JP3797219B2 - 監視装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人工衛星や航空機から地球表面を監視し、要監視対象物や災害発生地域等の撮像目標地点の画像情報を撮像機で取得する監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の監視装置を説明するための図であり、図において１は人工衛星や航空機、飛行船等の飛翔体、２は上記飛翔体１に搭載され、地球表面を指向する撮像機、３は電波伝搬時間による測距用電波を発生する軌道上位置が既知の航法衛星、４は上記飛翔体１に搭載され、複数の航法衛星３から発する測距用電波を受信して飛翔体１の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、５は上記飛翔体１の姿勢を検出する姿勢検出機、６は上記飛翔体１に搭載され、飛翔体１の姿勢を変更する姿勢変更機、８は搭載計算機、９は監視目標、１０は地球、１１は撮像機の視線、１２は地上局、１３は上記地上局１２に設置された計算機、１４は地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、１５は上記計算機１２及びデータベース１４に信号伝送経路で接続された端末、１６は上記端末１５に搭載され、上記計算機１３及びデータベース１４にアクセスするソフトウェアを格納したメモリ、１７は上記メモリ１６に格納され、上記データベース１４の地理情報を探索して監視目標を見いだす監視目標探索ソフト、１８は上記メモリ１６に格納され、監視目標の位置座標を上記航法衛星３の採用する座標系に変換し数値化する位置座標生成ソフトである。人工衛星や航空機から地球表面の要監視対象物や災害発生地域等を監視する従来の監視装置では、飛翔体が撮像機を搭載して飛翔し、撮像機の視線が監視目標を捉える範囲で撮像機を作動することにより、監視目標地点の画像情報を取得していた。この際監視目標の選定に対応して飛翔体あるいは撮像機の角度が変動するため、特に飛翔体が人工衛星である場合は軌道上での熱入力条件が飛翔体あるいは撮像機の角度に応じて変動することになり、撮像機の熱変形が大きい場合は取得した監視目標の画像が焦点ボケにより不明瞭になっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の監視装置の中で、飛翔体として人工衛星を使用する監視装置では、人工衛星軌道上の人工衛星位置により刻一刻変動する人工衛星外部からの熱入力条件に連動して、監視装置の各部温度が変動することに伴い、監視装置の熱変形が発生するために焦点位置が変動し、取得画像が焦点ボケのために不明瞭になってしまい、監視目標の正しい情報が得られなくなるという課題があった。
【０００４】
この発明は上記のような課題を改善するためになされたものであり、対地移動速度が速くても監視目標の撮像前に焦点位置を予め調整しておくことにより、確実に鮮明な画像を取得可能な監視装置を提供するものである。また監視目標を撮像機の視野が捉えるための手続きが簡略で、かつ精度よく撮像機で画像情報を取得できる監視装置を提供している。また飛翔体として人工衛星を使用することにより地球全体のいかなる地域も監視可能な監視装置を提供できる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による監視装置は飛翔体、上記飛翔体に搭載され、地球表面を指向する撮像機、電波伝搬時間による測距用電波を発生する軌道上位置が既知の複数の航法衛星、上記飛翔体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して飛翔体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出機、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の姿勢を変更する姿勢変更機、上記航法衛星信号受信機から受信した上記飛翔体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記飛翔体の姿勢角度情報を解析し、飛翔体の位置及び姿勢角度と、予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記姿勢変更機に対して姿勢変更用の制御信号を発生する搭載計算機、地上局、地上局に設置された計算機、地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、上記計算機及びデータベースにアクセスする端末、上記端末で操作して上記計算機及びデータベースにアクセスするソフトウェアを格納したメモリとにより構成し、上記ソフトウェアを格納したメモリが、データベース内の地理情報を探索して監視目標を見いだす監視目標探索ソフトと、監視目標の位置座標を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換する位置座標生成ソフトとを格納しており、上記搭載計算機が上記位置座標生成ソフトが算出した監視目標の位置座標を制御目標値として姿勢変更機を制御することに加えて、上記撮像機の各部温度を温度検出器で検出し、上記搭載計算機により処理された飛翔体の姿勢、軌道位置、時刻情報とともに検出された各部温度履歴を軌道上データベースに格納し、上記搭載計算機により地上局からの飛翔計画に従い上記軌道上データベースを参照して各部温度時系列予測値、焦点移動量時系列予測値および焦点調整量時系列設定値を順に算出して上記撮像機の焦点調整機により焦点位置を調整するものである。
