機会の組合せを管理する観測機会組合せ管理部と、前記衛星の姿勢制御による競合を判定する姿勢制御競合判定部と、前記組合せを評価する観測機会組合せ評価部と、を備え、前記観測機会算出部は、前記衛星軌道計算部による軌道計算に基づき前記観測地点の前記衛星による前記観測機会を、当該観測機会の観測時刻及びオフナディア角と共に算出し、前記姿勢制御競合判定部は、前記組合せごとに、前記観測地点と前記観測機会から前記衛星の姿勢制御の可否を判定し、前記観測機会組合せ管理部は、前記姿勢制御競合判定部により前記衛星の姿勢制御が不可と判定された前記観測地点を前記組合せにおいて観測対象外として管理し、前記観測機会組合せ評価部は、前記組合せごとに、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数から算出される値の総和が最小となり、かつ、観測対象となる前記観測地点の数が最大となる組合せを算出する評価関数によって最適な組合せを決定することを特徴とする。

また、本発明の前記評価関数において、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数に対して、それぞれ重みづけを与えることを特徴とする。

また、本発明の前記評価関数は、iを観測地点番号、jを観測機会番号、a,bを重みづけ係数、t_c(i,j)を観測時刻、t₀を基準時刻、θ(i,j)をオフナディア角、θ₀を最適オフナディア角、ωを観測マヌーバ時の衛星の角速度、n_adoptを組合せごとの観測対象となる観測地点数、n_opを観測地点の総数、kを組合せ番号、σ_k(i)を組合せ番号kにおける観測地点番号iと観測機会番号jの組合せとした場合、数式１及び数式２により、値F_kが最小となる組合せを求めることを特徴とする。

また、本発明の前記衛星は複数の衛星によりコンステレーションを構築していることを特徴とする。

また、本発明は、地表観測用センサを有する衛星の衛星観測スケジューリング方法であって、前記衛星の軌道計算を行う工程と、前記衛星による観測を希望する観測地点を受け付ける工程と、前記観測地点ごとの前記衛星による観測機会を算出する工程と、前記衛星の姿勢制御による競合を判定する工程と、前記観測地点と前記観測機会の組合せを評価する工程と、を備え、前記観測機会の算出は、前記軌道計算に基づき前記観測地点の前記衛星による前記観測機会を、当該観測機会の観測時刻及びオフナディア角と共に算出し、前記姿勢制御の競合の判定は、前記組合せごとに、前記観測地点と前記観測機会から前記衛星の姿勢制御の可否を判定し、前記組合せの評価は、前記衛星の姿勢制御が不可と判定された前記観測地点が前記組合せにおいて観測対象外と判断され、かつ、前記組合せごとに、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数から算出される値の総和が最小となり、かつ、観測対象となる前記観測地点の数が最大となる組合せを算出する評価関数によって最適な組合せを決定することを特徴とする。

本発明による衛星観測スケジューリングシステムは、観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、組合せごとの評価関数を最小化することによる「組合せ最適化問題」に帰着させることによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

本発明によれば、複数衛星でのコンステレーションに対しても、単一衛星と同様に観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、同様の「組合せ最適化問題」に帰着させることによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

本発明によれば、算出された観測地点ごとの観測機会に対する組合せに対して、さらに、組合せごとに姿勢マヌーバ時間による競合判定を行い、姿勢マヌーバが間に合わないと判定された観測地点を不採用とすることにより、姿勢マヌーバによる競合も考慮した観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

本発明によれば、最適化のための評価関数は、観測地点の採用数が最大化される評価関数となっているため、不採用となる観測地点を可能な限り減らした最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

本発明によれば、最適化のための評価関数は、観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素によって構成され、それぞれ要素に対する重みづけ係数によって、観測の迅速性又は観測の品質のいずれを優先してスケジューリングするか調整することができる。

本発明によれば、最適化のための評価関数は観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素によって構成されており、観測地点ごとに観測の迅速性又は観測の品質などに係る優先度を変数として評価関数に追加することで、観測地点ごとの優先度を考慮した観測スケジューリングを行うことができる。

