JP6750913B1 - 宇宙航行体 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信をする宇宙航行体において、宇宙航行体の大型化を防ぎつつも、移動する通信相手の捕捉又は追尾を可能とする。【解決手段】開示の宇宙航行体１０は、前記宇宙航行体１０の姿勢を制御する姿勢制御アクチュエータ８０と、他の宇宙航行体からの光通信信号を受信する撮像装置５０と、前記撮像装置５０によって得られた画像における前記光通信信号の位置に基づいて、前記姿勢制御アクチュエータ８０を制御する姿勢コントローラ７０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、人工衛星などの宇宙航行体に関し、特に光通信をする宇宙航行体に関する。

特許文献１は、衛星間通信にレーザ光を用いることを開示している。特許文献１に記載の人工衛星は、通信相手方からのレーザビームを通信相手方の移動に応じて捕捉し続ける追尾動作をするよう構成されている。特許文献１において、捕捉・追尾動作は、フォトダイオードによってレーザビームの入射方向を検出し、指向制御ミラーを制御することによって行われる。

特開平０８−０７９１８４号公報

通信相手の捕捉等の動作を、指向制御ミラーの制御によって実現する場合、指向制御ミラーを通信相手の移動に応じで動作させる機構を、宇宙航行体に設ける必要があり、宇宙航行体が大型化する。

しかも、宇宙航行体が超小型衛星のような比較的小型の衛星である場合、大きさの制約上、通信相手方追尾のための機構を備えるのが非常に困難なこともある。

したがって、光通信をする宇宙航行体において、宇宙航行体の大型化を防ぎつつも、移動する通信相手の捕捉又は追尾を可能とすることが望まれる。

本開示の一形態において、宇宙航行体は、光通信信号を受信するために撮像された画像における前記光通信信号の位置に基づいて、前記宇宙航行体の姿勢を制御する。更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

図１は、超小型衛星の斜視図である。 図２は、超小型衛星のブロック図である。 図３は、超小型衛星の正面図である。 図４は、衛星間通信を用いた地上局間通信の説明図である。 図５は、衛星の捕捉を説明する画像である。 図６は、衛星間通信手順を示すフローチャートである。

＜１．宇宙航行体の概要＞

（１）実施形態に係る宇宙航行体は、例えば、人工衛星又は惑星間航行体である。人工衛星は、例えば、通信衛星、放送衛星、気象観測衛星、地球観測衛星、測位衛星であるが、その種類は特に限定されない。人工衛星は、商業用途であってもよいし、研究用途であってもよく、その用途は特に限定されない。人工衛星の大きさも、特に限定されないが、小型衛星であってもよいし、超小型衛星であってもよい。ここで、小型衛星とは、重量が５００ｋｇ以下のものとし、超小型衛星とは、重量が１００ｋｇ以下のものとする。超小型衛星は、５０ｋｇ以下であるのが好ましく、１０ｋｇ以下であるのがより好ましく、５ｋｇ以下であるのがさらに好ましい。

超小型衛星は、例えば、１ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよいし、１．５ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよいし、２ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよいし、３ＵのＣｕｂｅＳａｔであってもよい。超小型衛星は、例えば、１ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよいし、１．５ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよいし、２ＰのＰｏｃｋｅｔＳａｔであってもよい。

実施形態に係る宇宙航行体は、宇宙航行体の姿勢を制御する姿勢制御アクチュエータを備える。姿勢制御は、人工衛星のスピンを抑制するデスピン制御、又は、人工衛星を所望の向きに指向させる指向制御を含むことができる。デスピン制御又は指向制御等を確実に行うため、姿勢制御は、３軸姿勢制御であるのが好ましいが２軸姿勢制御であってもよい。３軸姿勢制御とは、人工衛星におけるロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の３軸で姿勢を制御することである。２軸姿勢制御とは、３軸のうちのいずれか２軸を制御することである。

姿勢制御アクチュエータは、宇宙航行体における３軸又は２軸の姿勢制御をする。姿勢制御アクチュエータは、例えば、磁気トルカを有する。磁気トルカは、例えば、３軸磁気トルカである。３軸の姿勢制御は、２軸磁気トルカとその補完する１軸の駆動装置、例えば、モーメンタムホイルの組み合わせで行ってもよい。磁気トルカは、小型であるため、超小型衛星の姿勢制御に適している。姿勢制御アクチュエータは、磁気トルカに限られず、例えば、スラスタであってもよい。スラスタも３軸姿勢制御を行える。また、３軸モーメンタムホイルとの組み合わせでも、３軸の姿勢制御は行える。

実施形態に係る宇宙航行体は、他の宇宙航行体からの光通信信号を受信する撮像装置を備える。宇宙航行体が撮像装置を備えることで、他の宇宙航行体からの光通信信号を受信できる。これにより、宇宙航行体間通信（例えば衛星間通信）が達成される。光通信信号は、例えば、ＬＥＤから出力される。光通信信号は、例えば、可視光信号である。

