JP5558413B2

JP5558413B2 - 人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法

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Publication number: JP5558413B2
Application number: JP2011109136A
Authority: JP
Inventors: 岳也島; 克彦山田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: JP2012240433A

Description

本発明は、人工衛星に搭載した複数のセンサにより取得したセンサデータを用いて、オフライン処理により人工衛星の姿勢を決定する、人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法に関するものである。

アンテナや観測センサ等、人工衛星に搭載したミッション機器を目標方向に指向させた場合に、その指向している点（指向点）の位置を知るためには、人工衛星の姿勢情報が必要となる。この人工衛星の姿勢の推定は、一般に「人工衛星の姿勢決定」と呼ばれ、人工衛星に搭載した姿勢センサ、角速度センサ等を用いた信号処理により行われる。また、この信号処理により決定された姿勢は、一般に「姿勢決定値」と呼ばれる。

姿勢決定値は、人工衛星の姿勢制御を行う際に必要になるとともに、ミッション機器で取得した情報に対して種々の地上処理を行う際にも必要となる。例えば、人工衛星に搭載した観測センサで撮像した画像を地図上にマッピングする場合を考える。このマッピングには、観測センサの指向点の地図上での位置が必要である。これを求めるために、撮像時刻における観測センサの指向方向が必要となるが、この指向方向は、人工衛星の姿勢決定値を用いて求められる。従って、高精度なマッピングのためには、高精度な姿勢決定値が必要となる。

従来、人工衛星には、姿勢決定用のセンサとして、地球センサやスターセンサ等の姿勢センサと、慣性基準装置等の角速度センサとが搭載されてきた。前者の姿勢センサの観測帯域は、通常、直流から１Ｈｚ程度までの低周波成分に限られている。また、後者の角速度センサの観測帯域は、通常、直流から１０Ｈｚ程度までの低周波成分に限られている。

従来の人工衛星の姿勢決定装置では、これらのセンサデータを用いた信号処理（通常は、カルマンフィルタや拡張カルマンフィルタが用いられる）により、姿勢決定値が求められてきた（例えば、非特許文献１参照）。

そして、従来の人工衛星の姿勢決定装置により姿勢決定可能な姿勢変動の周波数帯域は、搭載した角速度センサの観測帯域で決まり、直流から１０Ｈｚ程度までの低周波成分に限られる。従来の人工衛星では、例えば、観測センサで撮像した画像分解能に対する要求が比較的緩やかであったため、このような低周波成分のみ決定できる姿勢決定装置でも、大きな問題とならなかった。

しかしながら、近年の画像分解能要求の飛躍的な高まりを背景として、これまで姿勢決定の対象としていなかった衛星姿勢変動の高周波成分の影響が顕在化してきた。そして、姿勢決定装置が衛星姿勢変動の高周波成分を決定できない場合には、最終的な画像プロダクトにおける画像歪みが残り、これがプロダクト品質低下につながる。

このような背景を受け、人工衛星の姿勢決定装置においても、従来の姿勢決定装置の姿勢決定帯域を越える広帯域の姿勢決定装置が求められている。しかしながら、広帯域の姿勢決定装置を構成する際に問題となるのは、広い観測帯域をもち、かつ宇宙空間で利用可能な単独の角速度センサが、現状、存在しないことである。

そこで、異なる観測帯域をもつ複数のセンサを組み合わせた信号処理により広帯域の姿勢決定値を求める従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、姿勢決定のために、恒星センサ（スターセンサ）と、慣性基準装置と、高周波センサとを衛星に搭載し、ローパスフィルタとフィードバック型姿勢検出フィルタを備えて、広帯域の姿勢決定値を求めている。

特許第２９６５０３９号公報

二宮他、天文観測用科学衛星の姿勢決定系におけるカルマンフィルタ、宇宙科学研究所報告、第１０２号（１９９９）、ｐｐ．４−６０

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
前述したように、姿勢決定装置により姿勢決定可能な姿勢変動の周波数帯域は、搭載した角速度センサの観測帯域で決まる。広帯域姿勢決定のためには、先ず、角速度の観測帯域を直流から高周波までの広帯域に拡大することが必要である。前術したように、広観測帯域をもつ単独の角速度センサは存在しないため、慣性基準装置等の低周波角速度センサに加え、高周波角速度センサを組み合わせることになる。

