JP7038940B1 - 形状姿勢推定装置、形状姿勢推定方法及び形状姿勢推定システム - Google Patents

Abstract

監視対象の移動体（１）の光度を測定する光度測定装置（１０）から、光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する光度曲線取得部（５４）と、移動体（１）を撮像する撮像装置（３）を実装している飛翔体（２）から、撮像装置（３）による移動体（１）の撮像画像を取得する撮像画像取得部（５５）と、撮像画像取得部（５５）により取得された移動体（１）の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、移動体（１）のモデルを生成するモデル生成部（５６）とを備えるように、形状姿勢推定装置（５０）を構成した。また、形状姿勢推定装置（５０）は、モデル生成部（５６）により生成された移動体（１）のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときのモデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力する光度曲線算出部（５７）と、光度曲線取得部（５４）により取得された第１の光度曲線と光度曲線算出部（５７）から出力された第２の光度曲線とに基づいて、モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、移動体（１）の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定部（５８）とを備えている。

Description

本開示は、形状姿勢推定装置、形状姿勢推定方法及び形状姿勢推定システムに関するものである。

宇宙空間を移動する目標対象物の形状及び姿勢のそれぞれを推定する監視システムがある（特許文献１を参照）。当該監視システムは、目標対象物の輝度の時間的な変化を示す複数の輝度変化パターン（以下「登録輝度変化パターン」という）を記憶しているデータベースを備えている。登録輝度変化パターンは、目標対象物の形状及び姿勢のそれぞれと対応付けられている。
当該監視システムは、目標対象物の輝度の時間的な変化を示す輝度変化パターン（以下「観測輝度変化パターン」という）を観測し、観測輝度変化パターンとデータベースに記憶されている複数の登録輝度変化パターンとのパターンマッチングを行う。当該監視システムは、複数の登録輝度変化パターンの中で、観測輝度変化パターンとの一致度が最も高い登録輝度変化パターンに対応付けられている形状及び姿勢のそれぞれを推定結果として出力する。

特開２０１５－２０２８０９号公報

特許文献１に開示されている監視システムでは、観測輝度変化パターンと一致度が高い登録輝度変化パターンが、データベースに記憶されていなければ、監視システムによる形状等の推定精度が劣化してしまうという課題があった。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、移動体の登録輝度変化パターンをデータベースに記憶させることなく、移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定することができる形状姿勢推定装置及び形状姿勢推定方法を得ることを目的とする。

本開示に係る形状姿勢推定装置は、監視対象の移動体の光度を測定する光度測定装置から、光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する光度曲線取得部と、移動体を撮像する撮像装置を実装している飛翔体から、撮像装置による移動体の撮像画像を取得する撮像画像取得部と、撮像画像取得部により取得された移動体の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、移動体のモデルを生成するモデル生成部と、モデル生成部により生成された移動体のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときのモデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力する光度曲線算出部と、光度曲線取得部により取得された第１の光度曲線と光度曲線算出部から出力された第２の光度曲線とに基づいて、モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定部とを備えるものである。

本開示によれば、移動体の登録輝度変化パターンをデータベースに記憶させることなく、移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定することができる。

実施の形態１に係る形状姿勢推定システムを示す構成図である。 実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる光度測定装置１０を示す構成図である。 実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる計画装置３０を示す構成図である。 実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる地上局４０を示す構成図である。 実施の形態１に係る形状姿勢推定装置５０を示す構成図である。 実施の形態１に係る形状姿勢推定装置５０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 形状姿勢推定装置５０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。 移動体１と飛翔体２と光度測定装置１０と計画装置３０と地上局４０と形状姿勢推定装置５０との位置関係を示す説明図である。 処理装置２１による位置及び光度におけるそれぞれの算出処理等を示すフローチャートである。 形状姿勢推定装置５０の処理手順である形状姿勢推定方法を示すフローチャートである。 形状姿勢推定装置５０の処理手順である形状姿勢推定方法を示すフローチャートである。 形状姿勢推定装置５０の処理内容を示す説明図である。 移動体１と飛翔体２と光度測定装置１０と計画装置３０と地上局４０と形状姿勢推定装置５０との位置関係を示す説明図である。 実施の形態２に係る形状姿勢推定装置５０の処理内容を示す説明図である。

以下、本開示をより詳細に説明するために、本開示を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムを示す構成図である。
図１に示す形状姿勢推定システムは、光度測定装置１０、計画装置３０、地上局４０及び形状姿勢推定装置５０を備えている。

移動体１は、形状姿勢推定装置５０による監視対象であり、既知の軌道上を移動する。
移動体１としては、例えば、地球周辺の宇宙空間を移動している隕石、デブリ、人工衛星、ロケット、太陽電池パネル、多層断熱材、又は、ねじ等の衛星材料がある。移動体１は、恒星と異なり、一般的には、自ら発光しないため、太陽等の照明光源によって照らされることで輝きを生じることが多い。
飛翔体２は、撮像装置３を実装しており、撮像装置３による移動体１の撮像画像を示す画像データを地上局４０に送信する。
飛翔体２としては、例えば、既知の軌道上を移動する人工衛星がある。
撮像装置３は、移動体１を撮像する映像機器である。

図２は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる光度測定装置１０を示す構成図である。
図２に示す光度測定装置１０は、後述する通信線路７４と接続されている。
光度測定装置１０は、監視対象の移動体１の光度を測定し、通信線路７４を介して、光度の測定結果を形状姿勢推定装置５０に出力する。
光度測定装置１０は、集光装置１１、光選択部１２、遮光装置１３、位置検出器１４、時刻校正部１５、カウンタ１６、制御装置１７、指向装置１８及び解析装置１９を備えている。

集光装置１１は、例えば、光の屈折を利用する屈折型の望遠鏡によって実現される。
集光装置１１は、移動体１の放射光、又は、移動体１の反射光を集光する。
移動体１の放射光は、移動体１が自ら発光する光を意味し、移動体１の反射光は、例えば、太陽等の恒星が発する光が移動体１に反射された光を意味する。 図１に示す形状姿勢推定システムでは、移動体１の反射光は、移動体１の散乱光を含むものである。
図１に示す形状姿勢推定システムでは、集光装置１１が屈折型の望遠鏡によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、集光装置１１が、例えば、光の反射を利用する反射型の望遠鏡によって実現されているものであってもよいし、屈折型の望遠鏡と反射型の望遠鏡との双方によって実現されているものであってもよい。

光選択部１２は、例えば、フィルタホイールによって実現される。フィルタホイールは、１つ以上の波長フィルタ、又は、１つ以上の偏光フィルタによって実現される。
光選択部１２は、制御装置１７から、選択対象の波長、又は、選択対象の偏光を示す選択信号を取得する。
光選択部１２は、集光装置１１により集光された光のうち、選択信号が示す波長の光、又は、選択信号が示す偏光を選択する。
図１に示す形状姿勢推定システムでは、光選択部１２がフィルタホイールによって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、光選択部１２が、例えば、集光装置１１により集光された光に含まれている不必要な光を部分的に吸収するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタによって実現されているものであってもよいし、不要な光を選択的に取り除く波長フィルタによって実現されているものであってもよい。

遮光装置１３は、例えば、機械的なシャッタ、又は、電子的なシャッタを備えている。
遮光装置１３のシャッタは、制御装置１７から出力された制御信号に従って開閉される。シャッタが位置検出器１４の露光時間に応じて開閉されることで、光選択部１２によって選択された光の遮断と光の透過とが交互に繰り返される。

位置検出器１４は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、又は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサによって実現される。
位置検出器１４は、遮光装置１３を透過してきた光を検出して、移動体１が映っている光強度画像を撮像する。
位置検出器１４が、ＣＣＤイメージセンサ、又は、ＣＭＯＳイメージセンサによって実現されている場合、移動体１が位置検出器１４の視野内に入っていれば、移動体１が視野の中心位置からずれた位置に存在していたとしても、移動体１を検出することができる。このため、集光装置１１の指向方向の制御が容易になる利点がある。また、位置検出器１４が、ＣＣＤイメージセンサ等によって実現されている場合、視野の上下方向、又は、視野の左右方向のうち、どちらの方向に向かって、移動体１が移動しているのかが光強度画像から分かる。また、視野内に恒星が入っていれば、恒星の位置及び恒星の光度のそれぞれも光強度画像から分かる利点がある。
図１に示す形状姿勢推定システムでは、位置検出器１４が、ＣＣＤイメージセンサ等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、位置検出器１４が、ＣＣＤイメージセンサ等のほかに、読み出し回路及びメモリ等を備えていてもよい。

時刻校正部１５は、基準信号源７１から、通信装置２２を介して、基準時刻を取得する。
時刻校正部１５は、取得した基準時刻に基づいて、カウンタ１６の時刻を校正する。
例えば、恒星は、日周運動によって、一秒間で１５秒角（＝１５／３６００度）ほど移動する。このため、位置の決定に秒角の精度が必要である場合、時刻校正部１５は、少なくともサブ秒で時刻を校正する必要がある。

カウンタ１６は、例えば、時計によって実現される。
カウンタ１６の時刻は、時刻校正部１５によって校正される。
カウンタ１６は、後述する時間帯情報が示す時間帯の先頭の時刻からの経過時間をカウントし、経過時間を制御装置１７及び解析装置１９のそれぞれに出力する。

制御装置１７は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を実装している半導体集積回路、あるいは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のようなプログラム基板によって実現される。
制御装置１７は、カウンタ１６から出力された経過時間に基づいて、集光装置１１の指向方向を示す制御信号を指向装置１８に出力するほか、シャッタの開閉時刻を示す制御信号を遮光装置１３に出力し、光強度画像の撮像時刻を示す制御信号を位置検出器１４に出力する。
また、制御装置１７は、選択対象の波長、又は、選択対象の偏光を示す選択信号を光選択部１２に出力する。

