JP3860145B2

JP3860145B2 - Observer control device

Info

Publication number: JP3860145B2
Application number: JP2003193091A
Authority: JP
Inventors: 克彦山田; 岳宏西山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005028899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載されて上空から地表面等を観測する観測器において、予め定めた目標点の観測を行うときに、観測器が時々刻々変化する目標点の方向を向くように観測器の姿勢制御を行う観測器の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の人工衛星の姿勢制御方法では、衛星搭載の画像取得装置の画像幾何歪みを除去するために、衛星の地球座標に対する位置を検出する機能を衛星に搭載し対地進行軸と衛星の機軸方向を一致させるヨー制御の機能を衛星に搭載した（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の画像取り込み方法では、観測目標点の横方向および縦方向対地速度の指令値を、観測器の検出器の地表面投影サイズＰと、検出器のサンプリング周期Ｔｉに応じて次のように与え、それを満たすように観測器の姿勢制御を行う。
横方向対地速度＝±ｍ／（ｍ^２＋ｌ^２）×Ｖｒｅｆ
縦方向対地速度＝±ｌ／（ｍ^２＋ｌ^２）×Ｖｒｅｆ
ここで、Ｖｒｅｆ＝Ｐ／Ｔｉであり、ｍ、ｌは整数である（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２９１１９９号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】
特表２０００−５１５９８２号公報（第１頁−第２頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の人工衛星の姿勢制御方法では、人工衛星に搭載された観測器の直下点の速度ベクトルと、観測器で観測する目標点の対地速度ベクトルが、地球の自転の影響によって異なる場合に、常に衛星の機体軸を目標点の対地速度ベクトルと平行になるように制御することで、観測器で観測される領域を対地速度ベクトルと平行な長方形領域にとることができる。しかしながら、このような撮像が可能となるのは、観測器の観測する領域が観測器の直下の場合のみであり、目標点の位置や対地速度を変化させる場合には対応できないという問題点があった。
【０００６】
また、上述したような従来の画像取り込み方法では、希望の観測目標点の対地速度を実現するために、地上においてそれに応じた観測器の姿勢角および角速度設定値を計算し、観測器に伝送する。そして、搭載コンピュータにおいてそれらを実現するためのアクチュエータの指令値が計算される。しかし、目標の観測点の対地速度を実現するための姿勢角の運動は一般には時間に依存したものとなり、観測器へ伝送するコマンドの量が増大してしまうという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、目標点の運動（目標点の位置と対地速度の時間変化）と観測条件から観測器の姿勢角指令値を求めるとともに、それらの時間微分値を用いて観測器の姿勢角速度指令値を求めるようにし、目標点の運動と観測条件の両方に適合した観測を行うことが可能になる観測器の制御装置を得るものである。
【０００８】
また、目標点の運動を単純な運動とすれば、目標点の位置や対地速度は少ないパラメータで表すことができるので、そのパラメータだけを観測器に伝送しておけば、時々刻々目標点の位置や対地速度が変化するような場合にも、観測器を目標点に向けて望ましい観測を行うことが可能になる観測器の制御装置を得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る観測器の制御装置は、観測器が観測する代表的な目標点の位置及び観測時刻に基づいて前記目標点の地球表面上における位置、速度及び加速度を生成する目標点運動生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の位置及び前記観測器の位置に基づいて前記目標点の方向を生成する目標点方向生成部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度に基づいて前記観測器の姿勢に対する観測条件を演算する観測条件演算部と、前記目標点運動生成部により生成された前記目標点の速度及び加速度、前記目標点方向生成部により生成された前記目標点の方向、前記観測条件演算部により演算された観測条件、並びに前記観測器の位置及び速度に基づいて前記観測器の姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値を演算する姿勢指令値演算部と、前記観測器の姿勢角及び姿勢角速度が、前記姿勢指令値演算部により演算された姿勢角指令値及び姿勢角速度指令値と等しくなるように前記観測器に姿勢制御トルクを出力する姿勢制御演算部とを設けたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１１】
図１において、本制御装置は、姿勢制御演算部２と、目標点運動生成部３と、目標点方向生成部４と、観測条件演算部５と、姿勢指令値演算部６とを備える。これらの姿勢制御演算部２、目標点運動生成部３、目標点方向生成部４、観測条件演算部５、及び姿勢指令値演算部６は、例えば、人工衛星、航空機などの飛翔体に搭載されたコンピュータを動作させるソフトウェアから構成されている。
【００１２】
姿勢制御演算部２は、観測器１の姿勢制御に必要な演算を行う。また、目標点運動生成部３は、観測器１が観測する目標点（観測器１の光軸が地球表面と交わる点）の運動を定める。目標点方向生成部４は、目標点の位置と観測器１の位置に基づいて、観測器１から見た目標点の方向を定める。観測条件演算部５は、目標点の運動（速度）と観測器１が観測する領域との関係から観測器１の姿勢の満たすべき関係を求める。姿勢指令値演算部６は、目標点の方向や観測器１の姿勢の満たすべき観測条件や目標点の速度や加速度から観測器１の姿勢角や姿勢角速度を求める。
【００１３】
つぎに、この実施の形態１に係る観測器の制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
目標点運動生成部３では、代表的な観測目標点の位置と観測時刻から、観測器１の観測目標点の地球表面上における位置、速度、加速度の時間変化を与える。例えば、地球表面上における速度ベクトルの大きさや向きを一定にとって、その時間積分の形で地球表面上における位置の時間変化を与える。
