JPH04146900A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は宇宙空間に浮遊する破片（Ｄｅｂｒｉｓ）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破片（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
載し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６図に示す。（５３
）はレーダ、　（５４）は送信波、　（５５）は反射波
、（１）は破片である。レーダ（５３）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（５
４）を照射する。この電波は破片の有効断面積（Ｃｒｏ
ｓｓ　５ｅｃｔｉｏｎ）に比例した反射波（Ｅｃｈｏ）
　（５５）を生じ、この散乱波を再びレーダ（５３）で
受信する。

〔発明が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。

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 Ｇｔ：送信アンテナ利得 Ａｒ：受信アンテナ有効面積 Ｒ：レーダー目標間距離 σ　：目標の有効断面積 一次レーダには式（１）か適用される。この応用例では
破片の存在領域か高度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１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が、な
かでもパルスを繰り返し送信する方法は。

破片がほとんど２００Ｋｍ付近より上の高度を軌道運動
しているので地上から２００Ｋｍの間に電波のビームが
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
、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、送信装置を備
えた人工衛星を中・高高度軌道に投入し。

受信装置を備えた人工衛星を軌道高度２００Ｋｍ〜２５
０Ｋｍに投入し１両者を組合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
を容易に使うことができるようにしたものである。

また、はぼ同高度に電波受信用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１式（１）のＲを等価的に縮
めることができ、かつ送受が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１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したレーダ
送受信器を用いて破片との相対位置データを検出しなが
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）は電波を送信する人工衛星、（３）は電波を受
信する人工衛星、（４）は電波送信衛星（２）から送信
する破片（１）の捜索電波、（５）は破片（１）で散乱
した後の散乱波、（６）は電波送信衛星（２）から電波
受信衛星（３）へ衛星間通信により送られる電波、（７
）は管制局、（８）は最終的に得られた破片の位置およ
び映像データを管制局（７）へ送信テレメトリである。

電波を送信する人工衛星（２）は中・高高度軌道また電
波を受信する人工衛星（３）は破片（１）の観測に適し
た軌道に投入する。電波送信衛星（２）より破片（１）
の捜索電波（４）を送信する。捜索電波（４）が破片（
１）に照射された時、破片の有効断面積に応じた散乱を
おこし、この散乱波（５）は電波受信衛星（３）により
受信される。散乱波（５）が人工衛星（３）により受信
された時の人工衛星（２）における捜索電波（４）の送
信方位角及び仰角は高精度で測定できるものとし、送信
方位角及び仰角データは衛星間通信電波（６）により測
距情報と共に送られる。人工衛星（３）において受信し
た散乱波（５）の測距情報と衛星間通信電波（６）の測
距情報より距離（位相差）を検出することができる。ま
た人工衛星（２）および人工衛星（３）の絶対位置はそ
れぞれに搭載したＧＰＳ受信器により得られ。

人工衛星（２）の絶対位置データも衛星間通信電波（６
）の測距情報と共に人工衛星（３）に送信される。

衛星間通信電波の測距情報には疑似ランダム雑音符号（
Ｐｓｕｅｄｏ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｎｏ１ｓｅ符号、略称Ｐ
Ｎ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（３）が
受信する衛星間通信電波（６）のＰＮ符号と散乱波（５
）のＰＮ符号の関係を第２図に示す。（９）は衛星間通
信電波の情報となるＰＮ符号、　（１０）は散乱波の測
距情報となるＰＮ符号、　（１１）及び（１２）はＰＮ
符号の１ブロツクを示す。（１３）は衛星間通信電波と
散乱波の間の伝播遅延時間である。（９Ｘ１０）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０と１の一連の組み合
わせより成立つ。０と１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のどの文字長も同一で、一つのブロックはこの文
字を連続させ構成されている。人工衛星（３）はこのＰ
Ｎ符号の相関器を備えており、衛星間通信電波のＰＮ符
号（９）と散乱波のＰＮ符号（１０）の位相を読み取る
ことができる。この２つの位相差を比較すれば。