ＬＥＤから出力される光は、レーザ光に比べて光の放射角が広いため、送信側の宇宙航行体の姿勢制御の精度が低くても、光通信信号を所望の送信先へ送信することができる。また、画像を得る撮像装置は、比較的広い領域を撮像するため、受信側の宇宙航行体の姿勢制御の精度が低くても、所望の送信元からの光通信信号を受信することができる。したがって、ＬＥＤによる光通信信号の送信と、撮像装置による光通信信号の受信と、を組み合わせた場合、姿勢制御の精度が低くても、安定的な通信が可能になる。光通信信号は、ＬＥＤ光に変えて、レーザ光であってもよい。レーザ光源（光送信器）は、放射角が広いレーザ光源、又は放射角が広げる拡散機構を備えたレーザ光源であるのが好ましい。

実施形態に係る宇宙航行体は、姿勢コントローラを備える。姿勢コントローラは、前記撮像装置によって得られた画像における前記光通信信号の位置に基づいて、前記姿勢制御アクチュエータを制御する。このように、撮像装置は、光通信信号の受信に用いられるほか、宇宙航行体の姿勢制御に用いられる画像の取得にも用いられる。姿勢コントローラは、宇宙航行体自体の姿勢を制御することで、光通信信号の捕捉又は追尾を行うことができる。このため、宇宙航行体に備わった姿勢制御アクチュエータを、光通信信号の捕捉又は追尾を機構として用いることができ、光通信信号の捕捉又は追尾のための機構を別途設ける必要がなく、仮に設けても簡素なもので足りる。したがって、宇宙航行体の大型化を防ぎつつも、移動する通信相手の捕捉又は追尾が可能である。

（２）宇宙航行体は、前記宇宙航行体の姿勢を、天体から作用する重力によって、前記天体に対して鉛直方向に安定させるための重力安定システムを更に備えるのが好ましい。

（３）前記宇宙航行体は、第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向と、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と、を有する。前記第１方向は、前記重力安定システムによって、前記天体に対して鉛直方向に向けられ、前記姿勢コントローラは、前記光通信信号が前記撮像装置の視野内に収まる姿勢を前記宇宙航行体がとるように、前記第２方向及び前記第３方向の向きを制御するよう構成されているのが好ましい。

（４）前記撮像装置は、第１画角での撮像と、前記第１画角よりも小さい第２画角での撮像と、が行えるように構成されているのが好ましい。宇宙航行体は、前記第１画角での撮像によって前記光通信信号を受信する第１モードと、前記第２画角での撮像によって前記光通信信号を受信する第２モードと、に切り替える通信コントローラを更に備えるのが好ましい。

（５）前記第１モードは、前記光通信信号を第１通信速度で受信をするモードであり、前記第２モードは、前記光通信信号を、前記第１通信速度よりも速い第２通信速度で受信可能なモードであるのが好ましい。

（６） 前記撮像装置は、前記第１画角を有する第１カメラと、前記第２画角を有する第２カメラと、を備え、前記第２カメラは、前記第１カメラの視野内に存在する視野を有するのが好ましい。

（７）前記撮像装置は、前記宇宙航行体の第１面に設けられた第１撮像部と、前記宇宙航行体における前記第１面の反対面である第２面に設けられた第２撮像部と、を備え、前記第１撮像部及び前記第２撮像部は、それぞれ、前記第１画角を有する第１カメラと、前記第２画角を有する第２カメラと、を備えるのが好ましい。

＜２．宇宙航行体の例＞

図１、図２、及び図３は、宇宙航行体の一例としての超小型衛星１０を示している。実施形態の超小型衛星１０は、地球周回軌道上を周回する。図１及び図３において、衛星１０の軌道に接する方向をＸとし、衛星１０から地球の中心に向かう方向をＺとし、Ｘ及びＺと直交する方向をＹとする。Ｚ方向を地球方向ともいう。

さらに、図１には、衛星１０におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｚ軸は、衛星１０の地球指向面１１ａ及びその反対面１１ｂに直交する軸である。地球指向面１１ａは、衛星１０において、地球に向くべき面である。なお、図１の衛星１０において、後述のブーム１５Ａを除く部分は、立方体形状であり、その表面に、地球指向面１１ａを含む６つの面１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有する。

地球指向面１１ａには、地球の地上局との無線通信のためのアンテナ３０が設けられる。アンテナ３０は、衛星１０に内蔵された無線通信機１００に接続されている。無線通信機１００は、無線周波数の信号を生成し、その信号をアンテナ３０から地上局へ送信する。無線通信機１００は、地上局から送信された信号を受信することもできる。無線通信は、例えば、Ｋｕ帯のような高周波領域が用いられるのが好ましい。なお、ここでは、無線通信は、電波による通信を指し、光通信は含まない。