【００１５】
目標点方向生成部４は、目標点運動生成部３の出力である目標点の位置と観測器１の位置から、観測器１の光軸上に目標点がくるように観測器１から目標点をのぞむ角度を求める。
【００１６】
観測器１の姿勢は３自由度あるが、観測器１の光軸を目標点の方向に向けるのに必要な自由度は２自由度なので、さらに観測器１の姿勢に対して拘束条件を定めなければ、観測器１の姿勢は一意には定まらない。このための拘束条件（観測条件）を定めるのが観測条件演算部５であり、もっとも簡単には観測器１の光軸回りの姿勢角度を設定することで観測器１の姿勢が一意的に定まる。
【００１７】
目標点運動生成部３の出力である目標点の速度及び加速度と、目標点方向生成部４の出力である観測器１の光軸の方向と、観測条件演算部５の出力である観測器１の姿勢に対する拘束条件は、いずれも姿勢指令値演算部６へ入力される。この姿勢指令値演算部６では、観測目標点が所定の運動を行うように、これらの入力と、観測器１の位置及び速度とから観測器１の姿勢運動（姿勢角および姿勢角速度）の指令値を求める。
【００１８】
観測器１の姿勢角及び姿勢角速度が、姿勢指令値演算部６の出力である姿勢運動の指令値と等しくなるように、姿勢制御演算部２ではフィードバック制御を行い、観測器１の姿勢制御アクチュエータに姿勢制御トルクを出力する。この制御系の働きによって、観測器１の姿勢角及び姿勢角速度はその指令値とほぼ等しくなり、目標点運動生成部３で設定した観測目標点の運動が実現されることになる。
【００１９】
このように、目標点運動生成部３において観測目標点の地球表面上における運動を与えて、それから目標点方向生成部４、観測条件演算部５、姿勢指令値演算部６によって観測器１の姿勢運動の指令値を求めるようにしたので、目標点運動生成部３には代表的な観測目標点の位置と観測時刻を与えるだけで、目標点の運動と観測条件の両方に適合した、各時刻における観測器１の姿勢運動の指令値が得られるという効果がある。さらに、観測目標点の追加や変更などにも柔軟に対処することが可能となり、観測器１の観測効率の向上につながる。
【００２０】
図２は、この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【００２１】
観測器１には図２に示すような横長の検出器７があり、観測器１の並進運動にともない検出器７が逐次検出を行うことで、結果的に検出器７の幅と観測時間で決まる広い領域の２次元的な観測を行う。従って、検出器７の長手方向の軸と観測器１の進行方向とは、通常ほぼ直交させる。しかし、観測目標点の対地速度ベクトルが与えられているので、観測条件演算部５では、より合理的な観測器１の姿勢に対する条件を導く。
【００２２】
いま、図２に示すように、検出器７の長手方向をｙ軸とし、観測器１の光軸方向をｚ軸とするように、観測器１に固定された座標軸をとる。なお、ｘ軸は、ｘｙｚの３軸が直交右手系をなすように定める。観測目標点の対地速度ベクトルと地表面において直交するベクトルをとり、観測条件演算部５では、このベクトルと観測器１のｘ軸とが直交するように観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する。
【００２３】
このように拘束条件を定めると、検出器７の長手方向の地表面への投影は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと直交することになり、観測時間分だけの広い領域を観測したときに、観測される領域が地表面においてほぼ長方形となる。従って、地図との照合が容易になり、ある領域をくまなく観測するような場合にも長方形領域を観測できるので都合がよい。
【００２４】
すなわち、観測器自身の並進運動を利用して広い領域の観測を行う観測器の姿勢制御を行う制御装置において、観測器１が観測する目標点の運動を生成する目標点運動生成部３と、観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する観測条件演算部５、および目標点の運動から観測器１の姿勢指令値を求める姿勢指令値演算部６とを設けたことが特徴である。このように目標点運動生成部３と姿勢指令値演算部６を設けたことにより、観測器１の姿勢運動は目標点の運動から自動的に生成することができるため、観測器１の制御装置に与える指令情報は少なくてもよく、また観測目標点の変更にも柔軟に対処できる。
【００２５】
また、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと地表面において直交するベクトルと、観測器１の光軸方向と検出器７の長手方向の両方に直交する方向とを、たがいに直交させることが特徴である。このように構成することで、観測器１の検出器７で得られる情報は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと直交するようにでき、観測器１の並進運動を利用して広い領域の情報を得る場合に、地表面における長方形領域の情報が得られるので、地図との照合も容易で観測効率の向上につながる。
【００２６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００２７】
図３は、この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【００２８】
この実施の形態２では、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと検出器７の長手方向とが直交するように観測器１の姿勢に対する拘束条件を設定する。
【００２９】
このように拘束条件を定めると、検出器７の短い方向の辺（これは図３のｘ軸と平行になる）の地表面への投影は、常に観測目標点の対地速度ベクトルと平行になり、観測時間間隔を密にすると一部の領域において完全にオーバーラップして観測することができるようになる。このようにオーバーラップして観測ができると、積分効果により、観測の信号／雑音比を向上させることができる。
【００３０】
すなわち、観測条件演算部５において、観測目標点の対地速度ベクトルと検出器７の長手方向とを、たがいに直交させることが特徴である。このように構成することで、観測器１の検出器７の短い方の辺の地表面への投影が、観測目標点の対地速度ベクトルと平行になるようにでき、観測器１の並進運動を利用して広い領域の情報を得る場合に、常に同一領域をオーバーラップして観測しながら領域を広げていくことができるので、観測器１の信号／雑音比を向上させることができる。
【００３１】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００３２】
