JP2023539615A

JP2023539615A - 宇宙空間における空間飛行体の姿勢決定のための方法、装置及びコンピュータプログラム製品

Info

Publication number: JP2023539615A
Application number: JP2023513655A
Authority: JP
Inventors: シュミット，ウーベ; アーレンドルフ，フォーク; ハルトマン，ロルフ
Original assignee: イェーナ－オプトロニクゲーエムベーハー
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2023-09-15
Also published as: WO2022043247A1; US20230331403A1; DE102020122748B3; EP4204765A1

Abstract

本発明は、宇宙空間における空間飛行体の姿勢決定のための方法であって、歪んだ星画像（４）を周期的に繰り返し記録し、前記歪んだ星画像（４）を歪んだ星群データ（６）にプロセッシングし、前記歪んだ星群データ（６）を保存する、ステップと、連続する２サイクルの前記歪んだ星群データ（６）を比較することにより、現在の回転レート（８）を決定するステップと、前記現在の回転レート（８）を姿勢制御システム（９）に伝送するステップと、を実行し、及び／又は、現在のサイクルの前記歪んだ星画像（４）を歪除去された星群データ（１１）にプロセッシングするステップと、前記歪除去された星群データ（１１）を搬送される星群カタログデータ（１４）に割り当てることにより姿勢情報（１３）を決定するステップと、前記姿勢情報（１３）を前記姿勢制御システム（９）へ伝送するステップと、を実行する、方法、宇宙空間における空間飛行体の位置を決定するための方法であって、光学系の既知のシステムパラメータを考慮して、画像フィールド内に視認可能なｎ＝３…４個の星［ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ］を有する星群カタログデータを代表的な焦点面座標にコーディングするステップと、［ｘｐｉｘ，ｙｐｉｘ］ｎに基づいて、スケーリング、並進、回転不変の星群コードを形成するステップと、を実行するか、又は、画像フィールド内に視認可能なｎ＝３…４個の星を有する星群カタログデータ［ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ］を代表的な接線座標及び／又は角度座標［ｔａｎ（α），ｔａｎ（β）］ｎにコーディングするステップ、を実行する、方法、かかる方法を実行するための装置、及びかかる方法を実行するためのコンピュータプログラム製品に関する。

Description

本発明は、宇宙空間における空間飛行体の姿勢決定のための方法に関するものである。本発明はまた、そのような方法を実施するための装置に関する。本発明はまた、そのような方法を実施するためのコンピュータプログラム製品に関する。

文献ＵＳ２０１１／００２４５７１Ａ１は、パドル電流測定フィードバックのみを用いて遷移軌道から太陽検出のジャイロレス伝送を行うシステム及び方法に関するものである。遷移軌道は、空間飛行体をその運用軌道に輸送するために使用される。空間飛行体はその際、指向性のある回転に設定され、それによって回転軸と回転速度は利用可能な太陽電流の測定値のみから最適に決定される。遷移軌道では、ジャイロセンサ、星センサ、サンセンサなど、他のセンサは一切使用されない。つまり、リソースの利用可能性が低く、制御に失敗すると致命的な結果を招くためリスクの高いこのミッションフェーズを、非常に安全に設計することができる。しかしながら、回転数計測の精度が低く、安定した回転が必要なため、一概にすべてのミッションフェーズでジャイロセンサを省くことはできない。

文献ＵＳ２０１４／０２３１５８９Ａ１は、３軸姿勢情報を提供するために、太陽センサ出力を唯一の姿勢決定測定値として使用する姿勢推定器に関するものである。根本的な問題は、原理的に、姿勢の３つの成分のうち２つしか太陽センサで測定できないことである。解決策として、複数の太陽センサと空間飛行体の慣性モーメントとの測定値を利用して、第３姿勢成分を推定する。ここでも、空間飛行体の安定した回転とサンセンサの限られた測定精度という制約があり、すべてのミッションフェーズで十分とは言えない。

文献ＵＳ８，３８０，３７０Ｂ２は、純粋に「位置」（すなわち姿勢）測定（”Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ－” （ｄ．ｈ．Ｌａｇｅ－）Ｍｅｓｓｕｎｇｅｎ）に基づいて３軸の操縦を行うために空間飛行体を制御するシステム及び方法に関するものである。目的は、ジャイロセンサを星センサに置き換えることである。空間飛行体の必要な操縦は、回転数計測を使用せずに、回転姿勢計測だけで行われるべきである。そのためには、操縦に使用する回転速度が、従来の星センサの適用上限である毎秒数角度以下である必要がある。このため、太陽捕捉モード、安全モード、通常モードと称される、空間飛行体の異なる制御モード用に、特定の回転の連続するフェーズからなる回転コマンドが生成される。回転コマンドは、個々のオイラー角の周りの部分回転で回転のカルダンモデルを使用して定義されている。各フェーズでは低い回転速度が維持される。このような状況下では、従来の星センサからの測定値で、それぞれの位相のコマンドを決定するのに十分である。コマンド生成には、関係する星センサの故障に対する保護措置が含まれる。故障時には、コマンドフェーズは中止され、回転は実行されない。星センサ測定が回復した後、所定の回転数で故障前の状態を復元する追加フェーズが挿入される。所与のソリューションは、高い回転数では機能しないため、ジャイロセンサを完全に置き換えることはできない。そのため、原理的に利用可能なジャイロセンサからのデータが得られない場合の緊急対策としてのみ使用することを想定している。

文献ＵＳ７，４１０，１３０Ｂ２は、回転する空間飛行体の姿勢を決定するための方法に関するものである。ジャイロセンサを完全に置き換えることを目的とせず、回転安定化された空間飛行体の制御のための星センサの使用に関するものである。従来の星センサの適用上限として、１秒間に３角度の回転速度が指定されている。また、空間飛行体のモーターが故障した場合にこの制限値を下回るように、回転安定化には０．３～１．５度／秒の範囲の回転速度しか使用しないが、回転数が高ければ高いほど安定性は高まりまする。不測の事態、例えば空間飛行体のモーターが故障しただけでなく、制御システムのエラーによって、許容できないほど加速した場合、毎秒最大２０度の回転速度が発生する。この値は、従来の星センサの動作限界をはるかに超えており、今のところ、ジャイロセンサの代わりに緊急用センサとして使用することはできない。ＵＳ７，４１０，１３０Ｂ２によれば、空間飛行体の姿勢測定は、まず星センサデータを使用して初期化される。姿勢計測の初期化のためには、空間飛行体を従来の星センサの動作限界以下の回転数で安定した回転に設定する必要がある。初期化に続く姿勢推定には、地球センサ、サンセンサ、ジャイロセンサ、太陽光発電センサ、カルマンフィルタ、姿勢レギュレータ、地上での姿勢測定など、多数のセンサや制御部品が使用される。これらのコンポーネントを連携させることで、遷移軌道用と展開軌道用の２種類のセンサを用意する必要がなくなることが期待される。例えば、これまで遷移軌道では回転式サンセンサを使用し、展開軌道では広角太陽センサを使用していた。これは、質量、コスト、故障の確率を低減できる利点がある。しかし、姿勢情報が失われた場合、ＵＳ７，４１０，１３０Ｂ２に記載されている方法では、星センサを改めて初期化し、それに応じて回転を安定させる必要がある。また、この安定化のためのセンサとして星カメラは利用できず、従来の星センサの適用限界を超える測定には、追加のジャイロセンサを使用する必要がある。