さらに、広帯域姿勢決定に加え、高精度姿勢決定のためには、低周波角速度センサと高周波角速度センサの組み合わせによる角速度の観測特性が、姿勢決定対象の周波数区間内（直流から高周波まで）において平坦なゲイン特性と位相特性をもち、ゲイン特性は１、位相特性は零を保持することが望ましい。

逆に、低周波角速度センサと高周波角速度センサの組み合わせにより、ゲイン特性や位相特性が歪むと（ゲイン特性が１から隔たったり、位相特性が零から隔たったりする場合に相当）、それは角速度の観測誤差となるため、姿勢決定精度の低下を招く。

上述した特許文献１では、その図４に示されているように、高周波センサとローパスフィルタとフィードバック型姿勢検出フィルタとを使用して、平坦なゲイン特性を実現している。しかしながら、上述したように、高精度姿勢決定のためには、ゲイン特性に加えて、位相特性も重要である。すなわち、平坦なゲイン特性が実現されたとしても、位相特性が零から隔たっていると、姿勢決定誤差が生じ、問題である。

このような観点において、特許文献１では、実現される位相特性については特に考慮されておらず、実現される姿勢決定精度に問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、人工衛星に搭載した複数のセンサデータを用いたオフライン処理により、直流から高周波にわたって、広帯域かつ高精度に姿勢決定を行うことのできる人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法を得ることを目的とする。

本発明に係る人工衛星の姿勢決定装置は、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を姿勢観測値として観測する姿勢センサと、人工衛星の直流から低周波成分までの角速度を低周波角速度観測値として観測する低周波角速度センサと、人工衛星の低周波から高周波成分までの角速度を高周波角速度観測値として観測する高周波角速度センサとが搭載された人工衛星から、各センサの観測データを取得し、人工衛星の姿勢決定値を出力する人工衛星の姿勢決定装置であって、姿勢センサによる姿勢観測値と、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値を用いて、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を低周波姿勢決定値として求める低周波姿勢決定部と、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値と、高周波角速度センサによる高周波角速度観測値とをミキシングして、人工衛星の直流から高周波成分までの角速度を広帯域角速度として求める相補フィルタ部と、低周波姿勢決定部で求めた低周波姿勢決定値と、相補フィルタ部で求めた広帯域角速度とを用いて、人工衛星の直流から高周波成分までの姿勢変動を広帯域姿勢決定値として求める広帯域姿勢決定部とを備え、相補フィルタ部は、広帯域角速度の伝達特性が、ゲイン特性としてはローパス特性を有し、位相特性としては零位相特性を有し、ローパス特性の遮断周波数を、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値の観測帯域と、高周波角速度センサによる高周波角速度観測値の観測帯域とを包含する直流から高周波までの周波数区間内に設定することで、広帯域角速度を求めるものである。

また、本発明に係る人工衛星の姿勢決定方法は、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を姿勢観測値として観測する姿勢センサと、人工衛星の直流から低周波成分までの角速度を低周波角速度観測値として観測する低周波角速度センサと、人工衛星の低周波から高周波成分までの角速度を高周波角速度観測値として観測する高周波角速度センサとが搭載された人工衛星から、各センサの観測データを取得し、人工衛星の姿勢決定値を算出する人工衛星の姿勢決定方法であって、姿勢センサによる姿勢観測値と、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値を用いて、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を低周波姿勢決定値として求める第１ステップと、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値と、高周波角速度センサによる高周波角速度観測値とをミキシングして、人工衛星の直流から高周波成分までの角速度を広帯域角速度として求める第２ステップと、第１ステップで求めた低周波姿勢決定値と、第２ステップで求めた広帯域角速度とを用いて、人工衛星の直流から高周波成分までの姿勢変動を広帯域姿勢決定値として求める第３ステップとを備え、第２ステップは、広帯域角速度の伝達特性が、ゲイン特性としてはローパス特性を有し、位相特性としては零位相特性を有し、ローパス特性の遮断周波数を、低周波角速度センサによる低周波角速度観測値の観測帯域と、高周波角速度センサによる高周波角速度観測値の観測帯域とを包含する直流から高周波までの周波数区間内に設定することで、広帯域角速度を求めるものである。