以下では、ｚ軸をヨー軸ともいい、ｚ軸方向をヨー方向ともいう。ｚ軸（地球指向面１１ａ）が、地球の中心に向いている場合、ｚ軸方向はＺ方向と一致する。ｘ軸は、ｚ軸方向がＺ方向と一致しているときにＸ方向と一致する軸である。ｙ軸は、ｚ軸方向がＺ方向と一致しているときにＹ方向と一致する軸である。ｘ軸をロール軸ともいい、ｘ軸方向をロール方向ともいう。また、ｙ軸をピッチ軸ともいい、ｙ軸方向をピッチ方向ともいう。

図１に示す衛星１０は、例えば、２ＵのＣｕｂｅＳａｔである。実施形態の衛星１０は、重量及び大きさの増大を回避するため、推進装置を有しない。

衛星１０は、地上局との通信のほか、他の衛星との衛星間通信（宇宙航行体間通信）を行うことができる。衛星間通信は、光通信、好ましくは可視光通信により行われる。

実施形態の衛星１０は、通信ネットワークに用いられる。通信ネットワークは、遠隔医療システムのために用いられる。遠隔医療システムは、医師が、遠隔地にいる患者に対して、手術、治療、診断などをするために用いられる。通信ネットワークは、地球周回軌道を投入された複数の衛星１０群によって構成される。複数の衛星１０群は、地上局間通信において、地上局間を中継するために用いられる。複数の衛星１０群は、同一高度の地球周回軌道に位置することができ、例えば、高度５００ｋｍの軌道上にある。各衛星１０間の距離は、例えば、１００ｋｍ程度である。複数の衛星は、同一の軌道面上に存在していてもよいし、異なる軌道面上に存在していてもよい。衛星１０間の距離（通信距離）をほぼ一定に保つ等の目的のため、衛星１０は、推進装置を有していてもよい。推進装置は、小型のものが好ましい。小型の推進装置は、例えば、水推進エンジンである。水推進エンジンは、水を推進剤として用いるエンジンである。水推進エンジンは、そのエンジン内部の真空空間で水を蒸発させ、発生した水蒸気を高速で排出することで、推進力を発生させる。

実施形態に係る衛星１０では、重力安定システム（微重力安定システム）１５と姿勢制御アクチュエータ８０との組み合わせが、衛星１０の姿勢安定化に用いられる。重力安定システム１５は、重力傾斜安定方式によって構造的に衛星１０を安定させる。重力傾斜安定方式は、地球などの天体から衛星１０に作用する重力によって、衛星１０の長手方向が天体に向くように、衛星１０を安定させる方式である。

実施形態の重力安定システム１５は、衛星１０に長手方向を形成する部材を備える。衛星に長手方向を形成する部材は、例えば、地球指向面１１ａの反対面１１ｂに設けられたブーム１５Ａである。ブーム１５Ａの先端１５Ｂには、重りが設けられているのが好ましい。衛星１０は、ブーム１５Ａの先端１５Ｂが、地球方向（Ｚ方向）の反対方向を向くように安定する。なお、ブーム１５Ａは、地球指向面１１ａに設けられていてもよく、その場合、ブーム１５Ａの先端１５Ｂは、地球方向（Ｚ方向）を向く。

重力安定システム１５を備えていることで、地球指向面１１ａに設けられたアンテナ３０を、安定的に地球に向けることができる。したがって、衛星と地上局との間の無線通信に適した衛星１０の姿勢が得られる。

なお、ブーム１５Ａは、衛星１０が軌道へ投入される前は、折り畳まれており、軌道へ投入された後に、伸展するよう構成されているのが好ましい。

重力安定システム１５によって、衛星１０における１軸（ｚ軸）が、地球方向（Ｚ方向）に固定される。衛星１０の残り２軸（ｘ軸及びｙ軸）は、姿勢制御アクチュエータ８０を含む制御系によって制御される。このように、姿勢制御アクチュエータ８０による姿勢制御が、重力安定システム１５を補完することで、衛星１０の姿勢が３次元的に安定する。

衛星１０における３軸のうち、１軸（ｚ軸）は重力安定システム１５によって安定化されるため、姿勢制御アクチュエータ８０は、２軸での姿勢制御をする機構、例えば２軸磁気トルカ、で足りる。ただし、姿勢制御アクチュエータ８０を３軸にすることで、衛星１０の自転を抑制するのが容易になる。

衛星１０は、ｘ軸に直交する第１面１２ａ及び第２面１２ｂと、ｙ軸に直交する第３面１２ｃ及び第４面１２ｄを有する。実施形態では、これら４つの面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのうち、第１面１２ａ及び第２面１２ｂが、他の衛星との間で光通信を行うための通信面になっている。

