JP2021088348A - 観測衛星、地上設備および人工物体識別方法 - Google Patents
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Abstract
Description
静止軌道を飛行する宇宙物体を静止軌道の近傍を飛行する人工衛星によって観測することができれば、その観測は衝突回避等のリスク対策に有効である。
光学的な観測装置を用いて観測が行われる場合、光学的な観測装置が観測対象からの太陽反射光を観測することになる。そのため、太陽と観測衛星と観測対象の相対位置関係が制約条件のひとつとなる。
したがって、太陽と静止衛星の相対位置関係は時間に依存して決まる。
そのため、特許文献1の方法では、観測衛星を小型化することが困難である。また、観測衛星の費用を抑えることが困難である。
地球を周回する観測衛星であって、
太陽光が当たる側である地球の表側と太陽光が当たらない側である地球の裏側とのうちの一方の側を前記観測衛星が周回し始めた後に、前記観測衛星の飛行速度を変化させることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度から変化させ、地球の前記表側と地球の前記裏側とのうちの他方の側を前記観測衛星が周回し始める前に、前記観測衛星の飛行速度を変化させることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度へ戻す推進装置と、
前記観測衛星の軌道高度と異なる高度を飛行する宇宙物体を光学で撮影する観測装置と、
を備える観測衛星。
宇宙物体110を観測するための形態について、図1から図12に基づいて説明する。
図1に基づいて、観測システム100の構成を説明する。
観測システム100は、宇宙物体110を観測するためのシステムである。
「観測」は「監視」または「撮影」といった概念を含む。
宇宙物体110は、静止軌道103を飛行して地球101を周回する。
観測衛星200は、地球101を周回する人工衛星である。
観測衛星200は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行して地球101を周回する。
観測衛星200は、宇宙物体110が位置する高度と異なる高度から宇宙物体110を光学で撮影する。
静止衛星と呼ばれる人工衛星は、地球101の自転と同期して静止軌道103を周回する。つまり、静止衛星は、静止軌道103を1日あたり1周回する。言い換えると、静止衛星は、24時間で静止軌道103を1周する。
宇宙物体110は、静止衛星と同じく、静止軌道103を1日あたり1周回する。
観測衛星200は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を1日あたり1周回する。
宇宙物体110と観測衛星200とのそれぞれが周回する方向は、静止衛星が周回する方向と同じである。
地球101のうち太陽光が当たる側を、地球101の表側と称する。
地球101のうち太陽光が当たらない側を、地球101の裏側と称する。
図1において、宇宙物体110と観測衛星200とのそれぞれは、地球101の表側を周回している。
観測衛星200は、観測装置201と衛星制御装置202と通信装置203と推進装置204と姿勢制御装置205と電源装置206とを備える。
観測装置201は、観測衛星200の軌道高度と異なる高度を飛行する宇宙物体110を光学で撮影する。具体的には、観測装置201は可視光学センサである。
観測装置201は、観測データを生成する。観測データは、観測装置201が行う観測によって得られるデータである。例えば、観測データは、宇宙物体110が映った画像を表すデータに相当する。
衛星制御装置202は、既定の手順、または、地上設備から送信される各種コマンドにしたがって、観測装置201と推進装置204と姿勢制御装置205とを制御する。
通信装置203は、観測データを地上設備へ送信する。また、通信装置203は、地上設備から送信される各種コマンドを受信する。
具体的には、推進装置204は電気推進機である。例えば、推進装置204は、イオンエンジンまたはホールスラスタである。
姿勢制御装置205は、観測衛星200の姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢制御装置205は、観測衛星200の姿勢要素を所望の方向に維持する。
具体的には、観測衛星200の姿勢要素は、観測衛星200の姿勢、観測衛星200の角速度、および、観測装置201の視線方向(Line Of Sight)である。
姿勢制御装置205は、姿勢センサとアクチュエータとコントローラとを備える。姿勢センサは、ジャイロスコープ、地球センサ、太陽センサ、スター・トラッカ、スラスタまたは磁気センサ等である。アクチュエータは、姿勢制御スラスタ、モーメンタムホイール、リアクションホイールまたはコントロール・モーメント・ジャイロ等である。コントローラは、姿勢センサによって得られる計測データに基づいて、または、地上設備からの制御コマンドにしたがって、制御プログラムを実行することによって、アクチュエータを制御する。
衛星制御装置202は処理回路を備える。
処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。処理回路は、推進装置204を制御する観測制御部として機能する。
処理回路において、一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、残りの機能がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。つまり、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。
専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC、FPGAまたはこれらの組み合わせである。
ASICは、Application Specific Integrated Circuitの略称である。
FPGAは、Field Programmable Gate Arrayの略称である。
観測衛星200は、観測方向を宇宙物体110へ向けるためのポインティング機能を有する。
例えば、観測衛星200はリアクションホイールを備える。リアクションホイールは、観測衛星200の姿勢を制御するための装置である。リアクションホイールによって観測衛星200の姿勢が制御され、ボディポインティングが実現される。
例えば、観測装置201はポインティング機構を備える。ポインティング機構は、観測装置201の視線方向を変えるための機構である。ポインティング機構には、例えば、駆動ミラー等が利用される。
観測装置201は、分解能可変機能およびオートフォーカス機能を有する。
分解能可変機能は、観測時の分解能を変える機能である。
