JP4271264B2 - オーバサンプル式プッシュブルーム走査を用いた画像取り込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、被観測地域を通って進む電荷結合型ＣＣＤセンサの少なくとも１つのアレイによる「プッシュブルーム」走査によって画像を取り込む方法に関する。
本発明は地球の衛星観測、又は航空機（飛行機、無人機等）からの観測への応用を見出すのに有利である。
出願人は、フランス特許出願ＦＲ ９５ ０９２６３号において、ＣＣＤセンサのアレイ又はマトリックスによって画像を取り込む方法を既に提案している。それによれば、スペクトル・エイリアシングの作用を減衰しながら、オーバサンプリングを実行するようにして、動きの向きにアレイ又はマトリックスが向けられる。
本発明の目的はより精密なサンプリングを行うことを可能にする取り込み方法を提案することである。
そのために、本発明は、Ｖ_ref＝Ｐ／Ｔ_i、Ｐをアレイのフットプリント（解像度）、
Ｔ_iをサンプリング周期、ｍとｊを２つの整数として、アレイの配列された方向と直交する方向の縦方向対地速度及びアレイの配列された方向の横方向対地速度が、

を満たすように、航空機のローリング、ピッチング及びヨーイングの姿勢及び角速度が制御されることを特徴とする、電荷結合型のセンサの少なくとも１つのアレイを搭載している衛星又は航空機からのプッシュブルーム走査による画像取り込み方法を提案するものである。
本発明の他の特徴及び利点は以下の説明から更に明らかになるであろう。この説明は純粋に例示的及び非限定的なものである。その説明は添付図面を参照して読むべきである。
図１は地球に拘束されている座標系に対して動いているＣＣＤアレイの基本概念の線図的表現であって、前記アレイを運んでいる乗り物のローリング角、ピッチング角及びヨーイング角を示すものである。
図２はアレイへの垂線と前記アレイの画像の中心の対地速度との間の角度α _1/m である、前記アレイで得られたサンプリングを示す線図的表現である。
図３及び図４は図２に示す種類の取り込みを行えるようにする本発明の２つの特定の実施例に従う装置手段のブロック図表現である。
図５は発明を実現するために有利なアレイ構成を線図的に表す。
図６はそのような構成での可能な実施例を示す。
図１で、Ｓは取り込みアレイを搭載している衛星を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚはローカル軌道座標系を示す。このローカル軌道座標系の原点がＳであって、衛星の重心に一致する。Ｖ_satはアレイの照準点の絶対速度に対応する速度ベクトル、
Ｖ_gndは地面に対するアレイのこの画像の相対速度に対応する速度ベクトルを示す。
この例では、取り込みアレイ（又は複数のアレイ）は光学装置の焦点面内に、照準鏡を変更したり、変更しなかったりして、従来のやり方で配置されている（計器が照準鏡の変更を有しているとすると、画像取り込み時には照準鏡は静止しており、画像取り込み時に計器全体が衛星に対して回転できるとすると、この計器は画像取り込み時は静止したままである）。
ローリング角、ピッチング角及びヨーイング角をそれぞれφ、θ及びψで示す。
対応する角速度を、
φ’、θ’、ψ’
で示す。
ほとんどの地球観測衛星では、衛星本体はローカル軌道座標系に固定されている。可能な最も広い地域を観測するように、反射鏡系によって照準軸を向けることが可能にされる。
速度ベクトルＶ_gndは、速度ベクトルＶ_satから、地球の自転によって生じる地球の照準点Ｖの速度ベクトルＶ_earth（＝Ω_earth×ベクトルＣＶ）および衛星Ｓの自転による地球の照準点Ｖからみたローカル軌道座標系の原点の速度ベクトルを引いた速度となる。ここで、Ω_earthは、地球の回転の角速度ベクトル、ベクトルＣＶは、地球の中心Ｃを始点とし地球上の照準点Ｖを終点とするベクトルであり、記号「×」はベクトルの外積を示す。
更に詳しくいえば、
Ｖ_gnd＝Ｖ_sat−Ｖ_earth＋Ω×ベクトルＳＶ
であって、Ωは衛星Ｓの絶対角速度で、ベクトルＳＶは、ローカル軌道座標系の原点Ｓを始点とし地球の照準点Ｖを終点とするベクトルである。照準軸が衛星に結び付けられて固定されていると仮定する。
本発明に従って、図２に示すような種類のサンプリングを生ずるように、衛星のローリング角速度、ピッチング角速度及びヨーイング角速度が制御される。アレイへの垂線と、アレイの画像の中心の対地速度との間の角度が
α_j/m＝ｔａｎ^-1ｊ／ｍ、
であるようにそれらの角速度は制御される。アレイの縦方向対地速度と横方向対地速度とは