図４は、この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【００３３】
目標点運動生成部３において、代表的な観測目標点の位置と、対地速度の目標値を与え、これらにより決まる地球中心を通る平面内において、図４に示すように、目標点の軌跡を地球中心からの距離ｒと回転角ｑの時間多項式として表す。距離ｒと回転角ｑの時間多項式の境界条件として、代表的な観測目標点の位置、および対地速度の目標値に対応した距離ｒと回転角ｑ、およびその時間微分の値をその観測時刻において与え、多項式の係数を求める。
【００３４】
このように目標点運動生成部３を構成することで、代表的な目標点の観測時刻における位置と対地速度ベクトルを与えるだけで、目標点の運動は単純な時間多項式として生成され、少ないコマンド数で望ましい観測を行うことができる。
【００３５】
すなわち、目標点運動生成部３において、観測目標点の対地速度ベクトルの向きと大きさを任意に与え、それによって決まる平面内で、目標点位置を極座標表現し、動径方向の距離ｒと回転角ｑによって表す。このとき、距離ｒと回転角ｑのそれぞれを時間の多項式として与え、代表的な観測目標点の観測時刻において、その位置、および速度が目標の値に一致するという境界条件を満足するよう、多項式の係数を与えることが特徴である。このように構成することで、地表面上における観測目標点の運動は単純な時間多項式により表されるため、目標点運動生成部３に少ない指令情報を与えるだけで、望ましい観測を行うことができる。
【００３６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る観測器の制御装置について説明する。この発明の実施の形態４に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００３７】
代表的な観測目標点が複数与えられたときには、距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対して、全ての代表的な目標点の観測時刻において同様に境界条件を与え、それらを満たす時間多項式として、距離ｒと回転角ｑを求める。
【００３８】
このように構成することで、代表的な観測目標点を滑らかに結ぶような目標点運動が生成でき、目標点の間での観測器１の姿勢変更が少なくなることで、より効率的な観測が行える。
【００３９】
すなわち、複数の代表的な観測目標点が与えられ、それらを連続して観測する場合に、上記距離ｒと回転角ｑに対する時間多項式に、それぞれの観測時刻において、上記境界条件を与えることが特徴である。このように構成することで、複数の目標点を観測する場合にも目標点を滑らかに結ぶような目標点運動を生成でき、目標点の間での観測器１の姿勢変更が少なくて済むため、観測効率が向上する。
【００４０】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置について図面を参照しながら説明する。この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００４１】
図５は、この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【００４２】
目標点運動生成部３において、距離ｒと回転角ｑの時間多項式の境界条件として、代表的な観測目標点での速度Ｖと加速度Ａとの比が、検出器７の地表面への投影の目標点進行方向長さ(フットプリント)Ｌとその時間変化率ｄＬとの比に等しくなるよう、すなわちＡ／Ｖ＝ｄＬ／Ｌとなるような条件を加える。
【００４３】
複数の代表的な観測目標点が与えられた場合も同様である。また、必要であれば、検出器７のサンプリング周期をＬ／Ｖに設定する。複数の目標点に対しては、それぞれで異なるサンプリング周期となっても良い。
【００４４】
このように目標点運動を構成することで、図５に示すように、フットプリントの変化に応じて目標点の地表面速度を変化させることができ、観測器１の運動によりフットプリントが時間とともに変化する場合にも常にフットプリントに対して同じ割合でサンプリングし、観測領域の歪を抑えることができる。
【００４５】
また、検出器７のサンプリング周期もフットプリントに応じて上記のように与えることで、フットプリントとサンプリング周期毎の目標点の距離間隔を常に一致させることができる。例えば、観測器１において検出器７を複数列並べ、観測器１の並進運動を利用して同じ領域を複数回観測する場合に、サンプリング周期毎の観測領域が複数列の検出器７で同一となり、積分効果により観測器１の信号／雑音比を向上させることができる。
【００４６】
すなわち、上記実施の形態３あるいは実施の形態４における距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対する境界条件に、代表的な観測目標点での地表面速度と加速度との比が、代表的な目標点観測時の検出器７の地表面への投影の目標点進行方向長さ(フットプリント)とその時間変化率との比に等しくなるような条件を加えることが特徴である。このように構成することで、観測器１の運動によりフットプリントが時間とともに変化する場合にも、常にフットプリントに対して同じ割合でサンプリングすることができ、観測領域の歪を抑えることができる。
【００４７】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る観測器の制御装置について説明する。この発明の実施の形態６に係る観測器の制御装置の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００４８】
複数の代表的な観測目標点に対しては、それぞれの観測時刻における速度Ｖｉの比が、フットプリントＬｉの比に一致するように、またそれぞれの観測時刻における加速度Ａｉの比が、フットプリントの時間変化率ｄＬｉの比に一致するように、すなわち、ｎ（自然数：代表的な観測目標点の数）個の観測目標点に対し、以下のようになるように、距離ｒと回転角ｑの時間多項式に境界条件を加える。
【００４９】
Ｖ１：Ｖ２：．．．：Ｖｎ＝Ｌ１：Ｌ２：．．．：Ｌｎ
Ａ１：Ａ２：．．．：Ａｎ＝ｄＬ１：ｄＬ２：．．．：ｄＬｎ
【００５０】
また、必要であれば、検出器７のサンプリング周期をＬｉ／Ｖｉ(上式によりｉによらない値となる)に設定する。
【００５１】
このように目標点運動を構成することで、上記実施の形態５と同様の効果をもたらすことができる。
【００５２】