衛星間通信電波（６）と散乱波（５）の時間遅れ（１３
）を検出することができる。

人工衛星（２）と人工衛星（３）の位置が判明していて
９二つの符号間の時間遅れが判明しているので、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ｙ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（３）の位置を
Ｂ　（１７）とし。

人工衛星（２）の位置をＡ　（１６）とすると１両者を
貫く線分としてｙ軸（１４）か定義できる。ＡＢ間の距
離は人工衛星（２）　（３）それぞれ搭載しているＧＰ
Ｓ受信器により得られデータをもとに判明している。人
工衛星（２）、破片（１）と人工衛星（３）の経路の距
離は、ＡＢ間の距離に相当する時間と捜索電波（４）を
経て散乱波（５）が人工衛星（３）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、Ａ
Ｂ間の距離の和より求めることができる。この二つの距
離より次の構図が作成できる。即ち１人工衛星（２）と
人工衛星（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間の距離に和
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。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）は人工衛星（２）を想定し１人工衛星
（２）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。したがって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（３）における距離差を検出する回路
構成を示す。（２３）は散乱波（５）の受信用アンテナ
、　（２４）は衛星間通信電波（６）の受信用アンｆ　
ｔ　、　（２５）（２６）（を受信機、　（２９）（３
０）ハ局部ＰＮ符号発生器、　（２７）（２８）は比較
回路、　（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（５）を受信し、受信機（２５）において受
信した搬送波よりビデオ出力を得る。この出力は人工衛
星（２）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（３
１）によって行なわれる。同様にアンテナ（２４）は衛
星間通信電波（６）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Ｐ
Ｎ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、衛星間通信電波（６
）と散乱波（５）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
と衛星間通信電波の測距情報より得られた距離差（位相
差）データ、　（３６）は電波送信衛星（２）の位置デ
ータ、　（３７）は電波受信衛星（３）の位置データ、
　（３８）は捜索電波の照射方位角および仰角データ、
　（３９）は人工衛星（２）と人工衛星（３）間の距離
データ、　（４０）は立体楕円の方程式、　（４１）は
破片（１）の位置データである。（４１）の破片位置を
検出するためには１人工衛星（２）から人工衛星（３）
までの距離と人工衛星（２）から破片を経由した人工衛
星（３）までの距離との距離差データ（３５）と１人工
衛星（２）から人工衛星（３）への距離データ（３９）
と。

送信設備における捜索電波の照射方向（３８）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が行なわれる。人
工衛星（２）の位置データ（３６）は人工衛星（２）の
搭載するＧＰＳ受信器によって得られ、衛星間通信電波
（６）により人工衛星（３）へ送られる。人工衛星（３
）の位置データ（３７）についても人工衛星（３）の搭
載するＧＰＳ受信器によって得ることができる。したが
って人工衛星（２）と人工衛星（３）間の距離データ（
３９）は電波送信衛星の位置データ（３６）と電波受信
衛星の位置データ（３７）との差により求められる。捜
索電波の照射方位角および仰角データについても衛星間
通信電波（６）により人工衛星（２）から人工衛星（３
）に送られる。まず距離差データ（３５）と衛星間距離
データ（３９）により立体楕円の方程式（４０）が得ら
れる。この立体楕円の方程式（３９）と捜索電波（４）
の照射方位角及び仰角データ（３８）により決まる直線
との交点である破片の位置（４１）を得ることができる
。

第６図は電波送信衛星、電波受信衛星の送受信システム
により破片の位置を検出した後、破片に近い受信衛星の
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流れを示したものである。

図において（４２）は追尾実行信号、　（４３）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、　（４４）は人工衛星（３）と破
片（１）の相対位置データ、　（４５）は軌道制御の実
施、　（４６）は第一接近完了ステータス、　（４７）
は姿勢センサによる姿勢データ、　（４８）はレーダ座
標系における破片の相対姿勢データ、　（４９）はアク
チュエータによる姿勢制御。