本発明によれば、最適化のための評価関数は観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素によって構成されており、観測に用いるセンサの特性によって、例えば、昼夜や天候などを変数として評価関数に追加することで、観測に用いるセンサの特性を考慮して柔軟に拡張することができる。

本発明によれば、観測スケジューリングに対して評価関数を用いた最適化計算を行うことにより、観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素において最適なスケジューリングを運用者に通知することで、運用者の負荷が減少することができる。

衛星観測スケジューリングシステムの構成を示すブロック図である。 衛星による観測地点の観測順序の例を示す図であり、（ａ）は従来の手法による観測順序の例を示し、（ｂ）は本発明の手法による最適な観測順序の例を示す図である。 衛星観測スケジューリングの処理を示すフロー図である。 実施形態１に係る観測地点(i)と観測機会(j)の組合せのイメージを示す図である。 実施形態２に係る観測地点(i)と観測機会(j)の組合せのイメージを示す図である。

［実施形態１］
まず、本発明に係る衛星観測スケジューリングシステムについて、一つの地域など、一定の距離内に収まる観測地点に対して、衛星による観測を行う場合を実施形態１として説明する。

本発明の実施形態１に係る衛星観測スケジューリングシステムについて、図１を用いて説明する。図１は、衛星観測スケジューリングシステム１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、衛星観測スケジューリングシステム１は、観測要求受付部２、衛星軌道計算部３、観測機会算出部４、観測機会組合せ管理部５、姿勢制御競合判定部６、観測機会組合せ評価部７とを有している。

観測要求受付部２は、観測要求として観測地点及び優先度をキーボード、マウスやタッチパネル等の入力装置１０を介して受け付ける。観測地点は緯度経度の情報を用いて一意に指定される。また、優先度とは、観測地点の優先度を示すものであり、例えば、姿勢マヌーバ時間による競合判定を行い、観測地点間の姿勢マヌーバが間に合わないと判定された場合に、当該優先度に基づいて一方の観測地点を不採用とする。

衛星軌道計算部３は、衛星ごとに、エポック(epoch)時点の軌道６要素から、毎秒ごとの衛星軌道位置(慣性固定座標系J2000(ECI)、カルテシアン６要素) の暦を算出する。衛星軌道位置を算出できるものであれば、外部システムである軌道力学システム２０などを用いて算出しても良い。

観測機会算出部４は、観測要求受付部２によって受け付けた観測地点に対する衛星による観測機会を算出する。衛星軌道位置と観測地点の距離、衛星高度やオフナディア角（衛星鉛直直下と衛星のレーダ照射方向のなす角度）から、当該観測地点が衛星から観測可能範囲に入る場合、その観測地点に対する観測機会として、その観測機会が得られる観測時刻も含めて算出する。

観測機会組合せ管理部５は、観測機会算出部４で算出された観測地点ごとの観測機会の組合せを、算出された観測時刻も含めて管理する。観測地点ごとの観測機会の組合せをリスト形式などで管理するのが好適である。

姿勢制御競合判定部６は、衛星ごとに、観測地点間の姿勢マヌーバによる競合判定を行う。衛星が観測地点を観測するためには、当該観測に使用するために衛星に搭載されているデバイスやセンサ等の種類によって、衛星の姿勢を観測地点に向けて制御する必要があり、姿勢制御競合判定部６は、観測地点間を衛星が通過する時間と、衛星の姿勢変更に要する時間を比較して、姿勢変更に要する時間の方が長い場合、競合が発生していると判定して、観測地点の優先度に基づき一方の観測地点を不採用とする。

観測機会組合せ評価部７は、観測機会組合せ管理部５で管理される組合せごとに、観測時刻及びオフナディア角（衛星鉛直直下と衛星のレーダ照射方向のなす角度）を算出し、「観測時刻と基準時刻の差」（観測の迅速性）及び「オフナディア角と最適オフナディア角の差」（観測の品質）の２つの要素を用いた評価関数よって評価値を算出し、最適な観測スケジューリングを決定する。