本発明に係る人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法によれば、低周波角速度観測値と高周波角速度観測値をミキシングする相補フィルタ部を有し、姿勢決定の対象区間内の周波数域において、平坦なゲイン特性と位相特性を有するように相補フィルタ部の出力する角速度の伝達特性を設計することにより、人工衛星に搭載した複数のセンサデータを用いたオフライン処理により、直流から高周波にわたって、広帯域かつ高精度に姿勢決定を行うことのできる人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における人工衛星の姿勢決定装置の構成を示す全体ブロック図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における姿勢センサの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波角速度センサの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における高周波角速度センサの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置におけるアンチエリアスフィルタの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部の周波数重みＷ_ＩＲＵとＷ_ＡＲＳの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部により実現される角速度観測特性（ゲインと位相）と、低周波角速度センサにより実現される角速度観測特性（ゲインと位相）との比較を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波姿勢決定部の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における広帯域姿勢決定部の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置と、従来の人工衛星の姿勢決定装置のそれぞれにおける伝達特性（ゲインと位相）の比較を示す図である。本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置と、従来の人工衛星の姿勢決定装置のそれぞれにおける姿勢決定値と姿勢決定誤差の比較の一例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波姿勢決定部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の人工衛星の姿勢決定装置および人工衛星の姿勢決定方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における人工衛星の姿勢決定装置の構成を示す全体ブロック図である。本実施の形態１における人工衛星の姿勢決定装置は、姿勢センサ１、低周波角速度センサ２、高周波角速度センサ３、アンチエリアスフィルタ４、低周波姿勢決定部５、相補フィルタ部６、および広帯域姿勢決定部７を備えて構成されている。

本発明では、直流から高周波にわたる広帯域での姿勢決定のために、人工衛星には、姿勢センサ１、低周波角速度センサ２に加え、高周波角速度センサ３がさらに搭載されている。姿勢センサ１、低周波角速度センサ２は、従来の人工衛星の姿勢決定装置にも搭載されていたものである。

姿勢センサ１としては、例えば、地球センサやスターセンサが挙げられ、姿勢センサ１による姿勢観測帯域は、通常、直流から１Ｈｚ程度までである。また、低周波角速度センサ２としては、慣性基準装置等が挙げられ、低周波角速度センサ２による角速度観測帯域は、通常、直流から１０Ｈｚ程度までである。

図２は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における姿勢センサ１の伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。また、図３は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波角速度センサ２の伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。

本発明では、広帯域姿勢決定のために、姿勢センサ１および低周波角速度センサ２に加え、高周波角速度センサ３を人工衛星に搭載している。高周波角速度センサ３による角速度観測帯域は、通常、数Ｈｚから数ｋＨｚ程度までである。

図４は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における高周波角速度センサ３の伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。ここでは、一例として、観測帯域が２Ｈｚから１ｋＨｚ程度の高周波角速度センサ３の伝達特性を示している。この高周波角速度センサ３は、直流付近の角速度は観測できないが、低周波角速度センサ２が観測できない高周波の角速度を観測可能である。

高周波の角速度を観測するために、高周波角速度センサ３の出力を高周波でサンプリングすることになる。ここで、この高周波サンプリングによるエリアシング（サンプリング点からもとの信号が正しく再現できなくなる現象）の影響を抑制するために、アンチエリアスフィルタ４を通して高周波角速度センサ３の出力をサンプリングする。結果として、高周波角速度センサ３により、数Ｈｚから数百Ｈｚ程度までの角速度が観測されることになる。

なお、アンチエリアスフィルタ４は、バタワースフィルタやチェビシェフフィルタ等、通常のローパスフィルタを用いることができる。図５は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置におけるアンチエリアスフィルタ４の伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。この図５では、一例として、カットオフ周波数が２３０Ｈｚ程度の４次のバタワース特性でアンチエリアスフィルタ４を構成した場合の、アンチエリアスフィルタ４の伝達特性を示している。

次に、低周波角速度センサ２による角速度観測値と、高周波角速度センサ３による角速度観測値は、相補フィルタ部６においてミキシングされ、直流から数百Ｈｚ程度までの広帯域の角速度が求められる。図６は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部６の構成を示すブロック図である。

ここで、相補フィルタ部６における設計パラメータは、低周波角速度センサによる角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＩＲＵと、高周波角速度センサ３による角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＡＲＳである。これらは、低周波角速度センサ２の伝達特性、高周波角速度センサ３の伝達特性、アンチエリアスフィルタ４の伝達特性を用いて、次のように設計する。