すなわち、上記実施の形態４における距離ｒと回転角ｑの時間多項式に対する境界条件に、代表的な観測目標点の観測時刻における地表面速度ＶｉとフットプリントＬｉの比が一致し、地表面加速度Ａｉとフットプリントの時間変化率ｄＬｉの比が一致するような条件を加えることが特徴である。このように構成することで、複数の目標点を観測する場合にもフットプリントに対して同じ割合でサンプリングすることができ、観測領域の歪を抑えることができる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明に係る観測器の制御装置は、以上説明したとおり、目標点運動生成部３と姿勢指令値演算部６を設けたことにより、観測器１の姿勢運動が目標点の運動から自動的に生成することができるため、観測器１の制御装置に与える指令情報は少なくてもよく、また観測目標点の変更にも柔軟に対処できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る観測器の制御装置の観測条件演算部の動作を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態５に係る観測器の制御装置の目標点運動生成部の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１観測器、２姿勢制御演算部、３目標点運動生成部、４目標点方向生成部、５観測条件演算部、６姿勢指令値演算部、７検出器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides an observation device that is mounted on a flying object such as an artificial satellite or an aircraft and that observes a ground surface or the like from the sky. The present invention relates to an observer control device that controls the attitude of an observer so as to face the direction.
[0002]
[Prior art]
In the conventional attitude control method for artificial satellites, in order to remove the image geometric distortion of the image acquisition device mounted on the satellite, the satellite is equipped with a function for detecting the position of the satellite relative to the earth coordinates, and the ground traveling axis and the axis direction of the satellite are determined. The satellite is equipped with a yaw control function for matching (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Further, in the conventional image capturing method, the command values of the horizontal direction and the vertical direction ground speed of the observation target point are set as follows according to the ground surface projection size P of the detector of the observer and the sampling period Ti of the detector. And control the attitude of the observer to satisfy it.
Lateral ground speed = ± m / (m ² + l ² ) × Vref
Longitudinal ground speed = ± l / (m ² + l ² ) × Vref
Here, Vref = P / Ti, and m and l are integers (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-291199 (first page, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP 2000-515982 A (1st page-2nd page, FIG. 3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional attitude control method for an artificial satellite as described above, the velocity vector at the point directly below the observation device mounted on the artificial satellite and the ground velocity vector at the target point observed by the observation device differ depending on the influence of the rotation of the earth. In this case, by controlling the body axis of the satellite so as to be parallel to the ground speed vector of the target point, the region observed by the observer can be taken as a rectangular region parallel to the ground speed vector. However, such imaging is possible only when the observation area of the observer is directly under the observer, and there is a problem that it is not possible to cope with changing the position of the target point or the ground speed. It was.