文献ＵＳ９，０７３，６４８Ｂ２は、３軸レート推定を提供するために、姿勢データの有無にかかわらず、星追跡測定と改良カルマンフィルタリングを使用する姿勢推定器に関するものである。この文脈では、回転レートは、回転姿勢を決定することなく、星位置から直接推定することもできる。星位置からの回転レートの推定は、適切な推定アルゴリズムが適用されない限り、非常に信頼性が低いとここで説明されている。文献ＵＳ９，０７３，６４８Ｂ２で提案されている推定アルゴリズムは、カルマンフィルタと、時間間隔をおいて前方及び後方方向に平均化するものである。このような改善を行って初めて、フィルタリングされた回転レートを用いて回転位置を算出し、ジャイロセンサの故障を補償することができる。姿勢決定を伴わない星位置からの回転率測定の信頼性が低いのは、星カメラの画像シーケンスにおいて星位置を追跡する必要があることに起因する。この追跡は、次の星の位置を予測し、予測された位置の近くで再び星を見つけることからなる。高い回転レートや回転加速度では、追跡される星が混同されやすい。そこで、文献ＵＳ９，０７３，６４８Ｂ２による位置推定器では、カルマンフィルタリングと平均フィルタリングに加えて、星のペアを割り当てるステップを設けている。この割り当ては、星を特定することなく、また位置を計算することなく行われる。文献ＵＳ９，０７３，６４８Ｂ２に示された方法の成功は、多くの星を含めることと、空間飛行体の姿勢制御のパラメータを考慮することに依存する。回転レート推定の信頼性の向上は、一般に空間飛行体のジャイロセンサを節約するのに十分ではない。ＵＳ９，０７３，６４８Ｂ２によれば、星センサからの回転レート情報は、ジャイロセンサの較正と、ジャイロセンサの不所望な故障の場合の限定的な機能にしか使用できない。

文献ＷＨＩＴＥＰＡＰＥＲ ”ＧｌｏｂａｌＳｈｕｔｔｅｒ，ＲｏｌｌｉｎｇＳｈｕｔｔｅｒ－ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴｗｏＥｘｐｏｓｕｒｅＭｅｔｈｏｄｓ（ＳｈｕｔｔｅｒＶａｒｉａｎｔｓ）”，ＤｏｍｉｎｉｋＬａｐｐｅｎｋｏｅｐｅｒ，ｗｗｗ．ｂａｓｌｅｒｗｅｂ．ｃｏｍ，２０１８は、最新のＣＭＯＳカメラにおける露出制御のためのグローバルシャッタとローリングシャッタの特性を取り扱う。グローバルシャッタでは、マトリックスのすべてのセルが同時に一度だけ露光されるのに対し、ローリングシャッタでは、個々の画像ラインがラインごとに次々と露光される。ローリングシャッタでは、露光時間によっては、前の画像列の露光が完了する前に次の画像列の露光を開始すると、重なりが発生することがある。グローバルシャッタを採用したカメラでは、ローリングシャッタを採用したカメラに比べ、センサーチップ上に制御や電荷輸送のために２～３倍のトランジスタが必要となる。そのため、画像ノイズが比較的多く、発熱も多く、グローバルシャッタを搭載した軌道上での放射線負荷の影響を受けやすい。

ローリングシャッタの欠点は、特に高速で移動するプラットフォームでは、星を識別するための許容レベルを超える可能性のある画像の歪みである。宇宙空間での使用では、ローリングシャッタの利点は欠点を上回る。ローリングシャッタは、画質を向上させるための特別な最適化の前提条件にもなっている。例えば、ＵＳ２００６／０２３８６３２Ａ１は、ＣＭＯＳカメラにおける過照射を防止する方法を規定している。星センサで使用される場合、非常に明るい物体、例えば空間飛行体の一部からの太陽の反射が、すべての光子が測定可能な電子に変換されない過剰露光につながるときに、過剰露光が発生する。そして、過剰な電子は、隣接するセルやラインに流出し、結果として誤った測定値をもたらす。ＵＳ２００６／０２３８６３２Ａ１による解決策は、ローリングシャッタでのみ可能な、画像ラインの特別な複数回のリセットによって、この波及を防ぐものである。

文献ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２は、ローリングシャッタ撮影に基づき星センサの姿勢を決定する方法に関する。ローリングシャッタによる画像の歪みを許容するための低回転レートに対する空間飛行体のダイナミクスの厳しい制限は、従来の星センサのさらなる開発のための最も重要な障壁として、文献ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２において特定される。文献ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２によると、高解像度の地球観測ミッションでは、高い回転レートが重要なボトルネックとなっている。文献ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２によると、ローリングシャッタを有する星カメラの高ダイナミクス条件下での回転姿勢測定は、３ステップの手順で改善される。星センサはウィンドウモードで、画像全体ではなく、予測される星位置周辺の関心のある画像ウィンドウのみが読み出される。３つのステップは、画像フィールド全体を評価することで生じる通常の星センササイクルではなく、個々の航法星を抽出する順序で実行される。第１ステップでは、次の航法星の抽出のためにローリングシャッタの時間パラメータを最適化する、つまり、露光時間、読み出し時間、ライン遷移時間、処理時間を最適化する。第２ステップでは、最適化されたパラメータについて、センサマトリックス内のスターカタログから次の航法星の位置が推定され、そこで星画像が抽出される。最終の第３ステップでは、回転位置と回転レートが、新しい星と前回の推定値を使って再帰的に再推定される。ローリングシャッタの時間パラメータの最適化は、特に、従来の星センサとの互換性のために星センサ周期を一定に保ち、次のスター抽出の時間を明確に定義するために役立つ。文献ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２による解決策の利点は、星センササイクルの代わりに単一スターサイクルで測定値が推定され、一桁速く出力されることであると考えられる。さらに、スターウィンドウの良好な予測可能性により、イメージマトリックス全体の露光と読み出しが節約されるため、より短い星センササイクルが達成されるとされている。ＵＳ９，５０３，６５３Ｂ２に記載された方法は、回転位置と回転レートの更新を提供するだけであり、回転位置と回転レートの初期値が欠けている場合、初期取得に使用することはできない。別の欠点は、ローリングシャッタの時間パラメータを動的に調整することである。この設定は全てのカメラで可能なわけではなく、カメラのセットアップが複雑になる。