低周波角速度センサ２の伝達特性をＦ_ＩＲＵ、高周波角速度センサ３の伝達特性をＦ_ＡＲＳ、アンチエリアスフィルタ４の伝達特性をＦ_ＡＡで表す。Ｆ_ＩＲＵの周波数特性が前述の図３、Ｆ_ＡＲＳの周波数特性が前述の図４、Ｆ_ＡＡの周波数特性が前述の図５になる。

先ず、低周波角速度センサ２による角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＩＲＵは、下式（１）のように与える。
Ｗ_ＩＲＵ＝Ｆ^＊ _ＩＲＵ（１）

ここで、Ｆ_ＩＲＵの右肩添字の「＊」は、複素共役を示す。このような周波数重みＷ_ＩＲＵを用いることは、低周波角速度センサ２の伝達特性Ｆ_ＩＲＵがもつ位相遅れの影響を補償することに相当する。

低周波角速度センサ２と高周波角速度センサ３は、重複する観測帯域をもつが、低周波角速度センサ２の観測帯域内では、一般に低周波角速度センサ２の方が信頼性は高く、また、伝達特性（ゲイン特性と位相特性）も素直である。

そこで、相補フィルタ部６は、上式（１）の周波数重みＷ_ＩＲＵを用いることで、低周波角速度センサ２の観測帯域内では、低周波角速度センサ２に比重を置いて角速度を求めることになる。

一方、高周波角速度センサ３による角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＡＲＳは、下式（２）のように与える。

ここで、Ｆ_ＬＰはローパス特性をもつ伝達特性で、Ｆ_ＬＰ／Ｆ_ＡＲＳがプロパーな伝達関数となるように定める。先の図４に示した高周波角速度センサ３では、低周波で二次のハイパス特性、高周波で一次のローパス特性をもつので、Ｆ_ＬＰの一例として、二次のローパス特性をもった下式（３）の伝達特性を用いることができる。

ここで、ｓはラプラス演算子、ζは１／√２、ωは高周波角速度センサ３の観測帯域上限（先の図４の場合、２π×１０００ｒａｄ／ｓ程度に相当）に対応する角周波数である。

相補フィルタ部６は、図６に示すように、これらの周波数重みＷ_ＩＲＵと、周波数重みＷ_ＡＲＳを、それぞれ低周波角速度センサ２による角速度観測値と、高周波角速度センサ３による角速度観測値に乗じ、それらの和をとって角速度を出力する。

このとき、相補フィルタ部６から出力される角速度の伝達特性Ｆ_ＭＩＸは、近似的に下式（４）のように求めることができる。

ここで、伝達特性Ｆ_ＡＡとＦ_ＬＰは、どちらもローパス特性をもつが、一般に、Ｆ_ＡＡ（アンチエリアスフィルタ）の帯域の方が、Ｆ_ＬＰ（高周波角速度センサ３の観測帯域から決まる伝達特性）の帯域よりも狭い。このため、相補フィルタ部６から出力される角速度の伝達特性は、Ｆ_ＡＡとほぼ同じ帯域をもち、直流から数１００Ｈｚ程度の周波数成分をもった広帯域角速度が出力されることになる。

図７は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部６の周波数重みＷ_ＩＲＵとＷ_ＡＲＳの伝達特性（ゲインと位相）の一例を示す図である。より具体的には、先の図３、図４、図５の伝達特性を用いて設計した周波数重みＷ_ＩＲＵとＷ_ＡＲＳの伝達特性を示している。

また、図８は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における相補フィルタ部６により実現される角速度観測特性（ゲインと位相）と、低周波角速度センサ２により実現される角速度観測特性（ゲインと位相）との比較を示す図である。この図８において、細線が低周波角速度センサ２の伝達特性を示しており、太線が相補フィルタ部６により実現される角速度の伝達特性を示している。

図８に示すように、本実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置を用いることで、直流から２００Ｈｚ程度までの広帯域にわたって、平坦なゲイン特性と位相特性が実現されているのが分かる。さらに、ゲイン特性は１付近、位相特性は零に保たれていることが分かる。

相補フィルタ部６により角速度を求める一方で、低周波姿勢決定部５では、姿勢センサ１と低周波角速度センサ２の観測データを用いて、衛星姿勢変動の直流から１０Ｈｚ程度までの成分を決定する。

図９は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波姿勢決定部５の構成を示すブロック図である。この図９に示した低周波姿勢決定部５は、低周波角速度センサ２による角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＩＲＵとともに、姿勢伝播処理部５１、および姿勢・ドリフトレート更新処理部５２を備えて構成されている。