【０００６】
また第２の発明による監視装置は飛翔体、上記飛翔体に搭載され、地球表面を指向する撮像機、電波伝搬時間による測距用電波を発生する軌道上位置が既知の複数の航法衛星、上記飛翔体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して飛翔体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出機、上記航法衛星信号受信機から受信した上記飛翔体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記飛翔体の姿勢角度情報を受信し、飛翔体の位置及び姿勢角度に基づき撮像機が指向する視野方向を解析し、予め計画された上記撮像機の視野方向の目標値とのずれ量を解析して、上記視野方向変更機に対して視野方向変更用の制御信号を発生する搭載計算機、地上局、地上局に設置された計算機、地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、上記計算機及びデータベースにアクセスする端末、上記端末で操作して上記計算機及びデータベースにアクセスするソフトウェアを格納したメモリとにより構成し、上記ソフトウェアを格納したメモリが、データベース内の地理情報を探索して監視目標を見いだす監視目標探索ソフトと、監視目標の位置座標を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換する位置座標生成ソフトとを格納しており、上記搭載計算機が監視目標の位置座標を制御目標値として視野方向変更機を制御することに加えて、上記撮像機の各部温度を温度検出器で検出し、上記搭載計算機により処理された飛翔体の姿勢、軌道位置、時刻情報とともに検出された各部温度履歴を軌道上データベースに格納し、上記搭載計算機により地上局からの飛翔計画に従い上記軌道上データベースを参照して各部温度時系列予測値、焦点移動量時系列予測値および焦点調整量時系列設定値を順に算出して上記撮像機の焦点調整機により焦点位置を調整するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図であり、図において１は人工衛星や航空機、飛行船等の飛翔体、２は上記飛翔体１に搭載され、地球表面を指向する撮像機、３は電波伝搬時間による測距用電波を発生する軌道上位置が既知の航法衛星、４は上記飛翔体１に搭載され、複数の航法衛星３から発する測距用電波を受信して飛翔体１の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、５は上記飛翔体１の姿勢を検出する姿勢検出機、６は上記飛翔体１に搭載され、飛翔体１の姿勢を変更する姿勢変更機、８は搭載計算機、９は監視目標、１０は地球、１１は撮像機の視線、１２は地上局、１３は上記地上局１２に設置された計算機、１４は地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、１５は上記計算機１２及びデータベース１４に信号伝送経路で接続された端末、１６は上記端末１５に搭載され、上記計算機１３及びデータベース１４にアクセスするソフトウェアを格納したメモリ、１７は上記メモリ１６に格納され、上記データベース１４の地理情報を探索して監視目標を見いだす監視目標探索ソフト、１８は上記メモリ１６に格納され、監視目標の位置座標を上記航法衛星３の採用する座標系に変換し数値化する位置座標生成ソフト、１９は上記メモリ１６に格納され、監視目標の撮像条件を解析する撮像条件解析ソフト、２０は上記撮像機２を構成し監視目標の画像光を収集する光学系、２１は上記撮像機２の各部温度を検知する温度検出器、２２は上記温度検出器２１で検出された各部温度、２３は上記搭載計算機８により処理された飛翔体の姿勢、軌道位置、上記温度検出器２１で検出された各部温度２２および時刻情報を格納するための軌道上データベース、２４は上記軌道上データベース２３に格納された各部温度履歴、２５は上記軌道上データベース２３に格納された衛星姿勢、２６は上記軌道上データベース２３に格納された衛星軌道位置、２７は上記軌道上データベース２３に格納された上記各部温度履歴２４、上記衛星姿勢２５および上記衛星軌道位置２６に対応する時刻、２８は上記搭載計算機８により地上局１２からの飛翔計画に従い軌道上データベース２３を参照して算出された各部温度時系列予測値、２９は上記搭載計算機８により上記各部温度時系列予測値２８と軌道上データベース２３を参照して算出された焦点移動量時系列予測値、３０は上記搭載計算機８により上記焦点移動量時系列予測値２９と軌道上データベース２３を参照して算出された焦点調整量時系列設定値、３１は明瞭な画像を得るために上記焦点調整量時系列設定値３０に対応して上記光学系２２の焦点位置を調整する焦点調整機である。