次に、本発明による最適な衛星観測スケジューリングのアルゴリズムについて、図２を用いて説明する。図２は、衛星による観測地点の観測順序の例を示す図であり、（ａ）は従来の手法による観測順序の例を示す図であり、（ｂ）は本発明による最適な観測順序の例を示す図である。

衛星による複数の観測地点の観測において、観測地点の距離が近い場合、衛星の姿勢変更時間の制約から、優先度が低い観測地点は不採用となる場合がある。しかし、太陽同期準回帰軌道の性質を利用して、後の軌道周回の際に、いったん不採用となった観測地点の観測が行えることがある。図２（ａ）及び（ｂ）において、観測時刻の早い順に、軌道４０Ａ、軌道４０Ｂ、軌道４０Ｃとなっている。

例えば、３つの観測地点(i=1,2,3)の観測において、優先度の高い観測地点(i=2)が含まれるとする。図２（ａ）に示す従来の手法では、衛星３０が軌道４０Ａを周回する際、観測地点(i=1)と観測地点(i=2)、観測地点(i=2)と観測地点(i=3)との間において姿勢変更が間に合わない場合、観測地点(i=1)と観測地点(i=3)は、衛星３０が軌道４０Ａを周回している際は不採用となる。その後、衛星３０が軌道４０Ｂを周回する際に、観測地点(i=1)と観測地点(i=3)が観測の対象となる。

しかし、例えば、図２（ｂ）に示すように、観測地点(i=1)と観測地点(i=3)の２つの観測地点を、衛星３０が軌道４０Ａの周回時に先に観測し、後に、衛星３０が軌道４０Ｂを周回する際、観測地点(i=2)を観測したほうが、全体の観測効率が良い場合がありうる。

本発明によれば、図２（ａ）及び（ｂ）に示されるような場合に、観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、組合せごとの評価関数を最小化することによる「組合せ最適化問題」に帰着させることによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

次に、本発明による最適な衛星観測スケジューリングの処理の流れについて、図３及び図４を用いて説明する。図３は、衛星観測スケジューリングの処理を示すフロー図、図４は、観測地点と観測機会の組合せのイメージを示す図である。

まず、図３を用いて、衛星観測スケジューリングの処理フローについて説明する。

最初に、観測要求受付部２において、観測要求として観測地点及び優先度を受け付ける（ステップＳ１）。観測地点は緯度経度の情報を用いて一意に指定される。また、優先度とは、当該観測地点の優先度を示すものであり、例えば、３段階で優先度をつける場合、優先度p(i) = { 0, 1, 2 } とし、p(i) = 2 が最高優先度などと定める。

次に、衛星軌道計算部３は、衛星ごとに、エポック(epoch)時点の軌道６要素から、毎秒ごとの衛星軌道位置(慣性固定座標系J2000(ECI)、カルテシアン６要素)の暦を算出する（ステップＳ２）。衛星軌道位置を算出できるものであれば、外部システムである軌道力学システム２０などを用いて算出しても良い。

次に、観測機会算出部４は、観測要求受付部２によって受け付けた観測地点の緯度経度の情報と、衛星軌道計算部３によって算出した衛星軌道位置から、衛星による当該観測地点の観測機会（離散値）を算出する（ステップＳ３）。

この算出においては、衛星軌道計算部３で算出した衛星軌道位置（ECI系）を地球固定座標系(ECEF系)に変換するために軌道暦におけるUTC時刻をグリニッジ恒星時に変換し、衛星軌道位置と観測地点の距離（スラントレンジ）が最小となるポイントを求め、衛星軌道位置と観測地点の距離（スラントレンジ）と衛星高度から幾何学的計算によりオフナディア角（衛星鉛直直下と衛星のレーダ照射方向のなす角度）を求め、当該観測地点が衛星から観測可能範囲に入る場合、その観測地点に対する観測機会として、その観測機会が得られる観測時刻も含めて算出する。

