JP2021000977A - 宇宙ステーション用自動制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙ステーションの実験データの消失を回避するための宇宙ステーション用自動制御システムを提供する。【解決手段】本システムでは、記憶手段は、予め設定されたソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データを記憶し、検出処理手段は、前記目標オービターの有無を検出し、取得処理手段は、前記目標オービターが検出された後、前記ソーラーパネルの表面画像を取得し、影特徴データ処理手段は、前記表面画像を解析して影特徴データの有無を検出し、トリガ処理手段は、影特徴データ検出後、環境制御・生命維持システムの電力保障制御をトリガ起動し、マッチング処理手段は、前記影特徴データを、予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データとマッチングし、両者がマッチングできた場合、前記実験モジュールに電力を供給し、宇宙ステーションの実験データの消失を効果的に回避する。【選択図】図３

Description

本発明は、航空宇宙技術分野に関し、より具体的には、宇宙ステーションの実験データの消失を防止する自動制御システムに関する。

宇宙ステーション（space station）は、「太空ステーション」、「航天ステーション」とも称される。地球近傍軌道を長時間に亘って飛行し、複数の宇宙飛行士が巡回し、長期的に仕事や生活することのできる有人宇宙船である。
一般に、宇宙ステーションは、ソーラーパネルにより運行に必要なエネルギーを供給される。オービターが宇宙ステーションに接近すると、接近してくるオービターはソーラーパネルに影を落とすことで、ソーラーパネルによるエネルギー供給を減少させる。ソーラーパネルによるエネルギー供給の減少により、宇宙ステーションのコントロールセンタは、環境制御・生命維持システムへのエネルギー供給を保証するために負荷を減らし、そしてエネルギー消費の大きい実験モジュールのエネルギーを遮断することを選択し、これにより実験モジュールによって収集されたデータが失われることになる。しかし、実際には、オービターに起因するエネルギー供給の減少は、継続時間が短いため、不要な実験モジュールのデータの消失を招くような実験モジュールのエネルギーの遮断は必要としない。

本発明が解決しようとする課題は、不要な宇宙ステーションの実験データの消失を回避するための宇宙ステーション用自動制御システムを提供することである。

前述した課題を解決するために、本発明は下記の構成を採用する。
宇宙ステーション用自動制御システムであって、前記宇宙ステーションは、ソーラーパネルと、前記ソーラーパネルにより給電される実験モジュールと、環境制御・生命維持システムとを備え、前記実験モジュールは実験データを収集し、前記環境制御・生命維持システムは宇宙飛行士に提供する基本的な生活条件や適切な作業環境を制御し、このシステムは、
予め設定された前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影特徴データを記憶するための記憶手段と、
目標オービターの有無を検出するための検出処理手段と、
目標オービターが検出された後、前記ソーラーパネルの表面画像を取得するための取得処理手段と、
前記取得されたソーラーパネルの表面画像を解析して影特徴データの有無を検出するための影特徴データ処理手段と、
影特徴データが検出された後、環境制御・生命維持システムの電力保障制御をトリガ起動するためのトリガ処理手段と、
前記影特徴データを、前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データとマッチングし、両者がマッチングできた場合、前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止するマッチング処理手段とを含む。

前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データは、前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影分布領域データである。

前記影特徴データ処理手段は、具体的に、
前記取得されたソーラーパネルの表面画像に対して階調処理及び分割処理を行うための階調・分割処理モジュールと、
前記取得された階調値及び分割値に基づいて影の有無及び影分布領域データを特定するための特定処理モジュールと、
前記特定された影分布領域データを影特徴データとして保存するための保存処理モジュールとを含む。

また、影特徴データが検出された後、ソーラーパネルの姿勢を調整し、ソーラーパネルの受光面積を拡大し、エネルギー供給を増加させることにより、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止するための調整処理手段をさらに含む。

また、目標オービターが検出された後、以前に収集された実験モジュールのデータをバックアップするためのバックアップ処理手段をさらに含む。

また、目標オービターが検出された後、宇宙ステーションのコントロールセンタに警報を発し、宇宙ステーションのコントロールセンタは、警報情報に基づき、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けることを確定して前記実験モジュールのデータの消失を防止するための警報処理手段をさらに含む。