オートフォーカス機能は、宇宙物体110に焦点を合わせる機能である。
観測システム100の動作、特に、観測衛星200の動作は観測方法に相当する。
推進装置204は、地球101の表側と地球101の裏側とのうちの一方の側を観測衛星200が周回し始めた後に、観測衛星200の飛行速度を変化させる。これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度から変化する。
推進装置204は、地球101の表側と地球101の裏側とのうちの他方の側を観測衛星200が周回し始める前に、観測衛星200の飛行速度を変化させる。これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度へ戻る。
観測装置201は、観測衛星200の軌道高度と異なる高度を飛行する宇宙物体110を光学で撮影する。
静止軌道103に付された4つの時刻「00:00」、「06:00」、「12:00」および「18:00」は、地球101の特定地域(例えば、日本)における時刻を示している。
観測衛星200は、特定地域における日中の時間帯(06:00〜18:00)に地球101の表側を周回する。つまり、観測衛星200は、6時ぐらいに地球101の表側を周回し始め、18時ぐらいに地球101の表側を周回し終える。
観測衛星200は、特定地域における夜間の時間帯(18:00〜06:00)に地球101の裏側を周回する。つまり、観測衛星200は、18時ぐらいに地球101の裏側を周回し始め、6時ぐらいに地球101の裏側を周回し終える。
図3から図7に基づいて、実施例1を説明する。
実施例1は、観測衛星200が地球101の表側を周回する実施例である。
具体的には、観測衛星200が地球101の表側を周回し始めたか否かを衛星制御装置202が判定する。例えば、衛星制御装置202は、時刻を参照することによって判定を行う。観測衛星200が地球101の表側を周回し始めた場合、衛星制御装置202は、推進装置204に増速を指示する。そして、推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を上げる。
これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度から上昇する。
つまり、観測衛星200の対地速度が、宇宙物体110の対地速度よりも遅くなる。
図6は、観測衛星200を追い抜いた宇宙物体110が観測衛星200から撮影される様子を示している。
観測衛星200が地球101の表側を周回している間に、観測装置201は、観測衛星200の軌道高度よりも低い高度を飛行する宇宙物体110を撮影する。これにより、観測装置201は、宇宙物体110を順光で撮影する。
具体的には、観測衛星200が地球101の表側を周回している間に、観測装置201は、地球101側の方向を撮影する。これにより、観測装置201は、静止軌道103を飛行しながら観測衛星200を追い抜かす宇宙物体110を撮影する。
具体的には、観測衛星200が地球101の裏側を周回し始めるか否かを衛星制御装置202が判定する。例えば、衛星制御装置202は、時刻を参照することによって判定を行う。観測衛星200が地球101の裏側を周回し始める前に、衛星制御装置202は、推進装置204に減速を指示する。そして、推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を落とす。
これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度まで降下する。
図8から図12に基づいて、実施例2を説明する。
実施例2は、観測衛星200が地球101の裏側を周回する実施例である。
具体的には、観測衛星200が地球101の裏側を周回し始めたか否かを衛星制御装置202が判定する。例えば、衛星制御装置202は、時刻を参照することによって判定を行う。観測衛星200が地球101の裏側を周回し始めた場合、衛星制御装置202は、推進装置204に減速を指示する。そして、推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を落とす。
これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度から降下する。
つまり、観測衛星200の対地速度が、宇宙物体110の対地速度よりも速くなる。
図11は、観測衛星200に追い抜かれた宇宙物体110が観測衛星200から撮影される様子を示している。
観測衛星200が地球101の裏側を周回している間に、観測装置201は、観測衛星200の軌道高度よりも高い高度を飛行する宇宙物体110を撮影する。これにより、観測装置201は、宇宙物体110を順光で撮影する。
具体的には、観測衛星200が地球101の裏側を周回している間に、観測装置201は、地球101側に対する反対側を撮影する。これにより、観測装置201は、静止軌道103を飛行しながら観測衛星200に追い抜かれる宇宙物体110を撮影する。
具体的には、観測衛星200が地球101の表側を周回し始めるか否かを衛星制御装置202が判定する。例えば、衛星制御装置202は、時刻を参照することによって判定を行う。観測衛星200が地球101の表側を周回し始める前に、衛星制御装置202は、推進装置204に増速を指示する。そして、推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を上げる。
これにより、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度まで上昇する。
観測衛星200は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
観測衛星200は、6時以降に増速して軌道高度を上昇させる。そして、観測衛星200は、静止軌道103を飛行して観測衛星200を追い抜いていく宇宙物体110を撮影する。また、観測衛星200は、18時以前に減速して軌道高度を降下させる。
観測衛星200が増速すると観測衛星200の軌道高度が上昇する。観測衛星200の軌道高度が高くなると観測衛星200の対地速度が低下する。そのため、観測衛星200は、静止軌道103を飛行する宇宙物体110に追い抜かれる。
観測衛星200は、6時以降18時以前に、静止軌道103の高度よりも高い軌道高度を飛行する。そして、観測衛星200は、静止軌道103を飛行する宇宙物体110からの太陽反射光を受ける。これにより、観測衛星200は、好適な条件で宇宙物体110を観測することができる。
観測衛星200が減速すると観測衛星200の軌道高度が降下する。観測衛星200の軌道高度が低くなると観測衛星200の対地速度が上昇する。そのため、観測衛星200は、静止軌道103を飛行する宇宙物体110を追い抜く。