次に、観測機会組合せ管理部５は、観測機会算出部４で算出された観測地点ごとの観測機会の組合せを算出する。この場合、ステップＳ３において算出された観測時刻も含めて管理する（ステップ４）。

ここで、図４（ａ）乃至（ｄ）を参照して、観測地点(i)ごとの観測機会(j)の組合せを説明する。観測地点数をn_opとしたとき、観測地点(i)は、i = 1, 2, ・・・ n_op となり、図４（ａ）乃至（ｄ）では、観測地点数を５地点（ n_op = 5 ）として、観測地点(i= 1)乃至観測地点(i=5)で示されている。また、観測地点(i)ごとの観測機会(j)（地点ごとの観測可能時刻の通番）として、図４（ａ）乃至（ｄ）では、それぞれの観測地点(i) = 1, 2, 3, 4, 5 ごとに３回の観測機会(j) = 1, 2, 3 が示されている。

この場合、すなわち、５つの観測地点(i)に対して、それぞれ３回の観測機会(j)がある場合、観測地点(i)と観測機会(j)の組合せは、全てで「３^５＝ ２４３」通り存在することになる。図４（ａ）乃至（ｄ）においては、観測地点(i)と観測機会(j)の全ての２４３通りの組合せうち、一例として、３つの組合せ(k) =1, 2, 3（太線）が示されている。

次に、姿勢制御競合判定部６は、衛星ごと、組合せごとに衛星の姿勢制御に要する時間を算出する。例えば、図４（ｃ）の組合せ(k=3)（太線）においては、観測地点(i=2)から観測地点(i=3)へ衛星Ｂが通過する時間内に、衛星Ｂの姿勢変更が間に合わないと判断された場合を示しており、競合Ｃが発生している。このとき、図４（ｄ）に示すように、観測地点(i=2)と観測地点(i=3)の優先度を比較して、優先殿の高い観測地点(i=2)を採用し、観測地点(i=3)は不採用となる。よって、この組合せ(k=3)（太線）においては、観測地点(i)の採用数は４地点となる。この採否結果は、観測機会組合せ管理部５へ通知され、管理される（ステップＳ５）。

図４（ｃ）及び（ｄ）では、観測地点(i)の優先度に基づいて、観測地点の採用可否を決定しているが、観測地点(i)が同一優先度の場合は、当該観測地点(i)の観測時刻が早い方を優先し、一方を不採用としても良い。

次に、観測機会組合せ評価部７は、観測地点(i)ごとの観測機会(j)に対し、次の数式（１）に基づいて計算を行う。これは観測地点(i)ごとに対する評価関数である。

I ：観測地点番号
J ：観測機会番号
t_c(i, j) ：観測時刻
t₀ ：基準時刻
θ(i, j) ：オフナディア角
θ₀ ：最適オフナディア角
ω ：観測マヌーバ時の衛星の角速度（固定値）
a ：観測の迅速性に係る重みづけ係数（可変パラメータ）
b ：観測の品質に係る重みづけ係数（可変パラメータ）

数式（１）の評価関数は、観測の迅速性(t_c(i, j)−t₀)及び観測の品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)の２つの要素から構成される。また、それぞれの要素に対する重みづけ係数a,bによって、観測の迅速性(t_c(i, j)−t₀)又は観測の品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)のいずれを優先してスケジューリングするか調整することができる。全体の観測時刻を早めたい場合は、重みづけ係数aの値を大きく設定する。逆に、観測地点を高品質で観測したい場合は、重みづけ係数bの値を大きく設定する。

基準時刻t₀は、観測スケジューリングの基準となる時刻である。例えば、観測の迅速性(t_c(i, j)−t₀)を現時点（現在時刻）を基準として算出したい場合は、基準時刻t₀を現在時刻とすれば良い。逆に、ある時点（時刻）を基準に算出したい場合は、当該時刻を基準時刻t₀とすれば良い。