指向装置１８は、例えば、一軸以上の回転軸を有する回転ステージによって実現される。回転ステージとしては、例えば、経緯台、又は、赤道儀がある。
指向装置１８は、制御装置１７から出力された制御信号に従って、集光装置１１の指向方向を制御する。
集光装置１１が回転ステージに実装されており、回転ステージに付加されているモータ等が、制御装置１７から出力された制御信号に従って駆動することで、集光装置１１の指向方向が制御される。

解析装置１９は、記録装置２０、処理装置２１及び通信装置２２を備えている。
記録装置２０は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、又は、ハードディスクによって実現される。
記録装置２０は、例えば、位置検出器１４により撮像された光強度画像と、位置検出器１４により光強度画像が撮像されたときにカウンタ１６から出力された経過時間と、処理装置２１により算出された移動体１の画像上の位置及び移動体１の光度とを記録する。

処理装置２１は、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ＦＰＧＡのようなプログラム基板によって実現される。
処理装置２１は、位置検出器１４により撮像された光強度画像から、移動体１の画像上の位置と、移動体１の光度とを算出する。移動体１の画像上の位置は、集光装置１１を実現している望遠鏡から移動体１を見た角度に相当する。移動体１の光度は、位置検出器１４により受光された光の量に相当する。移動体１の光度の時間的な変化は、第１の光度曲線に相当する。
光選択部１２が、集光装置１１により集光された光のうち、選択信号が示す波長の光を選択するため、位置検出器１４は、特定の波長の信号光を検出することができる。したがって、位置検出器１４により受光された光は、特定の波長の光になり、位置検出器１４により撮像された光強度画像は、特定の波長の光によって生成される。

通信装置２２は、基準信号源７１から、通信線路７４を介して、基準時刻を受信し、基準時刻を時刻校正部１５に出力する。
また、通信装置２２は、第１の光度曲線を、通信線路７４を介して、形状姿勢推定装置５０に出力する。

図３は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる計画装置３０を示す構成図である。
図３に示す計画装置３０は、通信装置３１、軌道計算装置３２及び運用計画設定装置３３を備えている。
通信装置３１は、通信線路７４と接続されている。
通信装置３１は、軌道上物体データ記憶部７２から、通信線路７４を介して、宇宙空間に存在している移動体の中で、軌道が確定している移動体１の軌道を示す第１の軌道データを受信する。第１の軌道データは、複数の過去の観測時刻における移動体１の位置を示す位置データと、複数の過去の観測時刻における移動体１の速度を示す速度データとを含んでいる。
また、通信装置３１は、軌道上物体データ記憶部７２から、通信線路７４を介して、軌道が確定している宇宙空間内の飛翔体２の軌道を示す第２の軌道データを受信する。第２の軌道データは、複数の観測時刻における飛翔体２の位置を示す位置データと、複数の観測時刻における飛翔体２の速度を示す速度データとを含んでいる。また、第２の軌道データは、将来の軌道における複数の時刻の位置及び速度のそれぞれを含んでいる。
通信装置３１は、恒星データ記憶部７３から、通信線路７４を介して、複数の時刻における恒星の位置及び恒星から発せられる特定の波長帯の光の明るさのそれぞれを示す恒星情報を受信する。
通信装置３１は、運用計画設定装置３３により作成されたコマンドを地上局４０に送信する。

軌道計算装置３２は、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ＦＰＧＡのようなプログラム基板によって実現される。
軌道計算装置３２は、通信装置３１により受信された第１の軌道データに基づいて、移動体１の将来の軌道を算出する。
軌道計算装置３２は、通信装置３１により受信された恒星情報に基づいて、恒星に含まれる太陽の軌道を特定する。
軌道計算装置３２は、太陽の軌道と、移動体１の将来の軌道と、第２の軌道データが示す飛翔体２の将来の軌道とから、将来の複数の時刻における、太陽と移動体１と飛翔体２との幾何学的な配置を特定する。
軌道計算装置３２は、将来の複数の時刻における幾何学的な配置に基づいて、例えば、太陽からの光が地球に遮られて、太陽からの光が移動体１に照射されない将来の時刻を算出する。
軌道計算装置３２は、移動体１の将来の軌道を示す将来軌道データと、第２の軌道データと、太陽からの光が移動体１に照射されない将来の時刻を示す時刻情報とを運用計画設定装置３３に出力する。

運用計画設定装置３３は、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ＦＰＧＡのようなプログラム基板によって実現される。
運用計画設定装置３３は、軌道計算装置３２から、将来軌道データと第２の軌道データと時刻情報とを取得する。
運用計画設定装置３３は、将来軌道データと第２の軌道データと時刻情報とに基づいて、飛翔体２を制御するためのコマンドを作成し、コマンドを通信装置３１に出力する。

図４は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる地上局４０を示す構成図である。
図４に示す地上局４０は、通信装置４１、信号送信部４２、アンテナ４３、信号受信部４４、記録装置４５、制御装置４６及び指向装置４７を備えている。

通信装置４１は、計画装置３０の通信装置３１からコマンドを受信し、コマンドを信号送信部４２及び制御装置４６のそれぞれに出力する。
通信装置４１は、記録装置４５に記録された画像データを、計画装置３０の通信装置３１を介して、形状姿勢推定装置５０に送信する。
図４に示す地上局４０では、通信装置４１が、画像データを、計画装置３０の通信装置３１を介して、形状姿勢推定装置５０に送信している。しかし、これは一例に過ぎず、通信装置４１が、画像データを形状姿勢推定装置５０に直接送信するようにしてもよい。

信号送信部４２は、通信装置４１から出力されたコマンドに対する変調処理等を実施することで、コマンドを示す送信信号を生成する。飛翔体２との通信が可能な波長帯として、例えば、Ｘバンド、又は、Ｓバンドが決められていれば、信号送信部４２は、Ｘバンドの電波の送信信号、又は、Ｓバンドの電波の送信信号を生成する。コマンドに対する変調処理等としては、いわゆる変調処理のほかに、例えば、符号化処理及び増幅処理がある。
図４に示す地上局４０では、信号送信部４２が、電波の送信信号を生成している。しかし、これは一例に過ぎず、信号送信部４２が、光の送信信号を生成するようにしてもよい。

アンテナ４３は、例えば、パラボラアンテナによって実現される。
アンテナ４３は、信号送信部４２により生成された電波の送信信号を飛翔体２に向けて放射する。信号送信部４２により光の送信信号が生成されていれば、アンテナ４３の代わりに集光装置が用いられる。
アンテナ４３は、飛翔体２から、撮像装置３による移動体１の撮像画像を示す画像データに係る電波を受信し、電波の受信信号を信号受信部４４に出力する。

信号受信部４４は、アンテナ４３から出力された電波の受信信号から、移動体１の撮像画像を示す画像データを復調し、画像データを記録装置４５に出力する。
記録装置４５は、信号受信部４４から出力された画像データを記録する。

制御装置４６は、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ＦＰＧＡのようなプログラム基板によって実現される。
制御装置４６は、通信装置４１から出力されたコマンドに従ってアンテナ４３の指向方向を示す制御信号を指向装置４７に出力する。
また、制御装置４６は、信号送信部４２の送信タイミング及び信号受信部４４の受信タイミングのそれぞれを制御する。

指向装置４７は、例えば、一軸以上の回転軸を有する回転ステージによって実現される。
指向装置４７は、制御装置４６から出力された制御信号に従って、アンテナ４３の指向方向を制御する。
アンテナ４３が回転ステージに実装されており、回転ステージに付加されているモータ等が、制御装置４７から出力された制御信号に従って駆動することで、アンテナ４３の指向方向が制御される。

図５は、実施の形態１に係る形状姿勢推定装置５０を示す構成図である。
図６は、実施の形態１に係る形状姿勢推定装置５０のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図５に示す形状姿勢推定装置５０は、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２、特性データ記憶部５３、光度曲線取得部５４、撮像画像取得部５５、モデル生成部５６、光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８を備えている。
形状姿勢推定装置５０は、移動体１の形状及び姿勢のそれぞれを推定する。

材料データ記憶部５１は、例えば、図６に示す材料データ記憶回路６１によって実現される。
材料データ記憶部５１は、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとして、当該物体の材料の特性を示す材料データを記憶している。
当該物体が人工衛星等の人工物であれば、例えば、人工物の表面を形成している材料の物性値を示すデータが、材料データとして材料データ記憶部５１に記憶される。材料の物性値としては、例えば、材料の分光反射率、放射率、散乱特性、又は、密度がある。
当該物体が自然物であり、自然物が、例えば、隕石又は金属であれば、隕石の物性値を示すデータ又は金属の物性値を示すデータが、材料データとして材料データ記憶部５１に記憶される。

形状データ記憶部５２は、例えば、図６に示す形状データ記憶回路６２によって実現される。
形状データ記憶部５２は、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとして、当該物体の形状を示す形状データを記憶している。
当該物体が人工衛星等の人工物であれば、過去に作成された人工物の形状を示すデータが、形状データとして形状データ記憶部５２に記憶される。人工物は、軌道上で分解又は破砕されることもある。このため、人工物の全体の形状を示す形状データだけでなく、人工物に含まれている複数の部品のそれぞれの形状を示す形状データについても形状データ記憶部５２に記憶される。

特性データ記憶部５３は、例えば、図６に示す特性データ記憶回路６３によって実現される。
特性データ記憶部５３は、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとして、宇宙空間に存在している物体の中で、軌道が確定していないものの、既知の軌道と対応している可能性のある物体の特性データを記憶している。当該物体の特性データとしては、例えば、形状、特性、画像、又は、光度曲線を示すデータがある。

図５に示す形状姿勢推定装置５０は、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２及び特性データ記憶部５３を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２及び特性データ記憶部５３のそれぞれが、形状姿勢推定装置５０の外部に設置されていてもよい。この場合、形状姿勢推定装置５０が、通信装置を介して、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２及び特性データ記憶部５３のそれぞれに記憶されている特徴データを取得すればよい。