低周波姿勢決定部５では、先ず、低周波角速度センサ２による角速度観測値に、周波数重みＷ_ＩＲＵを乗じる。ここで、周波数重みＷ_ＩＲＵは、上式（１）で示されるものであり、低周波角速度センサ２の伝達特性Ｆ_ＩＲＵがもつ位相遅れの影響を補償するものである。

次に、低周波姿勢決定部５内の姿勢伝播処理部５１は、周波数重みＷ_ＩＲＵにより補償された角速度を用いて、姿勢伝播処理（数値積分処理）を行い、姿勢伝播値を得る。

次に、低周波姿勢決定部５は、姿勢伝播処理部５１により得られた姿勢伝播値と、姿勢センサ１による姿勢観測値との偏差を求める。そして、低周波姿勢決定部５内の姿勢・ドリフトレート更新処理部５２は、求めた偏差を用いて、姿勢伝播値と低周波角速度センサ２のドリフトレート推定値を更新し、更新後の姿勢を姿勢決定値として出力する。

なお、ここで得られる姿勢決定値は、直流から１０Ｈｚ程度までの周波数成分を含んだ姿勢決定値となる。また、上述したような低周波姿勢決定部５における一連の処理は、低周波角速度センサ２の伝達特性Ｆ_ＩＲＵがもつ位相遅れの補償を除いて、通常の拡張カルマンフィルタと同じであり、その処理の詳細は、例えば、先の非特許文献１に記載されている。

次に、広帯域姿勢決定部７は、低周波姿勢決定部５から得られる姿勢決定値と、相補フィルタ部６から得られる角速度を用いて、最終的な人工衛星の姿勢決定値を求める。この広帯域姿勢決定部７は、低周波姿勢決定部５と同様に、拡張カルマンフィルタを用いて構成される。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置における広帯域姿勢決定部７の構成を示すブロック図である。この図１０に示した広帯域姿勢決定部７は、姿勢伝播処理部７１、および姿勢・ドリフトレート更新処理部７２を備えて構成されている。

先ず、広帯域姿勢決定部７内の姿勢伝播処理部７１は、相補フィルタ部６で得られた角速度を用いて、姿勢伝播処理（数値積分処理）を行い、姿勢伝播値を得る。次に、広帯域姿勢決定部７は、この姿勢伝播値と、低周波姿勢決定部５から得られた姿勢決定値との偏差を求める。

次に、広帯域姿勢決定部７内の姿勢・ドリフトレート更新処理部７２は、求めた偏差を用いて、姿勢伝播値と相補フィルタ部６の出力する角速度に対するドリフトレート推定値を更新し、更新後の姿勢を、最終的な人工衛星の姿勢決定値として出力する。なお、ここで得られる姿勢決定値は、直流から数１００Ｈｚ程度までの周波数成分を含んだ広帯域姿勢決定値となる。

次に、本発明の人工衛星の姿勢決定装置と、姿勢センサ１と低周波角速度センサ２のみを用いた従来の人工衛星の姿勢決定装置との比較を、図面を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置と、従来の人工衛星の姿勢決定装置のそれぞれにおける伝達特性（ゲインと位相）の比較を示す図である。

この図１１において、細線が従来の人工衛星の姿勢決定装置の伝達特性を示しており、太線が本実施の形態１の人工衛星の姿勢決定装置の伝達特性を示している。図１１に示すように、従来の姿勢決定装置より得られる姿勢決定値は、直流から１０Ｈｚ程度までの周波数成分を含んだ低周波の姿勢決定値となる。また、従来の姿勢決定装置より得られる姿勢決定値は、直流から１０Ｈｚ程度までの姿勢決定帯域内においても、位相特性は零に保たれないため、位相歪みによる姿勢決定誤差が生じる。

一方、本実施の形態１の人工衛星の姿勢決定装置より得られる姿勢決定値は、直流から数１００Ｈｚ程度までの周波数成分を含んだ広帯域の姿勢決定値となる。さらに、本実施の形態１の人工衛星の姿勢決定装置より得られる姿勢決定値は、位相特性も零付近に保持されるため、姿勢決定帯域内（直流から数１００Ｈｚ程度まで）の誤差も小さく抑えられる。