[0006]
Further, in the conventional image capturing method as described above, in order to realize the ground speed of the desired observation target point, the attitude angle and the angular velocity set value corresponding to the observer are calculated on the ground and transmitted to the observer. . And the command value of the actuator for implement | achieving them in a mounted computer is calculated. However, the motion of the attitude angle for realizing the ground speed of the target observation point is generally dependent on time, and there is a problem that the amount of commands transmitted to the observer increases.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to determine the attitude angle command value of the observer from the movement of the target point (time change of the position of the target point and the ground speed) and the observation conditions. And the observer's attitude angular velocity command value using those time differential values, and an observer control device that can perform observations that match both the movement of the target point and the observation conditions. To get.
[0008]
In addition, if the movement of the target point is a simple movement, the position of the target point and the ground speed can be expressed with a small number of parameters, so if only those parameters are transmitted to the observer, the position of the target point is momentarily. Even when the ground speed changes, an observer control device is obtained that makes it possible to perform desired observations with the observer pointing toward the target point.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The control device for an observer according to the present invention includes a target point motion generation unit that generates a position, velocity, and acceleration of the target point on the earth surface based on the position and observation time of a representative target point observed by the observer. A target point direction generation unit that generates a direction of the target point based on the position of the target point generated by the target point motion generation unit and the position of the observer, and the target point motion generation unit An observation condition calculation unit that calculates an observation condition for the attitude of the observer based on the velocity of the target point, the speed and acceleration of the target point generated by the target point motion generation unit, and the target point direction generation unit The attitude angle command value and attitude angular velocity command of the observer based on the direction of the target point generated by the observation condition, the observation condition calculated by the observation condition calculator, and the position and velocity of the observer The attitude command value calculation unit for calculating the attitude angle and the attitude angular velocity of the observer so that the attitude angle command value and the attitude angular velocity command value calculated by the attitude command value calculation unit are equal to the attitude An attitude control calculation unit that outputs control torque is provided.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an observer control device according to Embodiment 1 of the present invention. In addition, in each figure, the same code | symbol shows the same or equivalent part.
[0011]
In FIG. 1, the control device includes an attitude control calculation unit 2, a target point motion generation unit 3, a target point direction generation unit 4, an observation condition calculation unit 5, and an attitude command value calculation unit 6. These attitude control calculation unit 2, target point motion generation unit 3, target point direction generation unit 4, observation condition calculation unit 5, and attitude command value calculation unit 6 are mounted on a flying object such as an artificial satellite or an aircraft. It consists of software that runs a computer.
[0012]
The attitude control calculation unit 2 performs calculations necessary for attitude control of the observer 1. Further, the target point motion generation unit 3 determines the motion of the target point (the point where the optical axis of the observer 1 intersects the earth surface) observed by the observer 1. The target point direction generation unit 4 determines the direction of the target point as viewed from the observer 1 based on the position of the target point and the position of the observer 1. The observation condition calculation unit 5 obtains a relationship that the attitude of the observation device 1 should satisfy from the relationship between the motion (velocity) of the target point and the region observed by the observation device 1. The attitude command value calculation unit 6 obtains the attitude angle and attitude angular velocity of the observer 1 from the observation conditions to be satisfied by the direction of the target point, the attitude of the observer 1, the speed and acceleration of the target point.
[0013]
Next, the operation of the control device for the observer according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
[0014]
The target point motion generation unit 3 gives temporal changes in the position, velocity, and acceleration of the observation target point on the earth surface of the observation device 1 from the position of the representative observation target point and the observation time. For example, the magnitude and direction of the velocity vector on the earth surface are fixed, and the time change of the position on the earth surface is given in the form of the time integration.
[0015]
The target point direction generator 4 outputs the target point from the observer 1 so that the target point is on the optical axis of the observer 1 from the position of the target point that is the output of the target point motion generator 3 and the position of the observer 1. Find the angle you want to see.
[0016]
Observer 1 has three degrees of freedom, but the degree of freedom necessary to orient the optical axis of observer 1 in the direction of the target point is two degrees of freedom. Otherwise, the attitude of the observer 1 is not uniquely determined. The constraint condition (observation condition) for this purpose is determined by the observation condition calculation unit 5. Most simply, the attitude of the observer 1 is uniquely determined by setting the attitude angle around the optical axis of the observer 1. .
[0017]
The speed and acceleration of the target point that is the output of the target point motion generation unit 3, the direction of the optical axis of the observer 1 that is the output of the target point direction generation unit 4, and the observation device 1 that is the output of the observation condition calculation unit 5 Any of the constraint conditions for the posture is input to the posture command value calculation unit 6. In this attitude command value calculation unit 6, a command of attitude motion (attitude angle and attitude angular velocity) of the observer 1 is obtained from these inputs and the position and velocity of the observer 1 so that the observation target point performs a predetermined movement. Find the value.