観測衛星200は、18時以降翌日6時以前に、静止軌道103の高度よりも低い軌道高度を飛行する。そして、観測衛星200は、静止軌道103を飛行する宇宙物体110からの太陽反射光を受ける。これにより、観測衛星200は、好適な条件で宇宙物体110を観測することができる。
観測衛星200が、静止軌道103以外の周回軌道またはその近傍を飛行しても構わない。
宇宙物体110が、静止軌道103以外の周回軌道を飛行しても構わない。また、宇宙物体110が、周回軌道以外の軌道を飛行しても構わない。
軌道高度の上昇と下降は、複数日の間隔をおいて実施してもよい。高高度からの観測日数ないし低高度からの観測日数が長いほど、経度方向の相対移動距離を長くできる。
軌道高度の上昇と下降による高度差が大きいほど、経度方向の相対移動距離を長くできる。
化学推進装置のような推力の大きな手段によって軌道高度の上昇と下降をすれば、短期間で大きな高度差を与えることができる。
観測衛星200について、主に実施の形態1と異なる点を図13から図21に基づいて説明する。
観測衛星200の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
観測衛星200は、赤道上空の高度35800キロメートルで地球101を周回する人工衛星である。実施の形態2において、高度35800キロメートルはおおよその高度である。
観測衛星200は、観測装置201と推進装置204を備える。
観測装置201は、静止軌道103に沿って飛行する宇宙物体110を光学で撮影するための装置である。宇宙物体110は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を変化させる。
観測衛星200は、推進装置204によって、傾斜楕円軌道を飛行する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道は、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する。
長径は、太陽方向を指向する。つまり、長径の向きは、地球101から太陽102への方向と等しい。
遠地点は、太陽側にある。つまり、遠地点は、太陽102が位置する側にある。
軌道面の法線ベクトルは、地心方向周りに傾斜する。
傾斜楕円軌道は太陽同期軌道であり、長径と法線ベクトルが太陽102と同期して公転する。
図13は、傾斜楕円軌道を飛行する観測衛星200が宇宙物体110に追い抜かれながら高高度から宇宙物体110を観測する様子を示している。
観測衛星200の軌道に傾斜楕円軌道を採用する。
観測衛星200の軌道周期は、静止衛星の軌道周期と同等にする。つまり、観測衛星200は、1日に約1周し、365日かけて1回公転する。
これにより、観測衛星200は、静止軌道上の宇宙物体110との相対位置を長期的に維持する。そして、観測衛星200は、近地点側では、静止軌道103の高度よりも低い高度(低高度)を飛行して宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動しながら宇宙物体110を観測できる。また、観測衛星200は、遠地点側では、静止軌道103の高度よりも高い高度(高高度)を飛行して宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動しながら宇宙物体110を観測できる。
これにより、遠地点において、高高度からの日中監視が実現される。日中監視は、地球101の表側(日照側)での監視である。また、近地点において、低高度からの夜間監視が実現される。夜間監視は、地球101の裏側(日照側の反対)での監視である。
そこで、観測衛星200の軌道に傾斜角をつける。これにより、観測衛星200が静止軌道103の近傍を通過するときに、南北方向において観測衛星200から静止軌道103まで距離がつく運用がなされる。
なお、長軸を常時太陽指向した状態で軌道面が維持され且つ軌道面の法線ベクトルが太陽102と同期して公転する軌道、を自然現象のみで実現することはできない。しかし、推進装置204を動作させることにより、このような軌道の実現が可能となる。
また、傾斜角が大きな軌道面を太陽同期させるためには、通常、大量の推薬が必要となる。しかし、1度以下程度の緩やかな傾斜角は、必要となる推薬が限定的であり、実現しやすい。
観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期と同等な場合、観測衛星200は、宇宙物体110に対して経度方向に揺動しながら、1日の間に宇宙物体110を1周回旋回する。そのような観測衛星200の軌道を「パーキング軌道」と呼ぶ。
地球101の半径は約6400キロメートルであり、静止軌道103の高度は約35800キロメートルである。したがって、静止軌道103の半径は約42200キロメートルである。
静止軌道103の直径とほぼ同じ長径を有する楕円軌道において、離心率が1.001である場合には、遠地点と静止軌道103の高度差と近地点と静止軌道103の高度差が約50キロメートルとなる。また、離心率が1.01である場合には、それぞれの高度差が約400キロメートルとなる。
高度差が小さければ宇宙物体110の高分解能な観測ができ、高度差が大きければ経度方向において宇宙物体110との相対速度を上げることができる。
観測衛星200の軌道傾斜角が0.1度である場合、南北方向において、観測衛星200は静止軌道103から約70キロメートル離れる。
観測衛星200の軌道傾斜角が0.7度である場合、南北方向において、観測衛星200は静止軌道103から約500キロメートル離れる
観測衛星200の軌道には、静止軌道103の周辺の宇宙物体110の分布状況に応じて、宇宙物体110との衝突の回避に適した傾斜角を設定すればよい。
図17は、観測衛星200が静止軌道103の高度を通過する様子を示している。観測衛星200の軌道が傾斜角を有することにより、観測衛星200が静止軌道103の高度を通過するときに、南北方向において観測衛星200が宇宙物体110から離れることになる。そのため、観測衛星200が宇宙物体110と衝突するリスクがない。
観測衛星200の平均高度が静止軌道103よりも低いと、観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも短くなる。そして、観測衛星200は、1日毎に宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動する。観測衛星200の飛行状態はスパイラル状となる。
図19は、観測衛星200が静止軌道103の高度を通過する様子を示している。観測衛星200の軌道が傾斜角を有することにより、観測衛星200が静止軌道103の高度を通過するときに、南北方向において観測衛星200が宇宙物体110から離れることになる。そのため、観測衛星200が宇宙物体110と衝突するリスクがない。