【０００８】
図において飛翔体１は低軌道で地球を周回する観測衛星や静止軌道から地球を観測する気象衛星等の人工衛星や、空中三角測量用の航空機、地球観測用飛行船等である。撮像機２は視覚画像を取得する可視光学センサや、赤外線センサ、紫外線センサなどが使用可能である。また航法衛星３、飛翔体１及び地球１０の上の任意の点の位置は、航法衛星３が採用する座標系によって一意に表現できるので、航法衛星信号受信機４による飛翔体１の位置座標と姿勢検出機５による飛翔体１の姿勢情報を使用して、撮像機２の視線１１の起点と方向を航法衛星３が採用する座標系の位置座標と方向ベクトルとして決定できる。一方地上局１２としては人工衛星の追跡管制局、衛星信号受信局が候補となるが、この他に地方自治体組織、企業及び個人宅でもパーソナルコンピュータを端末１５及び計算機１３として活用することにより地上局１２として利用可能である。計算機１３は地上局１２に設置されており、ソフトウェアを格納したメモリ１６を読み出して格納されたソフトウェアを稼働する動作、データベース１４にアクセスする動作、及び位置座標生成ソフト１８で解析した結果を飛翔体１に送信する動作を実施する。飛翔体１は監視目標９に合わせて衛星姿勢２５、衛星軌道位置２６を変更し、この変更に応じて変動する撮像機２の各部温度２２を温度検出器２１により検出し軌道上データベース２３に各部温度履歴２４として時刻２７と対応するように格納する。一方地上局１２から監視目標９の位置座標が飛翔体１に送信されると、搭載計算機８が軌道上データベース２３と照合し監視目標９を撮像する時点までの各部温度時系列予測値２８、各部温度の変動に伴う焦点移動量時系列予測値２９および焦点調整量時系列設定値３０を計算する。計算された焦点調整量時系列設定値３０に従い、焦点調整機３１が撮像機２の光学系２０の焦点位置を時々刻々調整することにより、監視目標９の撮像時点で焦点ボケのない明瞭な画像を取得する。
【０００９】
次にデータベース１４は、データベース化された地図情報でもよいし、GIS(Geographic Information System)などのデータベースを使用することも可能である。この際地理情報と共に具備される位置情報は上記航法衛星３で利用している座標系の位置座標であるか、または緯度/経度情報でもよい。航法衛星が採用する座標系としては例えばWorld Geodetic System８４と呼ばれる測地座標系がある。更に監視予定地については予め地上において航法衛星受信機を用いて位置座標を測定してデータベース１４に記録しておいてもよいし、人工衛星からの立体視や航空写真の解析により実測した結果をデータベース１４に記録しておいてもよい。端末１５は必ずしも計算機１３の設置された地上局１２の中に設置される必要はなく、電話回線や衛星回線を信号伝送経路として計算機１３に接続することも可能である。またパーソナルコンピュータのように上記計算機１３と兼用することも可能である。ソフトウェアを格納するメモリ１６には監視目標探索ソフト１７、位置座標生成ソフト１８が格納されており、上記端末１５で操作して上記計算機１３及びデータベース１４にアクセスする。データベース１４とソフトウェアを格納するメモリ１６は計算機１３の設置された地上局１２と同じ地上局に設置される必要はなく、インターネットなどのネットワークを介して別の地上局１２からソフトウェア９やデータベース１４をダウンロードしたり、位置座標生成ソフト１８で解析した結果を別の地上局１２を経由して飛翔体１に送信する動作を実施してもよい。
【００１０】
次に搭載計算機８の中の処理について図２により説明する。図において８は搭載計算機、２３は軌道上データベース、２８は各部温度時系列予測値、２９は焦点移動量時系列予測値、３２は衛星姿勢計画、３３は衛星軌道位置計画であり、図において搭載計算機８では、温度予測値算出手段により、軌道上データベース２３に格納されている時刻t=０からt１時点までの衛星姿勢の角度R(t),P(t),Y(t)と、衛星軌道位置の位置座標(X(t),Y(t),Z(t))の組合せの中から、時刻t=t１〜t２時点までの衛星姿勢計画３２で設定される衛星姿勢の角度(R(t), P(t),Y(t))と、衛星軌道位置計画３３で設定される位置座標(X(t),Y(t),Z(t))に対して最も差異が小さいデータから２組のデータとして、軌道上での衛星姿勢の角度(R'(t), P'(t),Y'(t))a、(R'(t), P'(t),Y'(t))bと、位置座標(X'(t), Y'(t),Z'(t))a、(X'(t), Y'(t),Z'(t))bを検索抽出し、それぞれの衛星姿勢および衛星軌道位置に対応するn箇所の各部温度(T１'(t)〜Tn'(t))aと(T１'(t)〜Tn'(t))bを検索抽出する。