最適オフナディア角θ₀は、衛星が搭載するデバイスやセンサ等の種類によって求められる最適なオフナディア角（衛星鉛直直下と衛星のレーダ照射方向のなす角度）である。ＳＡＲ衛星においては、レンジ方向分解能はオフナディア角が大きい程よいが、ノイズが大きくなるためトレードオフ関係になる。一般的には、３５度から４０度付近が最適と知られている。分解能は、ビーム入射角ΦとしてsinΦに逆比例するが、Φ=0（軌道直下）では無限大に発散し、撮像できない。光学センサにも応用する場合は、光学センサの場合は軌道直下でも撮像可能なため、最適オフナディア角θ₀=0もありうる。ただし光学センサを用いる場合でも、船舶を撮像する場合に船影を見たいなど、ミッション用途によっては斜め視が要求されることもある。

数式（１）により算出されたf(i, j)の合計が最も小さくなり、かつ、観測地点の採用数が最も多くなるような組合せ i, j =(i, σ_k (i)) を採用すれば、最適な観測スケジューリングが得られることになる。これを、次の数式（２）に基づいて計算を行う。

n_adopt ：観測対象となる観測地点数
n_op ：観測地点の総数
k ：組合せ番号
σ_k(i) ：組合せ番号kにおける観測地点(i)と観測機会(j)の組合せ

kは組合せ番号であり、ここでσ_k(i)は、組合せ番号kにおける観測地点(i)と観測機会(j)の組合せを意味する。例えば、図４に示すように５つの観測地点(i)で、それぞれ３回の観測機会(j)が存在する場合（j_max(1)=j_max(2)=j_max(3)=j_max(4)= j_max(5) = 3）は、３^５ ＝ ２４３通り（k = 1,2・・・243）の組合せが存在することになる。これを、σ_k(i)を用いると、f (i, j)の組み合わせは、f (i, σ_k(i)) = f (1, 1), f (1, 2),・・・, f (1, j_max(1)),・・・, f (i, j),・・・, f (n_op, j_max (n_op)) と表現される。数式（２）の値F_kが最小となる(i, σ_k(i))の組合せを選択する。ここで、n_adoptは観測地点の採用数であり、基本的には全て採用されるべきなので全体を割っている。

観測機会組合せ評価部７は、数式（２）で計算される値 F_k が最小となる組合せ (i, σ_k (i))を最適な観測スケジュールとして決定する（ステップＳ６）。

このように、実施形態１による衛星観測スケジューリングシステム１は、組合せ最適化問題を解くことで最適化を行う、衛星観測スケジューリングのアルゴリズムを有しており、最適な衛星観測スケジューリングを自動で出力することができる。組合せごとに衛星ごとの姿勢制御の競合も加味し、評価関数が最小となる組合せを選択することで、観測地点の採用数を最大化しながら、観測の迅速性又は観測の品質を調整しながら最適な観測スケジューリングを行うことが可能となる。

［実施形態２］
次に、本発明に係る衛星観測スケジューリングシステムについて、二つ以上の地域など、一定の距離離れている観測地点群に対して、衛星による観測を行う場合を実施形態２として説明する。このとき、実施形態２に係る衛星観測スケジューリングシステムの構成及び処理フローは、図１及び図３と同様である。

衛星による観測は地球規模で行われるため、例えば、観測地点が日本などの特定の地域だけに限定されず、日本と米国など距離が離れた二つ以上の地域を観測地点とすることがある。この場合、日本もしくは米国の各々の地域内の観測地点では、衛星の姿勢マヌーバなどを考慮した観測スケジューリングが必要となるが、日本と米国は十分に距離が離れているため、この地域間での衛星の姿勢マヌーバを考慮する必要はない。

図５は、実施形態２に係る観測地点(i)と観測機会(j)の組合せのイメージを示す図である。観測地点数をn_opとしたとき、観測地点(i) は、i = 1, 2, ・・・ n_op となり、図５では、観測地点数を１０地点（n_op = 10）として、観測地点(i =1)乃至観測地点(i =10)で示されている。また、観測地点(i)ごとの観測機会(j)（地点ごとの観測可能時刻の通番）として、図５では、それぞれの観測地点(i)=1, 2, 3, ・・・10ごとに５回の観測機会(j) = 1, 2, 3, 4, 5が示されている。