[0018]
The attitude control calculator 2 performs feedback control so that the attitude angle and attitude angular velocity of the observer 1 are equal to the attitude movement command value output from the attitude command value calculator 6, and the attitude control actuator of the observer 1. Output attitude control torque. By the action of this control system, the attitude angle and attitude angular velocity of the observation device 1 become substantially equal to the command values, and the movement of the observation target point set by the target point movement generation unit 3 is realized.
[0019]
In this way, the target point motion generation unit 3 gives a motion of the observation target point on the earth surface, and then the target point direction generation unit 4, the observation condition calculation unit 5, and the attitude command value calculation unit 6 perform the attitude of the observer 1. Since the motion command value is obtained, the target point motion generation unit 3 simply gives the position of the representative observation target point and the observation time, and each time corresponding to both the motion of the target point and the observation conditions. There is an effect that the command value of the posture movement of the observation device 1 at can be obtained. Furthermore, it becomes possible to flexibly deal with additions and changes of observation target points, leading to improvement in observation efficiency of the observation device 1.
[0020]
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the observation condition calculation unit of the control device for an observer according to Embodiment 1 of the present invention.
[0021]
The observer 1 has a horizontally long detector 7 as shown in FIG. 2, and the detector 7 sequentially detects as the observer 1 translates, resulting in the width and observation time of the detector 7. Two-dimensional observation of a wide area is performed. Therefore, the longitudinal axis of the detector 7 and the traveling direction of the observation device 1 are usually made almost orthogonal. However, since the ground velocity vector of the observation target point is given, the observation condition calculation unit 5 derives a more rational condition for the attitude of the observer 1.
[0022]
Now, as shown in FIG. 2, the coordinate axis fixed to the observer 1 is taken so that the longitudinal direction of the detector 7 is the y-axis and the optical axis direction of the observer 1 is the z-axis. The x axis is determined so that the three axes of xyz form an orthogonal right-handed system. A vector orthogonal to the ground velocity vector of the observation target point is taken on the ground surface, and the observation condition calculation unit 5 sets a constraint condition for the attitude of the observer 1 so that this vector and the x axis of the observer 1 are orthogonal. .
[0023]
When the constraint condition is determined in this way, the projection of the detector 7 on the ground surface in the longitudinal direction is always orthogonal to the ground velocity vector of the observation target point, and when a wide area corresponding to the observation time is observed. The observed area is almost rectangular on the ground surface. Accordingly, it is easy to collate with a map, and it is convenient because a rectangular region can be observed even when a certain region is observed all over.
[0024]
That is, in a control device that controls the attitude of an observer that observes a wide area using the translational motion of the observer itself, a target point motion generation unit 3 that generates motion of a target point observed by the observer 1, A feature is that an observation condition calculation unit 5 for setting a constraint condition for the posture of the observer 1 and a posture command value calculation unit 6 for obtaining the posture command value of the observer 1 from the movement of the target point are provided. Since the target point motion generation unit 3 and the posture command value calculation unit 6 are provided in this manner, the posture motion of the observer 1 can be automatically generated from the motion of the target point. There is less command information given to, and it can flexibly cope with changes in observation target points.
[0025]
In the observation condition calculation unit 5, the ground velocity vector of the observation target point and the vector orthogonal to the ground surface, and the direction orthogonal to both the optical axis direction of the observation device 1 and the longitudinal direction of the detector 7 are determined. It is characterized by being orthogonal. With this configuration, the information obtained by the detector 7 of the observation device 1 can always be orthogonal to the ground velocity vector of the observation target point, and information on a wide area can be obtained using the translational motion of the observation device 1. Since the information on the rectangular area on the ground surface can be obtained, it is easy to collate with the map and improve the observation efficiency.
[0026]
Embodiment 2. FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the control device for an observer according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment.
[0027]
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the observation condition calculation unit of the control device for an observer according to Embodiment 2 of the present invention.
[0028]
In the second embodiment, the observation condition calculation unit 5 sets a constraint condition for the attitude of the observer 1 so that the ground speed vector of the observation target point and the longitudinal direction of the detector 7 are orthogonal to each other.
[0029]
When the constraint condition is determined in this way, the projection of the short side of the detector 7 (which is parallel to the x-axis in FIG. 3) onto the ground surface is always parallel to the ground velocity vector of the observation target point. When the observation time interval is made dense, it becomes possible to observe with a partial overlap in some areas. If the observation can be performed in such an overlapping manner, the signal / noise ratio of the observation can be improved by the integration effect.
[0030]
That is, the observation condition calculation unit 5 is characterized in that the ground velocity vector of the observation target point and the longitudinal direction of the detector 7 are orthogonally crossed. By configuring in this way, the projection of the short side of the detector 7 of the observation device 1 onto the ground surface can be made parallel to the ground velocity vector of the observation target point, and the translational motion of the observation device 1 can be reduced. When using a wide area to obtain information, the area can be expanded while always overlapping and observing the same area, so that the signal / noise ratio of the observer 1 can be improved.