光度曲線取得部５４は、例えば、図６に示す光度曲線取得回路６４によって実現される。
光度曲線取得部５４は、通信線路７４と接続されている通信装置５４ａを備えている。
光度曲線取得部５４は、通信装置５４ａを用いて、光度測定装置１０の記録装置２０に記録されている、移動体１の光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する。
光度曲線取得部５４は、第１の光度曲線を形状姿勢推定部５８に出力する。
図５に示す形状姿勢推定装置５０では、光度曲線取得部５４が通信装置５４ａを備えている。しかし、これは一例に過ぎず、通信装置５４ａが、光度曲線取得部５４の外部に設けられていてもよい。

撮像画像取得部５５は、例えば、図６に示す撮像画像取得回路６５によって実現される。
撮像画像取得部５５は、通信線路７４と接続されている通信装置５５ａを備えている。
撮像画像取得部５５は、通信装置５５ａを用いて、地上局４０の記録装置４５に記録されている、撮像装置３による移動体１の撮像画像を示す画像データを取得する。
撮像画像取得部５５は、取得した画像データをモデル生成部５６に出力する。
図５に示す形状姿勢推定装置５０では、撮像画像取得部５５が通信装置５５ａを備えている。しかし、これは一例に過ぎず、通信装置５５ａが、撮像画像取得部５５の外部に設けられていてもよい。

モデル生成部５６は、例えば、図６に示すモデル生成回路６６によって実現される。
モデル生成部５６は、撮像画像取得部５５から画像データを取得する。
また、モデル生成部５６は、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２及び特性データ記憶部５３のそれぞれから、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データを取得する。
モデル生成部５６は、画像データが示す移動体１の撮像画像と特徴データとを用いて、移動体１のモデルを生成する。移動体１のモデルは、例えば、移動体１の形状及び反射特性等のそれぞれが模擬されている３次元モデルである。
モデル生成部５６は、移動体１のモデルを光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８のそれぞれに出力する。

光度曲線算出部５７は、例えば、図６に示す光度曲線算出回路６７によって実現される。
光度曲線算出部５７は、モデル生成部５６により生成された移動体１のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときのモデルの光度の時間的な変化をシミュレーションする。
即ち、光度曲線算出部５７は、照明条件として、移動体１のモデルの姿勢を仮定するほか、移動体１のモデルに対して光を照射する照明光源と、照明光源により光が照射されるモデルを観測する飛翔体２との配置を仮定する。
光度曲線算出部５７は、上記の照明条件の下で、光が照射されるモデルの光度の時間変化をシミュレーションする。
光度曲線算出部５７は、モデルの光度の時間変化を示す第２の光度曲線を形状姿勢推定部５８に出力する。

形状姿勢推定部５８は、例えば、図６に示す形状姿勢推定回路６８によって実現される。
形状姿勢推定部５８は、光度曲線取得部５４から第１の光度曲線を取得し、光度曲線算出部５７から第２の光度曲線を取得する。
形状姿勢推定部５８は、モデル生成部５６から、移動体１のモデルを取得する。
形状姿勢推定部５８は、第１の光度曲線と第２の光度曲線とに基づいて、移動体１のモデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整する。即ち、形状姿勢推定部５８は、第２の光度曲線が第１の光度曲線に近づくように、移動体１のモデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整する。
形状姿勢推定部５８は、調整後のモデルから、移動体１の形状及び姿勢のそれぞれを推定する。

基準信号源７１は、例えば、複数のＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星から発信されるＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信器を備え、ＧＰＳ信号に含まれている時刻を取得する。あるいは、基準信号源７１は、標準電波を受信する電波時計を備え、標準電波に含まれている時刻を取得する。あるいは、基準信号源７１は、ＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）に代表されるネットワーク機器の時刻同期のためのプロトコルを利用して時刻を取得する。
基準信号源７１は、取得した時刻を基準時刻として、光度測定装置１０の通信装置２２に出力する。

軌道上物体データ記憶部７２は、例えば、ＲＡＭ、又は、ハードディスクによって実現される。
軌道上物体データ記憶部７２は、宇宙空間に存在している移動体の中で、軌道が確定している移動体１の軌道を示す第１の軌道データを記憶している。
また、軌道上物体データ記憶部７２は、軌道が確定している宇宙空間内の飛翔体２の軌道を示す第２の軌道データを記憶している。

恒星データ記憶部７３は、例えば、ＲＡＭ、又は、ハードディスクによって実現される。
恒星データ記憶部７３は、複数の時刻における恒星の位置及び恒星から発せられる特定の波長帯の光の明るさのそれぞれを示す恒星情報を記憶している。

図１に示す形状姿勢推定システムでは、軌道上物体データ記憶部７２及び恒星データ記憶部７３のそれぞれが、当該形状姿勢推定システムの外部に設けられている。しかし、これは一例に過ぎず、軌道上物体データ記憶部７２及び恒星データ記憶部７３のそれぞれが、当該形状姿勢推定システムの内部に設けられていてもよい。

通信線路７４は、例えば、電話回線、インターネット、又は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ ）によって実現される。
通信線路７４は、光度測定装置１０、計画装置３０、形状姿勢推定装置５０、基準信号源７１、軌道上物体データ記憶部７２及び恒星データ記憶部７３とを結んでいる。

図５では、形状姿勢推定装置５０の構成要素である材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２、特性データ記憶部５３、光度曲線取得部５４、撮像画像取得部５５、モデル生成部５６、光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８のそれぞれが、図６に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、形状姿勢推定装置５０が、材料データ記憶回路６１、形状データ記憶回路６２、特性データ記憶回路６３、光度曲線取得回路６４、撮像画像取得回路６５、モデル生成回路６６、光度曲線算出回路６７及び形状姿勢推定回路６８によって実現されるものを想定している。
ここで、材料データ記憶回路６１、形状データ記憶回路６２及び特性データ記憶回路６３のそれぞれは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいは、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）が該当する。
また、光度曲線取得回路６４、撮像画像取得回路６５、モデル生成回路６６、光度曲線算出回路６７及び形状姿勢推定回路６８のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

形状姿勢推定装置５０の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、形状姿勢推定装置５０が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。
図７は、形状姿勢推定装置５０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。

形状姿勢推定装置５０が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、材料データ記憶部５１、形状データ記憶部５２及び特性データ記憶部５３がコンピュータのメモリ８１上に構成される。光度曲線取得部５４、撮像画像取得部５５、モデル生成部５６、光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８におけるそれぞれの処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ８１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ８２がメモリ８１に格納されているプログラムを実行する。

また、図６では、形状姿勢推定装置５０の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図７では、形状姿勢推定装置５０がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、形状姿勢推定装置５０における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。

次に、図１に示す形状姿勢推定システムの動作について説明する。
図８は、移動体１と飛翔体２と光度測定装置１０と計画装置３０と地上局４０と形状姿勢推定装置５０との位置関係を示す説明図である。
図８には、光度測定装置１０により得られる光強度画像と、地上局４０により得られる撮像画像とが付記されている。
図８に示されている移動体１の形状は、直方体である。しかし、これは一例に過ぎず、移動体１の形状が直方体以外の形状であってもよいことは言うまでもない。
図８の例では、光度測定装置１０からは、直方体の側面Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４のうち、側面Ｓ_１，Ｓ_２が見えている。また、飛翔体２からは、直方体の側面Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４のうち、側面Ｓ_２，Ｓ_３が見えている。
図１に示す形状姿勢推定システムでは、光度測定装置１０の位置検出器１４が、時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときに移動体１を撮像し、飛翔体２に実装されている撮像装置３が、時刻ｔ_ｎのときに移動体１を撮像するものとする。Ｎは、２以上の整数である。図８は、Ｎ＝５の例を示している。

図８の例では、移動体１は、自ら発光しないため、太陽等の照明光源によって照らされることで輝きを生じる。照明光源が太陽であれば、移動体１は、約５８００Ｋの黒体放射によって照明される。照明光源と移動体１とを結ぶ線分と、移動体１と光度測定装置１０とを結ぶ線分とのなす角θが位相角で表されるとき、位相角が０度であれば、照明光源と移動体１と光度測定装置１０とが一列に並ぶため、移動体１による光の反射が多くなる。そのため、位相角が０度に近い程、光度測定装置１０により測定される移動体１の光度が大きくなることが想定される。しかし、光度測定装置１０が設置されている地球が、照明光源である太陽光を遮断することで、太陽光が移動体１を照らさないこともある。
よって、光度測定装置１０は、光度測定装置１０が設置されている地球が太陽光を遮断することなく、太陽光が移動体１を照らしているとき、移動体１の光度を測定する必要がある。

まず、計画装置３０の通信装置３１は、軌道上物体データ記憶部７２から、通信線路７４を介して、移動体１の軌道を示す第１の軌道データと、飛翔体２の軌道を示す第２の軌道データとを受信する。
また、通信装置３１は、恒星データ記憶部７３から、通信線路７４を介して、恒星の位置及び恒星から発せられる特定の波長帯の光の明るさのそれぞれを示す恒星情報を受信する。
通信装置３１は、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び恒星情報のそれぞれを軌道計算装置３２に出力する。

軌道計算装置３２は、通信装置３１から、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び恒星情報のそれぞれを取得する。
軌道計算装置３２は、第１の軌道データに基づいて、将来観測を予定している時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）を予測する。移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）の予測処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

また、軌道計算装置３２は、第２の軌道データに基づいて、将来観測を予定している時刻ｔ_ｎにおける飛翔体２の位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）を特定する。第２の軌道データは、時刻ｔ_ｎにおける飛翔体２の位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）を含んでいる。
軌道計算装置３２は、恒星情報に基づいて、時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）を特定する。
図１に示す形状姿勢推定システムでは、照明光源が太陽であり、太陽は、恒星に含まれる。

