JP3548998B2

JP3548998B2 - 飛翔物体の自動監視・検出方法と装置

Info

Publication number: JP3548998B2
Application number: JP2001018428A
Authority: JP
Inventors: 俊夫磯部; 厚中島; 武雄木村; 俊史柳沢
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002220099A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光学装置を用いて、天球上の特定位置を通過する飛翔物体を常時観測し、未知の飛翔物体を検出、もしくは既知の飛翔物体の運動を監視するための方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上空の飛翔物体を、全天にわたって検出、もしくは監視する装置としては、低高度に対してはレーダが使われている。例えば空港においては、空港の管轄する領域を航行する航空機の監視目的でレーダが使われている。
近年、未知の天体あるいは人工物体を検出、もしくは既知の天体あるいは人工物体の運動を監視することの必要性、特に人工衛星、宇宙のごみであるスペースデブリあるいは地球に異常接近する小惑星等の天体を検出し、監視することの必要性に対する認識が高まってきた。
本明細書においては、飛翔物体は、これら小惑星等の天体、人工衛星、スペースデブリ、航空機、さらには鳥などの上空に見られる天然、人工を問わず、すべてのものを含む用語として使用される。
【０００３】
上記のような飛翔物体の検出・監視の要求に対してレーダを用いても、レーダによって監視できる範囲は地上からせいぜい数百キロ程度であり、レーダが実用に供されるのは低軌道の人工衛星、スペースデブリまでであり、高軌道あるいは静止軌道の人工衛星、スペースデブリあるいは小惑星など天体に対しては、レーダは無力である。
これらの観測対象に対しては光学望遠鏡が一般に用いられている。しかし、光学望遠鏡はその観測視野が非常に狭い。そのため天空のある範囲を観測するには走査観測する必要があり、非常に長い時間がかかる。そのため観測もれが発生する。特に彗星や小惑星等、未知のものを検出するには、幸運による場合が多いのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、未知の高軌道・静止軌道のスペースデブリや小惑星等を検出するためには、観測者の努力と幸運が必要であり、組織的に検出できないという問題があった。
本発明の目的は、全天にわたり、常時、自動的に、未知の飛翔物体を検出し、かつ既知の天体および人工物体の運動を監視することができる監視・検出方法とそのための装置の実現である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の飛翔物体の自動監視・検出方法は地平線と交差する天球上の仮想線を通過する物体を光学装置により観測し、該仮想線を通過した飛翔物体の画像と、該画像の観測時刻と、データ処理装置内に保持した恒星、人工衛星、小惑星等既知の天体等のデータとから、該処理装置により観測データを既知データとそれ以外のデータに分類分けすることを特徴とする。上記天球上の仮想線は、子午線あるいはその一部であることが出来る。
【０００６】
上記飛翔物体の自動監視・検出方法を実施するための本発明の監視・検出装置は、現在の時刻を計測する装置と、地平線のある方位の地点から出発し天球を２分する境界線の全範囲、あるいはその特定の範囲を常時観測できる単独あるいは複数の光学装置と、当該測定範囲を通過する物体を上記光学装置により観測した画像と上記時刻計測装置により計測した時刻とを記録し、かつ上記通過物体の通過位置および通過時の速度を計測するデータ処理装置とを備えることを特徴とする。
【０００７】
上記監視装置の光学装置は、赤道儀あるいは経緯儀のように、地面に対して垂直な軸あるいは任意の方向の軸で回転して光学装置の観測方位を変えることを可能にされており、また、そのデータ処理装置は、恒星、人工衛星、小惑星等既知の天体、飛翔物体等のデータを保持し、当該観測範囲を通過する物体の観測データとデータ処理装置が保持している既知データとを比較し、観測データを既知データとそれ以外のデータに分類分けすることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
