JPS5973719A - 人工衛星搭載恒星センサ信号処理方式 - 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】 この発明は人工衛星搭載恒星センサ信号処理方式に関す
る。

将来、慣性センサを用いて人工衛星の姿勢を決定するシ
ステムを実現することが必要となると考えられる。とこ
ろで、慣性センサを用いて長時間姿勢決定を続けると、
悄性センサ内のジャイロのドリフトや姿勢計算モデル上
の誤差によって、姿勢決定精度が劣化する。このため。

人工衛星の姿勢決定精度を高精度に維持するシステムを
実現するためには、姿勢決定誤差を定期的に除去して高
精度化することが不可欠となる。

ところで、この姿勢誤差の除去即ち補償の方法として１
人工衛星の機軸座標に対する恒星方向の単位ベクトルの
観測値と、その観測値に対応するカタログ値が既知と仮
定できれは、以後簡単な処理によって姿勢誤差を除去で
きることは周知の事実である。

しかし、現実には、観測値に対応するカタログ値を如何
にして決定すべきかが問題であった。

この発明は上記従来の困難を解決して、恒星観測値とそ
れに対、応する恒星カタログ値を出力する人工衛星搭載
恒星センサ信号処理方式を提供しようとするものでおる
。

以下、この発明による一実施例を図面により詳述する。

第１図はこの発明による人工衛星搭載恒星センサ信号処
理方式の概念を示す図である。

図において（１）は慣性センサ、（２）は姿勢計算装ｆ
、（３）ハデータベース、（４）はサブカタログＡ編集
装置、（５）は恒星センサ、（６）はＣＢ含ｘ　］推定
装置。

（７）はサブカタログ群Ｂ編集装置、（８）は同定処理
装置、（９）は恒星センサ信号処理用計算機である。

このような構成において、慣性センサ（１）によって測
定【７た時刻ｔｋにおける衛星機軸回りの回転角速度ω
ｊｋ（ｊ＝１．２．３）を入力として姿勢計算装置（２
）で姿勢基準としての慣性空間座標に対する衛星機軸方
向の単位ベクトルを決定する座標変換行列〔ＢＣＩ〕を
計算する。サブカタログＡ編集装置（４）は上記姿勢計
算装置（２）の出力〔ＢＣ工〕とスイッチＳＮ１をＮ１
（ＩｌＩｌに入れてデータベース（３）中の恒星カタロ
グとを入力として、恒星センサ（５）の視野内に在ると
予測される恒星のサブカタログを編集する。ＣＢＯＩ）
推定装置（６）は上記サブカタログ編集装置（４）の出
力とスイッチＯＮ２をＮ１　　側に入れて恒星センサ（
５）による恒星方向の単位ベクトルの観測憩とを入力と
して。

座標変換行列ＣＢＣＩ）の真の値に対する最適推定値Ｃ
Ｂ’ａ’Ｉ）を推定する。

サブカタログ群Ｂ編集装置（７）は上記〔ＢＣＩ〕推定
装置（６）の出力と、スイッチＳＮ１をＮ２側に入れ、
データベース（３）中の恒星カタログとを入力として、
推定（ｆｉｌ（ＢＣｒ）に基〈恒星センサの視野に対応
する恒星のカタログを編集する。恒星同定処理装置（８
）は上記サブカタログ群Ｂ−集装置（７）の出力と、ス
イッチｓｙ２をＮＱ　１ｌｌｊに入れ恒星センサ（５）
による恒星方向単位ベクトルの観測値とを入力として、
観測値に対応するカタログ値を同定するように構成され
ている。

このように構成された恒星センサ信号処理用計算機（９
）はこの恒星方向単位ベクトルの観測値とそのカタログ
１＠、を姿勢決定系へ与え、以下従来と同じ方法で姿勢
決定精度が改善できるので。

人工衛星の姿勢決定精度を高い精度に維持するシステム
を実現させるものである。

以下恒星センサ信号処理用計算機（９）を構成する各装
置の詳細について第２図、を用いて説明する。

姿勢計算装置（２）は慣性センサ（１）による衛星様軸
回シの角速度ωｊｋ（ｊ＝１．２．３）を用いて。

衛星の姿勢（１１，、ｆｌＢ　＋　［ｋＢ　：］　　を
以下のようにして計算する。

但しく１ＬＩｅ　１３□、に工）は慣性基糸座標の各軸
方向の単位ベクトル、また。

（２） 但し ρｎｋ”ρｎｋ＋（１−（１−ε＞　１／２　）ρｎｋ
、　ｎ＝１．２，３．４（３） 〔ρ。〕ｋ＝Ｅｋ〔ρ。〕ｋ−１ ｅ、＝（１−１／ｓΔαｎ）（６） ８２　＝（１／　２　１　／　４８Δα２ｋ（７）Δ県
＝（Δα、に＋Δα２に十Δα’、ｋ）　”　　　　　
＋ａ＋ｔ＝　１　　（ρ１ｋ　十ρ２ｋ　＋ｌ’５）ｔ
　＋ρ４ｋ）　　　　　ｔｌｌｌで与えられる。