[0031]
Embodiment 3 FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the control device for an observer according to the third embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment.
[0032]
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the target point motion generation unit of the control device for an observer according to Embodiment 3 of the present invention.
[0033]
In the target point motion generation unit 3, the position of the representative observation target point and the target value of the ground speed are given, and in the plane passing through the center of the earth determined by these, as shown in FIG. It is expressed as a time polynomial of the distance r from the center and the rotation angle q. As boundary conditions of the time polynomial of the distance r and the rotation angle q, the position r of the representative observation target point, the distance r corresponding to the ground speed target value, and the value of the time derivative thereof at the observation time Given a polynomial coefficient.
[0034]
By configuring the target point motion generation unit 3 in this way, the motion of the target point is generated as a simple time polynomial only by giving the position and ground speed vector of the representative target point at the observation time, and the number of commands is small. A desirable observation can be made.
[0035]
That is, in the target point motion generation unit 3, the direction and magnitude of the ground speed vector of the observation target point are arbitrarily given, and the target point position is expressed in polar coordinates in the plane determined thereby, and the radial direction distance r and rotation Represented by the angle q. At this time, each of the distance r and the rotation angle q is given as a time polynomial, and the polynomial is set so as to satisfy the boundary condition that the position and the velocity coincide with the target value at the observation time of the representative observation target point. It is a feature to give a coefficient of. By configuring in this way, since the motion of the observation target point on the ground surface is represented by a simple time polynomial, it is possible to perform a desired observation only by giving a small amount of command information to the target point motion generation unit 3. .
[0036]
Embodiment 4 FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described. The configuration of the control device for an observer according to Embodiment 4 of the present invention is the same as that of Embodiment 1 above.
[0037]
When a plurality of representative observation target points are given, boundary conditions are similarly given to the time polynomials of the distance r and the rotation angle q at the observation times of all the representative target points, and time polynomials satisfying these are given. The distance r and the rotation angle q are obtained.
[0038]
With this configuration, a target point motion that smoothly connects representative observation target points can be generated, and the change in the attitude of the observer 1 between the target points is reduced, so that more efficient observation can be performed. Can be done.
[0039]
That is, when a plurality of representative observation target points are given and they are continuously observed, the boundary condition is given to the time polynomial for the distance r and the rotation angle q at each observation time. It is. By configuring in this way, even when observing a plurality of target points, it is possible to generate a target point motion that smoothly connects the target points, and there is little change in the attitude of the observer 1 between the target points. The observation efficiency is improved.
[0040]
Embodiment 5 FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the control device for an observer according to the fifth embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment.
[0041]
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the target point motion generation unit of the observation apparatus control apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
[0042]
In the target point motion generation unit 3, as a boundary condition of the time polynomial of the distance r and the rotation angle q, the ratio of the velocity V and acceleration A at the representative observation target point is the projection of the detector 7 onto the ground surface. A condition is added so that the length (footprint) L in the direction of travel of the target point is equal to the ratio of the time change rate dL, that is, A / V = dL / L.
[0043]
The same applies when a plurality of representative observation target points are given. If necessary, the sampling period of the detector 7 is set to L / V. Different sampling periods may be used for a plurality of target points.
[0044]
By configuring the target point motion in this way, as shown in FIG. 5, the ground surface speed of the target point can be changed according to the change of the footprint. Even when changing, sampling is always performed at the same ratio to the footprint, and distortion in the observation area can be suppressed.
[0045]
In addition, by providing the sampling cycle of the detector 7 according to the footprint as described above, the distance between the footprint and the target point for each sampling cycle can be always matched. For example, when a plurality of detectors 7 are arranged in the observation device 1 and the same region is observed a plurality of times using the translational motion of the observation device 1, the observation regions for each sampling period are the same in the detection devices 7 in the plurality of rows. The signal / noise ratio of the observer 1 can be improved by the integration effect.
[0046]
That is, in the boundary conditions for the time polynomial of the distance r and the rotation angle q in the third embodiment or the fourth embodiment, the ratio between the ground surface speed and the acceleration at the representative observation target point is the representative target point. It is characterized in that a condition is set so as to be equal to the ratio between the length (footprint) of the target point traveling direction of the projection of the detector 7 on the ground surface at the time of observation and its time change rate. With this configuration, even when the footprint changes with time due to the movement of the observer 1, sampling can always be performed at the same rate with respect to the footprint, and distortion in the observation region can be suppressed.
[0047]
Embodiment 6 FIG.
An observer control apparatus according to Embodiment 6 of the present invention will be described. The configuration of the control device for an observer according to the sixth embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment.