天球を２つに分割する境界線、たとえば子午線もしくは天頂を通る大円の全領域あるいは特定の範囲を常時観測可能な光学装置を用いて、この観測範囲を通過するすべての物体を記録する。以後、説明を明確にするため、観測する境界線を子午線とする。子午線以外の境界線であっても以後の説明はそのままあてはまることは、言うまでもない。
天を２分する子午線の長さは角度で１８０度となる。子午線に垂直な方向の観測幅をｘ度とすると、境界線に沿って１８０度×ｘ度の範囲を常時観測し続ける。光学装置で観測したデータはたとえばＣＣＤカメラなどで連続的に撮影し、画像データとして記録し、データ処理装置へ転送する。このときその画像を撮影した時刻も時刻測定装置からデータ処理装置へ転送される。これら観測画像と観測時刻から、観測画像に記録されている物体の個々について、ある時刻の位置と移動速度がデータ処理装置により計算される。
【０００９】
物体の移動速度により、その物体が恒星、惑星、人工衛星などのいずれであるかが識別できる。すなわち、恒星であれば、その赤緯Ｄに対して、毎時間当たりほぼ１５cos（Ｄ）度の移動速度をもつ。これに対して低軌道の人工衛星では、おおむね地球を１回周回するに要する時間が１時間３０分であるので毎分当たり４度の移動速度をもつ。また、データ処理装置に既存の恒星、惑星、人工衛星などのデータを保持させておけば、これらの物体が観測領域を通過するときの時刻と位置を計算することができるので、観測画像に記録されている物体と計算データを比較することで、記録物体を特定することができる。記録物体の中で特定できないものは、未知のものかもしくはノイズである。この処理は自動的に行うことができる。
【００１０】
観測方向を固定する、すなわち午線に固定して観測するとしても、地球が自転しているために、地球の自転に同期している静止軌道上の人工衛星、スペースデブリ以外の低軌道人工衛星、天体は必ず当該子午線をいつかは通過する。したがって、観測方向を固定しておいても、長時間観測し続けると、本発明装置を設置した場所から観測できる全範囲の走査を行うことができる。また、光学装置を地面に対して垂直な軸（以後Ｚ軸と記す）で回転できるようにすると、このＺ軸を１回転させると、そのとき光学装置が向いている高度の全周を短時間に走査することができ、特に、光学装置の観測方向の高度を変えながら回転させると全天を走査することが出来る。このとき、子午線に沿った観測範囲は地平線から天頂までの９０度でよくなる。
静止軌道上の衛星あるいはスペースデブリは、地球の自転に同期して運動しているので、観測方向を固定した観測では、全静止衛星を観測することができない。しかし、Ｚ軸を設けることにより、静止軌道帯の対象物も走査観測することができる。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の監視・検出装置をより詳細に説明する。
実施例１
図１は、１台の望遠鏡を用いて、静止軌道帯にある人工衛星あるいはスペースデブリの検出、監視に使用するための実施例を示す。監視・検出装置は図示のように、天体望遠鏡、天体望遠鏡をマウントする経緯台、望遠鏡の接眼部に取り付けたＣＣＤカメラ、上記経緯台とＣＣＤカメラを制御し、かつＣＣＤカメラが撮影した画像を処理するデータ処理装置、時刻計測装置、および恒星、人工衛星などのデータ・ファイルによって構成される。
【００１２】
人工衛星の静止軌道は赤道上３６０００ｋｍの距離にあり、地球上の一点から観測されるのはその３分の１、真南から見たとき、方位角としては東西６０度ずつの範囲である。
静止衛星および静止軌道帯のスペースデブリは、地上から観測した場合、静止軌道上から高度にしておおよそ±１５度の範囲に入っている。
従って、ほぼ北緯３５度にあるわが国から見た場合、静止軌道はほぼ赤緯にして、−６度付近にあり、デブリは真南を中心に東西６０度の間の或る方位における静止軌道の高度を中心にほぼ±１５度の範囲、すなわちほぼ３０度の範囲に分布していることになる。
【００１３】
この実施例では、天球を２分する境界線をある方位の地平線上の点と天頂を結ぶ線とする。本実施例では、望遠鏡として一般的な天体望遠鏡を使用するものとすれば、通常、天体望遠鏡の観測視野は１度×１度以下である。したがって、観測境界線に沿って上下方向３０度の範囲を一度に観測することはできない。