観測衛星200の平均高度が静止軌道103よりも高いと、観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも長くなる。そして、観測衛星200は、1日毎に宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する。観測衛星200の飛行状態はスパイラル状となる。
推進装置204の利用により、観測衛星200の軌道を、長径が太陽102を指向する状態で維持できる。これにより、毎日12時近傍に観測衛星200の位置が遠地点となるため、日照時に高高度から宇宙物体110を監視することが可能である。
観測衛星200の軌道を傾斜軌道とすることにより、軌道半径が静止軌道103と同等になるとき(長径直行軸付近飛翔時)、観測衛星200の軌道が静止軌道103から面外方向に離れる。さらに、観測衛星200の軌道を楕円軌道とすることにより、観測衛星200が静止軌道103の軌道面内を通過するとき(長径付近飛翔時及び短径付近飛翔時)、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の軌道高度と異なるため、観測衛星200が静止軌道103の衛星群と衝突する危険がない。
観測衛星200の楕円軌道の長径を静止軌道103の直径とほぼ同じにすると、観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期と同じになる。そして、観測衛星200が概ね1日に1周する。そのため、観測衛星200は、宇宙物体110とほぼ同じ経度を維持し、飛行方向に対して宇宙物体110の周りを1日に1周する。
観測衛星200の楕円軌道の長径が静止軌道103の直径よりも長いと、観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも長くなる。そして、観測衛星200は、宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する。つまり、観測衛星200はスパイラル状に移動する。但し、近地点側では、観測衛星200は宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動する。
観測衛星200の楕円軌道の長径が静止軌道103の直径よりも短いと、観測衛星200の軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも短くなる。そして、観測衛星200は、宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動する。つまり、観測衛星200はスパイラル状に移動する。但し、遠地点側では、観測衛星200は宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する。
観測衛星200について、主に実施の形態1または実施の形態2と異なる点を図22から図34に基づいて説明する。
観測衛星200の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
観測衛星200は、赤道上空の高度35800キロメートルで地球101を周回する人工衛星である。実施の形態3において、高度35800キロメートルはおおよその高度である。
観測衛星200は、観測装置201と推進装置204を備える。
観測装置201は、静止軌道103に沿って飛行する宇宙物体110を光学で撮影するための装置である。宇宙物体110は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を変化させる。
観測衛星200は、推進装置204によって、傾斜楕円軌道を飛行する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道は、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する。
長径は、北極側から見て太陽方向を指向する。つまり、長径の向きは、北極側から見て地球101から太陽102への方向と等しい。
近地点は、太陽側にある。つまり、近地点は、太陽102が位置する側にある。
軌道面の法線ベクトルは、楕円の短径周りに傾斜する。
傾斜楕円軌道は太陽同期軌道であり、長径と法線ベクトルが太陽102と同期して公転する。
図22は、観測衛星200が宇宙物体110に追い抜かれながら観測衛星200が宇宙物体110を観測する様子を示している。
観測衛星200の平均高度が高高度であり、観測衛星200が宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動しながら宇宙物体110を観測する場合、6時から18時までの日中飛行時と18時から6時までの夜間飛行時とのいずれにおいても、観測衛星200は、宇宙物体110を逆光にならずに観測できる。
観測衛星200は、地球101を指向する側に対する反対側の面以外の宇宙物体110の面を観測できる。つまり、観測衛星200は、地球101を指向する側の宇宙物体110の面、および、宇宙物体110の側面を観測できる。
観測衛星200が静止軌道面の混雑領域を横切る経度帯において、観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度と異なる。これにより、観測衛星200と混雑領域の宇宙物体との衝突を回避できる。
観測衛星200の軌道において、観測衛星200は、宇宙物体110に対して南北方向に揺動する。観測衛星200と宇宙物体110との衝突を防止するため、観測衛星200が静止軌道面を通過するときの観測衛星200の軌道高度は静止軌道103の高度よりも高い。
地球101の半径は約6400キロメートルであり、静止軌道103の高度は約35800キロメートルである。したがって、静止軌道103の半径は約42200キロメートルである。
静止軌道103の長径とほぼ同じ長径を有する楕円軌道において、離心率が1.001である場合には、近地点と静止軌道103の高度差が約50キロメートルとなる。また、離心率が1.01である場合には、近地点と静止軌道103の高度差が約400キロメートルとなる。
高度差が小さければ宇宙物体110の高分解能な観測ができ、高度差が大きければ経度方向において宇宙物体110との相対速度を上げることができる。
図26は、軌道傾斜角と静止軌道103までの最大距離との関係を示している。
観測衛星200の軌道傾斜角が0.1度である場合、南北方向において、観測衛星200は静止軌道103から約70キロメートル離れる。
観測衛星200の軌道傾斜角が0.7度である場合、南北方向において、観測衛星200は静止軌道103から約500キロメートル離れる。
観測衛星200と静止軌道103との距離が短ければ、高分解能な観測ができる。
近地点の高度が静止軌道103の高度と同等の約35800キロメートルである場合、近地点において、観測衛星200は南ないし北から宇宙物体110を観測することとなる。観測は逆光とならず、宇宙物体110の太陽反射光を観測することが可能である。