軌道計算装置３２は、時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）と、時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）と、時刻ｔ_ｎにおける地球の位置ｘ_４（ｔ_ｎ），ｙ_４（ｔ_ｎ），ｚ_４（ｔ_ｎ）とから、時刻ｔ_ｎのときに、地球が太陽光を遮断することなく、太陽光が移動体１を照らすか否かを判定する。時刻ｔ_ｎにおける地球の位置ｘ_４（ｔ），ｙ_４（ｔ），ｚ_４（ｔ）は、既値である。
軌道計算装置３２は、時刻ｔ_ｎのとき、地球が太陽光を遮断して、太陽光が移動体１を照らさなければ、観測の予定時刻ｔ_ｎを、地球が太陽光を遮断することなく、太陽光が移動体１を照らす時刻に変更する。軌道計算装置３２は、時刻ｔ_ｎが、太陽光が移動体１を照らす時刻であっても、なす角θである位相角が０度に近くなる時刻に変更するようにしてもよい。ただし、位相角が０度に近くなる時刻は、太陽光が移動体１を照らす時刻である必要がある。
軌道計算装置３２は、観測の予定時刻ｔ_ｎを変更すれば、時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）を再度予測し、時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）を再度特定する。
軌道計算装置３２は、観測の予定時刻ｔ_ｎと、観測の予定時刻ｔ_ｎを含む時間帯Ｔとを示す時間帯情報を通信装置３１及び運用計画設定装置３３のそれぞれに出力する。時間帯Ｔは、例えば、時刻（ｔ_１－ｔ_０）から時刻ｔ_５に至る時間帯である。ｔ_０は、例えば、指向装置１８による指向方向θ_ｎの制御に要する時間である。ｔ_０は、軌道計算装置３２の内部メモリに格納されていてもよいし、計画装置３０の外部から与えられるものであってもよい。
また、軌道計算装置３２は、第１の軌道データ及び第２の軌道データのそれぞれを運用計画設定装置３３に出力する。

運用計画設定装置３３は、軌道計算装置３２から、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び時間帯情報のそれぞれを取得する。
運用計画設定装置３３は、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び時間帯情報に基づいて、時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）と、時刻ｔ_ｎにおける飛翔体２の位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）との幾何学的な配置を特定する。
運用計画設定装置３３は、移動体１及び飛翔体２におけるそれぞれの時刻ｔ_ｎでの幾何学的な配置に基づいて、飛翔体２等を制御するためのコマンドを作成する。
即ち、運用計画設定装置３３は、それぞれの時刻ｔ_ｎでの幾何学的な配置に基づいて、飛翔体２に実装されている撮像装置３が、移動体１を撮影することができるように、飛翔体２の姿勢及びアンテナ４３の指向方向のそれぞれを制御するための撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときのコマンドを作成する。
運用計画設定装置３３は、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドを通信装置３１に出力する。

通信装置３１は、軌道計算装置３２から出力された時間帯情報及び第１の軌道データのそれぞれを、通信線路７４を介して、光度測定装置１０に送信する。
また、通信装置３１は、運用計画設定装置３３により作成された撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときのコマンドを地上局４０に送信する。

光度測定装置１０は、移動体１の光度の測定処理を実施する。
以下、光度測定装置１０による光度の測定処理を具体的に説明する。
光度測定装置１０の通信装置２２は、計画装置３０から、通信線路７４を介して、時間帯情報及び第１の軌道データのそれぞれを受信する。
通信装置２２は、時間帯情報をカウンタ１６に出力し、第１の軌道データを制御装置１７に出力する。
また、通信装置２２は、基準信号源７１から、通信線路７４を介して、基準時刻を受信し、基準時刻を時刻校正部１５に出力する。
さらに、通信装置２２は、恒星データ記憶部７３から、通信線路７４を介して、恒星情報を受信し、恒星情報を制御装置１７に出力する。

時刻校正部１５は、通信装置２２から、基準時刻を取得する。
時刻校正部１５は、基準時刻に基づいて、カウンタ１６の時刻を校正する。
カウンタ１６は、通信装置２２から、時間帯情報を取得する。
カウンタ１６は、時刻校正部１５によって時刻が校正されたのち、時間帯情報が示す時間帯Ｔの先頭の時刻ｔ_１－ｔ_０からの経過時間Ｅをカウントする。
カウンタ１６は、経過時間Ｅを制御装置１７及び解析装置１９のそれぞれに出力し、時間帯情報を制御装置１７に出力する。

制御装置１７は、通信装置２２から第１の軌道データを取得し、カウンタ１６から経過時間Ｅ及び時間帯情報のそれぞれを取得する。
制御装置１７は、経過時間Ｅが、ｔ_０，ｔ_０＋ｔ_２－ｔ_１，ｔ_０＋ｔ_３－ｔ_１，ｔ_０＋ｔ_４－ｔ_１，ｔ_０＋ｔ_５－ｔ_１，・・・になると、現在の時刻ｔが、観測時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）よりも時刻ｔ_０だけ前の時刻であると判定する。
制御装置１７は、第１の軌道データが示す観測時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）と、観測時刻ｔ_ｎにおける光度測定装置１０の位置ｘ_５（ｔ_ｎ），ｙ_５（ｔ_ｎ），ｚ_５（ｔ_ｎ）との幾何学的な配置を特定する。観測時刻ｔ_ｎにおける光度測定装置１０の位置ｘ_５（ｔ_ｎ），ｙ_５（ｔ_ｎ），ｚ_５（ｔ_ｎ）は、既値である。
制御装置１７は、特定した幾何学的な配置に基づいて、観測時刻ｔ_ｎのときに、集光装置１１の指向方向が移動体１を向くように、集光装置１１の指向方向θ_ｎを設定する。
制御装置１７は、集光装置１１の指向方向θ_ｎを示す制御信号を指向装置１８に出力する。

制御装置１７は、現在の時刻ｔが、観測時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）よりも時刻ｔ_０だけ前の時刻になると、シャッタの開時刻ｔ_ｎを示す制御信号を遮光装置１３に出力し、光強度画像の撮像時刻ｔ_ｎを示す制御信号を位置検出器１４に出力する。
また、制御装置１７は、現在の時刻ｔが、観測時刻ｔ_ｎからΔｔの時刻だけ経過すると、シャッタの閉時刻ｔ_１＋Δｔ，ｔ_２＋Δｔ，ｔ_３＋Δｔ，ｔ_４＋Δｔ，ｔ_５＋Δｔを示す制御信号を遮光装置１３に出力する。Δｔは、シャッタの開時間である。例えば、Δｔ＝（ｔ_２－ｔ_１）／２＝（ｔ_３－ｔ_２）／２＝（ｔ_４－ｔ_３）／２＝（ｔ_５－ｔ_４）／２である。

また、制御装置１７は、選択対象の波長、又は、選択対象の偏光を示す選択信号を光選択部１２に出力する。
例えば、光選択部１２が、恒星データ記憶部７３に記憶されている恒星から発せられる光の波長帯と同じ波長帯の光を透過させることが可能なフィルタを選択することで、処理装置２１が、当該波長帯の光の光度を正確に算出することができる。このため、制御装置１７は、通信装置２２から出力された恒星情報に基づいて、恒星から発せられる光の波長帯と同じ波長帯の光を透過させるフィルタを選択するための選択信号を生成する。
制御装置１７は、選択信号を光選択部１２に出力する。

指向装置１８は、制御装置１７から、集光装置１１の指向方向θ_ｎを示す制御信号を取得する。
指向装置１８は、制御信号に従って回転ステージに付加されているモータ等を駆動することで、集光装置１１の指向方向θ_ｎを制御する。
即ち、集光装置１１は、移動体１の物体面を像面に射影する機能を有し、基準となる光軸を備えているので、指向装置１８は、集光装置１１の光軸を制御装置１７から出力された制御信号が示す指向方向θ_ｎに合わせることで、集光装置１１の指向方向を制御する。

集光装置１１は、指向装置１８による指向方向θ_ｎの制御が完了した段階で、移動体１の反射光を集光する。
集光装置１１は、集光した移動体１の反射光を光選択部１２に出力する。
図１に示す光度測定装置１０では、集光装置１１が、移動体１の反射光を集光している。しかし、移動体１が、自ら光を発している物体であれば、集光装置１１が、移動体１の放射光を集光する。

光選択部１２は、集光装置１１により集光された光のうち、制御装置１７から出力された選択信号が示す波長の光、又は、当該選択信号が示す偏光を選択する。
光選択部１２は、選択した波長の光、又は、選択した偏光を遮光装置１３に出力する。
光選択部１２により用いられるフィルタは、例えば、カメラによって一般的に使用される、赤青緑のようなカラーフィルタであってもよいし、公知のジョンソンフィルタ、又は、ＳＤＳＳ（Ｓｌｏａｎ Ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ Ｓｋｙ Ｓｕｒｖｅｙ）フィルタであってもよい。

遮光装置１３のシャッタは、制御装置１７から出力された制御信号に従って開閉される。シャッタが位置検出器１４の露光時間に応じて開閉されることで、光選択部１２によって選択された光の遮断と光の透過とが交互に繰り返される。
光度測定装置１０では、移動体１の明るさが分からないため、位置検出器１４により検出される移動体１の像が飽和しないように、遮光装置１３によって適切な時間Δｔだけシャッタが開放される。
指向装置１８が、集光装置１１の指向方向θ_ｎを制御することで、光度測定装置１０と移動体１との相対速度を小さくすることができる。指向装置１８は、例えば、相対速度を地球の大気揺らぎである１～３秒角と同等の大きさに制御することができる。したがって、遮光装置１３は、シャッタの開放時間を変えることで、飽和しないような露光時間を設定することができる。
具体的には、制御装置１７が、シャッタの開放時間が短いフレームの光度と、シャッタの開放時間が長いフレームの光度とを比較し、飽和していない方のフレームの開放時間を露光時間に設定すればよい。
なお、光度測定装置１０は、移動体１の像が飽和しない範囲で、光選択部１２によって選択された光の増幅率を調整するようにしてもよい。
光度は、エネルギーであるため、位置検出器１４がＣＣＤのような半導体検出器であれば、電子の数を数えることで得られる。しかしながら、位置検出器１４が光にさらされる時間は、シャッタの開放時間によって決まるため、光度の測定精度は、シャッタの開放時間の精度に依存する。また、シャッタの開閉時刻は、移動体１の位置の決定精度に依存する。