しかし、静止軌道帯の人工物体は、短い観測時間内では、その方位、高度が一定であるとみなすことができるので、観測境界線に沿って３０度の絶囲を一度に観測できなくても、複数回の観測で３０度の範囲を覆うことができれば、実質上一度の観測で観測境界線に沿って３０度の範囲を観測したことと等価になる。
いま、望遠鏡の視野角を仮にａ度×ａ度とし、境界線に沿う観測範囲をｄ度とすると、ｄ／ａ回の観測で目的とする範囲を覆うことができる。
【００１４】
天体望遠鏡は、経緯台により任意の方位と高度に向けることが可能である。静止軌道上を観測できる方位に望遠鏡を向けたとき、その方位に対する子午線に沿って観測範囲ｄ内を観測するｄ／ａ回の各観測点の赤緯は計算できる。これらの観測点へ順番に望遠鏡を向け、ｄ／ａ回の観測で子午線（赤経）方向の所定範囲が観測できる。
説明を具体的に行うために、使用する望遠鏡の視野が３０分角×３０分角とする。そうすると、高度３０度の範囲を観測するためには、６０回の観測が必要になる。このための観測操作は、図１において、データ処理装置から経緯台を制御することで実現可能である。
【００１５】
この観測操作のためのデータ処理装置に格納されるプログラムの手順の一例を図２に示す。図の手順は以下のようである。
最初に観測方位ｘ、観測高度範囲ｄ、高度方向の視野ａ（望遠鏡の視野あるいはそれから観測範囲のオーバーラップ分を引いた値）を設定する。観測方位ｘにより静止軌道高度Ｙは異なるので、設定した方位ｘに対する静止軌道高度Ｙを計算で求める。求められたＹによって、観測する高度範囲ｙ_max＝Ｙ＋ｄ／２，ｙ_min＝Ｙ−ｄ／２が求まる。
経緯台にコマンドを送り、望遠鏡を方位ｘ、高度ｙ_maxへ向ける。次いでＣＣＤカメラにコマンドを送り、撮影を行い、撮影データをデータ処理装置へ転送する。次の撮影高度ｙ＝ｙ_max−ａを求め、ｙ＞ｙ_minであれば、再び経緯台にコマンドを送り、望遠鏡を方位ｘ、高度ｙへ向け、撮影を行う。このようにして順次撮影を行い、ｙ≦ｙ_minとなれば撮影は終了する。
なお、この手順で、ＣＣＤカメラからのデータ転送期間中に、次の観測高度を決め、その高度に経緯台を設定する処理を平行して行えることは言うまでもない。
【００１６】
仮に視野が３０分角×３０分角の望遠鏡を使い、２秒間で撮影、データ転送、次の高度の設定を行うとすると、１方位に対して、６０回の観測を行うための観測時間は２分となり、方位の観測範囲１２０度を観測するには、２４０方位に対して観測する必要があるので、これに要する時間は４８０分、８時間である。すなわち、一晩の観測で全天の静止軌道内の衛星、スペースデブリを観測することができることになる。
【００１７】
このようにして、観測したデータは、図１の恒星、人工衛星などのデータ・ファイルからのデータ、もしくは過去の観測データと参照され、未知のスペースデブリの検出および軌道決定などに利用される。
なお、本実施例では、そのまま小惑星の検出、監視にも使うことができる。小惑星は黄道面を中心に分布しており、それから大きく外れることはなく、静止軌道帯の衛星、スペースデブリの場合と同様である。しかし、小惑星は、天球上を運動しているが、その運動はほぼ日周運動とみなせるものであり、日周運動は、最大で毎秒当たり１５秒角である。先の具体例で述べた、１方位当たりの観測時間が２分とすると、その間に小惑星は、最大で３０分角運動する。従って、望遠鏡の方位方向の視野角が３０分角より大きければ、観測もれなく走査観測が可能となる。
【００１８】
実施例２
図３は、全子午線上の領域を視野角６度×６度の望遠鏡１〜３０の３０台で同時に観測できるように構成した実施例である。１の望遠鏡は水平、２の望遠鏡は高度６度、ｎ番目の望遠鏡は高度６×（ｎ−１）度を向いている。各望遠鏡にはＣＣＤカメラが装備され、すべてのＣＣＤカメラは同時刻に撮影可能である。撮影された観測データはデータ処理装置へ転送され、実施例１と同様に処理される。この場合、データ処理装置は１台のコンピュータで構成されていても、複数台、もしくはそれぞれの望遠鏡専用の３０台のコンピュータで構成した並列コンピュータであってもかまわない。本実施例のように構成すると、低軌道の人工衛星やスペースデブリ、航空機、鳥など移動速度が速い物体であってももれなく監視する事が可能となる。