重力安定システム１５によって形成された衛星１０の長手方向（ブーム１５Ａの長手方向）に直交する面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのいずれかを通信面にすることにより、姿勢制御アクチュエータ８０による姿勢制御が容易になり、原理的には２軸制御で足りる。つまり、姿勢制御アクチュエータ８０は、重力安定システム１５によって地球指向面１１ａ（ｚ軸；第１方向）が地球を向いている状態で、通信面である第１面１２ａ及び第２面１２ｂが、同一軌道上にある他の衛星又は他の軌道上にある他の衛星を捕捉するように、衛星１０のｘ軸（第２方向）及びｙ軸（第３方向）の向きを制御すればよい。なお、第３面１２ｃ及び第４面１２ｄが通信面になってもよい。

衛星１０は、光送信装置２０を備える。光送信装置２０は、他の衛星へ光通信信号を送信する。光送信装置２０は、１又は複数のＬＥＤを有する。図３に示すように、光送信装置２０は、通信面である第１面１２ａに設けられた第１光送信器２１と、通信面である第２面１２ｂに設けられた第２光送信器２２と、を備える。複数の通信面１２ａ，１２ｂに光送信器２１，２２を備えることで、複数の方向へ光通信信号を送信できる。

実施形態において、第１光送信器２１及び第２光送信器２２は、それぞれ、複数のＬＥＤを備える。第１光送信器２１及び第２光送信器２２は、例えば、反射鏡を備えたＬＥＤとして構成される。第１光送信器２１及び第２光送信器２２は、複数のＬＥＤの点滅によって、光通信信号を送信する。第１光送信器２１及び第２光送信器２２の放射角は、例えば、１０度程度に設定される。

衛星１０は、光受信装置としての撮像装置５０を備える。撮像装置５０は、他の衛星から送信された光信号を受信する。撮像装置５０は、１又は複数のカメラを有する。図３に示すように、撮像装置５０は、通信面である第１面１２ａに設けられた第１撮像部５１と、通信面である第２面１２ｂに設けられた第２撮像部５２と、を備える。複数の通信面１２ａ，１２ｂに撮像部５１，５２を備えることで、複数の方向からの光通信信号を受信できる。

実施形態においては、撮像装置５０（光受信装置）及び光送信装置２０が、衛星１０の対向面１２ａ，１２ｂに設けられているため、一方の面（例えば、第１面１２ａ）の撮像装置５０によって、送信されてきた光通信信号を受信し、受信した光通信信号の中継のため、他方の面（例えば、第２面１２ｂ）に設けられた光送信装置２０によって光通信信号を送信することができる。この場合、光通信信号を送信してきた衛星とは反対側にある衛星への光通信信号の中継が行える。したがって、複数の衛星１０を介した遠距離通信（例えば、地球の裏側までの通信）も容易である。

実施形態においては、図１及び図２に示すように、第１撮像部５１は、第１カメラ５１Ａ及び第２カメラ５１Ｂを含む複数のカメラを備える。各カメラは、動画カメラである。第１カメラ５１Ａは第１画角を有し、第２カメラ５１Ｂは、第１画角よりも小さい第２画角を有する。第２カメラ５１Ｂは、第２カメラ５１Ｂの視野が、第１カメラ５１Ａの視野内に存在するように設けられている。第１画角は、例えば、１０度程度である。第２画角は、例えば、３度程度である。以下では、第１カメラ５１Ａを広角カメラ、第２カメラ５１Ｂを狭角カメラということもある。

第２カメラ５１Ｂによって撮像される画像の画素数は、第１カメラ５１Ａによって撮像される画像の画素数よりも少ないのが好ましい。第２カメラ５１Ｂの画素数が少ないことで、画像読み出しなどの画像処理速度を大きくすることができる。この結果、第２カメラ５１Ｂを用いた光通信を、第１カメラ５１Ａを用いた光通信よりも高速化することができる。実施形態においては、第１カメラ５１Ａは、後述の低速受信モードにおいて用いられ、第２カメラ５１Ｂは、後述の高速受信モードにおいて用いられる。

第２撮像部５２も、第１カメラ５２Ａ及び第２カメラ５２Ｂを含む複数のカメラを備える。第２撮像部５２の構成及び用いられ方は、第１撮像部５１と同様である。

各カメラ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂによって得られた画像は、画像処理プロセッサ６０に与えられる。画像処理プロセッサ６０は、光通信及び姿勢制御のために必要とされる処理を画像に対して行う。画像処理プロセッサ６０による画像処理は、画像中の光通信信号の検出を含む。