位置検出器１４は、制御装置１７から出力された制御信号が示す撮像時刻ｔ_ｎのときに、遮光装置１３を透過してきた光を検出して、移動体１が映っている光強度画像を撮像する。
撮像時刻ｔ_ｎが、例えば、ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５であれば、位置検出器１４は、撮像時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５の光強度画像を撮像し、撮像時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５の光強度画像を処理装置２１に出力する。図８には、撮像時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５の光強度画像が示されている。

処理装置２１は、位置検出器１４から、撮像時刻ｔ_１，・・・，ｔ_Ｎの光強度画像を取得する。
処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の光強度画像に含まれているノイズを除去する等の前処理を実施する。処理装置２１は、前処理後の光強度画像から、移動体１の画像上の位置と、移動体１の光度とを算出する。移動体１の画像上の位置は、集光装置１１を実現している望遠鏡から移動体１を見た角度に相当する。移動体１の光度は、位置検出器１４により受光した光の量に相当する。
処理装置２１は、前処理後の光強度画像と、移動体１の画像上の位置と、移動体１の光度とを記録装置２０に記録させる。
また、処理装置２１は、制御装置１７から、第１のステータス情報として、集光装置１１の指向方向を示す制御信号と、シャッタの開閉時刻を示す制御信号と、光強度画像の撮像時刻を示す制御信号とを取得する。処理装置２１は、前処理後の光強度画像と一緒に、第１のステータス情報を記録装置２０に記録させる。

以下、処理装置２１による位置及び光度におけるそれぞれの算出処理等を具体的に説明する。
図９は、処理装置２１による位置及び光度におけるそれぞれの算出処理等を示すフローチャートである。
まず、処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の光強度画像に対する前処理として、光強度画像に含まれている暗転流ノイズ及び背景光ノイズのそれぞれを除去する処理のほか、周辺光量の減衰等を補正する処理を実施する。
処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎの光強度画像に対する前処理を実施した後、集光装置１１の指向方向が位置検出器１４の視野中心であると仮定し、位置検出器１４の視野角を求める（図９のステップＳＴ１）。
位置検出器１４の１画素当りの視野角αは、撮像時刻ｔ_ｎの光強度画像における１画素の大きさｐと、集光装置１１の焦点距離ｆとから算出できる。α＝ｔａｎ^－１（ｐ／ｆ）
したがって、位置検出器１４の上下方向の視野角は、１画素当りの視野角αを光強度画像の上下方向の画素数倍することで算出できる。また、位置検出器１４の左右方向の視野角は、１画素当りの視野角αを光強度画像の左右方向の画素数倍することで算出できる。

次に、処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の光強度画像に含まれている点像である明点を抽出する。
１つ以上の明点の集まり（以下「明点群」という）は、移動体１を表している可能性があるものの、移動体１の背景として恒星が光強度画像に映っていれば、明点群は、恒星を表している可能性もある。したがって、光強度画像に含まれている複数の明点群のそれぞれは、移動体１又は恒星のいずれかと対応している。
処理装置２１は、明点群として、撮像時刻ｔ_ｎの光強度画像に含まれている複数の画素の中で、画素値が閾値以上である画素の集まりである画素群を検出する。処理装置２１は、明点群である画素群の位置と光度とを求める（図９のステップＳＴ２）。閾値は、０よりも大きく、画素値の最大値よりも小さい値である。
撮像時刻ｔ_ｎの光強度画像に含まれている明点群の広がりは、集光装置１１の大きさが有限であれば、回折限界で広がりを有する。実際には、大気の揺らぎによる広がりのほかに、シーイングの影響による広がりがあるため、移動体１が小さい場合に写る明点群は、回折限界よりも広がる。
このように明点群は、広がりを有するため、処理装置２１は、明点群の位置として、例えば、広がりの重心位置を求める。また、処理装置２１は、明点群の光度として、広がりに含まれている複数の画素の画素値の和を求める。

位置検出器１４の視野中心と視野角とが求まると、位置検出器１４の指向方向と、明点群の見かけの大きさとが求まる。このため、光強度画像の上下方向の位相と、光強度画像の左右方向の位相と、光強度画像の回転方向の位相とが求まれば、光強度画像上の座標と、宇宙空間に存在している恒星の位置を示す天球座標との位置関係を求めることができる。天球座標としては、例えば、天の赤道を基準とする赤道座標系、観測者の地平線を基準とする地平座標系、又は、銀河面を基準とする銀河座標系があるが、いずれの座標系を用いてもよい。光強度画像上の位置は、天球座標の位置、赤経及び赤緯、あるいは、方位角及び仰角等の角度で、表すことができる。

処理装置２１は、光強度画像に含まれている明点群の位置を、恒星データ記憶部７３に記憶されている恒星情報が示す恒星の位置の座標系に変換する。
また、処理装置２１は、恒星データ記憶部７３に記憶されている恒星情報が示す恒星の明るさがカタログ等級で表されていれば、明点群の光度をカタログ等級の明るさに変換する。
カタログ等級は、明るさが１００倍になると、－５等級になることが定義されている。このため、明点群の光度がＦ、カタログ等級がｍ、露光時間がＴであるとすれば、カタログ等級ｍは、以下の式（１）又は式（２）のように表される。
ｍ＝－２．５ｌｏｇ_１０（Ｆ／Ｔ）＋ｍ＿ｚｅｒｏ （１）
ｍ＝－２．５ｌｏｇ_１０（Ｆ）＋ｍ＿ｚｅｒｏ’ （２）
ｍ＿ｚｅｒｏ’＝ｍ＿ｚｅｒｏ＋２．５ｌｏｇ_１０（Ｔ） （３）
式（１）及び式（２）において、ｍ＿ｚｅｒｏ及びｍ＿ｚｅｒｏ’のそれぞれは、機械等級である。
式（１）と式（２）との違いは、露光時間Ｔの影響を考慮して、ゼロ点がシフトされているだけの違いである。

恒星情報に記録されている恒星の明るさを示す等級ｖの単位時間当りの光度と、当該恒星に対応する明点群の光度Ｆの単位時間当りの光度とが、大気吸収のない条件下では、同じになることを利用すると、機械等級ｍ＿ｚｅｒｏは、以下の式（４）又は式（５）のように表される。
ｍ＿ｚｅｒｏ ＝ ＜ ｖ－２．５ｌｏｇ_１０（Ｆ）＞ （４）
ｍ＿ｚｅｒｏ ＝ ＜ ｖ－ｍ ＞ （５）
式（４）及び式（５）において、＜□＞は、□の平均の算出処理を意味する数学記号である。
ここでは、平均の算出処理を行うことで、機械等級ｍ＿ｚｅｒｏが算出されている。しかし、これは一例に過ぎず、例えば、中央値の算出処理を行うことで、機械等級ｍ＿ｚｅｒｏが算出されるものであってもよい。

そして、処理装置２１は、座標変換後の明点群の位置と恒星の位置とを比較し、光度変換後の明点群の光度と恒星の光度とを比較する。
処理装置２１は、位置の比較結果及び光度の比較結果のそれぞれに基づいて、恒星に対応している明点群を特定することで、移動体１に対応している明点群を特定する（図９のステップＳＴ３）。
即ち、処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の光強度画像に含まれている複数の明点群の中で、恒星に対応している明点群以外の明点群を、移動体１に対応している明点群とする。
恒星に対応している明点群を特定する処理自体は、公知の処理である。明点群を特定する処理としては、例えば、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、相互相関法（Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）、正規化相互相関（ＮＣＣ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、零平均正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Ｚｅｒｏ ｍｅａｎｓ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、又は、位相限定相関（ＰＯＣ：Ｐｈａｓｅ－Ｏｎｌｙ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法を用いることができる。

処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の光強度画像に含まれている複数の明点群の中で、移動体１に対応している座標変換後の明点群の位置を、移動体１の画像上の位置として、記録装置２０に記録させる。
また、処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎの光強度画像に含まれている複数の明点群の中で、移動体１に対応している光度変換後の明点群の光度を、移動体１の光度として、記録装置２０に記録させる（図９のステップＳＴ４）。記録装置２０に記録される移動体１における撮像時刻ｔ_１，・・・，ｔ_Ｎの光度は、移動体１の光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線に相当する。
図８の例では、撮像時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５における５つの光強度画像が得られているので、５つの光強度画像のそれぞれに含まれている明点群のうち、移動体１に対応している明点群の光度が、移動体１の光度として、記録装置２０に記録される。

地上局４０の通信装置４１は、計画装置３０から、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときのコマンドを受信する。
通信装置４１は、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドを信号送信部４２及び制御装置４６のそれぞれに出力する。

信号送信部４２は、通信装置４１から、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときのコマンドを取得する。
信号送信部４２は、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドに対する変調処理等を実施することで、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドを示す送信信号を生成する。飛翔体２との通信が可能な波長帯が、例えば、Ｘバンド、又は、Ｓバンドであれば、信号送信部４２は、Ｘバンドの送信信号、又は、Ｓバンドの送信信号を生成する。
信号送信部４２は、撮像時刻ｔ_ｎのときの送信信号をアンテナ４３に出力する。

制御装置４６は、通信装置４１から、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のときのコマンドを取得する。
制御装置４６は、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドに従ってアンテナ４３の指向方向を示す制御信号を指向装置４７に出力する。
指向装置４７は、制御装置４６から出力された制御信号に従って回転ステージに付加されているモータ等を駆動することで、アンテナ４３の指向方向を制御する。

アンテナ４３は、信号送信部４２から出力された撮像時刻ｔ_ｎのときの送信信号に係る電波を飛翔体２に向けて放射する。
飛翔体２は、アンテナ４３から放射された電波を受信すると、電波から送信信号を復調し、撮像時刻ｔ_ｎのときの送信信号が示すコマンドに従って、飛翔体２の姿勢として、撮像装置３の指向方向を制御する。
即ち、飛翔体２は、撮像時刻ｔ_ｎのときのコマンドに従って、撮像装置３を移動体１が存在している方向に向ける。
その後、撮像装置３は、時刻がｔ_ｎのときに、移動体１を撮像する。飛翔体２は、図８に示すような、撮像時刻ｔ_ｎの撮像画像を示す画像データに係る電波を地上局４０に送信する。
アンテナ４３は、飛翔体２から、撮像時刻ｔ_ｎの撮像画像を示す画像データに係る電波を受信し、電波の受信信号を信号受信部４４に出力する。