この場合、すなわち、１０箇所の観測地点(i)に対して、それぞれ３回の観測機会(j)がある場合、観測地点(i)と観測機会(j)の組合せは、「５^１０ ＝ ９，７６５，６２５」通り存在することになる。この全ての組合せについて評価することは、衛星観測スケジューリングシステムの運用において、システムの処理性能や運用の効率性など、様々な点で支障をきたす可能性がある。

そこで、図５では観測地点(i)を２つのグループＡ、Ｂに分けている。例えば、グループＡが日本にある観測地点(i)の集合、グループＢが米国にある観測地点(i)の集合であり、各々の観測地点(i)が５箇所ずつの場合、観測地点(i)と観測機会(j)の組合せは、「５^５＋５^５ ＝６，２５０」通りとすることが可能となる。

このように、実施形態２による衛星観測スケジューリングシステムは、二つ以上の地域など、一定の距離離れている観測地点群に対して、姿勢マヌーバによる競合が発生しない観測地点(i)をグループに分けることで、検証すべき組合せを削減して、効率的に最適な衛星観測スケジューリングを実現することが可能となる。

［実施形態３］
次に、本発明に係る衛星観測スケジューリングシステムについて、評価関数のパラメータである重み付け係数a, bの活用について実施形態３として説明する。このとき、実施形態３に係る衛星観測スケジューリングシステムの構成及び処理フロー、組合せのイメージ（考え方）は、図１乃至図５と同様である。

例えば、衛星による観測デバイスとして光学カメラセンサを用いる場合、観測地点(i)の被雲状況により、上空の衛星から適切に画像が取得できるかどうかが決まるため、予測被雲率R_cを評価関数に加えることで、拡張することが可能である。拡張した評価関数の例を次の数式（３）に示す。

R_c ：予測被雲率（１−１００）

数式（３）の評価関数では、観測の品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)に係る要素に対して、予測被雲率R_cが積算されている。予測被雲率R_cとは、衛星による観測時に、観測地点(i)の上空が雲に覆われる確率（１−１００）を示す値であり、予測被雲率R_cの値が小さいほど観測地点(i)の上空が雲に覆われる確立が小さくなる。すなわち、観測地点(i)の上空が雲に覆われていない場合は観測に係る環境が良好であり、一定の範囲で観測の品質が担保（オフナディア角と最適オフナディア角との誤差は許容）されるため、観測品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)の重みづけが小さくなることを示している。

尚、数式（３）においては、説明のために予測被雲率R_cを重みづけ係数bから括りだして説明を行ったが、重みづけ係数bの中に予測被雲率R_cを取り込んで、予測被雲率R_cをも考慮した重みづけ係数bとしてもよいことは当然であり、請求の範囲における重みづけ係数bの中に予測被雲率R_cをも取り込んだ場合をも含むことは当然である。

さらに、この予想被雲率R_c自体を、観測地点(i)と観測機会(j)の組合せにおいて、動的に変更しても良い。例えば、観測地点(i)がもつ緯度経度と観測機会(j)がもつ観測時刻の情報から外部の気象システムに問い合わせることで、より厳密に、観測地点(i)の観測機会(j)における予測被雲率R_cを評価関数に反映して、観測スケジューリングを行うことが可能となる。

すなわち、数式（１）及び数式（３）の評価関数は、観測の迅速性(t_c(i, j)−t₀)及び観測の品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)の２つの要素から構成され、それぞれの要素に対する重みづけ係数a,bが与えられているため、この重みづけ係数a,bを、観測地点(i)又は観測機会(j)に係り動的に変更されるパラメータとすることで、評価関数を柔軟に拡張することができる。

例えば、災害時など、特定の観測地点(i)を最優先に観測したい場合には、重み付け係数aの値を災害が発生している観測地点(i)において、大きな値が設定されるようにする。例えば、災害が発生している観測地点(i)においては、重み付け係数a=100などとすることによって、当該観測地点(i)が最優先に観測されるスケジューリングが可能となる。