いわゆる自律型星センサは、古くから使用されている。これらは、スタートラッカ（ＳｔａｒＴｒａｃｋｅｒ）をさらに発展させたものである。自律型星センサは、星カメラの画像シークエンス中の星を追跡するだけでなく、星位置から星センサの絶対回転姿勢を決定する。スタートラッカでは、姿勢計算はセンサではなく、衛星の中央コンピュータで行われる。回転姿勢計算には、追尾する星の識別が必要である。星の識別とは、星空カメラ画像内の星が、全天球星図の星に明確に割り当てられていることを意味する。星図は、星カタログの形でセンサに搭載されている。最近の自律型星センサは、カメラのおおよその視線などの事前情報がなくても、星識別を決定することができる。この能力は「ロストインスペース（ＬｏｓｔｉｎＳｐａｃｅ）」識別と称される。「ロストインスペース」識別の方法は、本質的に星センサの品質を決定するものであり、それゆえ、永久にさらなる開発の対象である。研究”ＡＳｕｒｖｅｙｏｎＳｔａｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ”、ＢｅｎｊａｍｉｎＢ．Ｓｐｒａｔｌｉｎｇ他，Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ２００９，２，９３－１０７は、変化する識別方法の概要を示している。この研究によると、第１自律型星センサは、星を識別するために、星カタログにある星の数とほぼ同じ数の検索ステップを必要とする。この結果、このような星センサでは、姿勢の第１取得を画像撮影と同じリズムで行うことができない。画像撮影の星センササイクルは、通常１／５秒から１／１６秒の間である。一方、最初の取得には桁違いの（ｅｉｎｅＧｒｏｅｓｓｅｎｏｒｄｎｕｎｇｌａｅｎｇｅｒ）時間がかかる。１９９０年代半ば、識別アルゴリズムの改良に決定的なブレークスルーがあった。星カタログで識別される星又は星群を検索するために、シーケンシャルアルゴリズムの代わりに、インデックスツリーを使用したグラフ理論手法が検索に使用された。星カタログには、さらにインデックスツリーに加えて、場合によっては星群カタログも含まれるため、必要なメモリが増加することになる。一方、カタログの検索ステップの数は劇的に減少する。ステップ数はカタログの長さ、通常約５０００、に比例しなくなり、カタログの長さの両対数、すなわち約１２ステップに対応する。この改良により、画像撮影の各サイクルで「ロストインスペース」星識別を行うことが可能になった。

文献ＵＳ５，９３５，１９５Ａは、インデックスツリーを用いた星識別の変形を記載している。文献ＵＳ５，９３５，１９５Ａによれば、カメラ画像内の星から３つの星からなる星群が形成される。各星群は、群内の星間の少なくとも２つの角度距離（Ｗｉｎｋｅｌａｂｓｔａｅｎｄｅ）によって特徴付けされる。角度距離は、幾何学的な順序基準を用いて、星群を一意に識別できるように選択される。同じ手順で、星カタログの星々からも星群が形成される。星群は、スターカタログの拡張として星センサ内の特徴的な角度距離と共にデータベースとして保存される。群のための星の選択は、近隣の幾何学的側面と星の明るさに従って行われることができる。ＵＳ５，９３５，１９５Ａによると、データベース内の適切な星群を検索するためにバイナリインデックスツリーが使用される。

刊行物”ＭａｋｉｎｇｔｈｅＳｋｙＳｅａｒｃｈａｂｌｅ：ＦａｓｔＧｅｏｍｅｔｒｉｃＨａｓｈｉｎｇｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｅｄＡｓｔｒｏｍｅｔｒｙ”，ＳａｍＲｏｗｅｉｓ，ＤｕｓｔｉｎＬａｎｇ＆ＫｅｉｒＭｉｅｒｌｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｏｒｏｎｔｏ，ＤａｖｉｄＨｏｇｇ＆ＭｉｃｈａｅｌＢｌａｎｔｏｎ，ＮｅｗＹｏｒｋＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｈｔｔｐ：／／ａｓｔｒｏｍｅｔｒｙ．ｎｅｔ，２００５－２０１９にあるように、最近の開発では検索にベクトルのインデックスツリーを用いている。カタログ内の検索の高速化に加えて、星カメラ画像から星群を計算する方法として、よりシンプルでロバストな方法へのアプローチもある。文献ＵＳ５，９３５，１９５Ａでは、画像からの星群のパラメータの計算コストは、画像中の星の数の２倍に比例し、通常１００ステップ程度である。

研究”ＡＳｕｒｖｅｙｏｎＳｔａｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ”，ＢｅｎｊａｍｉｎＢ．Ｓｐｒａｔｌｉｎｇｅｔａｌ．，Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ２００９，２，９３－１０７による星群の計算は、群内の星の数、つまり約３～５に減らすことができる。研究”ＡＳｕｒｖｅｙｏｎＳｔａｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓ”，ＢｅｎｊａｍｉｎＢ．Ｓｐｒａｔｌｉｎｇ他，Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ２００９，２，９３－１０７では、「無次元」方法という用語の下で、星カメラのキャリブレーションエラーの影響を減らすためのアプローチについて言及している。この目的のために、カメラの倍率に依存しない星群のパラメータが使用される。例えば、３つ星の群の星と星との間の角度の代わりに、３つの星で構成される三角形の内角を使用するのである。刊行物”ＭａｋｉｎｇｔｈｅＳｋｙＳｅａｒｃｈａｂｌｅ：ＦａｓｔＧｅｏｍｅｔｒｉｃＨａｓｈｉｎｇｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｅｄＡｓｔｒｏｍｅｔｒｙ”，ＳａｍＲｏｗｅｉｓ，ＤｕｓｔｉｎＬａｎｇ＆ＫｅｉｒＭｉｅｒｌｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｏｒｏｎｔｏ，ＤａｖｉｄＨｏｇｇ＆ＭｉｃｈａｅｌＢｌａｎｔｏｎ，ＮｅｗＹｏｒｋＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｈｔｔｐ：／／ａｓｔｒｏｍｅｔｒｙ．ｎｅｔ，２００５－２０１９によると、４つ星の群の場合、画像スケールからの独立性を達成するために、群のそれぞれの最大角度距離に対する星距離角度の正規化が適用される。

天文学者の国際プロジェクト「Ａｓｔｒｏｍｅｔｒｙ．ｎｅｔ」において、画像撮影システムのパラメータを知らなくても星空の画像を再識別（ｎａｃｈｉｄｅｎｔｉｆｉｚｉｅｒｅｎ）できる方法が開発された。ソースに記載されている方法は、２２等級までの星空全体を（スケール、並進、回転の）不変の４つの星群（ｉｎｖａｒｉａｎｔｅＳｔｅｒｎ－Ｖｉｅｒｅｒｇｒｕｐｐｅｎ）でコード化するものである。十分高い計算能力があれば、撮像システムのシステム知識なしに、任意のソースからの星画像も可能である。

この方法で使用される４つ星の星群カタログと必要な計算能力は、星センサのリソースを数桁超えている。これは、上記の方法が、画像撮影システムのパラメータ（視野（Ｇｅｓｉｃｈｔｓｆｅｌｄ）、感度など）を知らなくても機能するためである。

星センサは、画像生データ中の点状物体の検出（検出閾値による）、弁別（ピクセル欠陥に対する星状物体）、追跡（トラッキング）、補間、変換（ピクセル座標→角度座標）、識別（星カタログに対する）、最後に３軸位置の算出という原理で動作する。姿勢の初期取得のプロセスは数秒かかることもあり、運動力学（回転レート又は角速度、回転加速度又は角加速度（Ｄｒｅｈ－Ｒａｔｅ，－Ｂｅｓｃｈｌｅｕｎｉｇｕｎｇ）））が高い場合は非常に不確実である。既知の星センサ特性（光学系、検出器）を用いてシステムに適応した星群カタログコーディングにより、効率的なオンボード星カタログと組み合わせて、極めて短い星識別時間（リアルタイム！）を達成することができる。