以上を要約すると、逐次的姿勢計算の過程における前段
階に−１のオイラパラメータρｎｋ−１（ｎ＝１．２．
３．４）　　を既知として、現時点の姿勢は慣性センサ
によって測定した衛星機軸回りｏ角ＭＷωｊｋ（ｊ＝１
．２．３）を式Ｏｎに代入してΔαｊｋを計算し、これ
を用いて式（４）〜（９）によυ典、を求め、以下式１
３１．　ｔｌｌｌ、　１２＋を適用して現時点にでの姿
勢（ｔＬｎ　＋　ｊＢ　＊　’Ｂ　）が得られる。なぢ
、初期値ρｎｏはあらかじめデータベース（３）に設定
された値を使用する。

つぎに、サブカタログ八編集装置（４）で式（２）の結
果を用いて、以下の方法でカタログ恒星率ｊａを選出す
る。

まず、恒星センサ（５）の光軸方向の単位ベクトルＩｉ
、を次式で計算する。

ｔＬ、＝（ＢＯ工：ｌ、　　（：ＢＯＢ）　［：１．０
．０］　　Ｔ　：転置　ｆ１２但し〔ＢＣ８〕は恒星セ
ンサ座標と衛星機軸座標の関係で既知とできる。

次にデータベース（３）中の恒星カタログから以下の条
件式によシサブカタログ１　を選出する。

＄ＩＦＬＥＣＩａｌｘ／２−ｃｏ　５−１（＄ａ−ｉ、
月＜ｇ、）　　　　（１３但しε１は〔ＢＣｘ′３ｋ　
の座標変換誤差および恒星センサの視野の大きさなどを
考慮して、一定の伽に設定する。

〔ＢＣ□〕推定装置（６）は弐〇の結果と恒星センサデ
ータを用いて座標変換行列〔ＢＣ□〕の最適推定値〔Ｂ
Ｃ工〕を以下の方法で計算する。

恒星センサ（５）によって観測した恒星方向の単位ベク
トル自にの任意の１個例えは”、ｋを用いる。

一方式（１りによる＊ｊａのうちの任意の１個を”、に
の真値即ち”ｌｋに対応するカタログ値と見立てると、
一般に 串、ｋ　＝（ＢＣｒ）ｋ　　（ＩＣＩＱ）　　申ｊ＋［
Ｈ（ｋｌ　ｌｖ　（ｋｌ　　　　（１４１但しＩＨ（ｋ
ｌは誤差伝搬行列 Ｉｖ（ｋｌは観測Ｍ音 が成立つ。

ここで〔□Ｃ工。〕　は町　が牢、にの真のカタログ値
である場合は、真の慣性空間座標（即ちここではカタロ
グ恒星方向の単位ベクトルを定義している座標系）に対
する〔Ｂｃ工〕ｋの偏差を定義する補正行列であＬ＄、
１ａ７５（１−の真のカタロある。

ここで＊　　［ＩＣｌ０）は一般に第２図のオイラ角Ｆ
’Ｄ　　で定義することができる。即ち（ｘＣｘｏ：’
＝［’ｐｑ：］　　　　　　　　　　　　　ａ５１但し ａ、１　＝Ｃ！　φＤＺ　ＣφＤＹ−８φＤｚ　ＣφＤ
Ｘ　ＳφＤＹａ２．＝−７ＳφＤ７．Ｃφ。

ａ３．＝ＣφＤ２ＳφＤＹ十ＳφＤＺ　”φＤｘＣφＤ
Ｙａ１２＝ＳφＤｚＣφＤＹ＋ＯφＤｚＳφＤＸＳφＤ
Ｙａ、＝＝ＣφＤＺＣφＤＸ ａ　３２　””　ＳφＤＺ　ＳφＤＹ−ＣφＤＺＳφＤ
ＸｃφＤＹ”１５”　’φＤＸＳφＤＹ ＆　２５　＝ＳφＤＸ ａ　ｓｓ　＝ＣφＤＸＣφＤＹ Ｏ＝＝　ｃｏｓ、　Ｓ　＝　ｓｉｎ　の演算子そこで、
状態変数大を ””Ｃ９’ＤＸ　＊　９’ＤＹ　＃　’／’ＤＨ〕Ｔ＋
ｌＧとする。