近地点の高度が静止軌道103の高度よりも低い場合、近地点において、観測衛星200は太陽側に傾斜した視線ベクトルで南ないし北から宇宙物体110を観測することとなる。観測は逆光とならず、宇宙物体110の太陽反射光を観測することが可能である。
遠地点において、観測衛星200は、太陽側に傾斜した視線ベクトルで南ないし北から宇宙物体110を観測することとなる。観測は逆光とならず、宇宙物体110の太陽反射光を観測することが可能である。
観測衛星200について、主に実施の形態1から実施の形態3と異なる点を図35および図36に基づいて説明する。
観測衛星200の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
観測衛星200は、赤道上空の高度35800キロメートルで地球101を周回する人工衛星である。実施の形態3において、高度35800キロメートルはおおよその高度である。
観測衛星200は、観測装置201と推進装置204を備える。
観測装置201は、静止軌道103に沿って飛行する宇宙物体110を光学で撮影するための装置である。宇宙物体110は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を変化させる。
観測衛星200は、推進装置204によって、傾斜楕円軌道を飛行する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道は、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する。
長径は、北極側から見て太陽方向を指向する。つまり、長径の向きは、北極側から見て地球101から太陽102への方向と等しい。
遠地点は、太陽側にある。つまり、遠地点は、太陽102が位置する側にある。
軌道面の法線ベクトルは、楕円の短径周りに傾斜する。
傾斜楕円軌道は太陽同期軌道であり、長径と法線ベクトルが太陽102と同期して公転する。
図35および図36は、観測衛星200が宇宙物体110に追い抜かれながら観測衛星200が宇宙物体110を観測する様子を示している。
観測衛星200は、夜中0時近傍において、宇宙物体110の側面および宇宙物体110の地球指向面を近距離で観測できる。
宇宙物体110が地球101の陰になる短い時間帯を除いて、観測衛星200は、日照状態で宇宙物体110を観測できる。
観測衛星200の平均高度を高く設定することにより、1周回当たりに宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する速度を上げられる。そのため、所定の経度範囲を短期間で網羅できる。
近地点側において宇宙物体110を近距離で観測するとき、宇宙物体110に対する観測衛星200の相対速度は遅い。そのため、宇宙物体110をじっくり観測できる。
近地点において観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度と同等であれば、経度方向において観測衛星200は宇宙物体110の速度とほぼ等しい速度で飛行する。近地点において観測衛星200の軌道高度が静止軌道103の高度よりも低ければ、観測衛星200は、一時的に、宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動しながら飛行する。
観測衛星200について、主に実施の形態3および実施の形態4と異なる点を図37および図38に基づいて説明する。
図37は、夏期における傾斜楕円軌道によるスパイラル運用の様子を示している。赤道面内で地心直行方向から見て、観測衛星200は1日の間に図37に示すように周回する。
静止軌道103の傾斜楕円軌道において、軌道面の法線ベクトルは、傾斜楕円軌道の短径周りに傾斜する。そして、傾斜楕円軌道の近地点が北側に位置する。
図38は、冬期における傾斜楕円軌道によるスパイラル運用の様子を示している。赤道面内で地心直行方向から見て、観測衛星200は1日の間に図38に示すように周回する。
静止軌道103の傾斜楕円軌道において、軌道面の法線ベクトルは、傾斜楕円軌道の短径周りに傾斜する。そして、傾斜楕円軌道の近地点が南側に位置する。
地球101の自転軸が傾斜しているため、夏期と冬期では静止軌道面に対する太陽光の入射各がプラス23.6度またはマイナス23.6度変動する。そこで、逆光を避け、且つ、太陽光の反射が観測に適するようにするため、太陽102が位置する側から宇宙物体110を観測できる軌道条件を採用することが合理的である。そのような軌道条件を採用することにより、画質が優れた観測データを得ることができる。
夏期では6時から18時までの日中観測時に、また、冬期では18時から6時までの夜間観測時に、近地点が静止軌道103の北側に位置するように静止軌道103の傾斜楕円軌道が傾斜する。また、夏期の夜間観測時と冬期の日中観測時に、近地点が静止軌道103の南側に位置するように静止軌道103の傾斜楕円軌道が傾斜する。これらは観測に有利である。
観測衛星200について、実施の形態2から実施の形態5の実施例を説明する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道において、離心率は1.001以上1.01以下である。
観測衛星200の傾斜楕円軌道において、傾斜角が1度以下である。
観測装置201は、観測衛星200が地球101の表側を周回している間に、傾斜楕円軌道の遠地点高度よりも低い高度を飛行する宇宙物体110を撮影する。これにより、観測装置201は、宇宙物体110を順光で撮影する。
観測装置201は、観測衛星200が地球101の裏側を周回している間に、傾斜楕円軌道の近地点高度よりも高い高度を飛行する宇宙物体110を撮影する。これにより、観測装置201は、宇宙物体110を順光で撮影する。
観測装置201は、観測衛星200が傾斜楕円軌道の近地点を通過するときに又は観測衛星200が傾斜楕円軌道の遠地点を通過するときに、静止軌道103の軌道面外の方向に視線ベクトルを指向して宇宙物体110を撮影する。これにより、観測装置201は、逆光でない状況で宇宙物体110を撮影する。
観測装置201は、観測衛星200が地球101の表側を周回している間に地球側の方向を撮影する。これにより、観測装置201は、静止軌道103を飛行しながら観測衛星200を追い抜かす宇宙物体110を撮影する。
観測装置201は、観測衛星200が地球101の裏側を周回している間に地球側に対する反対側の方向を撮影する。これにより、観測装置201は、静止軌道103を飛行しながら観測衛星200に追い抜かれる宇宙物体110を撮影する。
観測装置201は、観測衛星200が地球101の表側を周回している間に、宇宙物体110の南側または宇宙物体110の北側から、宇宙物体110の地球指向面または宇宙物体110の側面を撮影する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道において、軌道周期が静止軌道103の軌道周期と等しい。