本発明は、冒頭で述べた方法を改善することを課題としている。さらに、本発明は、冒頭で述べた装置を提供することを課題とするものである。さらに、本発明は、冒頭で述べたコンピュータプログラム製品を提供することを課題とする。

特に、本発明は、高ダイナミック空間飛行体の姿勢決定システムにおけるジャイロセンサを、星センサの改良によって完全に代替可能にすることを課題としている。この目的のために、画像の歪みによって引き起こされる星カメラの使用における制限は、ローリングシャッタで克服され、回転姿勢と回転レートの測定が、以前の回転レート制限をはるかに超えて可能になる。特に、回転レート制限は、ジャイロフリーの回転姿勢及び回転レート測定が、緊急事態に至るまでのすべての重要な用途で可能になる程度まで改善されるべきである。本発明による解決策は、利用可能な星カメラのハードウェア、特にセンサ関連の制御及び前処理電子機器に介入する必要がないため、既存のカメラを継続して使用することができる。回転レート制限は、ジャイロセンサの代替を目的とした回転レート測定だけでなく、非常に高い回転レートでの絶対回転姿勢の測定のためにも改善すべきである。本発明による解決策は、最小限の星センササイクル数、すなわち、連続したシーケンスで測定を継続する場合は１サイクルで、「ロストインスペース」状態では１サイクル又は２サイクルで、追加の遅延なく対処すべきである。

特に、本発明は、「弁別（ｄｉｓｋｒｉｍｉｎｉｅｒｅｎ）．．．追跡（ｖｅｒｆｏｌｇｅｎ）．．．補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌｉｅｒｅｎ）．．．変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｅｒｅｎ）．．．識別（ｉｄｅｎｔｉｆｉｚｉｅｒｅｎ）．．．姿勢計算（ｌａｇｅｒｅｃｈｎｅｎ）」の、数秒、典型的には約１０秒かかるプロセスを、例えば１０Ｈｚの測定周期で１００ｍｓ未満のリアルタイムプロセスに変換する。リアルタイムの星の識別は、特に高い回転レート及び回転加速度において、干渉を受けやすい（ｓｔｏｅｒａｎｆａｅｌｌｉｇｅ）星の追跡（トラッキング）を必要としない。個々の測定サイクルにおいて独立した姿勢測定が可能であり、相互に連続したサイクルにおいてリアルタイムの回転レート及び回転加速度の決定も可能である。特に非常に高い回転レート及び回転加速度では、適切な星群が少なくとも２つの連続したサイクル（明るい星野（ｈｅｌｌｅＳｔｅｒｎｆｅｌｄｅｒ））で正確に検出できた場合、ただし、必ずしも全てのサイクルに存在する必要はないが（暗い星野をスキャンする場合）、スターセンサを使用して回転方向とレート推定値を決定する可能性が提供されることができる。高い加速度と回転レートにおける古典的な姿勢追跡は、説明された方法による平行して行われるリアルタイム識別によってサポートされることができる。

課題は、請求項１の特徴を備える方法で解決される。さらに、課題は、請求項２の特徴を有する方法によって解決される。さらに、課題は、請求項１２の特徴を有する装置によって解決される。さらに、課題は、請求項１５の特徴を有するコンピュータプログラム製品によって解決される。有利な設計及び／又は発展形態は従属請求項の主題である。

本方法は、ジャイロスコープ（Ｇｙｒｏｓｋｏｐｅｎ）やジャイロ機器（Ｋｒｅｉｓｅｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｎ）を使用することなく実施することができる。この点で、方法又は装置は、ジャイロレス（ｋｒｅｉｓｅｌｌｏｓ）とも称されることができる。空間飛行体は、高度に動的な空間飛行体であってもよい。

本発明の基本的な態様は、ローリングシャッタ（Ｒｏｌｌｖｅｒｓｃｈｌｕｓｓ）による画像の歪みを、非常に高い回転数でも星の識別が可能になるほどに補正することにある。

最新の探索方法を用いれば、画像全体に対して１回のセンササイクルで星を識別できるため、星追跡のためのウィンドウモードはもはや必要無くすることができる。これは、ウィンドウ位置の不確実な予測に起因する、高回転レート、特に高回転加速度での星センサの故障を防ぐことができる。何度も繰り返し行われる識別では、次の星位置の予測の必要性をなくすことができる。画像ジオメトリが識別を可能にするのに十分な状態である限り、常に機能する。

ローリングシャッタ（Ｒｏｌｌｖｅｒｓｃｈｌｕｓｓ）に起因する画像の歪みを補正するためには、一方ではロール補正（Ｒｏｌｌｋｏｒｒｅｋｔｕｒ）のための回転レートが必要であり、他方では回転レートのための識別とその補正が必要である。この矛盾は、識別を、カタログの幾何学的に正しい星群によって一度に行うのではなく、まず中間段階で、現在の回転レートに応じて歪んだ星群によって行うことで解決できる。

中間ステップでは、現在の画像からのロール歪み星群（ｄｉｅｒｏｌｌｖｅｒｚｅｒｒｔｅｎＳｔｅｒｎｇｒｕｐｐｅｎ）を、最後の画像のロール歪み星群のセットで再び見出すことができる。これは、１つの星センササイクルでの歪みの変化のみが関連し、もはや全体の歪みではないため、カタログ識別よりも回転レート及び回転加速度の影響をうけにくい。

２つの連続する画像で再び見出されるロール歪み星群から、現在の回転レートを初期に十分に推定することができる。この割り当てから姿勢を決定することはできない。この初期回転レートは、現在の歪んだ星群においてロール歪みを補正して、カタログ内のグループを識別するのに十分である。慣性座標に格納されたカタログデータとの関連でこの識別を行うことで、星センサの回転姿勢と詳細な回転レートの最終決定を行うことができる。

システムパラメータ、特に星センサや検出器のピクセル数、ピクセルサイズ、焦点距離がわかれば、星群のコーディングが可能になる。ｎ＝３．．．４の星［ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ］を有するカタログ星群は、１つの視野で同時に見ることができ、代表的な焦点面座標、特にピクセル座標でコーディングされることができる。この系の知識により、さらに同時に視認可能な星は省くことができる。［ｘ_ｐｉｘ，ｙ_ｐｉｘ］_ｎに基づいて、スケーリング、並進及び回転不変の星群コードを形成できる。このコーディングにより、検出器から提供される座標は、さらなるプロセッシングなしに直接使用することができる。代替的に又は付加的に、画像フィールドで視認可能なｎ＝３．．．４の星［ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ］を有する星群カタログデータは、代表的な接線及び／又は角度座標［ｔａｎ（α），ｔａｎ（β）］_ｎでコーディングされることができる。

特に、カタログ星群形成には、最も明るい星だけが選択される。最も明るい星を使用することで、星の量が減り、星群の有意性／許容度（Ｓｉｇｎｉｆｉｋａｎｚ／Ｔｏｌｅｒａｎｚ）が向上する。そのため、測定の不正確さを許容し、有利に利用することができる。測定された星群は、小信号による測定ノイズ、モーションダイナミックスによるローリングシャッタ（ＲｏｌｌｉｎｇＳｈｕｔｔｅｒ）の歪み、により、個別の星位置に対して誤差を含み得る：画素をまとめる（ビニングする）ことで、非常に高い回転レートでも検出能力を高めることができ、星位置の不確定性を打ち消すことができる。星群をバイナリーサーチツリーでコーディングすることができる。サーチツリーでは、許容誤差を伴う（ｔｏｌｅｒａｎｚｂｅｈａｆｔｅｔｅ）サーチを実行できる。見出された識別解は、他の利用可能な星で検証することができる。