衛星１０は、コントローラ７０を備える。画像処理プロセッサ６０によって得られた画像及び光通信信号は、コントローラ７０に与えられる。実施形態のコントローラ７０は、画像における光通信信号の位置に基づいて姿勢制御をする姿勢コントローラ及び光通信及び無線通信を制御する通信コントローラとして動作する。

コントローラ７０は、プロセッサ７１とメモリ７２とを備えるコンピュータによって構成されている。プロセッサ７１は、メモリ７２に記憶されたコンピュータプログラム７３を実行する。プログラム７３は、光通信処理モジュール７３ａ、無線通信処理モジュール７３ｂ、捕捉処理モジュール７３ｃ、姿勢制御処理モジュール７３ｄなどの様々な処理モジュールを有する。メモリ７２は、撮像装置５０によって撮影された画像を保存するための領域７４も有する

光通信処理モジュール７３ａは、光送信装置２０及び撮像装置５０を用いた光通信処理をプロセッサ７１に実行させる命令を含む。無線通信処理モジュール７３ｂは、無線通信機１００を用いた無線通信処理をプロセッサ７１に実行させる命令を含む。

衛星１０における光通信は、通信速度が異なる複数の送信モードでの送信と、通信速度が異なる複数の受信モードでの受信と、を含む。各モードの切替は、光通信処理モジュール７３ａによって実行される。複数の送信モードは、例えば、低速送信モード（第１モード）と、高速送信モード（第２モード）と、を含む。光送信の速度は、光送信装置２０における光の点滅速度の変更によって、変更される。複数の受信モードは、例えば、低速受信モード（第１モード）と、高速受信モード（第２モード）と、を含む。実施形態において、低速受信モードは、広角カメラである第１カメラ５１Ａ，５２Ａによって光通信信号を受信するモードであり、高速受信モードは、狭角カメラである第２カメラ５１Ｂ，５２Ｂによって光通信信号を受信するモードである。

捕捉処理モジュール７３ｃは、画像における光通信信号の位置に基づいて、その光通信信号を送信している他の衛星を捕捉する処理をプロセッサ７１に実行させる命令を含む。他の衛星の捕捉は、例えば、広角カメラである第１カメラ５１Ａ，５２Ａによって行われる。第１カメラ５１Ａ，５２Ａは、視野が広いため、他の衛星１０を捕捉するのに適している。

姿勢制御処理モジュール７３ｄは、通信相手として捕捉された他の衛星が、カメラ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂの視野内（撮像された画像内）に捉えた状態が維持されるように、衛星１０自身の姿勢を調整するよう姿勢制御アクチュエータ８０を制御する処理をプロセッサ７１に実行させる命令を含む。実施形態においては、コントローラ７０は、狭角カメラである第２カメラ５１Ｂ，５２Ｂの視野内に、他の衛星が収まるように、衛星１０の姿勢を制御する。

通信相手として捕捉された他の衛星が、カメラ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂの視野内（撮像された画像内）に捉えた状態が維持されることで、いずれかのカメラ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂによって、他の衛星からの光通信信号を受信できる。

図４は、複数の衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによる衛星間通信を用いた地上局間通信の例を示している。図４に示す衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれ、実施形態に係る衛星１０である。地球上には、第１地上局Ｘ及び第２地上局Ｙが設けられている。例えば、第１地上局Ｘは、手術を行う医師が使用する遠隔手術操作装置に接続され、第２地上局Ｙは、患者を手術する手術ロボットに接続される。以下では、第１地上局Ｘから第２地上局Ｙへデータを送信する例について説明する。

まず、第１地上局Ｘは、複数の衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける位置等から、送信先として衛星Ｂを選択し、データを無線通信信号によって衛星Ｂへ送信する。なお、データには、データの最終的な宛先である第２地上局Ｙのアドレスが、宛先アドレスとして付加されている。なお、ここでは、すべての衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、初期モード（第１モード）である低速送信モードかつ低速受信モードにあるものとする（図６のステップＳ１１，ステップＳ２１，ステップＳ３１）。初期状態においては、各衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの光送信装置２０は、各衛星Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの固有ＩＤを示す光点滅パターンを、低速送信モードにおける光通信信号として出力している。

無線通信信号を受信した衛星Ｂのコントローラ７０は、無線通信処理モジュール７３ｂによって無線通信信号からデータを取得する。無線通信処理モジュール７３ｂは、そのデータを、光通信処理モジュール７３ａへ渡す。光通信処理モジュール７３ａは、そのデータの送信先（通信相手）となる衛星を決め（図６のステップＳ１２）、その衛星へデータを光通信信号として送信する（図６のステップＳ１６）。