もしくは、特定の観測地点(i)においては、観測時刻よりも観測の品質（画像の視認性）を求めたい場合がある。この場合、重み付け係数bの値を観測地点(i)において、大きな値が設定されるようにすることで、当該観測地点(i)の観測の品質（画像の視認性）を優先した観測スケジューリングも可能となる。

このように、実施形態３による衛星観測スケジューリングシステムは、最適化のための評価関数における観測の迅速性(t_c(i, j)−t₀)及び観測の品質(|θ(i, j)−θ₀ |/ω)の２つの要素に対する重みづけ係数a,bを活用することによって、評価関数を柔軟に拡張することができる。

このように、本発明によれば、観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、組合せごとの評価関数を最小化することによる「組合せ最適化問題」に帰着させることによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

さらに、本発明によれば、複数衛星でのコンステレーションに対しても、単一衛星と同様に観測地点ごとの観測機会に対する組合せを算出し、同様の「組合せ最適化問題」に帰着させることによって、所望の観測地点の最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

さらに、本発明によれば、算出された観測地点ごとの観測機会に対する組合せに対して、さらに、組合せごとに姿勢マヌーバ時間による競合判定を行い、姿勢マヌーバが間に合わないと判定された観測地点を不採用とすることにより、姿勢マヌーバによる競合も考慮した観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

さらに、本発明によれば、最適化のための評価関数は、観測地点の採用数が最大化される評価関数となっているため、不採用となる観測地点を可能な限り減らした最適な観測スケジューリングを自動的に行うことができる。

さらに、本発明によれば、最適化のための評価関数は、観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素に構成され、それぞれ要素に対する重みづけ係数によって、観測の迅速性又は観測の品質のいずれを優先してスケジューリングするか調整することができる。

さらに、本発明によれば、最適化のための評価関数は観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素に構成されており、観測地点ごとに観測の迅速性又は観測の品質などに係る優先度を変数として評価関数に追加することで、観測地点ごとの優先度を考慮した観測スケジューリングを行うことができる。

さらに、本発明によれば、最適化のための評価関数は観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素に構成されており、観測に用いるセンサの特性によって、例えば、昼夜や天候などを変数として評価関数に追加することで、観測に用いるセンサの特性を考慮して柔軟に拡張することができる。

さらに、本発明によれば、観測スケジューリングに対して評価関数を用いた最適化計算を行うことにより、観測の迅速性及び観測の品質の２つの要素において最適なスケジューリングを運用者に通知することで、運用者の負荷が減少することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また、図１に示した機能ブロックは、本発明に係る衛星観測スケジューリングシステムの機能的構成を示すものであって、具体的な実装形態を制限しない。即ち、図中の機能ブロックに対応するハードウェアが実装される必要はなく、一つのプロセッサーがプログラムを実行することで複数の機能部の機能を実現する構成とすることも勿論可能である。また、実施形態においてソフトウェアで実現される機能の一部をハードウェアで実現してもよく、さらには、ハードウェアで実現される機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。

１ 衛星観測スケジューリングシステム
２ 観測要求受付部
３ 衛星軌道計算部
４ 観測機会算出部
５ 観測機会組合せ管理部
６ 姿勢制御競合判定部
７ 観測機会組合せ評価部
１０ 入力装置
２０ 軌道力学システム
３０ 衛星
４０ 軌道
４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ 軌道

Claims (8)