信号受信部４４は、アンテナ４３から出力された受信信号を取得する。
信号受信部４４は、受信信号から、撮像時刻ｔ_ｎの撮像画像を示す画像データを復調し、画像データを記録装置４５に記録させる。また、信号受信部４４は、画像データと一緒に、撮像装置３の指向方向及び撮像装置３の撮像時刻のそれぞれを示す第２のステータス情報を記録装置４５に記録させる。
通信装置４１は、記録装置４５に記録された画像データ及び第２のステータス情報のそれぞれを、計画装置３０の通信装置３１を介して、形状姿勢推定装置５０に送信する。

形状姿勢推定装置５０は、移動体の形状及び姿勢の推定処理を実施する。
図１０及び図１１は、形状姿勢推定装置５０の処理手順である形状姿勢推定方法を示すフローチャートである。
図１２は、形状姿勢推定装置５０の処理内容を示す説明図である。
以下、形状姿勢推定装置５０による形状及び姿勢の推定処理を具体的に説明する。

光度曲線取得部５４は、通信装置５４ａを用いて、光度測定装置１０の記録装置２０から、第１の光度曲線を取得する（図１０のステップＳＴ１１）。
光度曲線取得部５４は、第１の光度曲線を形状姿勢推定部５８に出力する。

撮像画像取得部５５の通信装置５５ａは、地上局４０の通信装置４１から送信された、画像データ及び第２のステータス情報のそれぞれを受信する（図１０のステップＳＴ１２）。当該画像データは、図８に示すように、撮像装置３による移動体１の撮像時刻ｔ_ｎの撮像画像を示すデータである。
撮像画像取得部５５は、画像データ及び第２のステータス情報のそれぞれをモデル生成部５６に出力する。
また、撮像画像取得部５５は、通信装置５５ａを用いて、軌道上物体データ記憶部７２から、通信線路７４を介して、移動体１の軌道を示す第１の軌道データと、飛翔体２の軌道を示す第２の軌道データとを受信する。さらに、撮像画像取得部５５は、通信装置５５ａを用いて、恒星データ記憶部７３から、通信線路７４を介して、恒星情報を受信する。
撮像画像取得部５５は、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び恒星情報のそれぞれをモデル生成部５６に出力する。

モデル生成部５６は、撮像画像取得部５５から、画像データ及び第２のステータス情報のそれぞれを取得する。また、モデル生成部５６は、撮像画像取得部５５から、第１の軌道データ、第２の軌道データ及び恒星情報のそれぞれを取得する。
モデル生成部５６は、画像データが示す移動体１の撮像画像（以下「取得撮像画像」という）と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、移動体１のモデルを生成する。
以下、モデル生成部５６によるモデルの生成処理を具体的に説明する。

まず、モデル生成部５６は、形状データ記憶部５２に記憶されている複数の形状データが示す物体の形状の中で、例えば、画像データが示す撮像時刻ｔ_１の取得撮像画像に映っている移動体１の形状と最も類似している物体の形状を検索する。物体の形状の検索処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
ここでは、モデル生成部５６が、複数の形状データが示す物体の形状の中で、撮像時刻ｔ_１の取得撮像画像に映っている移動体１の形状と最も類似している物体の形状を検索している。しかし、これは一例に過ぎず、モデル生成部５６が、複数の形状データが示す物体の形状の中で、例えば、撮像時刻ｔ_２の取得撮像画像に映っている移動体１の形状と最も類似している物体の形状を検索してもよいし、撮像時刻ｔ_３の取得撮像画像に映っている移動体１の形状と最も類似している物体の形状を検索してもよい。

モデル生成部５６は、形状データ記憶部５２から、移動体１の形状と最も類似している物体の形状を示す形状データを取得する（図１０のステップＳＴ１３）。
また、モデル生成部５６は、材料データ記憶部５１から、任意の物体の材料の特性を示す材料データを取得する。
モデル生成部５６は、取得した形状データ及び材料データのそれぞれを用いて、移動体１のモデルを仮生成する（図１０のステップＳＴ１４）。モデルの形状は、形状データに従って仮生成され、モデルの材料は、材料データに従って仮生成される。

モデル生成部５６は、第１の軌道データに基づいて、第２のステータス情報が示す撮像装置３の撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）を予測する。
また、モデル生成部５６は、第２の軌道データに基づいて、撮像装置３の撮像時刻ｔ_ｎにおける飛翔体２の位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）を特定する。
また、モデル生成部５６は、恒星情報に基づいて、撮像時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）を特定する。

次に、モデル生成部５６は、位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）に存在している照明光源から、位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）に存在している移動体１のモデルに光が照射されるという照明条件を設定する。
モデル生成部５６は、上記の照明条件の下で、位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）に存在している飛翔体２の撮像装置３によって、移動体１のモデルが撮像される撮像画像（以下「模擬撮像画像」という）を模擬する照明解析処理を行う（図１０のステップＳＴ１５）。照明解析処理は、照明光源が光を移動体１に照射しているときに、撮像画像を模擬するコンピュータシミュレーションである。

次に、モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の模擬撮像画像に映っている移動体１のモデルの姿勢が、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像に映っている移動体１の姿勢と一致するように、移動体１のモデルの姿勢及びモデルの形状のそれぞれを調整する処理（以下「姿勢調整処理」という）を行う（図１０のステップＳＴ１６）。
モデル生成部５６は、移動体１が例えば人工衛星であれば、人工衛星に実装されている太陽電池パネルの法線が太陽の方向を向くように、モデルの形状を調整し、人工衛星に実装されているアンテナの指向方向が地球の中心方向を向くように、モデルの姿勢を調整する。

移動体１の位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）と照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）との配置によっては、移動体１の一部に影が生じてしまうことがある。移動体１の一部に影が生じている場合、移動体１の一部が取得撮像画像に映らないため、移動体１の全景が分からないことがある。このような場合、モデル生成部５６は、軌道が確定している別の移動体の特性データを用いて、移動体１のモデルを仮生成するようにしてもよい。別の移動体の特性データとしては、例えば、別の移動体の形状を示すデータ、又は、別の移動体を示す画像データがあり、特性データ記憶部５３により記憶されている物体の特性データを用いることができる。

ここでは、モデル生成部５６が、第１の軌道データに基づいて、第２のステータス情報が示す撮像装置３の撮像時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）を予測している。モデル生成部５６が、例えば、第１の軌道データを得ることができないような場合、移動体１の見かけの位置を求めるようにしてもよい。
即ち、モデル生成部５６は、第２のステータス情報が示す撮像装置３の指向方向が撮像装置３の視野中心であると仮定し、撮像装置３の視野角を求める。撮像装置３の視野角は、位置検出器１４の視野角と同様に求められる。モデル生成部５６は、撮像装置３の視野角が分かれば、移動体１の見かけの位置を求めることができる。この場合、モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の模擬撮像画像に映っている移動体１のモデルの姿勢が、見かけの位置に存在している移動体１の姿勢と一致するように、姿勢調整処理を行う。

次に、モデル生成部５６は、上記の照明条件の下で、位置ｘ_２（ｔ_ｎ），ｙ_２（ｔ_ｎ），ｚ_２（ｔ_ｎ）に存在している飛翔体２の撮像装置３によって、姿勢調整処理後のモデルが撮像される照明解析処理を行う。
次に、モデル生成部５６は、画像データが示す撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の取得撮像画像と、撮像時刻ｔ_ｎにおける姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関度を算出する（図１０のステップＳＴ１７）。
モデル生成部５６による相関度の算出に際し、モデル生成部５６が、模擬撮像画像に対する公知のｌｏｇ－ｐｏｌａｒ変換、あるいは、公知のＦｏｕｒｉｅｒ－Ｍｅｌｌｉｎ変換を行い、その後、取得撮像画像と変換後の模擬撮像画像との相関処理を行えば、模擬撮像画像の回転及び倍率のそれぞれを算出することができる。並進に関しては、モデル生成部５６が、ピクセル画像の相関処理を行えばよい。いずれの相関処理においても、相関度の算出処理方法としては、例えば、ＳＳＤ法、ＳＡＤ法、相互相関法、ＮＣＣ法、ＺＮＣＣ法、又は、ＰＯＣ法を用いることができる。

モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関度が閾値よりも大きければ（図１０のステップＳＴ１８：ＹＥＳの場合）、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関が高いと判定する。閾値は、モデル生成部５６の内部メモリに格納されていてもよいし、形状姿勢推定装置５０の外部から与えられるものであってもよい。
モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関度が閾値以下であれば（図１０のステップＳＴ１８：ＮＯの場合）、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関が低いと判定する。

モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関が低いと判定すれば、撮像時刻ｔ_ｎにおける姿勢調整処理後のモデルの材料を変更する（図１０のステップＳＴ１９）。
モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関度が閾値よりも大きくなるまで、照明解析処理、姿勢調整処理、相関度の算出処理、相関の判定処理及び材料変更処理を繰り返し行う（図１０のステップＳＴ１５～ＳＴ１９）。
モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎの取得撮像画像と姿勢調整処理後のモデルの模擬撮像画像との相関が高いと判定すれば、撮像時刻ｔ_ｎにおける材料変更後のモデル（以下「生成モデル」という）を光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８のそれぞれに出力する。
また、モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）と、撮像時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）とを光度曲線算出部５７に出力する。

光度曲線算出部５７は、モデル生成部５６から、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルを取得する。
また、光度曲線算出部５７は、モデル生成部５６から、撮像時刻ｔ_ｎにおける移動体１の位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）と、撮像時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）とを取得する。
光度曲線算出部５７は、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデル等を用いて、移動体１の光度の時間変化を示す第２の光度曲線を算出する（図１１のステップＳＴ２０）。
以下、光度曲線算出部５７による第２の光度曲線の算出処理を具体的に説明する。