ここでは、衛星Ｂにおいて、衛星Ａ（の光通信信号）は、第１撮像部５１の第１カメラ５１Ａによって撮像され、衛星Ｃ，Ｄは、第２撮像部の第１カメラ５２Ａによって撮像されているものとする。衛星Ｂのコントローラ７０は、データの宛先である第２地上局Ｙの地球上における位置に基づいて、通信相手となる衛星を捕捉するために用いられる撮像部５１，５２を選択する。ここでは、第１撮像部５１及び第２撮像部５２のうち、第２撮像部５２が、第２地上局Ｙ側に向いているため、第２撮像部５２が選択される。

なお、コントローラ７０による第２地上局Ｙの位置の把握は、第２地上局Ｙの座標値がデータに付加されている場合には、データに付加された座標値を参照することで可能である。また、第２地上局Ｙのアドレスと地球上の座標との対応テーブルをコントローラ７０が有しておき、データに付加された宛先アドレスから、第２地上局Ｙの座標を把握してもよい。

図５は、第２撮像部の第１カメラ５２Ａによって取得された画像Ｄ１１，Ｄ１２を示している。画像Ｄ１１は、通信相手となる他の衛星を捕捉する前の画像である。画像Ｄ１１には、衛星Ｃからの光通信信号（光点滅）と、衛星Ｄからの光通信信号（光点滅）と、が映っている。衛星Ｂのコントローラ７０は、画像Ｄ１１における光通信信号の点滅パターンから、光通信信号の送信元が、それぞれ衛星Ｃ及び衛星Ｄであることを把握する。

通信相手となる衛星の決定の仕方は特に限定されないが、例えば、衛星Ｂから最も近い衛星を通信相手として決定できる。例えば、図４に示すように衛星Ｄよりも衛星Ｃのほうが衛星Ｂに近いため、画像Ｄ１においては、衛星Ｃからの光通信信号の光強度が、衛星Ｄからの光通信信号の光強度より高くなる。そこで、衛星Ｂのコントローラ７０は、画像Ｄ１１において光強度が最も高い衛星Ｃを、通信相手として決定する（図６のステップＳ１２）。

続いて、衛星Ｂのコントローラ７０は、衛星Ｃ（の光通信信号）が、第２撮像部５２の第２カメラ５２Ｂの視野Ｄ２内に収まるように、姿勢制御アクチュエータ８０によって、衛星Ｂの姿勢を調整する（図６のステップＳ１３）。図５の画像Ｄ１２は、視野Ｄ２内に衛星Ｃ（の光通信信号）が入った状態を示している。

衛星Ｃが第２カメラ５２Ｂの視野Ｄ２内に捕捉されると、衛星Ｂのコントローラ７０は、通信確立リクエストを光通信信号（低速送信モードの信号）として、衛星Ｃへ送信する（ステップＳ１４）。通信確立リクエストには、送信先アドレスとして衛星Ｃのアドレス（固有ＩＤ）が設定され、送信元アドレスとして衛星Ｂのアドレス（固有ＩＤ）が設定される。

衛星Ｃは、通信確立リクエストの光通信信号を、広角カメラである第１カメラ５１Ａにて受信する（低速受信モードでの受信）。なお、リクエストは、衛星Ｄによって受信される可能性もあるが、衛星Ｄは、リクエストを受信しても、そのリクエストの送信先が衛星Ｄではないので、そのリクエストを破棄する（ステップＳ３２）。

衛星Ｃのコントローラは、受信したリクエストの送信元である衛星Ｂが、狭角カメラである第２カメラ５１Ｂの視野内に捕捉されるように、衛星Ｃの姿勢を制御する（ステップＳ２２）

衛星Ｃが、第２カメラ５２Ｂの視野内に入ると、衛星Ｂのコントローラ７０は、リクエストに対する応答を衛星Ｃへ送信する（ステップＳ２３）。以上の手順によって、衛星Ｂ，Ｃ間に通信が確立する。通信が確立すると、衛星Ｂ，Ｃそれぞれのコントローラ（通信コントローラ）７０は、第２モードである高速送信モードかつ高速受信モードに切り替える（ステップＳ１５，ステップＳ２４）。

高速送信モードになった衛星Ｂは、第１地上局Ｘから受信したデータを、光通信信号として、衛星Ｃへ送信する。高速受信モードである衛星Ｃは、第２カメラ５２Ｂにて、光通信信号を受信する。衛星Ｂ及び衛星Ｃは、軌道上の運航により、相対位置が変化することがあるが、それぞれが互いに、第２カメラ５１Ｂ，５２Ｂの視野内に捕捉された状態が維持されるように姿勢制御されるため、通信確立状態を維持できる。なお、通信相手の衛星が第２カメラ５１Ｂ，５２Ｂの視野外に出てしまった場合、コントローラ７０は、第１カメラ５１Ａ，５２Ａによる信号受信及び姿勢制御に切り替えて、再度、通信相手を捕捉する。