ここに、Ｐはアレイのフットプリント、Ｔ_iはサンプリング周期、ｍとｊは整数である。図２で、十記号は各サンプリング時刻ｔ＋ｋＴ_iにおける検出器の中心の地面画像を表し、ｋは整数、ｔは与えられたサンプリング時刻である。
特に、ｍ＝１及びｊ＝ｎで、ｎは整数であるとすると、いわゆる「整数スーパーモード」サンプリングが得られる。この場合には検出器の中心の地面画像が、直交する一対のベクトルによって定義される直交格子の格子点上に分布されている。そのようなサンプリングはフットプリント（解像度）とスゥイッシュパン（地上における画像の動き）が減少することが利点である。
一例として、下の表は幾つかの可能な「整数スーパーモード」サンプリングの特徴を与えるものである。

整数スーパーモード型サンプリングが成立しなければ、「分数スーパーモード」サンプリングについて説明する。
この種のサンプリングには数多くの利点がある。
それによって二重アレイを使用することが可能になる。それの技術は衛星による地球観測の需要に特有のものである。したがって、より安価である。
同様に、それの使用の融通性が極めて高い。特に、ある衛星及び光学的観測機器（固定されているか、既に軌道内にあるかの少なくとも一方）に対して、画像の解像力を高くする（適切に処理された後で）画像取り込みをプログラムすることを可能にする。
同様に、衛星の副軌道トラック（又は航空機又は無人機の直接対地トラック）に関して傾斜させられた「画像取り込みストリップ」をプログラムすることを可能にもする。それは横に大きくずらされている画像の準同時取り込みにおいて有利なことがある。
全体的に、それらの「スーパーモード」は既存の、又は開発中の地球観測衛星の解像力及び観測の性能を向上することを可能にする。それらのモードは追加の可能性及びシステム融通性を提供する。
たとえば、１９８６年２月に軌道に載せられた、解像力が１０ｍ×１０ｍであるＳＰＯＴ１では、本発明によって提案されている解決策によって、４．５ｍ×２．２５ｍ（ｊ＝４及びｍ＝２）の、又は２．４ｍ×２．４ｍ（ｊ＝４及びｍ＝１）でのフットプリントで取り込みの実行を可能にする。
一例として、ローリング及びピッチングの角速度（φ’及びθ’）を、ヨーイングを零角度（ψ＝０）にする制約条件を用いて計算できる。それらの角速度は、希望のサンプリングに対応する速度ベクトルＶ_longi及び速度ベクトルＶ_lateralから計算できる。
変形例として、零のヨーイング角で実行されるスーパーモードに対応する値とは異なるアレイの移動角をヨーイングの回転から得ることができる。
一例として、地球を中心とした位置決めの場合には、零のヨーイング角でサンプリングを実行するために図３に示す種類の手段を使用できる。
それらの手段は、たとえば、星追跡器、地球追跡器、ジャイロスコープ又は太陽追跡器で構成される姿勢測定器１を有する。
それらは衛星の搭載されたコンピュータ２も使用する。そのコンピュータは、前記手段によって行われた測定を基にして、衛星の姿勢の評価を行って、ピッチング、ヨーイング及びローリングの角度及び角速度との実際の値を決定する。
たとえば、姿勢角と、角速度との少なくとも一方について指定された値を設定することによって、搭載コンピュータは姿勢アクチュエータ３に加えることを意図した指令を計算する。
アクチュエータ３は、トルクＣ_x、Ｃ_y及びＣ_zが加えられる反作用輪である。それらの輪は衛星の３本の軸に対応する。それらの輪は磁気結合器によって連続的に又は定期的につや消しにしなければならない。
図４は衛星操縦制御の一般的な場合を示す。