1. 地表観測用センサを有する衛星の衛星観測スケジューリングシステムであって、
   前記衛星の軌道計算を行う衛星軌道計算部と、
   前記衛星による観測を希望する観測地点を受け付ける観測要求受付部と、
   前記観測地点ごとの前記衛星による観測機会を算出する観測機会算出部と、
   前記観測地点と前記観測機会の組合せを管理する観測機会組合せ管理部と、
   前記衛星の姿勢制御による競合を判定する姿勢制御競合判定部と、
   前記組合せを評価する観測機会組合せ評価部と、を備え、
   前記観測機会算出部は、前記衛星軌道計算部による軌道計算に基づき前記観測地点の前記衛星による前記観測機会を、当該観測機会の観測時刻及びオフナディア角と共に算出し、
   前記姿勢制御競合判定部は、前記組合せごとに、前記観測地点と前記観測機会から前記衛星の姿勢制御の可否を判定し、
   前記観測機会組合せ管理部は、前記姿勢制御競合判定部により前記衛星の姿勢制御が不可と判定された前記観測地点を前記組合せにおいて観測対象外として管理し、
   前記観測機会組合せ評価部は、前記組合せごとに、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数から算出される値の総和が最小となり、かつ、観測対象となる前記観測地点の数が最大となる組合せを算出する評価関数によって最適な組合せを決定することを特徴とする衛星観測スケジューリングシステム。
2. 前記評価関数において、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数に対して、それぞれ重みづけを与えることを特徴とする請求項１に記載の衛星観測スケジューリングシステム。
3. 前記評価関数は、iを観測地点番号、jを観測機会番号、a,bを重みづけ係数、t_c(i,j)を観測時刻、t₀を基準時刻、θ(i,j)をオフナディア角、θ₀を最適オフナディア角、ωを観測マヌーバ時の衛星の角速度、n_adoptを組合せごとの観測対象となる観測地点数、n_opを観測地点の総数、kを組合せ番号、σ_k(i)を組合せ番号kにおける観測地点番号iと観測機会番号jの組合せとした場合、数式１及び数式２により、値F_kが最小となる組合せを求めることを特徴とする請求項２に記載の衛星観測スケジューリングシステム。
   

   

   
4. 前記衛星は複数の衛星によりコンステレーションを構築していることを特徴とする請求項１に記載の衛星観測スケジューリングシステム。
5. 地表観測用センサを有する衛星の衛星観測スケジューリング方法であって、
   前記衛星の軌道計算を行う工程と、
   前記衛星による観測を希望する観測地点を受け付ける工程と、
   前記観測地点ごとの前記衛星による観測機会を算出する工程と、
   前記衛星の姿勢制御による競合を判定する工程と、
   前記観測地点と前記観測機会の組合せを評価する工程と、を備え、
   前記観測機会の算出は、前記軌道計算に基づき前記観測地点の前記衛星による前記観測機会を、当該観測機会の観測時刻及びオフナディア角と共に算出し、
   前記姿勢制御の競合の判定は、前記組合せごとに、前記観測地点と前記観測機会から前記衛星の姿勢制御の可否を判定し、
   前記組合せの評価は、前記衛星の姿勢制御が不可と判定された前記観測地点が前記組合せにおいて観測対象外と判断され、かつ、前記組合せごとに、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数から算出される値の総和が最小となり、かつ、観測対象となる前記観測地点の数が最大となる組合せを算出する評価関数によって最適な組合せを決定することを特徴とする衛星観測スケジューリング方法。
6. 前記評価関数において、前記観測時刻と基準時刻の差及び前記オフナディア角と最適オフナディア角の差の二つの変数に対して、それぞれ重みづけを与えることを特徴とする請求項５に記載の衛星観測スケジューリング方法。
7. 前記評価関数は、iを観測地点番号、jを観測機会番号、a,bを重みづけ係数、t_c(i,j)を観測時刻、t₀を基準時刻、θ(i,j)をオフナディア角、θ₀を最適オフナディア角、ωを観測マヌーバ時の衛星の角速度、n_adoptを組合せごとの観測対象となる観測地点数、n_opを観測地点の総数、kを組合せ番号、σ_k(i)を組合せ番号kにおける観測地点番号iと観測機会番号jの組合せとした場合、数式３及び数式４により、値F_kが最小となる組合せを求めることを特徴とする請求項６に記載の衛星観測スケジューリング方法。
   

   

   
8. 前記衛星は複数の衛星によりコンステレーションを構築していることを特徴とする請求項５に記載の衛星観測スケジューリング方法。
   

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