光通信信号によりデータを受信した衛星Ｃは、衛星Ｂと同様の手順で、衛星Ｄへデータを光通信信号により送信する。衛星Ｄは、データの宛先である第２地上局Ｙ近傍の上空にいることを検出し、データを無線通信信号で、第２地上局Ｙへ送信する。以上により、衛星間通信を利用して、データが、第１地上局Ｘから第２地上局Ｙへ送信される。なお、通信が終了すると、各衛星は初期モード（第１モード）に戻る。

＜３．付記＞

＜３．１ 付記１＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、第１撮像部５１及び第２撮像部５２は、それぞれ単一のカメラによって構成されてもよい。その場合、カメラは、画角（視野）を変更可能であるのが好ましい。また、大きい画角は、他の衛星の捕捉を容易にする。小さい画角は、捕捉された他の衛星からの光通信信号の受信に好適である。大きい画角の場合、同一の軌道面に存在する他の衛星だけでなく、他の軌道面に存在する他の衛星を捕捉するのも容易になる。また、他の軌道面に存在する他の衛星へ光通信信号を送信する場合、送信される光通信信号の放射角も広い方が好ましい。

また、複数の受信モードの切替において、カメラの画角を変更することなく、光通信のために読み出される画像領域を変更してもよい。例えば、低速受信モードでは、カメラによって得られた画像全体から光通信信号を検出し、高速受信モードでは、捕捉された光通信信号近傍の画像領域から光通信信号を検出してもよい。他の衛星の捕捉後は、画像全体の画素を読み出さなくても、光通信信号近傍の画像領域の画素だけを読み出すことで、光通信信号を検出できる。光通信信号が検出される画像領域を小さくすることで、光通信信号の検出のための画像読み出し時間及び画像処理時間を小さくすることができ、より高速な信号を受信することができる。

撮像装置５０に用いられるカメラは、カラーカメラであってもよいし、モノクロカメラであってもよい。モノクロカメラでは、色を検出する必要がないため、感度をカラーカメラの３倍以上にすることができる。

また、前述の例では、通信相手として、衛星Ｂに最も近い衛星Ｃを選択したが、通信相手としては、光強度が所定値（高速な光通信を行うのに十分な光強度）以上ある衛星のうち、最も光強度が低い衛星を選択してもよい。この場合、例えば、衛星Ｂの通信相手として衛星Ｄが選択されることもある。

通信相手である衛星（例えば、衛星Ｂに対して衛星Ｃ）の方向に別の光源（たとえば、明るい星）が重畳したときに通信出来なくなるのを避けるため、(各衛星から送られるデータに疑似ランダム信号を重畳させ、同じ疑似ランダムパターンを持つ信号だけを検出してもよい。また、別の光源の重畳の対策として、光を高速に点滅させ（例えば１００ｋＨｚで点滅させ）て、その点滅の上にデータを低いレート（例えば１０ｋＨｚ）で重ねる方法（＝副搬送波を使う方法）を採用してもよい。なお、衛星の背景から入射する光が衛星からの光に比べて極めて強い時は、受信側の感度が著しく低下するので、通信を中断する、あるいは別の衛星との通信に切り替えるなどの操作を行うのが好ましい。

他の衛星の認識及び通信相手となる衛星の選択には、衛星の外観形状が用いられてもよい。例えば、個々の衛星が、各衛星固有の識別子として機能する特徴的な形状を有している場合、衛星のコントローラ７０は、その特徴的な形状を画像認識することによって、個々の衛星を識別してもよい。

通信相手となる衛星の選択には、画像認識された衛星の大きさが用いられてもよい。認識される衛星の大きさは、衛星間の距離に応じて変化する。したがって、衛星間の距離に基づいて、通信相手となる衛星を選択したい場合、画像認識された衛星の大きさに基づいて、通信相手となる衛星を選択することができる。例えば、最も近い他の衛星を通信相手として選択したい場合、最も大きく認識される衛星を、通信相手とすればよい。

通信相手からの光信号を受信する撮像装置５０は、光信号の波長以外の波長を有する光をカットするフィルタを備えることができる。この場合、光信号以外の光がノイズになることを抑制できる。

通信のための光信号は、可視光に限られず、例えば、可視光よりも長波長側の光であってもよい。また、通信のための光信号は、複数の異なる波長それぞれに送信データが載せられていてもよい。

＜３．２ 付記２＞
宇宙航行体は、光通信信号を送信する光送信装置２０を備え、前記光送信装置２０は、光通信信号の放射角を変更可能に構成されているのが好ましい。光通信信号の放射角は、コントローラ７０によって変更される。放射角を変更するため、光送信装置２０は、複数のレンズを備えることができる。光送信装置２０において、光の送信に用いられるレンズが切り替えられることで、光通信信号の放射角が変化する。放射角を狭くすることで、受信側における光の強度が上がり、より高速の通信が可能になる。また、放射角を広くすると、広い範囲へ光通信信号を送信できる。