光度曲線算出部５７は、撮像時刻ｔ_ｎにおける照明光源の位置ｘ_３（ｔ_ｎ），ｙ_３（ｔ_ｎ），ｚ_３（ｔ_ｎ）と、撮像時刻ｔ_ｎにおける光度測定装置１０の位置ｘ_５（ｔ_ｎ），ｙ_５（ｔ_ｎ），ｚ_５（ｔ_ｎ）との幾何学的な配置を照明条件に設定する。また、光度曲線算出部５７は、照明条件として、照明光源から位置ｘ_１（ｔ_ｎ），ｙ_１（ｔ_ｎ），ｚ_１（ｔ_ｎ）に存在している移動体１のモデルに光が照射されるという条件を設定する。光度測定装置１０の位置ｘ_５（ｔ_ｎ），ｙ_５（ｔ_ｎ），ｚ_５（ｔ_ｎ）は、既値である。
光度曲線算出部５７は、上記の照明条件において、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルに対して照明光源からの光が照射されたときの生成モデルの光度の時間的な変化をシミュレーションする。即ち、光度曲線算出部５７は、上記の照明条件において、生成モデルに対して照明光源からの光が照射されたときに、光度測定装置１０により撮像される光強度画像（以下「模擬光強度画像」という）を模擬する照明解析処理を実施する。

光度曲線算出部５７は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の模擬光強度画像に映っている移動体１の光度を算出する。光度曲線算出部５７による光度の算出処理としては、例えば、処理装置２１による光度の算出処理を用いることができる。
ｔ_ｎ＝ｔ_１，・・・ｔ_ＮについてのＮ個の光度の時間変化は、第２の光度曲線に相当する。
光度曲線算出部５７は、第２の光度曲線を形状姿勢推定部５８に出力する。

形状姿勢推定部５８は、光度曲線取得部５４から第１の光度曲線を取得し、光度曲線算出部５７から第２の光度曲線を取得する。
また、形状姿勢推定部５８は、モデル生成部５６から、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルを取得する。
形状姿勢推定部５８は、第２の光度曲線が第１の光度曲線に近づくように、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルの形状、姿勢及び材料のそれぞれを調整する。
ここでは、形状姿勢推定部５８が、生成モデルの形状、姿勢及び材料のそれぞれを調整している。第２の光度曲線が第１の光度曲線に近づけばよいため、形状姿勢推定部５８が、生成モデルの形状、姿勢、又は、材料のうちのいずれか１つを変更するものであってもよい。また、形状姿勢推定部５８が、生成モデルの材料を調整せずに、生成モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整するものであってもよい。
以下、形状姿勢推定部５８による形状、姿勢及び材料の調整処理を具体的に説明する。

形状姿勢推定部５８は、以下の式（６）に示すように、第１の光度曲線に含まれている撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の移動体１の光度Ｌ_１（ｔ_ｎ）と、第２の光度曲線に含まれている撮像時刻ｔ_ｎの移動体１の光度Ｌ_２（ｔ_ｎ）との差分ΔＬ（ｔ_ｎ）を算出する（図１１のステップＳＴ２１）。
ΔＬ（ｔ_ｎ）＝Ｌ_２（ｔ_ｎ）－Ｌ_１（ｔ_ｎ） （６）
形状姿勢推定部５８は、差分ΔＬ（ｔ_ｎ）の絶対値と閾値Ｔｈ_Ｌとを比較し、差分ΔＬ（ｔ_ｎ）の絶対値が閾値Ｔｈ_Ｌよりも大きければ（図１１のステップＳＴ２２：ＹＥＳの場合）、撮像時刻ｔ_ｎにおける生成モデルの形状、生成モデルの姿勢、又は、生成モデルの材料を変更する（図１１のステップＳＴ２３）。閾値Ｔｈ_Ｌは、形状姿勢推定部５８の内部メモリに格納されていてもよいし、形状姿勢推定装置５０の外部から与えられるものであってもよい。
より具体的には、（１）光度曲線に小さい山であるサブピークがあることがある。サブピークは、生成モデルの形状に由来する可能性が高い。例えば、アンテナ等の構造に由来する可能性が高い。このため、形状姿勢推定部５８は、生成モデルの形状を優先的に調整する。
（２）光度曲線のピークが左右にずれていることがある。左右のずれは、生成モデルの姿勢に由来する可能性が高い。このため、形状姿勢推定部５８は、生成モデルの姿勢を優先的に調整する。
（３）全体的なピーク及びサブピークのそれぞれが一致したら、形状姿勢推定部５８は、生成モデルの材料を調整する。
（４）最後に、形状姿勢推定部５８は、生成モデルの形状、姿勢及び材料のそれぞれを微調整する。
撮像時刻ｔ_ｎにおける生成モデルの形状、生成モデルの姿勢、又は、生成モデルの材料を変更する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、生成モデルの形状の変更処理としては、例えば、生成モデルの形状を、形状データ記憶部５２に記憶されている他の物体の形状に変更する処理を用いることができる。また、生成モデルの姿勢の変更処理としては、例えば、生成モデルの姿勢である指向方向を、事前に設定されている角度だけ変更する処理を用いることができる。また、生成モデルの材料の変更処理としては、例えば、生成モデルの材料を、材料データ記憶部５１に記憶されている他の物体の材料に変更する処理を用いることができる。

形状姿勢推定部５８は、Ｌ_２（ｔ_ｎ）＞Ｌ_１（ｔ_ｎ）であれば、撮像時刻ｔ_ｎの移動体１の光度Ｌ_２（ｔ_ｎ）が小さくなるように、撮像時刻ｔ_ｎにおける生成モデルの形状、生成モデルの姿勢、又は、生成モデルの材料を変更する。
形状姿勢推定部５８は、Ｌ_２（ｔ_ｎ）＜Ｌ_１（ｔ_ｎ）であれば、撮像時刻ｔ_ｎの移動体１の光度Ｌ_２（ｔ_ｎ）が大きくなるように、撮像時刻ｔ_ｎにおける生成モデルの形状、生成モデルの姿勢、又は、生成モデルの材料を変更する。
差分ΔＬ（ｔ_ｎ）の絶対値が閾値Ｔｈ_Ｌ以下になるまで、第２の光度曲線の算出処理、差分の算出処理、比較処理及びモデルの変更処理が繰り返し行われる（図１１のステップＳＴ２０～ＳＴ２３）。

形状姿勢推定部５８は、差分ΔＬ（ｔ_ｎ）の絶対値が閾値Ｔｈ_Ｌ以下であれば（図１１のステップＳＴ２２：ＮＯの場合）、撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルの変更処理を完了する。
形状姿勢推定部５８は、変更処理が完了した生成モデルから、移動体１の形状及び姿勢のそれぞれを推定する（図１１のステップＳＴ２４）。
形状姿勢推定部５８は、例えば、撮像時刻ｔ_ｎにおける移動体１の形状の推定結果として、変更処理が完了した撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルの形状を示す形状データを外部に出力する。
形状姿勢推定部５８は、例えば、撮像時刻ｔ_ｎにおける移動体１の姿勢の推定結果として、変更処理が完了した撮像時刻ｔ_ｎの生成モデルの姿勢を示す姿勢データを外部に出力する。
移動体１が例えば人工衛星であれば、形状姿勢推定部５８が、移動体１に実装されているアンテナの指向方向、あるいは、移動体１に実装されている太陽電池パネルの法線方向を、モデルの姿勢としてもよい。アンテナの指向方向等は、モデルの画像を解析することで求まる。
また、移動体１が例えば隕石であれば、形状姿勢推定部５８が、隕石の重心線の方向を、モデルの姿勢としてもよい。隕石の重心線の方向は、モデルの画像を解析することで求まる。

以上の実施の形態１では、監視対象の移動体１の光度を測定する光度測定装置１０から、光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する光度曲線取得部５４と、移動体１を撮像する撮像装置３を実装している飛翔体２から、撮像装置３による移動体１の撮像画像を取得する撮像画像取得部５５と、撮像画像取得部５５により取得された移動体１の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、移動体１のモデルを生成するモデル生成部５６とを備えるように、形状姿勢推定装置５０を構成した。また、形状姿勢推定装置５０は、モデル生成部５６により生成された移動体１のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときのモデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力する光度曲線算出部５７と、光度曲線取得部５４により取得された第１の光度曲線と光度曲線算出部５７から出力された第２の光度曲線とに基づいて、モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、移動体１の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定部５８とを備えている。したがって、形状姿勢推定装置５０は、移動体１の登録輝度変化パターンをデータベースに記憶させることなく、移動体１の形状及び姿勢のそれぞれを推定することができる。

実施の形態２．
図２に示す光度測定装置１０では、光選択部１２が、集光装置１１により集光された光の中から、１つの波長の光、又は、１つの偏光を選択している。
実施の形態２では、光選択部１２が、集光装置１１により集光された光の中から、Ｍ（Ｍは、２以上の整数）個の波長の光、又は、Ｍ個の偏光を選択する光度測定装置１０について説明する。

実施の形態２に係る形状姿勢推定システムの構成は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムの構成と同様であり、実施の形態２に係る形状姿勢推定システムを示す構成図は、図１である。
実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる光度測定装置１０の構成は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる光度測定装置１０の構成と同様であり、実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる光度測定装置１０を示す構成図は、図２である。
実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる計画装置３０の構成は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる計画装置３０の構成と同様であり、実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる計画装置３０を示す構成図は、図３である。
実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる地上局４０の構成は、実施の形態１に係る形状姿勢推定システムに含まれる地上局４０の構成と同様であり、実施の形態２に係る形状姿勢推定システムに含まれる地上局４０を示す構成図は、図４である。
実施の形態２に係る形状姿勢推定装置５０の構成は、実施の形態１に係る形状姿勢推定装置５０の構成と同様であり、実施の形態２に係る形状姿勢推定装置５０を示す構成図は、図５である。

図１３は、移動体１と飛翔体２と光度測定装置１０と計画装置３０と地上局４０と形状姿勢推定装置５０との位置関係を示す説明図である。
図１４は、実施の形態２に係る形状姿勢推定装置５０の処理内容を示す説明図である。

