JPH03295488A - 宇宙浮遊物検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業−１−の利用分野〕 この発明は宇宙空間に浮遊する宇宙浮遊物（Ｄｅｂｒｉ
ｓ）を検出する方法に関する。

〔従来の技術〕

宇宙空間に浮遊する宇宙浮遊物（Ｄｅｂｒｉｓ）　　（
以下破片と称す。）を検出するにはレーダが用いられた
。破片には人工衛星に見られるようなトランスポンダを
搭載Ｉ７ている訳ではないので、−次レーダを使用しな
ければならない。−次レーダの構成を第７図に示す。（
１）は破片、　（５６）はレーダ（５７）は送信波、　
（５８）は反射波である。レーダ（５６）は目標である
破片に対し利得の高いアンテナでビームを絞った電波（
５７）を照射する。この電波は破片の有効断面積（Ｃｒ
ｏｓｓ　５ｅｃｔｉｏｎ　）に比例した反射波を生じ、
この散乱波を再びレーダ（５６）で受信する。

〔発明か解決しようとする課題〕

レーダの特性はレーダ方程式で示される、３（４πＲ２
）２ ここで　Ｐｒ、散乱され戻ってくるレーダのアンテナに
おける電力密度 Ｐｔ・送信電力 Ｃｔ　　送信アンテナ利得 Ａｒ　　受信アンテナ有効面積 Ｒレーダ目標間距離 σ　：目標の有効断面積 一次レーダには式（１）が適用される。この応用例では
破片の存在領域が高度２００ｋｍ付近より高高度の所に
存在するので、レーダの受信電力はＲの４乗に比例して
減衰し、微弱なものになる。これに対しては送信電力を
増強することとアンテナの利得を大きくすることが必要
になるが、それを実現するためハードウェアを大型にす
るので各種の問題点が発生する。例えば送信電力の増大
は送信装置の大型化を招くか、なかでもパルスを繰り返
し送信する方法は、破片かはとんと２００　ｋｍ付近よ
り上の高度を軌道運動しているので地上から２００　ｋ
ｍの間に電波のビームか無効に拡がっていくため、電力
を有効に使っていない。

また２００ｋｍ以上離れた破片をレーダにより検出する
だけで、破片の実像についてはわからなかった。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたもの
であり、宇宙空間に浮遊する破片の位置を容易に検出し
７また破片の実像を検出することができる方法を提供す
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる宇宙浮遊物検出方法は、軌道高度２０
０　ｋｍ〜２５０　ｋｍの高度に人工衛星を投入し、こ
れに受信装置あるいは送信装置を備え、地上に送信装置
及び管制装置を備え７両者を組合わせて一組の送受信シ
ステムを構成し、送受が分離されているので捜索電波に
連続波を容易に使うことかできるようにしたものである
。

また、はぼ同高度に人工衛星を介在させているため、こ
の人工衛星に航法誘導機能と画像処理機能を持たせるこ
とにより、破片に接近し、破片の画像を取得することが
できるようにしたものである。

〔作用〕

この発明において捜索電波は一方向のみの電波伝ばんに
より検出が行なわれるので３式（１）のＲを等価的に縮
めることができ、かつ送受か分離されているので、連続
波を捜索に使用することができる。

また検出した破片の位置データと人工衛星の位置および
姿勢データをもとに人工衛星の航法誘導を行ない、ある
程度の距離まで接近した後は人工衛星に搭載Ｉ７たレー
ダ送受信器を用いて破片との相対位置データ検出しなが
ら接近し、至近距離から人工衛星のカメラにより破片の
画像を撮影することで破片の実像を検出するものである
。

〔実施例〕

この発明の基本構成を第１図に示す。図中（１）は破片
、（２）は人工衛星、（３）は送信設備、（４）は官制
局、（５）は送信設備（４）から送信する破片（１）の
捜索電波、（６）は破片（１）で散乱した後の散乱波、
（７）は官制局から人工衛星へのコマンド（８）は人工
衛星から官制局へのテレメＩ・りである。

人工衛星（２）は破片（１）の観測に適した軌道に投入
する。送信設備（３）より破片（１）の捜索電波（５）
を送信する。捜索電波（５）が破片（１）に照射される
と、破片の有効断面積に応じた散乱をおこし、この散乱
波（６）は人工衛星（２）により受信される。散乱波（
６）か人工衛星（２）により受信された時の検索電波送
信方位角（アンマス角）及び仰角（エレベーシヨン角）
は高精度で設定できるものとする。送信段ｆｉｉｉ（３
）より捜索電波（５）を送信すると同時に官制局（４）
より人工衛星（２）へ測距情報を含むコマンド（７）を
送信する。人工衛星（２）より受信した散乱波（６）の
測距情報と受信したコマンド（７）の測鉗情報より距離
（位相差）を検出することができ２　この距離（位相差
）データをテレメトリ（８）により官制局（４）へ送信
する。