公知技術に比べて、本発明は以下のような有益な効果を有する。すなわち、
本発明のシステムは、記憶手段と、検出処理手段と、取得処理手段と、影特徴データ処理手段と、トリガ処理手段と、マッチング処理手段とを含み、記憶手段は、予め設定された前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影特徴データを記憶し、検出処理手段は、目標オービターの有無を検出し、取得処理手段は、目標オービターが検出された後、前記ソーラーパネルの表面画像を取得し、影特徴データ処理手段は、前記取得されたソーラーパネルの表面画像を解析して影特徴データの有無を検出し、トリガ処理手段は、影特徴データが検出された後、環境制御・生命維持システムの電力保障制御をトリガ起動し、マッチング処理手段は、前記影特徴データを、前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データとマッチングし、両者がマッチングできた場合、前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止することによって、不要な宇宙ステーションの実験データの消失を効果的に回避することができる。

図１は、本発明に係る宇宙ステーションのソーラーパネルを示す概略図である。 図２は、本発明に係るソーラーパネルに投影されるオービターの影分布領域を示す概略図である。 図３は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第1の実施例を示すブロック図である。 図４は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムにおける影特徴データ処理手段の一実施例を示すブロック図である。 図５は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第２の実施例を示すブロック図である。 図６は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第３の実施例を示すブロック図である。 図７は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第４の実施例を示すブロック図である。

本発明に係る宇宙ステーションは、ソーラーパネルと、前記ソーラーパネルにより給電される実験モジュールと、環境制御・生命維持システムとを備える。ソーラーパネルは、宇宙船にエネルギーを供給する装置であり、その動作環境は、外部抵抗が非常に小さい真空に近い宇宙空間であり、構造や寸法が大きく、剛性が低く、柔軟性が高いなどの特徴を有し、通常、複数のソーラーパネルから構成される。本発明に係る宇宙ステーションのソーラーパネルを示す概略図である図１を参照されたい。また、実験モジュールは、主に実験データを収集するために使用され、環境制御・生命維持システムは、主に宇宙飛行士に提供する基本的な生活条件や適切な作業環境を制御するために使用されるが、実際には、宇宙ステーションは他の機能システムをさらに含むが、ここでは省略する。

なお、オービターは、所定の宇宙軌道を飛行する宇宙航行体であり、宇宙ステーションに輸送サービスを提供できる。オービターの体積は一定であり、飛行軌跡は一定且つ規則的であり、ソーラーパネルの運行軌跡も規則的であるため、オービターがソーラーパネルの表面に投影してなる影の分布領域は、予め計算できるものである。例えば、ベルギー天文家ジャン・メーウス（Jean Meeus）が提案した現代アストロノミカル・アルゴリズムスに基づき、ソーラーパネルに投影されるオービターの影領域を計算できる。本発明に係るソーラーパネルに投影されるオービターの影分布領域を示す概略図である図２を参照されたい。なお、この図は、一例の説明に過ぎず、実際には、ソーラーパネルの飛行軌跡及び飛行姿勢の調整時に、ソーラーパネルに投影されるオービターの影分布領域もそれに応じて変化するが、ここでは詳細な説明を省略する。

図３を参照すると、この図は、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第1の実施例を示すブロック図である。具体的には、本実施例の自動制御システムは、記憶手段１０１、検出処理手段１０２、取得処理手段１０３、影特徴データ処理手段１０４、トリガ処理手段１０５及びマッチング処理手段１０６を具体的に含む。

記憶手段１０１について、本実施例の記憶手段１０１は、前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影特徴データを予め設定する。具体的に実施する場合、目標オービターが前記ソーラーパネルに投影する位置を予め位置決めして、対応する位置の影特徴データを取得することができる。前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データは、前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影分布領域データである。実際には、ソーラーパネル表面全体はそれぞれ小格子領域又は三角形格子（又はその他の形状の格子、ここでは限定しない）に分割されており、小格子又は三角形格子の面積の大きさは、実際の状況に応じて調整可能であり、高い精密が要求される場合、小格子領域は小さく調整することができる。なお、本発明において、影特徴データとしての影分布領域は、オービターが影を形成する全期間内の影分布領域範囲であってもよく、オービターが影を形成するある瞬間の影分布領域範囲であってもよい。