図１２は、本発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢決定装置と、従来の人工衛星の姿勢決定装置のそれぞれにおける姿勢決定値と姿勢決定誤差の比較の一例を示す図である。図１２の上段が姿勢決定値、下段が姿勢決定誤差を示している。ここで、灰色太線が衛星の姿勢変動真値を表している。また、黒細線が従来の人工衛星の姿勢決定装置の結果を示しており、黒太線が本実施の形態１による人工衛星の姿勢決定装置の結果を示している。

従来の人工衛星の姿勢決定装置では、直流から１０Ｈｚ程度までの周波数成分の姿勢変動しか決定できない。このため、衛星姿勢変動に高周波成分が含まれると、それは姿勢決定誤差となって残る。

しかしながら、本実施の形態１による人工衛星の姿勢決定装置では、直流から数１００Ｈｚ程度までの周波数成分の姿勢変動を決定可能なため、姿勢決定誤差がより小さく抑えられていることがわかる。

以上のように、実施の形態１によれば、低周波角速度センサによる角速度観測値と、高周波角速度センサによる角速度観測値をミキシングする相補フィルタ部を備えている。そして、相補フィルタ部から出力される角速度の観測特性は、姿勢決定の対象区間内の周波数域において、平坦なゲイン特性と位相特性をもち、ゲイン特性はローパス特性、位相特性は零を保持するように、各角速度センサの観測値に乗じる周波数重みが設計されている。

ここで、低周波角速度センサと高周波角速度センサは、重複する観測帯域をもつが、低周波角速度センサの観測帯域内では、一般に低周波角速度センサの方が信頼性は高く、また伝達特性（ゲイン特性と位相特性）も素直である。そこで、相補フィルタ部は、低周波角速度センサの観測帯域内では、低周波角速度センサに比重を置いて角速度を求めている。

この結果、従来の低周波角速度センサでは得られない直流から数１００Ｈｚ程度までの周波数成分をもった広帯域の角速度を得ることができる。さらに、相補フィルタ部の出力する角速度の伝達特性は、上述したゲイン特性と位相特性をもつため、角速度の観測誤差が小さく抑えられ、高精度かつ広帯域な角速度が得られる。このようにして、高い信頼性を有する角速度を得ることができる。

さらに、実施の形態１では、相補フィルタ部から得られる角速度と、低周波姿勢決定部から得られる姿勢決定値を用いて、拡張カルマンフィルタにより広帯域姿勢決定部を構成している。これにより、姿勢決定装置の伝達特性は、姿勢決定の対象区間内の周波数域において、平坦なゲイン特性と位相特性をもち、ゲイン特性は１付近、位相特性は零付近に保たれ、広帯域かつ高精度な姿勢決定値を得ることができる。

さらに、低周波姿勢決定部では、低周波角速度センサの伝達特性の位相遅れ補償を行っている。このため、低周波角速度センサの観測帯域内の直流から１０Ｈｚ程度までの周波数域において、高精度な姿勢決定値が得られる。そして、この姿勢決定値を用いて広帯域姿勢決定部を構成したため、低周波姿勢決定部において低周波角速度センサの伝達特性の位相遅れ補償を行わない場合に比べて、直流から１０Ｈｚ程度までの周波数域における姿勢決定精度が向上する。

実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１における図９とは異なる構成を備えた低周波姿勢決定部５について説明する。先の実施の形態１では、低周波姿勢決定部５において、周波数重みＷ_ＩＲＵを用いることで、低周波角速度センサ２の伝達特性Ｆ_ＩＲＵがもつ位相遅れの影響を補償する場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。

図１３は、本発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢決定装置における低周波姿勢決定部５の構成を示すブロック図である。この図１３に示した低周波姿勢決定部５は、姿勢伝播処理部５１、および姿勢・ドリフトレート更新処理部５２を備えて構成されている。先の実施の形態１における図９の構成と比較すると、図１３の構成は、低周波角速度センサ２による角速度観測値に乗じる周波数重みＷ_ＩＲＵを備えていない点が異なっている。

この図１３に示すように、低周波姿勢決定部５は、位相遅れ補償なしの通常の拡張カルマンフィルタで構成することも可能である。あるいは、拡張カルマンフィルタを用いずに、姿勢センサ１の観測値を、そのまま低周波姿勢決定部５の出力とすることも可能である。

このような構成を採用することによっても、広帯域姿勢決定部７において、先の実施の形態１と同じく、直流から数１００Ｈｚ程度までの広帯域の姿勢決定値が得られる特徴は保持したまま、低周波姿勢決定部５における計算負荷を軽減することが可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、低周波姿勢決定部５による計算負荷を軽減した上で、先の実施の形態１と同様に、直流から数１００Ｈｚ程度までの広帯域の姿勢決定値が得られる効果を実現することができる。