観測衛星200の傾斜楕円軌道において、軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも長い。そのため、観測衛星200は、宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する。
観測衛星200の傾斜楕円軌道において、軌道周期が静止軌道103の軌道周期よりも短い。そのため、観測衛星200は、宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動する。
観測システム100について、主に実施の形態1から実施の形態6と異なる点を図39から図41に基づいて説明する。
図39に基づいて、観測システム100の構成を説明する。
観測システム100は、地上設備120を備える。
地上設備120は、観測衛星200と通信して観測衛星200を制御するための設備であり、地上に設置される。
地上設備120は、通信設備121と、衛星管理装置122と、人工物体識別装置123と、宇宙物体管理装置124と、を備える。
通信設備121は、観測衛星200と通信するための設備である。。具体的には、通信設備121は、観測データおよびテレメトリなどを観測衛星200から受信する。また、通信設備121は、制御コマンドおよび宇宙物体情報などを観測衛星200へ送信する。
衛星管理装置122は、観測衛星200を制御するためのコマンド(制御コマンド)を生成する。
人工物体識別装置123は、観測衛星200からの観測データに基づいて、観測された宇宙物体110を識別する。
宇宙物体管理装置124は、宇宙物体110の情報(宇宙物体情報)を管理する。例えば、宇宙物体管理装置124は、宇宙物体110の各時刻の位置情報および宇宙物体110の軌道情報などを管理する。
衛星管理装置122と人工物体識別装置123と宇宙物体管理装置124とのそれぞれは処理回路を備える。それらの処理回路は、衛星制御装置202の処理回路と同様のものである。
観測衛星200は、低高度を飛行することによって宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動しながら、前方視撮影を行う。そして、観測衛星200は、各時刻の撮影データ(観測データ)を送信する。
人工物体識別装置123は、通信設備121を介して、各時刻の撮影データを受信する。そして、人工物体識別装置123は、各時刻の撮影データに基づいて、観測された人工物体を識別する。具体的には、人工物体識別装置123は、12時より前には撮影されず12時より後に撮影された宇宙物体110を特定し、特定された宇宙物体110を人工物体として識別する。
人工物体識別装置123は、通信設備121を介して、各時刻の撮影データを受信する。そして、人工物体識別装置123は、各時刻の撮影データに基づいて、観測された人工物体を識別する。具体的には、人工物体識別装置123は、12時より前には撮影されず12時より後に撮影された宇宙物体110を特定し、特定された宇宙物体110を人工物体として識別する。
図41は、12時以降に人工物体111が日照に位置するので人工物体111を観測できる状況を示している。
静止軌道103の周辺を飛行する宇宙物体110には、自然物体と人工物体がある。
自然物体は、ランダムな形状を有するため、太陽光を反射しにくい。
人工物体は、立方体形状など規則性が高い形状を有する。そのため、宇宙物体110に反射した太陽光(反射光)を観測し、観測された反射光の特徴を調べることで、人工物体を識別することができる。
観測衛星200について、主に実施の形態1から実施の形態7と異なる点を図42から図44に基づいて説明する。
観測衛星200の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
観測衛星200は、地球101を周回する人工衛星である。
観測衛星200は、観測装置201と推進装置204を備える。
観測装置201は、対象地域の上空を静止軌道103に沿って飛行する宇宙物体110を観測するための装置である。宇宙物体110は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を変化させる。
推進装置204は、飛行速度を減速させることによって観測衛星200の軌道高度を下降させる。
観測衛星200の周回速度は、観測衛星200の軌道高度の下降に伴って上がる。そして、観測衛星200の周回速度は地球101の自転速度よりも速くなる。
観測衛星200は、対象地域における太陽時(LST)の10時から18時までの間に、宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動する。その間、観測衛星200は、観測装置201の指向方向を反地球方向から東側に30度以上90度以下の範囲内に変更して観測装置201に宇宙物体110を観測させる。
観測衛星200は、対象地域における太陽時の18時から6時までの間に地球101の裏側の上空で、観測装置201に宇宙物体110を観測させる。
LSTは、Local Sun Timeの略称である。
観測衛星200が低高度を反地球方向を指向して飛行する場合、12時近傍で逆光となり、観測不能となる。しかし、反地球方向から東側に30度以上90度以下の範囲内に指向方向を変更すれば、逆光となる時間帯は6時から10までであり、その時間帯の後は飛行方向を斜め右側(太陽側)を前方視しながら宇宙物体110を監視できる。
観測衛星200は、当日18時から翌日6時までの間、反地球方向を指向して順光で宇宙物体110を観測する。その宇宙物体110は、それ以前の時間帯には観測衛星200の前方を飛行している。そのため、当日10時から当日18時までの間に、その宇宙物体110を前方視で予め観測すれば、その宇宙物体110の軌道情報の誤差を予め把握できる。
前方視では宇宙物体110との距離が遠いので、観測視野範囲が広くなる。そのため、宇宙物体110の軌道情報に誤差があっても、宇宙物体110が観測視野から逸脱するリスクが小さい。
当日18時まで前方視した後に反地球方向に姿勢を変更する動作は、高トルクの姿勢制御装置205を使えば、短時間で実施可能である。
観測衛星200は、低高度で宇宙物体110に対して相対的に東方へ移動しながら、太陽時の13時から18時までの間に観測装置201に前方視で宇宙物体110を観測させる。
図44は、13時以降に人工物体111が日照に位置するので人工物体111を観測できる状況を示している。
概ね直方体形状を成して静止軌道103の近傍を地球101を指向して飛行する人工物体111を観測する場合、12時以前に広角カメラで観測しても、人工物体111の日陰の面しか見えず、人工物体111を観測できない、というリスクがある。