検出処理手段１０２について、本実施例の検出処理手段１０２は、目標オービターの有無を検出するために使用される。

取得処理手段１０３について、本実施例の取得処理手段１０３は、目標オービターが検出された後、前記ソーラーパネルの表面画像を取得する。

影特徴データ処理手段１０４について、本実施例の影特徴データ処理手段１０４は、前記取得されたソーラーパネルの表面画像を解析して影特徴データの有無を検出するために使用される。具体的に実施する場合、図４を参照されたい例えば、１つの実施例として、影特徴データ処理手段１０４は、階調・分割処理モジュール１０４１、特定処理モジュール１０４２、保存処理モジュール１０４３というモジュールを含んでもよく、
階調・分割処理モジュール１０４１は、前記取得されたソーラーパネルの表面画像に対して階調処理及び分割処理を行うために使用され、
特定処理モジュール１０４２は、前記取得された階調値及び分割値に基づいて影の有無及び影分布領域データを特定するために使用され、
保存処理モジュール１０４３は、前記特定された影分布領域データを影特徴データとして保存するために使用される。

なお、具体的に実施する場合、例えば、正規化相互相関関数を用いて影の検出を行うことが可能であり、分割は前記小格子に応じて位置決めを行い、各小格子は１つの位置点であり、影分布領域は影が位置する小格子に応じて分布して位置決めを行って影分布領域データを取得する。また、前記ソーラーパネルの表面画像を取得する際に、複数の撮像装置により複数の角度の画像を取得し、取得されたソーラーパネルの表面画像を解析する際に、加重平均法を用いて複数の角度の画像処理に対して画素レベルでの融合を行うことにより、正確率を向上させることができる。

トリガ処理手段１０５について、本実施例では、影特徴データが検出された場合、ソーラーパネルが遮蔽されているので、ソーラーパネルによるエネルギー供給が不足になる可能性があり、トリガ処理手段１０５は、環境制御・生命維持システムの電力保障制御を開始する必要がある。

マッチング処理手段１０６について、本実施例のマッチング処理手段１０６は、前記影特徴データを、前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データとマッチングし、両者がマッチングできた場合、前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止することにより、不要な実験データの消失を回避することができる。なお、具体的には、マッチングは、完全一致マッチングでも、部分一致マッチングでもよい。完全一致マッチングとは、ある所定の時刻に検出された影特徴データと、その所定の時刻の予め設定された影特徴データとが完全に一致するようにマッチングすることであるのに対し、部分一致マッチングとは、ある所定の時刻に検出された影特徴データと、予め設定されたオービターが影を形成する全期間内の影特徴データ（すなわち、オービターが影を形成する全期間内の影分布領域範囲）とが部分的に一致するようにマッチングすることであり、その予め設定された影分布領域範囲内であれば、両者がマッチングできたと判定することができる。

また、好ましい実施例として、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第２の実施例を示すブロック図である図５を参照されたい。本実施例と前記第1の実施例との相違点は、本実施例のシステムは、調整処理手段１０７をさらに含むことにある。この調整処理手段１０７は、影特徴データが検出された後、ソーラーパネルの姿勢を調整することにより、ソーラーパネルの受光面積を拡大することができる。ソーラーパネルの受光面積が大きくなると、それに応じてソーラーパネルのエネルギー供給も増加することにより、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止する。

また、好ましい別の実施例として、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第３の実施例を示すブロック図である図６を参照されたい。本実施例と前記実施例との相違点は、本実施例のシステムは、バックアップ処理手段１０８をさらに含むことにある。このバックアップ処理手段１０８は、目標オービターが検出された後、以前に収集された実験モジュールのデータをバックアップする。具体的に実施する場合、目標オービターが検出されると、宇宙ステーションのエネルギー制御システムは実験モジュールの電源を切る可能性があるため、目標オービターが検出されると、実験モジュールのデータを事前にバックアップし、実験モジュールのデータの消失を防止することができる。