較正済み星センサの既知の特性、例えば光学焦点距離、検出器ピクセルサイズ及びピクセル数は、星群コーディングに組み込むことができる。星群コードを好ましくはバイナリーサーチツリーに配置することで、非常に高速な星群識別が可能になる。星識別は、個々の独立した測定サイクルにおいて、リアルタイム（＜１００ｍｓ）で行うことができる。

星群（３．．．４星）が検出されるとすぐに、識別及び姿勢計算を行うことができる。これを直接連続した周期で又は既知の時間間隔で行えば、非常に高い回転レートであっても、回転レート、回転方向及び回転加速度又は速度推定を行うことができる。従来の姿勢追跡は、特に高いレート及び加速度においてサポートされることができ、これは位置測定のロバスト性の増加につながる。

星群カタログデータは、群の星（Ｇｒｕｐｐｅｎｓｔｅｒｎｅｎ）に関するデータ、星群（Ｓｔｅｒｎｇｒｕｐｐｅｎ）に関するデータ、及び／又はベクトルインデックスツリーに関するデータを含むことができる。星群に関するデータは、識別ベクトル及び／又は参照データを含むことができる。ベクトルインデックスツリーは、星群の識別ベクトルを参照することができる。追加の星データを有する更なる星カタログデータが搬送され（ｍｉｔｇｅｆｕｅｈｒｔ）、使用されることがある。さらなる星カタログデータは、拡張のために使用され得る。姿勢情報（ＤｉｅＬａｇｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）は、統計的にフィルタリングされることができる。姿勢情報は、平均化によって及び／又はカルマンフィルタリングによってフィルタリングすることができる。少なくとも１つの星カメラ、特にローリングシャッタカメラは、歪んだ星空画像を撮影するために使用されることができる。歪んだ星画像を、少なくとも１つの星カメラを使用して、歪んだ星群データへとプロセッシングすることができる。少なくとも１つの星カメラは、画素を備えることができる。複数の隣接する画素を１つの画素モジュールとしてまとめ、回転レート制限を高めることができる。１つ以上の星カメラを組み合わせて使用して、異なる画像フィールドを捕捉するために、１つの星カメラを又は複数の星カメラをまとめて使用することができる。本方法は、少なくとも１つの別個のプロセス装置を用いて、及び／又は空間飛行体のプロセス装置を用いて実行されることができる。

処理ブロックは、論理的、機能的及び／又は構造的に区切られることができる。処理ブロックは、信号伝送できるように相互接続されることができる。本装置は、複数の星カメラと、各星カメラに対して個別のプロセス装置とを有することができる。本装置は、複数の星カメラと、星カメラの群のための共通のプロセス装置とを有することができる。少なくとも１つのプロセス装置は、方法を実行するための別個のプロセス装置であってもよいし、空間飛行体のプロセス装置であってもよい。装置は、少なくとも１つのプログラムメモリ及び／又は少なくとも１つのデータメモリを含むことができる。

コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体上、コンピュータ読み取り可能なデータキャリア上、又はデータキャリア信号として存在することができる。

以下では、本発明の実施形態について、模式的かつ例示的に示す図を参照しながら、より詳細に説明する。
図１は、高ダイナミクス空間飛行体のためのジャイロレス姿勢決定システムのブロック図である。図２は、高ダイナミクス空間飛行体のための、排他的な回転レート測定を伴う（ｍｉｔａｕｓｓｃｈｌｉｅｓｓｌｉｃｈｅｒＤｒｅｈｒａｔｅｎｍｅｓｓｕｎｇ）ジャイロレス姿勢決定システムのブロック図である。図３は、低ダイナミクス空間飛行体のための姿勢決定システムのブロック図である。図４は、高ダイナミクス空間飛行体のための、非常に正確な姿勢測定を伴うジャイロレス姿勢決定システムのブロック図である。図５は、ローリングシャッタによって歪んだ星群を示す図である。図６は、星群データにおける識別パラメータを示す図である。図７は、「ロストインスペース」状態での処理のフローチャートを示す図である。図８は、選択された星群カタログコーディングを使用した星センサによるロバストな回転レート及び姿勢決定の適用例を示す図である。図９は、選択された星群カタログコーディングを使用した星センサによるロバストな回転レート及び姿勢決定のフローチャートを示す図である。

図１は、高ダイナミック空間飛行体用のジャイロレス姿勢決定システム１のブロック図である。ローリングシャッタカメラとして設計されたジャイロレス姿勢決定システム１の星カメラ２は、星空センササイクルに合わせて星空の歪んだ星画像４を撮影し、評価のためにプロセス装置３に転送する。そこでは、星群生成のための処理ブロック５において、画像内のすべての星の位置を特徴付ける星画像４から星ベクトルが決定され、それがさらに星群データ６へと処理される。星群は、通常の星画像と同様に、３つ、４つ、又はそれ以上の星から構成され、様々な原理に従って導き出すことができる。決定的なのは、星群パラメータを用いて、星空全体で一義的に見出されることができるという星群の特性である。画像と同様に、星群データ６はロール状に歪んでおり（ｒｏｌｌｖｅｒｚｅｒｒｔ）、まだ安全に星群カタログデータ１４を検索するために使用することはできない。しかしながら、先行するサイクルの同じく歪んだ星群データの集合の中で、それらを識別することができる。したがって、現フレームの歪んだ星群データ６は、先行するサイクルの歪んだ星群データとして、次のサイクルのためにキャッシュされる。一番最初の（ａｌｌｅｒｅｒｓｔｅ）サイクルである場合、すなわち「ロストインスペース」の条件が存在する場合、先行するサイクルの歪んだ星群データはまだ存在しない。この場合、処理ブロック７において、現在の回転レート８を直ちに計算することはできない。この場合、固定された初期値として、０度／秒の回転レートが使用される。初期化後の後続のサイクルでは、現在の回転レート８を生成するための処理ブロックにおいて、常に現在の回転レートを推定することができる。この目的のために、現在の画像からの少なくとも１つの星群が、先行する画像で発見される。割り当てられた歪んだ星群から現在の回転レートを決定することは、異なる方法で可能である。星群のいくつかのバリエーションについては、星群パラメータから回転レートの直接計算が可能である。割り当てられた星群の２セットの星ベクトルを可能な限り合同にする回転行列の統計的最適化によるデルタクォータニオン推定（Ｄｅｌｔａ－Ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｅｎ－Ｓｃｈａｅｔｚｕｎｇ）を使用することは常に可能である。この最適化には、既知のＱＵＥＳＴアルゴリズムを使用することができる。