希望のサンプリングを実行するために地上セグメントによって計算された姿勢設定及び速度設定（φｃ、θｃ、ψｃ、φｃ’、θｃ’及びψｃ’）から、衛星の誘導のクォータニオン（quaternion）又は絶対角速度の態様における姿勢設定が地上で計算される。従って、姿勢制御は「姿勢輪郭」を衛星にダウンロードした後でそれらの設定を実行する。それらは時間依存クォータニオン又は時間依存衛星絶対角速度設定の形を取る（一般に、それらは時間に依存する多項式である）。
図５に本発明の有利な実現を行えるようにする構成を示す。
この構成に従って、電荷結合型の複数のアレイＢが地球観測計器の焦点面内に鋸歯状パターンで分布されている。それら種々のアレイＢは同一であって、前記焦点面内に平行に配置されている。
衛星は、地上における衛星の速度に対する法線に関するアレイの傾斜が
α_j/m＝ｔａｎ^-1ｊ／ｍ
に等しいようにして姿勢に関して誘導される。ここに、地上速度は３ページに与えられている式を満たし（図５参照）、Ｖ _lateral およびＶ _longi はそれぞれ、アレイＢの配列された方向に平行な方向及び垂直な方向の速度である。
そのような構成では、衛星の姿勢の移動角制御を実行することが必要なだけであり、かつ、おそらく、地球の自転の影響を補償するために弱い自転制御を必要とするだけである。
したがって、実行される取り込みは前の図を参照して説明したものより安価である。
更に、この構成によって取り込み効率を極めて高くすることができる。特に、同じ数の基本検出器に対して、１つの検出器アレイによる場合よりも広い長方形区域の画像を、複数の平行アレイで得ることが可能であることに気が付くであろう。
更に、図６に示すように、この技術によって、アレイを構成するために、集積回路型、すなわち、電子チップのアレイを使用することが可能にされることに気が付くであろう。それは、焦点面内にワンピースアレイ（例えば、ＤＩＶＯＬＩ型の特殊な光学装置を持たない）を焦点面内に配置しなければならない場合には使用することは可能でない。

Claims (4)

1. 電荷結合型のセンサの少なくとも１つのアレイを搭載している衛星又は航空機からのプッシュブルーム走査を用いた画像取り込み方法において、
   Ｖ_ref＝Ｐ／Ｔ_i、Ｐをアレイのフットプリント、Ｔ_iをサンプリング周期、ｍとｊを２つの整数として、アレイの配列された方向と直交する方向の縦方向対地速度及び前記アレイの配列された方向の横方向対地速度が、
   

   

   を満たすように、衛星又は航空機のローリング、ピッチング及びヨーイングの姿勢及び角速度が制御されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、ヨーイングを零角度にする制約条件に基づいて衛星又は航空機の姿勢が制御されることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、ピッチング角及びヨーイング角を制御することによって衛星又は航空機の姿勢が制御されることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、衛星又は航空機は光学装置の焦点面内に鋸歯状パターンで平行に配置されている複数のアレイを備え、地上における衛星又は航空機の速度に対する垂線に対するアレイの傾斜が
   α_j/m＝ｔａｎ^-1ｊ／ｍ
   に等しいようにして衛星又は航空機が誘導されることを特徴とする方法。

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