また、好ましい実施例として、本発明に係る宇宙ステーション用自動制御システムの第４の実施例を示すブロック図である図７を参照されたい。本実施例と前記実施例との相違点は、本実施例のシステムは、警報処理手段１０９をさらに含むことにある。この警報処理手段１０９は、目標オービターが検出された後、宇宙ステーションのコントロールセンタに警報を発する。具体的に実施する場合、目標オービターが検出されると、宇宙ステーションのエネルギー制御システムは実験モジュールの電源を切る可能性があるため、警報を通して、宇宙ステーションのコントロールセンタは、オービターによるエネルギーの不足であり、継続時間が短いと確認でき、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けることを維持して前記実験モジュールのデータの消失を防止することができる。

また、ソーラーパネルは、真空に近い環境で動作するが、微粒子流などの外乱を受けて共振が発生し、且つ共振減衰が非常に遅いことにより、ソーラーパネルの位置決めが不正確になってしまうという問題がある。好ましい実施例として、本発明に係る自動制御システムは、前記ソーラーパネルに設置される共振制御素子、共振センサ及び共振制御器をさらに含む。前記共振センサは共振信号を検出し、前記共振制御器は前記共振センサから伝送される共振信号に基づいて共振抑制信号を確定し、前記共振抑制信号を共振制御素子に伝送し、前記共振制御素子は共振抑制信号に基づいて能動的な制御力を発生して共振を抑制することで、速やかに共振を抑制し、ソーラーパネルの位置決めをより正確にすることができる。

以上は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び原則内で行われたあらゆる修正、等価変換、改良などは、本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (6)

1. 宇宙ステーション用自動制御システムであって、前記宇宙ステーションは、ソーラーパネルと、前記ソーラーパネルにより給電される実験モジュールと、環境制御・生命維持システムとを備え、前記実験モジュールは実験データを収集し、前記環境制御・生命維持システムは宇宙飛行士に提供する基本的な生活条件や適切な作業環境を制御し、このシステムは、
   予め設定された前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影特徴データを記憶するための記憶手段と、
   目標オービターの有無を検出するための検出処理手段と、
   目標オービターが検出された後、前記ソーラーパネルの表面画像を取得するための取得処理手段と、
   前記取得されたソーラーパネルの表面画像を解析して影特徴データの有無を検出するための影特徴データ処理手段と、
   影特徴データが検出された後、環境制御・生命維持システムの電力保障制御をトリガ起動するためのトリガ処理手段と、
   前記影特徴データを、前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データとマッチングし、両者がマッチングできた場合、前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止するマッチング処理手段とを含むことを特徴とする、システム。
2. 前記予め設定された前記ソーラーパネルに投影される目標オービターの影特徴データは、前記ソーラーパネルに投影される前記目標オービターの影分布領域データであることを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
3. 前記影特徴データ処理手段は、具体的に、
   前記取得されたソーラーパネルの表面画像に対して階調処理及び分割処理を行うための階調・分割処理モジュールと、
   前記取得された階調値及び分割値に基づいて影の有無及び影分布領域データを特定するための特定処理モジュールと、
   前記特定された影分布領域データを影特徴データとして保存するための保存処理モジュールとを含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
4. 影特徴データが検出された後、ソーラーパネルの姿勢を調整し、ソーラーパネルの受光面積を拡大し、エネルギー供給を増加させることにより、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けて前記実験モジュールのデータの消失を防止するための調整処理手段をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
5. 目標オービターが検出された後、以前に収集された実験モジュールのデータをバックアップするためのバックアップ処理手段をさらに含む、請求項1に記載のシステム。
6. 目標オービターが検出された後、宇宙ステーションのコントロールセンタに警報を発し、宇宙ステーションのコントロールセンタは、警報情報に基づき、ソーラーパネルが前記実験モジュールに電力を供給し続けることを確定して前記実験モジュールのデータの消失を防止するための警報処理手段をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。