人工衛星（２）の軌道は官制層（４）により正確に決定
できているので１時刻か判明すれば位置を高精度で求め
ることかできる。

コマンドの測距情報には疑似ランダム雑音符号（ＰＳｕ
ｅｄｏ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｎｏ１ｓｅ符号、略称ＰＮ符号
）を用い、捜索電波にも同様に疑似ランダム雑音符号に
変調された連続波を使用する。人工衛星（２）が受信す
るコマンド（７）のＰＮ符号と散乱波（６）のＰＮ符号
の関係を第２図に示す。（９）はコマンド（］０）は散
乱波の測距情報となるＰＮ符号、　（１１，）及び（１
２）はＰＮ符号の１ブロツクを示す。（１３）はコマン
ドと散乱波の間の伝播汀延時間である。

（１１）（１２）のＰＮ符号のブロックはｉ、ｊ、にの
ような疑似ランダム符号になっており、実際は図中に示
すＯと１の一連の組み合わせより成立つ。

０と］の長さは、ＰＮ符号の種類を選択することによっ
て決まる値であり、ｉ、ｊ、ｋ・・・、ａのとの文字長
も同一で、一つのブロックはこの文字を連続され構成さ
れている。人工衛星（２）はこのＰＮ符号の相関器を備
えており、コマンドのＰＮ符号（９）と散乱波のＰＮＦ
ｆ号（１０）の位相を読み取ることかできる。この２つ
の位相差を比較すればコマンド（７）と散乱波（６）の
時間遅れ（１３）を検出することかできる。

人工衛星（２）と送信設備（３）の位置か判明していて
、二つの符号間の時間遅れか判明しているので、第３図
にこの関係を簡単な幾何モデルで表現する。図中（１４
）はＸ軸、　（１５）はｙ軸、　（１６）（１７）は楕
円の焦点、　（１８）は楕円、　（１９）は楕円上の点
と二つの焦点を結ぶ線分、　（２０）は楕円上の一点、
　（２１）はＡ点から見た破片（１）の方向、　（２２
）は破片（１）の位置である。人工衛星（２）の位置を
Ｂ　（１７）とし送信設備（３）の位置をＡ　（１６）
とすると１両者を貫く線分としてＸ軸（１４）が定義で
きる。ＡＢ間の距離は軌道決定から判明している。送信
設備（３）破片（１）と人工衛星（２）の経路の距離は
、ＡＢ間の距離に相当する時間と捜索電波（５）を経て
散乱波（６）が人工衛星（２）に到達する時間との差で
ある距離差遅延時間（１３）に相当する距離と、ＡＢ間
の距離の和より求めることができる。この二つの距離よ
り次の構図か作成できる。即ち９人工衛星（２）と送信
設備（３）の距離能れた点Ａ　（１６）と点Ｂ（１７）
を焦点とし、楕円上の一点Ｐ’　（２０）が距離差遅延
時間（１３）に相当する距離とＡＢ間の距離の和になる
ような楕円（１８）を描くことができる。２次元で考え
れば、破片（１）はこの楕円上に存在することになる１
、実際には３次元であるから、破片（１）は楕円（１８
）をＸ軸回りに回転した時できる回転楕円体の表面上に
存在することがわかる。

一方Ａ点（１６）は送信設備（３）を想定し、送信設備
（３）から破片（１）への捜索電波（５）の照射設定方
位角と仰角の二つの角度情報を得ている。（−たがって
Ａ点（１６）より照射方向（２１）に直線を描き前に述
べた回転楕円体との交点Ｐ　（２２）を求めればこのＰ
点（２２）が破片（１）の位置となる。

第４図に人工衛星（２）における距離差を検出する回路
構成を示す。（２３）は散乱波（６）の受信用アンテナ
、　　（２４）はコマンド（７）の受信用アンテナ（２
５）（２６）は受信機、　（２７）（２８）は比較回路
、　（２９）（３０）は局部ＰＮ符号発生器、　（３１
）（３２）は積分器及び符号追尾回路、　（３３）は符
号差の検出回路である。

アンテナ（２３）は散乱波（６）を受信し、受信機（２
５）において受信した搬送波よりビデオ出力を得る。

この出力は送信設備（３）と官制層（４）か持っている
のと同じＰＮ符号より構成される局部ＰＮ符号発生器（
２９）の出力と比較され、相関の強さが比較回路（２７
）で検出され、符号のアクイジションの設定及び符号の
追尾が積分器及び符号追尾回路（３１）によって行なわ
れる。同様にアンテナ（２４）はコマンド（７）を受信
し、受信機（２６）、比較回路（２８）積分器及び符号
追尾回路（３２）、局部ＰＮ符号発生器（３０）により
、前述の散乱と同様の処理を行なう。