【００１９】
なお、望遠鏡の配置は、それぞれの望遠鏡の観測範囲がオーバーラップしないで、子午線上の全領域を観測できるようにした配置の一例を示したものである。オーバーラップしないといっても、隣り合う望遠鏡は多少オーバーラップさせるのは当然であり、望遠鏡の視野はこのオーバーラップ分を差し引いたものであることは云うまでもない。
使用目的によっては、観測範囲を子午線の特定の範囲に限定することも可能であることは言うまでもない。また、望遠鏡の視野は、目的に応じて選ぶことができるのは当然である。子午線方向の視野をａ、観測範囲をｄとすると、領域全体を同時に観測するのに必要とする望遠鏡の数は、ｄ／ａ台となる。
装置全体をＺ軸のまわりで回転できるような構造にすると、Ｚ軸で１８０度回転すると全天を監視することができる。また、水平から天頂までをカバーする装置として、１回転しても良い。
【００２０】
図４に示す実施例は、経緯台の高度軸に複数の望遠鏡を取り付けるような構造としたものである。この実施例においては、３台の望遠鏡４２、４３、４４を高度で３０度ずつずらして経緯台の高度軸４１に取り付けた例である。このように望遠鏡を取り付けた経緯台を高度方向で３０度回転させると、水平から天頂まで９０度の範囲を観測できることになる。取り付ける望遠鏡の数を増やせば、当然高度方向の回転範囲を狭くしても広い範囲を観測できるようになる。
【００２１】
【発明の効果】
通信衛星、気象衛星など静止衛星軌道帯の利用が盛んに行われており、それに伴いスペースデブリも指数関数的に増加し、運用衛星とスペースデブリの衝突の確率が増大している。今後の宇宙開発にとって、常時、静止衛星軌道帯のスペースデブリ観測が必要になる。本発明により効率のよいスペースデブリ観測の自動化が可能となる。また、地球に異常接近する小惑星や彗星の発見、新星、未知小惑星や彗星の発見、気象モニター、航空機、鳥の監視、更には空港における航空機と鳥の衝突防止などへの利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の未確認飛翔物体の自動検出方法を実施するための監視装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す監視装置の制御プログラムの手順例を示すフローチャートである。
【図３】１子午線全体を同時に観測するための、複数の望遠鏡を用いた監視装置の構成の１例を示す概念図である。
【図４】１子午線を複数の望遠鏡で観測する場合の、望遠鏡の配置の１例を示す監視装置の構成の概念図である。
【符号の説明】
１〜３０，４２，４３，４４望遠鏡
４１経緯台の高度軸

Claims

地平線と交差する天球上の仮想線を通過する物体を光学装置により観測し、該仮想線を通過した飛翔物体（天体を含む）の画像と、該画像の観測時刻と、データ処理装置内に保持した恒星、人工衛星、小惑星等既知の天体等のデータとから、該処理装置により観測データを既知データとそれ以外のデータに分類分けすることにより、未知の飛翔物体の検出および軌道決定に利用されることを特徴とする飛翔物体の自動監視・検出方法。
上記天球上の仮想線は、子午線あるいはその一部であることを特徴とする請求項１の飛翔物体の自動監視・検出方法。
現在の時刻を計測する装置と、地平線のある方位の地点から出発し天球を２分する境界線の全範囲、あるいはその特定の範囲を常時観測できる単独あるいは複数の光学装置と、当該測定範囲を通過する物体を上記光学装置により観測した画像と上記時刻計測装置により計測した時刻を記録し、かつ上記通過物体の通過位置および通過時の速度を計測するデータ処理装置とを備えることを特徴とする飛翔物体の監視・検出装置。
上記光学装置は、地面に対して垂直な軸あるいは任意の方向の軸で回転して光学装置の観測方位を変えることを可能にされていることを特徴とする請求項３の飛翔物体の監視・検出装置。
上記データ処理装置は、恒星、人工衛星、小惑星等既知の天体、飛翔物体等のデータを保持する手段と、当該観測範囲を通過する物体の観測データとデータ処理装置が保持している既知データとを比較する手段と、観測データを既知データとそれ以外のデータに分類分けするデータ処理装置とを備え、当該データ処理装置によって未知の飛翔物体の検出及びその軌道決定に利用されることを特徴とする請求項３の飛翔物体の監視・検出装置