このようにして決定された現在の回転レート８は、一方では、ローリングシャッタ補正のための処理ブロック１０における歪んだ星群データ６の幾何学的補正のために用いられ、他方では、空間飛行体の姿勢制御システム９に直接出力される。実際の回転レート８は、回転軸が不安定な非常に高い回転レートであっても、２サイクル目以降に確実に測定することができ、高い回転レート及び低い精度の要求がある用途に空間飛行体を利用できる。かかる重要な用途は、急速に転倒する（ｓｃｈｎｅｌｌｔａｕｍｅｌｎｄｅｎ）空間飛行体を伴う緊急事態であり、現在の回転レート８を用いて再び安定させることができる。

ローリングシャッタ補正用処理ブロック１０は、星群データ６の星の星位置を、ローリングシャッタのない瞬間撮影又はスナップショット（Ｍｏｍｅｎｔａｕｆｎａｈｍｅ）で得られるような星センサの座標系に換算する。この換算は、星センササイクルにおいて自由に選択できる、好適に定義された参照点に関して行われる。例えば、第１の画像ラインの露光時間の中心を参照時間として選択することができる。ローリングシャッタのモデルを用いて、星のイメージラインの数に応じて、参照時間に関するその撮影の時点を時間差として決定できる。第１の画像ラインにある星は、言及された参照時間において差がゼロである。現在の回転レート８から、その星ベクトルの回転が群の各星について生じ、その星ベクトルは基準時点に有していた姿勢に置かれる。第１の画像ラインからの星は全く回転されず、最後の画像ラインからの星は、最大の時間差に対応する最大の回転を受ける。そのようにして生じる歪除去された（ｅｎｔｚｅｒｒｔｅｎ）星群データ１１は、今度は星群カタログデータ１４の中から正常に（ｍｉｔＥｒｆｏｌｇ）見出すことができる。この第２の星群の割り当ては、処理ブロック１２で行われ、最終的な姿勢情報を生成する。割り当ての結果、星ベクトルは、次に、基準時点に対する星センサの座標系とカタログの慣性座標系の両方で利用可能になる。これにより、既知の方法に従って、回転レートと微回転率からなる姿勢情報１３を算出することができる。姿勢情報１３を星群パラメータから直接計算することも、割り当てられた星群ベクトルを使用することも可能である。実際の現在の回転レートに応じて、「ロストインスペース」条件下では、カタログ識別は、測定された現在の回転レートなしで、一番最初のサイクルにおいて機能することもできる。したがって、長さ情報の回転姿勢部分は、第１サイクル又は第２サイクルから利用可能である。従来の星センサの回転レート制限を下回る回転では、回転姿勢はすぐに利用できるため、既知の欠点を回避することができる。

ジャイロレス姿勢決定システムは、特定のミッション要件に適合させることができ、適合に応じて必要なリソースを最適化することができます。

図２は、排他的回転レート計測を伴う（ｍｉｔａｕｓｓｃｈｌｉｅｓｓｌｉｃｈｅｒＤｒｅｈｒａｔｅｎｍｅｓｓｕｎｇ）高ダイナミクス空間飛行体のためのジャイロフリー姿勢決定システム１ａのブロック図である。ここで、現在回転レート８の測定に必要でないシステムの構成要素は、すべて省略することができる。残りの構成要素は、システムの高度なモジュール性が達成されるために、いかなる変更も必要としない。

図３は、低ダイナミクス空間飛行体のための姿勢決定システム１ｂのブロック図である。ここでは、現在回転レート８決定のためのシステム構成要素と、ローリングシャッタ補正のための処理ブロック１０のためのシステム構成要素とが、モジュール方式でもって省略されている。より高い要求に対してシステムをアップグレードすべき場合は、図４に示すように、高ダイナミクス空間飛行体のための、非常に正確な位置測定を伴うジャイロレス姿勢決定システムの場合のように、対応する拡張が可能である。

追加の星カタログデータ１５を使用することで、測定精度を向上させることができる。割り当てる星の数によって、回転姿勢測定と回転レート測定との両方の精度が向上する。割り当てる星の数は、従来の星センサのように、画像ウィンドウ内の星を追跡する容量に制限されることがない。画像内の検出可能な全ての星を含むように拡張できる可能性がある。これにより、例えば、ウィンドウで追尾する星が１６個だったのに対し、測定する星の数は約５０～１００個に増加する。これにより、測定精度の大幅な向上が期待できる。

図５は、ローリングシャッタによって歪められた星群の２つの例を示す。比較のため、歪んでいない星群１７も示す。歪んでいない星群１７は３つの星１６からなり、星１８を有する星群１９は星カメラの光軸周りの回転による歪みを示し、星２０を有する星群２１は星カメラの垂直像軸周りの回転による歪みを示す。撮像比は、２５度の正方形の星カメラの画像フィールド２２、８Ｈｚの星センササイクルで最初の画像ラインと最後のイメージラインとの間に１００ミリ秒のローリングシャッタ遅延がある典型的なケースに対応する。最初の画像ラインは画像の頂部にある。１０００画素×１０００画素の画像行列サイズを仮定すると、最後の画像ラインでは、２０度／秒の回転速度で、それぞれ、画像軸周りの回転で約８０画素、星カメラの光軸周りの回転で約３４画素という歪みを生じる。図５は、これらの場合の歪みの幾何学的な比率を反映したものである。回転レートと回転軸に応じて、星位置の補正は、処理ブロック１０で実行されるように、現在回転レート８の全ての３つの成分に対応する回転でしか補正できない結果をもたらす。単なる変位では十分ではない。

星群には、好ましくは４つの星が使用される。１群あたり３つの星を使用する場合、理論的にはすでに群の明確な識別が可能であるが、これには、星の位置の決定における誤差が非常に小さいことが必要であり、実際には常に保証されるわけではない。星群データには、識別パラメータが含まれており、識別ベクトルにまとめられている。さらに、識別に成功した後、回転姿勢及び回転レートの計算に使用される参照データが含まれている場合もある。星群カタログデータ１４などの大規模な星群データセットについては、検索を高速化するためにインデックスツリーが追加で含まれる場合がある。

図６は星群データにおける識別パラメータを示す。星の計算には、好ましくは、単位ベクトル及び空間角度を有する単位球に関するデータが用いられる。検討対象の星群は、４つの星２３からなり、その位置は単位球面上の対応する星ベクトルによって方向として表される。星カメラの画像中の星の星ベクトルは、画像中の星の位置と光学的撮像パラメータ、特に焦点距離と場合によっては他の校正パラメータによって決定される。図６に示す例では、識別パラメータは次のように計算される：まず、最大の角度間隔（Ｗｉｎｋｅｌｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を有する２つの星が選択され、それらは一次星（Ｐｒｉｍａｅｒｓｔｅｒｎｅ）と称される。星群の球面主軸２４は、最大の間隔角度（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓｗｉｎｋｅｌ）を有する２つの星を結ぶ単位球面上の円セグメントである。主軸の長さは最大間隔角度に対応する。主軸の中心への単位ベクトルは、群の位置ベクトル２５として使用される。球面副軸は主軸に垂直であり、その原点は群の位置ベクトルにある。この２つの軸を用いて、二次星（Ｓｅｋｕｎｄａｅｒｓｔｅｒｎｅ）と称される、群の残りの２つの星の角度座標を、局所的な群座標系で定義する。群座標系は、主軸２６に垂直な角度座標と主軸２７に平行な角度座標との２次元である。群識別を星カメラの撮像スケールから独立させるため、又は軌道上で焦点距離の再較正を実施するため、二次星の角度座標を主軸の角度サイズに追加的に正規化することができる。例えば、レンズ内の熱効果によるスケールの変化は、標準化されていない角度を評価することにより、識別が行われた後に補正することができる。撮像スケールに依存しない、主軸に正規化された角度を有する識別のバリエーションを使用することである。