13時以降の観測であれば、人工物体111の西側の面が日照状態となるため、人工物体111を観測することができる。
観測衛星200について、主に実施の形態1から実施の形態8と異なる点を図45に基づいて説明する。
観測衛星200の構成は、実施の形態1における構成と同じである。
観測衛星200は、地球101を周回する人工衛星である。
観測衛星200は、観測装置201と推進装置204を備える。
観測装置201は、対象地域の上空を静止軌道103に沿って飛行する宇宙物体110を観測するための装置である。宇宙物体110は、静止軌道103または静止軌道103の近傍を飛行する。
推進装置204は、観測衛星200の飛行速度を変化させる。
推進装置204は、飛行速度を増速させることによって観測衛星200の軌道高度を上昇させる。
観測衛星200の周回速度は、観測衛星200の軌道高度の上昇に伴って下がる。そして、観測衛星200の周回速度は地球101の自転速度よりも遅くなる。
観測衛星200は、対象地域における太陽時(LST)の22時から6時までの間に、宇宙物体110に対して相対的に西方へ移動する。その間、観測衛星200は、観測装置201の指向方向を地球方向から西側に30度以上90度以下の範囲内に変更して観測装置201に宇宙物体110を観測させる。
観測衛星200は、対象地域における太陽時の6時から18時までの間に地球101の表側の上空で、観測装置201に宇宙物体110を観測させる。
観測衛星200が高高度を地球方向を指向して飛行する場合、22時近傍で逆光となり、観測不能となる。しかし、地球方向から西側に30度以上90度以下の範囲内に指向方向を変更すれば、逆光となる時間帯は18時から22時までであり、その時間帯の後は飛行方向を斜め左側(太陽側)を後方視しながら宇宙物体110を監視できる。
観測衛星200は、当日6時から当日18時までの間、地球方向を指向して順光で宇宙物体110を観測する。その宇宙物体110は、それ以前の時間帯には観測衛星200の後方を飛行している。そのため、前日22時から当日6時までの間に、その宇宙物体110を後方視で予め観測すれば、その宇宙物体110の軌道情報の誤差を予め把握できる。
後方視では宇宙物体110との距離が遠いので、観測視野範囲が広くなる。そのため、宇宙物体110の軌道情報に誤差があっても、宇宙物体110が観測視野から逸脱するリスクが小さい。
当日6時まで後方視した後に地球方向に姿勢を変更する動作は、高トルクの姿勢制御装置205を使えば、短時間で実施可能である。
各実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本発明の技術的範囲を制限することを意図するものではない。各実施の形態は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。
Claims (29)
- 地球を周回する観測衛星であって、
太陽光が当たる側である地球の表側と太陽光が当たらない側である地球の裏側とのうちの一方の側を前記観測衛星が周回し始めた後に、前記観測衛星の飛行速度を変化させることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度から変化させ、地球の前記表側と地球の前記裏側とのうちの他方の側を前記観測衛星が周回し始める前に、前記観測衛星の飛行速度を変化させることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度へ戻す推進装置と、
前記観測衛星の軌道高度と異なる高度を飛行する宇宙物体を光学で撮影する観測装置と、
を備える観測衛星。 - 前記推進装置は、前記観測衛星が地球の前記表側を周回し始めた後に、前記観測衛星の飛行速度を上げることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度から上昇させ、地球の前記裏側を前記観測衛星が周回し始める前に、前記観測衛星の飛行速度を落とすことによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度まで降下させる
請求項1に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の前記表側を周回している間に、前記観測衛星の軌道高度よりも低い高度を飛行する前記宇宙物体を撮影することによって、前記宇宙物体を順光で撮影する
請求項2に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の前記表側を周回している間に、地球側の方向を撮影することによって、静止軌道を飛行しながら前記観測衛星を追い抜かす前記宇宙物体を撮影する
請求項3に記載の観測衛星。 - 前記推進装置は、前記観測衛星が地球の前記裏側を周回し始めた後に、前記観測衛星の飛行速度を落とすことによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度から降下させ、地球の前記表側を前記観測衛星が周回し始める前に、前記観測衛星の飛行速度を上げることによって前記観測衛星の軌道高度を静止軌道の高度まで上昇させる
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の前記裏側を周回している間に、前記観測衛星の軌道高度よりも高い高度を飛行する前記宇宙物体を撮影することによって、前記宇宙物体を順光で撮影する
請求項5に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の前記裏側を周回している間に、地球側に対する反対側の方向を撮影することによって、静止軌道を飛行しながら前記観測衛星に追い抜かれる前記宇宙物体を撮影する
請求項6に記載の観測衛星。 - 地球を周回する観測衛星であって、
静止軌道に沿って飛行する宇宙物体を光学で撮影する観測装置と、
前記観測衛星の飛行速度を変化させる推進装置と、
を備え、
前記観測衛星は、前記推進装置によって、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する傾斜楕円軌道を飛行し、
前記傾斜楕円軌道の長径が太陽方向を指向し、
前記傾斜楕円軌道の遠地点が太陽側にあり、
前記傾斜楕円軌道の軌道面の法線ベクトルが地心方向周りに傾斜し、
前記傾斜楕円軌道が太陽同期軌道となる
観測衛星。 - 地球を周回する観測衛星であって、
静止軌道に沿って飛行する宇宙物体を光学で撮影する観測装置と、
前記観測衛星の飛行速度を変化させる推進装置と、
を備え、
前記観測衛星は、前記推進装置によって、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する傾斜楕円軌道を飛行し、
前記傾斜楕円軌道の長径が北極側から見て太陽方向を指向し、
前記傾斜楕円軌道の近地点が太陽側にあり、
前記傾斜楕円軌道の軌道面の法線ベクトルが楕円の短径周りに傾斜し、