[0048]
For a plurality of representative observation target points, the ratio of the speed Vi at each observation time matches the ratio of the footprint Li, and the ratio of the acceleration Ai at each observation time is The distance r and the rotation angle q are set so as to correspond to the ratio of the time change rate dLi, that is, for n (natural number: number of representative observation target points) observation target points as follows. Add boundary conditions to the time polynomial.
[0049]
V1: V2:. . . : Vn = L1: L2:. . . : Ln
A1: A2:. . . : An = dL1: dL2:. . . : DLn
[0050]
Further, if necessary, the sampling period of the detector 7 is set to Li / Vi (a value that does not depend on i by the above equation).
[0051]
By configuring the target point motion in this way, the same effect as in the fifth embodiment can be obtained.
[0052]
That is, the ratio of the ground surface speed Vi and the footprint Li at the observation time of the representative observation target point coincides with the boundary condition for the time polynomial of the distance r and the rotation angle q in the fourth embodiment, and the ground surface acceleration Ai. The feature is that a condition is set such that the ratio of the time change rate dLi of the footprint and the footprint matches. With this configuration, even when a plurality of target points are observed, sampling can be performed at the same rate with respect to the footprint, and distortion in the observation region can be suppressed.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, the control device for an observer according to the present invention is provided with the target point motion generation unit 3 and the posture command value calculation unit 6 so that the posture motion of the observer 1 is automatically determined from the motion of the target point. Since it can be generated, the command information given to the control device of the observation device 1 may be small, and it is possible to flexibly cope with the change of the observation target point.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an observer control device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation of an observation condition calculation unit of the observation apparatus control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of an observation condition calculation unit of an observation apparatus control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of a target point motion generation unit of an observation apparatus control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention;
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of a target point motion generation unit of an observer control device according to Embodiment 5 of the present invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 observer, 2 attitude | position control calculating part, 3 target point motion production | generation part, 4 target point direction production | generation part, 5 observation condition operation part, 6 attitude command value calculating part, 7 detector.

Claims

A target point motion generator for generating the position, velocity and acceleration of the target point on the earth surface based on the position and observation time of a representative target point observed by an observer;
A target point direction generation unit that generates a direction of the target point based on the position of the target point and the position of the observer generated by the target point motion generation unit;
An observation condition calculation unit that calculates an observation condition for the attitude of the observer based on the speed of the target point generated by the target point motion generation unit;
The speed and acceleration of the target point generated by the target point motion generation unit, the direction of the target point generated by the target point direction generation unit, the observation condition calculated by the observation condition calculation unit, and the observer The attitude command value calculation unit that calculates the attitude angle command value and attitude angular velocity command value of the observer based on the position and velocity of the observer, and the attitude angle and attitude angular velocity of the observer were calculated by the attitude command value calculation unit. An observer control apparatus comprising: an attitude control calculation unit that outputs an attitude control torque to the observer so as to be equal to an attitude angle command value and an attitude angular velocity command value.

The observation condition calculation unit is
The ground velocity vector of the target point and the vector orthogonal to the ground surface, and the direction perpendicular to both the optical axis direction of the observer and the longitudinal direction of the detector provided in the observer are orthogonal to each other. The observation control apparatus according to claim 1, wherein the observation condition is calculated.

The observation condition calculation unit is
2. The observer control device according to claim 1, wherein the observation condition is calculated so that a ground velocity vector of the target point and a longitudinal direction of a detector provided in the observer are orthogonal to each other. .

The target point motion generation unit
In the plane passing through the center of the earth determined by the position of the target point and the ground speed, the trajectory of the target point is represented by a distance from the earth center and a rotation angle, and each of the distance and the rotation angle Is independently expressed as a time polynomial, and as the boundary condition of the time polynomial, the position of the target point, the distance and rotation angle corresponding to the target value of the ground speed, and the value of the time derivative thereof are given at the observation time, observation instrument control device according to claim 1, wherein the asking you to factor time polynomial.

The target point motion generation unit
When a plurality of the target points are given, the boundary condition is given to the time polynomial of the distance and the rotation angle at the observation time of all the target points, and the distance and the rotation angle are obtained as a time polynomial that satisfies them. The control device for an observer according to claim 4.

The target point motion generation unit
As a boundary condition for the time polynomial of the distance and the rotation angle, the ratio of the velocity and acceleration at the target point is the target point traveling direction length and time of the projection on the ground surface of the detector provided in the observer. 6. The control apparatus for an observer according to claim 4, wherein a condition is added so as to be equal to the ratio with the rate of change.

The target point motion generation unit
As a boundary condition for the time polynomial of the distance and the rotation angle, for the plurality of target points, the ratio of the speed at each observation time is the target of projection onto the ground surface of the detector provided in the observer. A condition that matches the ratio of the lengths in the direction of travel of the points, and a condition that the ratio of the accelerations at the respective observation times matches the ratio of the rate of change in the length of the direction of travel of the target points. The control device for an observer according to claim 5.