そこで、これらの軌道上データベース２３から検索抽出したデータと衛星姿勢計画での衛星姿勢の角度及び衛星軌道位置計画での位置座標との差分を基にn箇所の各部温度(T１'(t)〜Tn'(t))aと(T１'(t)〜Tn'(t))bの温度を補間計算することにより、時刻t=t１〜t２時点までの各部温度時系列予測値２８ (T１(t)〜Tn(t))oを算出する。搭載計算機８では、さらに焦点移動量予測値算出手段に格納された各部温度と焦点移動量の換算表により時刻t=t１〜t２時点までの各部温度時系列予測値２８ (T１(t)〜Tn(t))oを対照し、時刻t=t１〜t２時点までの焦点移動量時系列予測値２９としてΔf(t)oを算出する。
【００１１】
監視目標９の具体例としては、災害発生地域や要監視地域などが考えられ、監視目標の探索方法としては、端末１５上で監視目標探索ソフト１７を利用して視覚イメージとして地図をめくるように場所を探索することも、キーワード検索して探索することも、また緯度と経度の組合せで探索することも可能ならしめるよう監視目標探索ソフト１７をプログラムする。探索した結果として監視目標９が決定した後に、画面上で該当個所を指定することにより位置座標生成ソフト１８に対して位置情報が送信される。この動作は端末１５の具備するポインティングデバイスで画面上任意の場所をダブルクリックする感覚で実行できる。
【００１２】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２を示す構成図であり、図において１から５は実施の形態１と同様であり、７は上記撮像機２に取付けられ、撮像機２の視線の方向を変更する視野方向変更機、また８から３１は実施の形態１と同様である。実施の形態２による監視装置では実施の形態１と同様にして位置座標生成ソフト１８が監視目標探索ソフト１７から受信した監視目標９の位置を上記航法衛星３の採用する座標系の位置座標として変換し、搭載計算機８に送信する。次に撮像機２の視線１１が監視目標９を指向するための視野方向変更量を搭載計算機８が解析し、視野方向変更機７を動作させる。このため撮像機２の視線１１は監視目標９を指向するよう制御される。視野方向変更機としては、光学センサで反射ミラーを回動する方式や、センサ自体を回動する方式、検出器の使用部分を選別する方式などを採用できる。その他の動作は実施の形態１と同様である。
【００１３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、飛翔計画による監視目標を地上で迅速に定量的目標値に変換でき、かつ飛翔体の中で監視目標の座標値を直接目標値とした指向制御をするので、リアルタイムに迅速かつ機動的な監視が可能となり、災害発生時や緊急事態に対応して即座にデータを取得できるという効果がある。また端末にアクセスするだけで監視目標の探索及び決定と、撮像機の撮像条件設定が可能となり、作業が身近でかつ直感的になるという効果がある。また監視目標の位置を直接制御系の目標値とするので誤差要因が少なく、精度よく、撮像機の熱変形に起因する焦点ボケのない明瞭な画像情報を取得できるという効果がある。また飛翔体として人工衛星を使用することにより地球全体のいかなる地域も監視可能な監視装置を提供できるという効果がある。
【００１４】
第２の発明によれば、リアルタイムに迅速かつ機動的な監視が可能で、かつ精度よく、撮像機の熱変形に起因する焦点ボケのない明瞭な画像情報を取得でき、いかなる地域も監視可能な監視装置を提供できるという点は実施形態１と同様であるが、これに加えて飛翔体自体の姿勢を変更するのに比較して少ない労力で視野変更が可能となるという効果がある。また撮像機を複数具備することで、同時に複数の監視目標を撮像可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による監視装置の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施形態１による監視装置で衛星姿勢計画と衛星軌道位置計画から焦点位置調量時系列設定値を決定する方法を示す図である。
【図３】 この発明による監視装置の実施の形態２を示す構成図である。
【図４】 従来の監視装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 飛翔体、 ２ 撮像機、 ３ 航法衛星、 ４ 航法衛星信号受信機、 ５ 姿勢検出機、 ６ 姿勢変更機、 ７ 視野方向変更機、 ８ 搭載計算機、 ９ 監視目標、 １０ 地球、 １１ 撮像機の視線、 １２ 位置座標データベース、 １２ 地上局、 １３ 計算機、 １４ データベース、 １５端末、 １６ ソフトウェア、 １７ 監視目標探索ソフト、 １８ 位置座標生成ソフト、 １９ 撮像条件解析ソフト、 ２０ 光学系、 ２１ 温度検出器、 ２２ 各部温度、 ２３ 軌道上データベース、 ２４ 各部温度履歴、 ２５ 衛星姿勢、 ２６ 衛星軌道位置、 ２７ 時刻、 ２８ 各部温度時系列予測値、 ２９ 焦点移動量時系列予測値、 ３０ 焦点調整量時系列設定値、 ３１ 焦点調整機、 ３２ 衛星姿勢計画、 ３３ 衛星軌道位置計画