＜３．３ 付記３＞
撮像装置５０（第１カメラ５１Ａ，第２カメラ５１Ｂ，第１カメラ５２Ａ，第２カメラ５２Ｂ）及び光送信装置（第１光送信器２１，第２光送信器２２）の少なくともいずれか一方は、向きを変更可能に衛星１０に設けられていてもよい。向きが変更可能であると、異なる軌道面上にある他の衛星との間の通信が容易になる。実施形態においては、他の衛星の捕捉には、衛星１０自体の姿勢制御も用いられるため、他の衛星の捕捉のために、撮像装置５０及び光送信装置２０の向きを変更する機構を設けても、小型で済む。

２以上の通信面１２ａ，１２ｂそれぞれに撮像装置及び光送信装置が設けられている場合、少なくとも１つの通信面１２ａに設けられた撮像装置及び光送信装置は、向きが変更不能に設けられ、少なくとも一つの他の通信面１２ｂに設けられた撮像装置光送信装置は、向きが変更可能に設けられているのが好ましい。一つの通信面１２ｂに設けられた撮像装置が、画角の広い第１カメラ５２Ａと、画角の狭い第２カメラ５２Ｂと、を備える場合、第２カメラ５２Ｂの向きが変更可能であれば、第１カメラ５２Ａは向きが変更不能であってもよい。

１０ ：超小型衛星
１１ａ ：地球指向面
１１ｂ ：反対面
１２ａ ：第１面（通信面）
１２ｂ ：第２面（通信面）
１２ｃ ：第３面
１２ｄ ：第４面
１５ ：重力安定システム
１５Ａ ：ブーム
１５Ｂ ：先端
２０ ：光送信装置
２１ ：第１光送信器
２２ ：第２光送信器
３０ ：アンテナ
５０ ：撮像装置
５１ ：第１撮像部
５１Ａ ：第１カメラ
５１Ｂ ：第２カメラ
５２ ：第２撮像部
５２Ａ ：第１カメラ
５２Ｂ ：第２カメラ
６０ ：画像処理プロセッサ
７０ ：コントローラ
７１ ：プロセッサ
７２ ：メモリ
７３ ：コンピュータプログラム
７３ａ ：光通信処理モジュール
７３ｂ ：無線通信処理モジュール
７３ｃ ：捕捉処理モジュール
７３ｄ ：姿勢制御処理モジュール
７４ ：領域
８０ ：姿勢制御アクチュエータ
１００ ：無線通信機

Claims (7)

1. 宇宙航行体であって、
   前記宇宙航行体の姿勢を制御する姿勢制御アクチュエータと、
   他の宇宙航行体からの光通信信号を受信する撮像装置と、
   前記撮像装置によって得られた画像における前記光通信信号の位置に基づいて、前記姿勢制御アクチュエータを制御する姿勢コントローラと、
   を備える宇宙航行体。
2. 前記宇宙航行体の姿勢を、天体から作用する重力によって、前記天体に対して鉛直方向に安定させるための重力安定システムを更に備える
   請求項１に記載の宇宙航行体。
3. 前記宇宙航行体は、第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向と、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と、を有し、
   前記第１方向は、前記重力安定システムによって、前記天体に対して鉛直方向に向けられ、
   前記姿勢コントローラは、前記光通信信号が前記撮像装置の視野内に収まる姿勢を前記宇宙航行体がとるように、前記第２方向及び前記第３方向の向きを制御するよう構成されている
   請求項２に記載の宇宙航行体。
4. 前記撮像装置は、第１画角での撮像と、前記第１画角よりも小さい第２画角での撮像と、が行えるように構成され、
   前記第１画角での撮像によって前記光通信信号を受信する第１モードと、前記第２画角での撮像によって前記光通信信号を受信する第２モードと、に切り替える通信コントローラを更に備える
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の宇宙航行体。
5. 前記第１モードは、前記光通信信号を第１通信速度で受信をするモードであり、
   前記第２モードは、前記光通信信号を、前記第１通信速度よりも速い第２通信速度で受信可能なモードである
   請求項４に記載の宇宙航行体。
6. 前記撮像装置は、前記第１画角を有する第１カメラと、前記第２画角を有する第２カメラと、を備え、
   前記第２カメラは、前記第１カメラの視野内に存在する視野を有する。
   請求項４又は請求項５に記載の宇宙航行体。
7. 前記撮像装置は、前記宇宙航行体の第１面に設けられた第１撮像部と、前記宇宙航行体における前記第１面の反対面である第２面に設けられた第２撮像部と、を備え、
   前記第１撮像部及び前記第２撮像部は、それぞれ、前記第１画角を有する第１カメラと、前記第２画角を有する第２カメラと、を備える
   請求項４又は請求項５に記載の宇宙航行体。

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