２つの二次星の角度座標（主軸２６，２７）の４つの値は、星群の４次元識別ベクトルを形成する。画像内で検出された星のインデックスリストにおける４つの群星のインデックスが参照データとなる。星群カタログデータ１４を有するグローバル星群カタログは、地上で同じ方法を使用して計算され、飛行中に搬送されるる。星群カタログデータ１４において、４つの星のインデックスは、全ての群星の連続番号に対応している。同様に地上で計算されるインデックスツリーは、好ましくはベクトルインデックスツリーとして、指定された識別ベクトルについて設計される。非常に正確な姿勢測定を備えた高度ダイナミクス空間飛行体のためのジャイロレス姿勢決定システム１ｃのバリエーションでは、星群カタログデータ１４に加えて追加の星カタログデータ１５が搬送される。

典型的な星センサは、幾何学的な理由から、ウィンドウを使った星検出において非常に高い回転レートには適しておらず、センサ構成の変更の可能性を検討する必要がある。簡単に実装できる改善策として、画像フィールドの拡大が挙げられる。４０度の正方形の画像フィールドを有する星カメラでは、星群のカタログに必要な星は約１０００個だけである。その結果、１００ミリ秒の画像露光で１４度／秒の回転レート制限を受けることになる。さらに大きな画像フィールドでは、理論的な回転速度の限界はさらに上昇することになる。ここで想定している星の分布は、実際にはほぼ均等ではない。したがって、高回転レート用の星カタログ及び星群カタログを設計する際には、星の間隔に特別な注意を払う必要がある。近傍にある星はカタログに使用してはならない。星カメラの画像では、不適当な星も含めてすべての星が検出されるため、星群生成の処理ブロック７での処理能力も適度に向上する。全体として、画像フィールドの拡大、適応されたカタログ設計、処理能力の向上により、緊急事態の回転レート制限である２０度／秒は、ウィンドウ検出を伴う単純な典型的な星センサで達成可能であることがわかります。

新しい星センサは、もはや星ウインドウではなく、星クラスタで動作する。クラスタとは、明るい画素がつながったグループのことで、画像からオブジェクトとして抽出される。

本発明の方法で回転姿勢及び回転レートの測定を連続的なシークエンスで行う場合、回転レートが限界以下に変化しても、各星センササイクルで測定が可能である。「ロストインスペース」条件下での第１測定では、高い回転レートにおいて、測定結果が第２サイクルではじめて得られることが起こり得る。一番最初のサイクルで失敗する可能性がある理由は、前のサイクルから星画像が欠落していることである。

図７は、一番最初の星センササイクルにおける「ロストインスペース」状態での処理のフローチャートである。一番最初のサイクルでは、ロール補正のために、現在の回転レートをゼロに設定する。これは、ゼロ値を直接割り当てる方法と、前サイクルの星群の代わりに現サイクルのデータを使用する方法とがある。回転レートがゼロの場合、ローリングシャッタ補正を行ってもデータは変化しない。したがって、第１サイクルの測定結果は、回転レートが許容できる歪みをもたらす場合にのみ存在することになる。１度／秒（ＷｉｎｋｅｌｇｒａｄｐｒｏＳｅｋｕｎｄｅ）の回転レートにおいて、星群が画像フィールドの半分以上広がっている場合、典型的な星センサでは約２画素分の歪みが発生する。２画素の幾何学的誤差は、通常、識別を失敗させる原因となる。とはいえ、実際には、典型的な星センサによる星の識別には、１～４度／秒の回転レートが許容されることができる。これは、ロール歪みが回転及び拡大として部分的に作用することがあるからである。これらの歪み成分は、識別アルゴリズムによって補正される。

図７によるフローチャートには、歪除去された星群のカタログへの割り当ての成功検査（Ｅｒｆｏｌｇｓｐｒｕｅｆｕｎｇ）がある。これは、特に一番最初の処理サイクルで必要とされる。現在の画像及び最後の画像からの星群の割り当ての成功チェックは必要ない。２つの連続した画像の歪んだ星群の割り当ては、星センサのすべての関連する動作シナリオで機能する。画像軸の周りを回転しても、星検出の時間差は変化しない。この最良のシナリオでは、画像ごとにロール歪みが変化することはない。ロール歪みの変化が最も大きいのは、星カメラの光軸周りに回転する場合である。回転レートが２０度／秒の場合、画像要素の３分の１以下であるため、致命的ではない。

図８は、選択された星群カタログコーディングを用いた星センサによるロバスト回転レート及び姿勢決定の応用例を示す図である。図９は、選択された星群カタログコーディングを使用した星センサによるロバストな回転レート及び姿勢決定のフローチャートである。

図８及び図９による方法から派生して、光学焦点距離、検出器ピクセルサイズ及び検出器ピクセル数などの較正された星センサの既知の特性は、星群コードに含まれる。星群コードを好ましくはバイナリーサーチツリーに配置することで、非常に高速な星群識別が可能となる。この方法を最適化し、実際の測定データに適用して検証した。この提案により、リアルタイム星群識別が、それぞれの個別の独立した測定サイクル（＜１００ｍｓ）において可能となる。つまり、星群（３．．．４個の星）が検出されるとすぐに、識別及び姿勢計算を行うことができる。これが直接連続するサイクル又は既知の時間間隔で行われる場合、回転レート、回転方向、回転加速度又はレートの推定は、非常に高い回転数であっても実行することができる。従来の姿勢追跡は、特に高レート及び加速度に対してこの方法でサポートすることができ、姿勢測定のロバスト性を高めることにつながる。これらの特性は、星空センサの機能を拡張するものとして価値がある。

特に、「できる（ｋａｎｎ）」は、本発明の任意の特徴を指す。したがって、追加的又は代替的にそれぞれの１つ以上の特徴を有する本発明の発展形態及び／又は例示的な実施形態もある。

必要に応じて、ここに開示されている機能の組み合わせから分離された機能を選択することもでき、機能間に存在し得る構造的及び／又は機能的な関係を解放した状態で、請求項の主題を区切るために他の機能と組み合わせて使用されることができる。