Claims (2)

1. 飛翔体、上記飛翔体に搭載され、地球表面を指向する撮像機、上記撮像機により受光した監視目標からの光信号を電気信号に変換する検出器、上記検出器の出力信号を処理し画像信号へ変換する信号処理回路、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星、上記飛翔体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して飛翔体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出機、上記飛翔体に搭載され、飛翔体の姿勢を変更する姿勢変更機、上記航法衛星信号受信機から受信した上記飛翔体の位置情報と上記姿勢検出機から受信した上記飛翔体の姿勢角度情報を解析し、飛翔体の位置及び姿勢角度と、予め飛翔計画された目標値とのずれ量を解析して上記姿勢変更機に対して姿勢変更用の制御信号を発生する搭載計算機、地上局、上記地上局に設置され、上記飛翔体の運用管制条件及び上記撮像機の動作条件を解析する計算機、地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、上記計算機及びデータベースにアクセスする端末、上記端末で操作して上記計算機及びデータベースにアクセスするソフトウェアを格納したメモリとを具備し、上記メモリは、上記データベース内の地理情報をから監視目標を探索し、抽出する監視目標探索ソフト、上記監視目標探索ソフトにより抽出された監視目標の位置座標を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換する位置座標生成ソフトとを格納し、さらに上記搭載計算機は上記位置座標生成ソフトで生成した監視目標の位置座標を制御目標値として姿勢変更機を制御する手段を有し、上記撮像機各部の温度を検出する温度検出器、上記飛翔体の各時刻における各部温度、軌道位置及び姿勢を記録保存する軌道上データベース、上記軌道上データベースの情報と地上局からの飛翔計画から飛翔体の時系列における位置姿勢を予測する手段、上記光学装置の各部温度予測値を算出する手段、上記各部温度予測値から上記光学装置の焦点移動量を算出する手段、上記撮像機の焦点位置を調整する手段、上記焦点調整手段を制御する手段を有し、監視目標の上空到達前に焦点位置を調整し明瞭な監視目標画像を取得することを特徴とする監視装置。
2. 飛翔体、上記飛翔体に搭載され、地球表面を指向する撮像機、上記撮像機により受光した監視目標からの光信号を電気信号に変換する検出器、上記検出器の出力信号を処理し画像信号へ変換する信号処理回路、電波伝搬時間による測距用電波を発生する、軌道上位置が既知の複数の航法衛星、上記飛翔体に搭載され、上記航法衛星から発する測距用電波を受信して飛翔体の位置座標を解析する航法衛星信号受信機、上記飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出機、上記航法衛星信号受信機から受信した上記飛翔体の位置情報と上記姿勢検出機からの上記飛翔体の姿勢角度情報を受信し、飛翔体の位置及び姿勢角度に基づき撮像機が指向する視野方向を解析し、予め計画された上記撮像機の視野方向の目標値とのずれ量を解析して、上記視野方向変更機に対して視野方向変更用の制御信号を発生する搭載計算機、地上局、上記地上局に設置され、上記飛翔体の運用管制条件及び上記撮像機の動作条件を解析する計算機、地球上各地の地理情報及び位置情報を具備するデータベース、上記計算機及びデータベースにアクセスする端末、上記端末で操作して上記計算機及びデータベースにアクセスするソフトウェアを格納したメモリとにより構成され、上記撮像機は視野方向を変更する視野方向変更機を具備し、かつ上記メモリは、データベース内の地理情報から監視目標を探索し、抽出する監視目標探索ソフト、上記監視目標探索ソフトによる抽出された監視目標の位置座標を上記航法衛星の採用する座標系による位置座標に変換する位置座標生成ソフトとを格納し、さらに上記計算機は監視目標の位置座標を制御目標値として視野方向変更機を制御する手段を有し、上記撮像機各部の温度を検出する温度検出器、上記飛翔体の各時刻における各部温度、軌道位置及び姿勢を記録保存する軌道上データベース、上記軌道上データベースの情報と地上局からの飛翔計画から飛翔体の時系列における位置姿勢を予測する手段、上記光学装置の各部温度予測値を算出する手段、上記各部温度予測値から上記光学装置の焦点移動量を算出する手段、上記撮像機の焦点位置を調整する手段、上記焦点調整手段を制御する手段を有し、監視目標の上空到達前に焦点位置を調整し明瞭な監視目標画像を取得することを特徴とする監視装置。

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