（５０）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、　（５１）は最終接近完了ステータス、（５
２）は破片の画像処理を示す。（４１）の破片位置デー
タを検出すると人工衛星の搭載ソフトウェアにおいて検
出時刻（３４）における人工衛星（３）の位置データ（
３７）と破片（１）の位置データ（４１）から人工衛星
と破片の相対位置データ（４４）を計算する。相対位置
データ（４４）の値により追尾実行信号（４２）をオン
にする。追尾実行信号（４２）がオンになると人工衛星
（３）が破片（１）に接近するための軌道制御マヌーバ
の時刻、方法、制御ｉ＃（４３）を計算する。（４３）
に従って軌道制御（４５）が実施される。また破片を人
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、第一接近完了ステータス（４６）がオンと
なる。第一接近完了ステータス（４６）がオンになると
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（４９）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
御と姿勢制御（５０）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（
５１）がオンとなり、破片の画像処理（５２″）−′ｈ
＜行なわれる。

〔発明の効果〕

この発明は、中・高高度軌道に送信設備を備えた人工衛
星および衛星宇宙空間に浮遊する破片が周回している付
近に受信設備を倫えた人工衛星を投入し、測距情報を含
む衛星間通信電波を送信衛星から受信衛星へ、同様に捜
索電波を送信衛星から破片へ送信する破片への双方向の
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
、さらに宇宙浮遊物付近の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
ができる。

【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２図は衛星間
通信電波と散乱波のＰＮ符号の関係を示す図、第３図は
送信衛星と受信衛星と破片との幾何学モデルを示す図、
第４図は受信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図は受信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
示した図、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）は電波送信衛星（３）
は電波受信衛星、（４）は破片の捜索電波、（５）は破
片（１）における散乱波、（６）は衛星間通信電波、（
７）は管制局、（８）はテレメトリ、（９）は衛星間通
信電波のＰＮ符号、　（１０）は散乱波のＰＮ符号、　
（１１）（１２）はＰＮ符号の１ブロツク、　（１３）
は衛星間通信電波と散乱波との間の伝播遅延時間、（１
４）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点から見た破片の方位、　（２２
）は破片の位置、　（２３）は散乱波の受信アンテナ、
　（２４）は衛星間通信電波受信アンテナ、　（２５）
（２６）は受信機、　（２７）（２８）は比較回路、　
（２９Ｘ３０）は局部ＰＮ符号発生器、　（３１）（３
２）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
散乱波と衛星間通信電波の距離差データ、　（３６）は
電波送信衛星の位置データ、　（３７）は電波受信衛星
の位置データ、　（３８）は捜索伝播の照射方向、　（
３９）は人工衛星間の距離データ、　（４０）は立体楕
円の方程式、　（４１）は破片の位置データ、　（４２
）は追尾実行信号、　（４３）は軌道制御マヌーバの時
刻・方法・制御量の計算。 （４４）は破片と人工衛星の相対位置データ、　（４５
）は軌道制御、　（４６）は第一接近完了ステータス、
　（４７）は人工衛星の姿勢データ、　（４８）はレー
ダ座標系における破片の相対姿勢データ、　（４９）は
姿勢制御。 （５０）はレーダによる航法誘導および姿勢制御、（５
１）は最終接近完了ステータス、　（５２）は画像処理
。 （５３）はレーダ、　（５４）は送信波、　（５５）は
反射波である。 なお１図中同一または相当部分には同一符号を付して示
しである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中・高高度軌道に投入された人工衛星から宇宙浮遊物が
   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
   む電波を送信し、同時に測距情報を含む前述の電波とは
   別の周波数のビームを広範囲に照射し、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前述の宇宙浮遊物
   付近の人工衛星により受信し、受信した人工衛星におい
   て中高度衛星からの電波と散乱波の位相差より求められ
   る距離差のデータと、前述の電波を送信する中・高高度
   衛星によるビーム照射方向と、電波を送信する人工衛星
   および電波を受信する人工衛星にそれぞれ搭載したＧＰ
   Ｓ受信器および姿勢センサにより得られる人工衛星の絶
   対位置データと姿勢データ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
   もとに浮遊物付近の人工衛星を航法誘導し宇宙浮遊物に
   接近させ、さらに最終的接近時には浮遊物付近の人工衛
   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搭載している光学セン
   サによつて得るようにしたことを特徴とする宇宙浮遊物
   検出方法。