１姿勢決定システム（Ｅｒｆｏｌｇｓｐｒｕｅｆｕｎｇ）
１ａ姿勢決定システム
１ｂ姿勢決定システム
１ｃ姿勢決定システム
２星カメラ（Ｓｔｅｒｎｋａｍｅｒａ）
３プロセス装置（Ｐｒｏｚｅｓｓｏｒｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）
４星画像（Ｓｔｅｒｎｂｉｌｄ）
５処理ブロック（Ｖｅｒａｒｂｅｉｔｕｎｇｓｂｌｏｃｋ）
６星群データ（Ｓｔｅｒｎｇｒｕｐｐｅｎｄａｔｅｎ）
７処理ブロック
８回転レート（Ｄｒｅｈｒａｔｅ）
９姿勢制御システム（Ｌａｇｅｋｏｎｔｒｏｌｌｓｙｓｔｅｍ）
１０処理ブロック
１１星群データ
１２処理ブロック
１３姿勢情報（Ｌａｇｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
１４星群カタログデータ（Ｓｔｅｒｎｇｒｕｐｐｅｎ－Ｋａｔａｌｏｇｄａｔｅｎ）
１５星カタログデータ（Ｓｔｅｒｎ－Ｋａｔａｌｏｇｄａｔｅｎ）
１６星（Ｓｔｅｒｎ）
１７星群（Ｓｔｅｒｎｇｒｕｐｐｅ）
１８星
１９星群
２０星
２１星群
２２画像フィールド（Ｂｉｌｄｆｅｌｄ）
２３星
２４主軸
２５位置ベクトル（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｖｅｋｔｏｒ）
２６主軸（Ｈａｕｐｔａｃｈｓｅ）
２７主軸
２８測定開始、サイクル数＝０
２９画像からの星ベクトルの計算
３０星ベクトルからの星群の計算
３１サイクル数＝０？
３２イエス
３３ノー
３４現在回転レート＝０
３５現在及び以前の星群の割り当て
３６現在回転レートの計算
３７星群のローリングシャッタ補正
３８補正されたカタログ星群の割り当て
３９割り当て成功？
４０ノー
４１イエス
４２衛星への測定誤差の報告（ＭｅｌｄｕｎｇｅｉｎｅｓＭｅｓｓｆｅｈｌｅｒｓａｎｄｅｎＳａｔｅｌｌｉｔｅｎ）
４３回転姿勢及び回転レートの最終計算及び衛星への報告（ＦｉｎａｌｅＢｅｒｅｃｈｎｕｎｇｖｏｎＤｒｅｈｌａｇｅｕｎｄＤｒｅｈｒａｔｅｕｎｄＭｅｌｄｕｎｇａｎｄｅｎＳａｔｅｌｌｉｔｅｎ）
４４サイクル数＝サイクル数＋１
４５本発明による方法の実行、期間＜１００ｍｓ（リアルタイム）
４６検出（ｘ，ｙ）
４７識別
４８姿勢計算
４９検出器、ビニングレベル１，２，４
５０＃オブジェクト？
５１識別
５２レート有り？
５３イエス
５４ローリングシャッタ補正
５５ノー
５６（１つ以上の）画像星群コード
５７カタログ星群メモリ
５８星群ＩＤ？
５９ノー
６０次のサイクル
６１イエス
６２姿勢記憶サイクルＮ
６３ガイド星カタログ
６４姿勢Ｎ－１有り？
６５ノー
６６イエス
６７レート及び方向の計算

Claims

宇宙空間における空間飛行体の姿勢決定のための方法であって、
－歪んだ星画像を周期的に繰り返し記録し、前記歪んだ星画像を歪んだ星群データにプロセッシングし、前記歪んだ星群データを保存する、ステップと、
－連続する２サイクルの前記歪んだ星群データを比較することにより、現在の回転レートを決定するステップと、
－前記現在の回転レートを姿勢制御システムに伝送するステップと、を実行し、及び／又は、
－現在のサイクルの前記歪んだ星画像を歪除去された星群データにプロセッシングするステップと、
－前記歪除去された星群データを搬送される星群カタログデータに割り当てることにより姿勢情報を決定するステップと、
－前記姿勢情報を前記姿勢制御システムへ伝送するステップと、を実行する、
方法。
宇宙空間における空間飛行体の位置を決定するための方法であって、
光学系の既知のシステムパラメータを考慮して、
－画像フィールド内に視認可能なｎ＝３…４個の星［ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ］を有する星群カタログデータを代表的な焦点面座標にコーディングするステップと、
－［ｘ_ｐｉｘ，ｙ_ｐｉｘ］_ｎに基づいて、スケーリング、並進、回転不変の星群コードを形成するステップと、を実行するか、又は、
－画像フィールド内に視認可能なｎ＝３…４個の星を有する星群カタログデータ［ｘ_ｎ，ｙ_ｎ，ｚ_ｎ］を代表的な接線座標及び／又は角度座標［ｔａｎ（α），ｔａｎ（β）］_ｎにコーディングするステップ、を実行する、
方法。
前記星群カタログデータは、群の星に関するデータ、星群に関するデータ及びベクトルインデックスツリーに関するデータを含み、
前記星群に関するデータは、識別ベクトルと参照データとを含み、前記ベクトルインデックスツリーは前記星群の識別ベクトルを参照する、
請求項１又は２記載の方法。
追加の星データを有する星カタログデータが搬送され、処理される、
請求項１乃至３いずれか１項記載の方法。
姿勢情報は統計的にフィルタリングされる、
請求項１乃至４いずれか１項記載の方法。
前記姿勢情報は複数のサイクルを介して及び／又は複数の星カメラを介してフィルタリングされる、
請求項５記載の方法。
歪んだ星画像を撮影するために、少なくとも１つの星カメラ、特にローリングシャッタカメラを使用する、
請求項１乃至６いずれか１項記載の方法。
前記歪んだ星画像を、少なくとも１つの星カメラ、特にロールシャッタカメラを用いて前記歪んだ星群データにプロセッシングする、
請求項７記載の方法。
前記少なくとも１つの星カメラは画素を備え、回転レート制限を高めるために、複数の互いに隣り合う画素を画素モジュールにまとめる、
請求項７又は８記載の方法。
異なる画像フィールドを捕捉するために、１つの星カメラ又は複数の星カメラをまとめて使用する、
請求項７乃至９いずれか１項記載の方法。
前記方法を、少なくとも１つの別個のプロセス装置を用いて及び／又は前記空間飛行体のプロセス装置を用いて実行する、
請求項１乃至１０いずれか１項記載の方法。
請求項１乃至１１いずれか１項記載の方法を実行するための装置であって、
前記装置は、少なくとも１つの星カメラ、特にローリングシャッタカメラ、及び、少なくとも１つのプロセス装置を備え、
前記少なくとも１つのプロセス装置は、
歪んだ星画像をサイクル的に繰り返して撮影し、前記歪んだ星画像を前記歪んだ星群データにプロセッシングし、前記歪んだ星群データを保存するための第１処理ブロックと、
連続する２サイクルの前記歪んだ星群データを比較することによって現在の回転レートを決定するための第２処理ブロックと、を備え、
及び／又は、
現在のサイクルの前記歪んだ星画像を歪除去された星群データにプロセッシングするための第３処理ブロックと、
前記歪除去された星群データを搬送される星群カタログデータに割り当てることにより姿勢情報を決定するための第４処理ブロックと、を備える、
装置。
前記装置は、複数の星カメラと、各星カメラのために別個のプロセス装置又は星カメラの群のために共通のプロセス装置と、を備える、
請求項１２記載の装置。
前記少なくとも１つのプロセス装置は、請求項１乃至１１いずれか１項記載の方法を実行するための別個のプロセス装置又は前記空間飛行体のプロセス装置である、
請求項１２又は１３記載の装置。
プログラムが少なくとも１つのプロセス装置よって実行されるとき、プロセッサデバイスに請求項１乃至１１いずれか１項記載の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品。