１姿勢センサ、２低周波角速度センサ、３高周波角速度センサ、４アンチエリアスフィルタ、５低周波姿勢決定部、６相補フィルタ部、７広帯域姿勢決定部、５１姿勢伝播処理部、５２姿勢・ドリフトレート更新処理部、７１姿勢伝播処理部、７２姿勢・ドリフトレート更新処理部。

Claims

人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を姿勢観測値として観測する姿勢センサと、
人工衛星の直流から低周波成分までの角速度を低周波角速度観測値として観測する低周波角速度センサと、
人工衛星の低周波から高周波成分までの角速度を高周波角速度観測値として観測する高周波角速度センサと
が搭載された人工衛星から、前記各センサの観測データを取得し、前記人工衛星の姿勢決定値を出力する人工衛星の姿勢決定装置であって、
前記姿勢センサによる前記姿勢観測値と、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値を用いて、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を低周波姿勢決定値として求める低周波姿勢決定部と、
前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値と、前記高周波角速度センサによる前記高周波角速度観測値とをミキシングして、人工衛星の直流から高周波成分までの角速度を広帯域角速度として求める相補フィルタ部と、
前記低周波姿勢決定部で求めた前記低周波姿勢決定値と、前記相補フィルタ部で求めた前記広帯域角速度とを用いて、人工衛星の直流から高周波成分までの姿勢変動を広帯域姿勢決定値として求める広帯域姿勢決定部と
を備え、
前記相補フィルタ部は、前記広帯域角速度の伝達特性が、ゲイン特性としてはローパス特性を有し、位相特性としては零位相特性を有し、前記ローパス特性の遮断周波数を、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値の観測帯域と、高周波角速度センサによる前記高周波角速度観測値の観測帯域とを包含する直流から高周波までの周波数区間内に設定することで、前記広帯域角速度を求める
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
請求項１に記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記相補フィルタ部は、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値に対して、前記低周波角速度センサの既知の伝達特性を用いて位相遅れ補償を行い、低周波角速度観測値として位相遅れ補償後の値を用いて前記広帯域角速度を求める
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
請求項１または２に記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記低周波姿勢決定部は、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値に対して、前記低周波角速度センサの既知の伝達特性を用いて位相遅れ補償を行い、低周波角速度観測値として位相遅れ補償後の値を用いて前記低周波姿勢決定値を求める
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
請求項１または２に記載の人工衛星の姿勢決定装置において、
前記低周波姿勢決定部は、前記姿勢観測値と前記低周波角速度観測値とを用いて前記低周波姿勢決定値を求める代わりに、前記姿勢観測値をそのまま前記低周波姿勢決定値として求める
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定装置。
人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を姿勢観測値として観測する姿勢センサと、
人工衛星の直流から低周波成分までの角速度を低周波角速度観測値として観測する低周波角速度センサと、
人工衛星の低周波から高周波成分までの角速度を高周波角速度観測値として観測する高周波角速度センサと
が搭載された人工衛星から、前記各センサの観測データを取得し、前記人工衛星の姿勢決定値を算出する人工衛星の姿勢決定方法であって、
前記姿勢センサによる前記姿勢観測値と、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値を用いて、人工衛星の直流から低周波成分までの姿勢変動を低周波姿勢決定値として求める第１ステップと、
前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値と、前記高周波角速度センサによる前記高周波角速度観測値とをミキシングして、人工衛星の直流から高周波成分までの角速度を広帯域角速度として求める第２ステップと、
前記第１ステップで求めた前記低周波姿勢決定値と、前記第２ステップで求めた前記広帯域角速度とを用いて、人工衛星の直流から高周波成分までの姿勢変動を広帯域姿勢決定値として求める第３ステップと
を備え、
前記第２ステップは、前記広帯域角速度の伝達特性が、ゲイン特性としてはローパス特性を有し、位相特性としては零位相特性を有し、前記ローパス特性の遮断周波数を、前記低周波角速度センサによる前記低周波角速度観測値の観測帯域と、高周波角速度センサによる前記高周波角速度観測値の観測帯域とを包含する直流から高周波までの周波数区間内に設定することで、前記広帯域角速度を求める
ことを特徴とする人工衛星の姿勢決定方法。