地球の周囲における宇宙空間を周回する移動体１に光を照射する照明光源は、通常、太陽である。太陽光は、複数の波長の光を含んでいる。このため、太陽光に含まれている複数の波長の光の中から、Ｍ個の波長の光をそれぞれ選択すれば、時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）において、位置検出器１４が、それぞれの波長の光が照射されている光強度画像をＭ個撮像することができる。
実施の形態２に係る形状姿勢推定システムでは、光度測定装置１０の制御装置１７は、太陽光に含まれている複数の波長の光の中から、選択対象の波長をＭ個決定し、Ｍ個の波長を示す選択信号を光選択部１２に出力する。
光選択部１２は、太陽光に含まれている複数の波長の光の中から、制御装置１７から出力された選択信号が示すＭ個の波長の光を順番に選択し、選択したそれぞれの波長の光を、遮光装置１３を介して、位置検出器１４に出力する。
位置検出器１４は、遮光装置１３を透過してきたそれぞれの波長の光を検出して、移動体１が映っている光強度画像を撮像する。

処理装置２１は、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における、Ｍ個の光強度画像のそれぞれに含まれている複数の明点群の中で、移動体１に対応している光度変換後の明点群の光度を、移動体１の光度として、記録装置２０に記録させる。撮像時刻ｔ_１，・・・，ｔ_Ｎにおける波長ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）の光度は、移動体１における波長ｍの光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線に相当する。したがって、記録装置２０には、図１４に示すように、Ｍ本の第１の光度曲線が記録される。図１３及び図１４では、Ｍ＝４の例が示されている。

計画装置３０の運用計画設定装置３３は、飛翔体２を制御するためのコマンドを作成する際、Ｍ個の波長を示す選択信号を当該コマンドに含め、選択信号を含むコマンドを通信装置３１に出力する。
通信装置３１は、選択信号を含むコマンドを地上局４０に出力する。

地上局４０のアンテナ４３は、撮像時刻ｔ_ｎのときの送信信号に係る電波を飛翔体２に向けて放射する。
飛翔体２は、アンテナ４３から放射された電波を受信すると、電波から送信信号を復調し、撮像時刻ｔ_ｎのときの送信信号が示すコマンドに従って、飛翔体２の姿勢として、撮像装置３の指向方向を制御する。
撮像装置３は、時刻がｔ_ｎのときに、移動体１を撮像する。
撮像装置３は、例えば、フィルタホイールを備えている。フィルタホイールは、コマンドに含まれている選択信号に従って、通過させる波長の光を変更する。撮像装置３は、フィルタホイールを用いて、撮像時刻ｔ_ｎの撮像画像から、それぞれの波長の光で表されている撮像画像をＭ個生成する。
飛翔体２は、図１３に示すように、撮像時刻ｔ_ｎにおけるＭ個の撮像画像を示す画像データに係る電波を地上局４０に送信する。
これにより、地上局４０の記録装置４５には、撮像時刻ｔ_ｎにおけるＭ個の撮像画像を示す画像データが記録される。

形状姿勢推定装置５０のモデル生成部５６は、飛翔体２の撮像装置３によって、時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）で撮像される撮像画像を模擬する照明解析処理を行う。照明解析処理の照射条件として、Ｍ個の波長の光をそれぞれ照射するものとして、モデル生成部５６が、波長ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）の模擬撮像画像を取得する。
モデル生成部５６は、地上局４０の記録装置４５に記録されている撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における波長ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）の取得撮像画像と、撮像時刻ｔ_ｎにおける波長ｍの模擬撮像画像との相関度を算出する。

モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎにおける波長ｍの取得撮像画像と撮像時刻ｔ_ｎにおける波長ｍの模擬撮像画像との相関が低いと判定すれば、仮生成した移動体１のモデルの材料を変更する。
モデル生成部５６は、撮像時刻ｔ_ｎにおける波長ｍの取得撮像画像と撮像時刻ｔ_ｎにおける波長ｍの模擬撮像画像との相関度が閾値よりも大きくなるまで、照明解析処理、姿勢調整処理、相関度の算出処理、相関の判定処理及び材料変更処理を繰り返し行う。
モデル生成部５６は、波長ｍの取得撮像画像と波長ｍの模擬撮像画像との相関が高いと判定すれば、相関が高いときの移動体１のモデルを光度曲線算出部５７及び形状姿勢推定部５８のそれぞれに出力する。

光度曲線算出部５７は、図１４に示すように、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のモデル等を用いて、移動体１の光度の時間変化を示す波長ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）の第２の光度曲線を算出する。
形状姿勢推定部５８は、図１４に示すように、波長ｍ（ｍ＝１，・・・，Ｍ）の第２の光度曲線が波長ｍの第１の光度曲線に近づくように、移動体１のモデルの形状、姿勢及び材料のそれぞれを調整する。
撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）における移動体１の形状は、光の波長が異なっても、変化しない。しかし、光の波長が異なれば、移動体１における光の反射率が異なるため、撮像時刻ｔ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）におけるＭ個の取得撮像画像に映っている移動体１の形状は、互いに異なることがある。このため、波長ｍ毎に、モデルの材料を変更することで、移動体１のモデルを高精度に生成することができる。

なお、本開示は、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本開示は、形状姿勢推定装置、形状姿勢推定方法及び形状姿勢推定システムに適している。

１ 移動体、２ 飛翔体、３ 撮像装置、１０ 光度測定装置、１１ 集光装置、１２ 光選択部、１３ 遮光装置、１４ 位置検出器、１５ 時刻校正部、１６ カウンタ、１７ 制御装置、１８ 指向装置、１９ 解析装置、２０ 記録装置、２１ 処理装置、２２ 通信装置、３０ 計画装置、３１ 通信装置、３２ 軌道計算装置、３３ 運用計画設定装置、４０ 地上局、４１ 通信装置、４２ 信号送信部、４３ アンテナ、４４ 信号受信部、４５ 記録装置、４６ 制御装置、４７ 指向装置、５０ 形状姿勢推定装置、５１ 材料データ記憶部、５２ 形状データ記憶部、５３ 特性データ記憶部、５４ 光度曲線取得部、５５ 撮像画像取得部、５６ モデル生成部、５７ 光度曲線算出部、５８ 形状姿勢推定部、６１ 材料データ記憶回路、６２ 形状データ記憶回路、６３ 特性データ記憶回路、６４ 光度曲線取得回路、６５ 撮像画像取得回路、６６ モデル生成回路、６７ 光度曲線算出回路、６８ 形状姿勢推定回路、７１ 基準信号源、７２ 軌道上物体データ記憶部、７３ 恒星データ記憶部、７４ 通信線路、８１ メモリ、８２ プロセッサ。

Claims (6)

1. 監視対象の移動体の光度を測定する光度測定装置から、前記光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する光度曲線取得部と、
   前記移動体を撮像する撮像装置を実装している飛翔体から、前記撮像装置による前記移動体の撮像画像を取得する撮像画像取得部と、
   前記撮像画像取得部により取得された移動体の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、前記移動体のモデルを生成するモデル生成部と、
   前記モデル生成部により生成された移動体のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときの前記モデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、前記モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力する光度曲線算出部と、
   前記光度曲線取得部により取得された第１の光度曲線と前記光度曲線算出部から出力された第２の光度曲線とに基づいて、前記モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、前記移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定部と
   を備えた形状姿勢推定装置。
2. 前記形状姿勢推定部は、
   前記光度曲線算出部から出力された第２の光度曲線が前記光度曲線取得部により取得された第１の光度曲線に近づくように、前記モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整することを特徴とする請求項１記載の形状姿勢推定装置。
3. 前記形状姿勢推定部は、
   前記第２の光度曲線が前記第１の光度曲線に近づくように、前記モデルの形状、姿勢及び材料のそれぞれを調整することを特徴とする請求項２記載の形状姿勢推定装置。
4. 光度曲線取得部が、監視対象の移動体の光度を測定する光度測定装置から、前記光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得し、
   撮像画像取得部が、前記移動体を撮像する撮像装置を実装している飛翔体から、前記撮像装置による前記移動体の撮像画像を取得し、
   モデル生成部が、前記撮像画像取得部により取得された移動体の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、前記移動体のモデルを生成し、
   光度曲線算出部が、前記モデル生成部により生成された移動体のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときの前記モデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、前記モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力し、
   形状姿勢推定部が、前記光度曲線取得部により取得された第１の光度曲線と前記光度曲線算出部から出力された第２の光度曲線とに基づいて、前記モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、前記移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定する
   形状姿勢推定方法。
5. 監視対象の移動体の光度を測定する光度測定装置と、
   前記移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定装置とを備え、
   前記形状姿勢推定装置は、
   前記光度測定装置から、前記光度の時間的な変化を示す第１の光度曲線を取得する光度曲線取得部と、
   前記移動体を撮像する撮像装置を実装している飛翔体から、前記撮像装置による前記移動体の撮像画像を取得する撮像画像取得部と、
   前記撮像画像取得部により取得された移動体の撮像画像と、宇宙空間に存在している可能性のある物体の特徴を示す特徴データとを用いて、前記移動体のモデルを生成するモデル生成部と、
   前記モデル生成部により生成された移動体のモデルに対して照明光源からの光が照射されたときの前記モデルの光度の時間的な変化をシミュレーションし、前記モデルの光度の時間的な変化を示す第２の光度曲線を出力する光度曲線算出部と、
   前記光度曲線取得部により取得された第１の光度曲線と前記光度曲線算出部から出力された第２の光度曲線とに基づいて、前記モデルの形状及び姿勢のそれぞれを調整し、調整後のモデルから、前記移動体の形状及び姿勢のそれぞれを推定する形状姿勢推定部とを備えている
   ことを特徴とする形状姿勢推定システム。
6. 前記光度測定装置は、
   前記移動体からの光のうち、光度を測定する波長の光、又は、光度を測定する偏光を選択する光選択部を備えており、前記光選択部により選択された波長の光、又は、前記光選択部により選択された偏光の光度を測定することを特徴とする請求項５記載の形状姿勢推定システム。

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