両方の符号について、アクイジションを達成した後の局
部ＰＮ符号発生器（２９）、　（３０）は受信符号と常
に同一の位相を示すので、そのＰＮ符号を符号差検出回
路（３３）に入力することにより　コマンド（７）と散
乱波（６）の間の位相差、即ち距離差を検出することが
できる。

第５図は破片（１）の位置検出アルゴリズムをまとめた
ものである。（３４）は検出時刻。（３５）は散乱波コ
マンドの距離差データ、（３６）は官制層の位置データ
、　（３７）は送信設備の位置データ、　（３８）はＧ
Ｐ　Ｓ　（Ｇｌｏｖａｌ　ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙ
ｓｔｅｍ　）により得られた人Ｊ−衛星の位置デー先（
３９）は捜索電波の照射方位角および仰角データ、　（
４０）は官制層と人工衛星の距離を送信設備から人工衛
星の距離に補正する補正データ、　（４１）は送信設備
と人工衛星の距離データ、　（４２）は補正データ（４
０）により補正された後の距離差データ、　（４３）は
立体楕円方程式、（４４）は破片の位置データである。

（４４）の破片位置を検出するためには、　（４１）の
送信設備から人工衛星への距離データと、　（４２）の
送信設備から人工衛星までの距離と送信設備から破片を
経由した人工衛星までの距離との距離差データと、　（
３９）の送信設備における捜索電波の照射方向が必要で
ある。これら三つのデータが演算で使用される時は、検
出指定時刻（３４）が指定値として決められ、特定な時
刻におけるデータによる演算か行なわれる。人工衛星（
２）の位置はＧＰＳにより得られた人工衛星の位置デー
タ（３８）と検出時刻（３４）により求められる。この
データと官制層（４）の位置データ（３６）と送信設備
（３）の位置データ（３′７）から、官制層（４）と人
工衛星（２）の距離を送信段Ｎ（３）から人工衛星（２
）の距離に補正する補正データ（４０）と、送信設備（
３）から人工衛星（２）へのか離データ（４１）が得ら
れる。散乱波（６）とコマンド（７）の距離差データ（
３５）は、　（４０）の補正データにより送信設備（３
）から人工衛星（２）までの距離と送信設備（３）から
破片を経由した人工衛星までの距離との距離差データ（
４２）に補正される。送信段Ｎ（３）から人工衛星（２
）への距離データ（４］）と補正後の距離差データ（４
２）により立体楕円の方程式（４３）が得られ、この立
体楕円の方程式（４３）と捜索電波（５）の照射方位角
及び仰角データ（３９）により決まる直線との交点であ
る破片の位置（４４）を得ることができる。

第６図は人工衛星、送信設備、官制層の送受信システム
により破片の位置を検出した後１人工衛星の自律的航法
誘導機能により破片に接近し、破片の画像データを取得
するまでの処理のながれを示したものである。

図において（４５）は追尾コマンド、　（４６）は軌道
制御マヌーバの時刻、制御方法、制御量を設定する搭載
ソフトウェアの処理、　（４７）は人工衛星と破片の相
対位置デー外（４８）軌道制御の実施、　（４８）は第
１接近完了スデータス、　（５０）は姿勢センサによる
姿勢データ、　（５１）はレーダ座標系における破片の
相対姿勢データ、　（５２）はアクチュエータによる姿
勢制御、　（５３）はレーダによる破片の検出および破
片への接近航法誘導、　（５４）は最終接近完了ステー
タス、　（５５）は破片の画像処理を示す。

（４４）の破片位置データを検出した後官制局より追尾
コマンド（４５）を送信すると人工衛星の搭載ソフトウ
ェアにおいて、　（３４）の検出時刻、　（３８）の人
工衛星位置データと（４４）の破片の位置データにより
相対位置データ（４７）と人工衛星が破片に接近するた
めの軌道制御マヌーバの時刻、方法、制御量（４６）を
計算する。（４６）に従って軌道制御（４８）が実施さ
れる。破片を人工衛星に搭載したレーダが十分検出でき
る相対位置まで接近すると、第１接近完了ステータス（
４９）がオンとなる。第１−接近完了ステータス（４９
）かオンになると１人工衛星のレーダ座標系における破
片の方向（相対姿勢）を算出し、レーダの感度軸を破片
に向けるよう姿勢制御（５２）が実施される。レーダが
破片をとらえるとさらに画像を撮るのに適した位置およ
び姿勢まで航法制御と姿勢側１ｌｌ（５３）が実施され
る。画像を撮るのに適した位置および姿勢になると最終
接近完了ステータスがオンとなり、破片の画像処理（５
５）が行なわれる。