前記傾斜楕円軌道が太陽同期軌道となる
観測衛星。 - 地球を周回する観測衛星であって、
静止軌道に沿って飛行する宇宙物体を光学で撮影する観測装置と、
前記観測衛星の飛行速度を変化させる推進装置と、
を備え、
前記観測衛星は、前記推進装置によって、赤道上空の高度35800キロメートルの軌道に対して傾斜角を有する傾斜楕円軌道を飛行し、
前記傾斜楕円軌道の長径が北極側から見て太陽方向を指向し、
前記傾斜楕円軌道の遠地点が太陽側にあり、
前記傾斜楕円軌道の軌道面の法線ベクトルが楕円の短径周りに傾斜し、
前記傾斜楕円軌道が太陽同期軌道となる
観測衛星。 - 前記軌道面の前記法線ベクトルが前記傾斜楕円軌道の短径周りに傾斜し、前記傾斜楕円軌道の近地点が北側に位置する
請求項9または請求項10に記載の観測衛星。 - 前記軌道面の前記法線ベクトルが前記傾斜楕円軌道の短径周りに傾斜し、前記傾斜楕円軌道の近地点が南側に位置する
請求項9または請求項10に記載の観測衛星。 - 前記傾斜楕円軌道の離心率が1.001以上1.01以下である
請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記傾斜楕円軌道の傾斜角が1度以下である
請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の表側を周回している間に、前記傾斜楕円軌道の遠地点高度よりも低い高度を飛行する宇宙物体を撮影することによって前記宇宙物体を順光で撮影する
請求項8、または、請求項10から請求項14のいずれか1項、に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の裏側を周回している間に、前記傾斜楕円軌道の近地点高度よりも高い高度を飛行する宇宙物体を撮影することによって前記宇宙物体を順光で撮影する
請求項8、または、請求項10から請求項14のいずれか1項、に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が前記傾斜楕円軌道の近地点を通過するときに又は前記観測衛星が前記傾斜楕円軌道の遠地点を通過するときに静止軌道の軌道面外の方向に視線ベクトルを指向して宇宙物体を撮影することによって、逆光でない状況で前記宇宙物体を撮影する
請求項9から請求項14のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の表側を周回している間に地球側の方向を撮影することによって、静止軌道を飛行しながら前記観測衛星を追い抜かす宇宙物体を撮影する
請求項8、または、請求項10から請求項14のいずれか1項、に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の裏側を周回している間に地球側に対する反対側の方向を撮影することによって、静止軌道を飛行しながら前記観測衛星に追い抜かれる宇宙物体を撮影する
請求項8、または、請求項10から請求項14のいずれか1項、に記載の観測衛星。 - 前記観測装置は、前記観測衛星が地球の表側を周回している間に、宇宙物体の南側または前記宇宙物体の北側から、前記宇宙物体の地球指向面または前記宇宙物体の側面を撮影する
請求項9から請求項14のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記傾斜楕円軌道の軌道周期が静止軌道の軌道周期と等しい
請求項8から請求項20のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記傾斜楕円軌道の軌道周期が静止軌道の軌道周期よりも長いため、静止軌道上の宇宙物体に対して相対的に西方へ移動する
請求項8から請求項20のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 前記傾斜楕円軌道の軌道周期が静止軌道の軌道周期よりも短いため、静止軌道上の宇宙物体に対して相対的に東方へ移動する
請求項8から請求項20のいずれか1項に記載の観測衛星。 - 請求項8から請求項23のいずれか1項に記載の観測衛星を制御するための地上設備。
- 人工物体識別装置が、静止軌道の高度よりも低い高度を飛行することによって静止軌道上の宇宙物体に対して相対的に東方へ移動しながら前方視撮影を行う観測衛星から各時刻の撮影データを受信し、各時刻の撮影データに基づいて12時より前には撮影されず12時より後に撮影された宇宙物体を特定し、特定された宇宙物体を人工物体として識別する
人工物体識別方法。 - 人工物体識別装置が、静止軌道の高度よりも高い高度を飛行することによって静止軌道上の宇宙物体に対して相対的に西方へ移動しながら後方視撮影を行う観測衛星から各時刻の撮影データを受信し、各時刻の撮影データに基づいて12時より前には撮影されず12時より後に撮影された宇宙物体を特定し、特定された宇宙物体を人工物体として識別する
人工物体識別方法。 - 地球を周回する観測衛星であって、
対象地域の上空を静止軌道に沿って飛行する宇宙物体を観測するための観測装置と、
前記観測衛星の飛行速度を変化させる推進装置と、
を備え、
前記推進装置が、飛行速度を減速させることによって前記観測衛星の軌道高度を下降させ、
前記観測衛星の周回速度が、前記観測衛星の軌道高度の下降に伴って上がることによって、地球の自転速度よりも速くなり、
前記観測衛星が、
前記対象地域における太陽時の10時から18時までの間に前記宇宙物体に対して相対的に東方へ移動しながら、前記観測装置の指向方向を反地球方向から東側に30度以上90度以下の範囲内に変更して前記観測装置に前記宇宙物体を観測させ、
前記太陽時の18時から6時までの間に地球の裏側の上空で前記観測装置に前記宇宙物体を観測させる
観測衛星。 - 前記観測衛星が、静止軌道の高度よりも低い高度で前記宇宙物体に対して相対的に東方へ移動しながら、前記太陽時の13時から18時までの間に前記観測装置に前方視で前記宇宙物体を観測させる
請求項27に記載の観測衛星。 - 地球を周回する観測衛星であって、
対象地域の上空を静止軌道に沿って飛行する宇宙物体を観測するための観測装置と、
前記観測衛星の飛行速度を変化させる推進装置と、
を備え、
前記推進装置が、飛行速度を増速させることによって前記観測衛星の軌道高度を上昇させ、
前記観測衛星の周回速度が、前記観測衛星の軌道高度の上昇に伴って下がることによって、地球の自転速度よりも遅くなり、
前記観測衛星が、
前記対象地域における太陽時の22時から6時までの間に前記宇宙物体に対して相対的に西方へ移動しながら、前記観測装置の指向方向を地球方向から西側に30度以上90度以下の範囲内に変更して前記観測装置に前記宇宙物体を観測させ、
前記太陽時の6時から18時までの間に地球の表側の上空で前記観測装置に前記宇宙物体を観測させる
観測衛星。
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