〔発明の効果〕

この発明は、宇宙空間に浮遊する破片が周回している付
近に人工衛星の軌道を設定し、測距情報を含むコマンド
を官制層から人工衛星へ、同様に捜索電波を送信設備か
ら破片へ送信することにより一方向の電波伝播検出の組
み合わせによって破片の位置を求めるため、破片への双
方向の電波伝播による受信電力密度を表すレーダ方程式
（１）においてＲ４の項が大きくなり無効に電波が拡が
ってしまう軌道高度においても、破片の位置検出が容易
にでき、さらに人工衛星の航法誘導機能と画像処理機能
により至近距離からの破片の画像を撮ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の基本構成を示す図、第２Ｎはコマン
ドど散乱波のＰＮ符号の関係を示す間第３図は送信設備
と人工衛星と破片との幾何学モデルを示す図、第４図は
人工衛星において距離差を検出する回路構成を示す図、
第５図は破片位置検出アルゴリズムを示す図、第６図は
人工衛星の自律的航法誘導機能により破片に接近し破片
の画像データを取得するまでの処理のながれを示す間第
７図は従来の一次レーダの構成図である。 図において（１）は破片、（２）は人工衛星、（３）は
送信設備、（４）は官制局、（５）は破片の捜索電波、
（６）は破片（１）における散乱波、（７）はコマンド
、　（８）はテレメトす、（９）はコマンドのＰＮ符号
、　（１０）は散乱波のＰＮ符号、　（１，１）（１２
）はＰＮ符号の１ブロツク、　（］、３）はコマンドと
さんらん波との間の伝播遅延時間、　（１４）はＸ軸、
　（１５）はＹ軸（１６）（１７）は楕円の焦点Ａ点と
Ｂ点、　（１８）は楕円（１９）は楕円のニーつの用意
を結ぶ線分、　（２０）は楕円上の一点、　（２］、）
はＡ点から見た破片の方位、　（２２）は破片の位置、
　（２３）は散乱波の受信アンテナ、（２４）はコマン
ド受信アンテナ、　（２５）（２６）は受信機（２７）
（２８）は比較回路、　（２９）（３０）は局部ＰＮ符
号発生器、　（３１）（３２）は積分器および符号追尾
回路、（３３）は符号差の検出回路である。（３４）は
検出時刻（３５）は散乱波とコマンドの距離差データ、
　（３６）は官制局の位置データ、　（３７）は送信設
備の位置データ、　（３８）はＧＰＳにより得られた人
工衛星の位置データ、　（３９）は捜索伝播の照射方向
、　（４０）は補正データ、　（４１）は送信設備と人
工衛星の距離データ。 （４２）は補正データにより補正された後の距離差デー
タ、　（４３）は立体楕円の方程式、　（４４）は破片
の位置データ、　（４５）は追尾コマンド、　（４６）
は軌道制御マヌーバの時刻・方法・制御量の計算、　（
４７）は破片と人工衛星の相対位置データ、　（４８）
は軌道制御（４９）は第１接近完了ステータス、　（５
０）は人工衛星の姿勢データ、　（５１）はレーダ座標
系における破片の相対姿勢データ、（５２）は姿勢制御
、　（５３）はレダによる航法誘導および姿勢制御、　
（５４）は最終接近完了ステータス、　（５５）は画像
処理、　（５６）はレダ、　（５７）は送信波、　（５
８）は反射波である。 なお図中同一または相当部分には同一符号を示す。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 地表の官制局より宇宙浮遊物が軌道上にある付近に投入
   された人工衛星へ測距情報を含むコマンドを送信し、同
   時に測距情報を含むコマンドとは別の周波数のビームを
   浮遊物を検出しようとする方向に照射し、このビームに
   宇宙浮遊物が照射された時発生する宇宙浮遊物の持つ固
   有な電波の有効断面積に応じた散乱波を人工衛星により
   受信し、上記人工衛星において前記のコマンドと前記の
   散乱波の間の位相差より求められる距離差のデータと、
   別に官制局で得られている人工衛星の位置データと、送
   信局におけるビーム照射方向を入力とし演算することに
   より宇宙浮遊物の位置を検出し、またこの検出位置デー
   タをもとに上記人工衛星を航行誘導し上記宇宙浮遊物に
   接近させ、さらに最終的接近時には上記人工衛星に搭載
   したレーダ送受信器により至近距離まで接近し、宇宙浮
   遊物の画像を人工衛星により取得することにより宇宙浮
   遊物の映像を検出することを特徴とする宇宙浮遊物検出
   方法。