また、状態方程式を ｋ（ｋ）＝ｋ　（ｋ−１）＋ｔＤ（ｋ−１）ｌｕ（ｋ−
１）　　　　　　αりで与える。

才だ１式（Ｉ４１は式ｔｌＧのような状態ベクトルを選
ぶと次のような非線形四側方程式となる。

Ａ　（ｋｌ＝　ｇ（ＰＣ（ｋｌ　、　ｋ）　＋Ｉ（（ｋ
）＋ｖ（ｈ）＋１８従って〔□Ｃ工。〕を定義する状態
数は式ａηの状態方程式０式翰の観測方程式をもつシス
テムに対し、よく知られているように次のｔルマンフィ
ルタによって計算できる。

杯（ｈ＋ｋ）＝ｔ（ｋｌに−１）＋１Ａｔｂ（ｓ（ｋｌ
−ｇ＜ド（ｋｋ−１））　凹官（ｋｌｋ−１）＝〆（ｃ
−１１ｋ−１）　　　　　　　　　ｍ但し／Ａ（ｔ□）
はカルマンゲイン 各１１ｊ、ｊ＝１．２．・・・、Ｊ　（但し、Ｊはサブ
カタログＡ内の恒星数）についてそれぞれ式■〜式翰を
適用すると、各カタログ恒星対応の状態変数Ｘの推定値 １ｃｊ＝　（’？’ＤＸ　ｌψカ、ψＤ２〕ｊＱＤが求
まる。

この結果を式αりに代入すると〔□Ｃ工。〕ｊ（ｊ＝１
゜２、・・・、Ｊ）が求まる。

この〔□Ｃ工。〕ｊと式（２）の〔ＢＣＣａ２を用いて
〔ＢＣ工〕ｊ＝〔ＢＣ１〕ｋ〔□Ｃ工。〕−のを計算す
る。

次にサブカタログ群Ｂ編集装置（７）は弐〇１７４の結
果とデータベース（３）中の恒星カタログを入力として
、サブカタログＡ編集装置（４）と全く同じ方法で、〔
ＢＣ工’）ｊ（ｊ＝１　ｍ　２　ｓ・・・ｔＪ）を適用
した場合の各ｊに対応する恒星センサ（５）の視野内に
在ると予測される恒星のカタログを編集する。

即ち ＩＩＬ８．＝〔占−、、Ｔ　（Ｂｃ、）　（ｔ、ｏ、　
ｏ　：］Ｔ（２３１’ｌ”　Ｅ　ＣＳ　’　ｌ　ｘ／２
　０　ｏ　ａ−’　（’Ｉ”−ａｓ　、１　）　Ｉ　＜
　’　、］　　　Ｃ□ｅ ｌ＝１．２．・・・、Ｌ 恒星同定処理装置（８）は弐頴の結果と、恒星センサの
観測憾牟ｉ　を入力として＄、に対応する恒星のカフロ
グ値を以下のようにして決定する。

しふま説明の複雑さを避けるため観測姐は３個即ち Ｃ：〔時１ｍ、ｍツキ、中、ｍ　）　　とする。

一方式＠によるサブカタログ群÷ユそれぞれで与えられ
るとする。

１：まず式（ハ）による各カタログ鼠をそれぞれ対応す
る〔ＢＣ１〕ｊ　　を用いて衛星様軸座標系へ変換する
。

２：つき゛に式■の結果と観測１１８ｍ　に対し次の条
件式を適用する。

以上の処理によって、各式のセット中１つでもｔＪｌｊ
が空集合（即ち観測値に対応するカタログ無）となるセ
ットを捨てる。これによって通常１セツトだけが１つも
空集合を含まないセットとして残るので観測値（１，＊
　ｌｉ＋２．’３）に対応するカタログ値（’１，１ｓ
　１ｊ２ｊ、　１１Ｉｇ　）が決定できる。但し、ｊは
空集合を含まないセット番号に対応する。しかし、ε２
　の設定の仕方によっては複数のセットが残る場合が考
えられる。この場合はさらに以下の処理を実行する。

３：観、測値に対し ｍ　　　Ｗ ｌ　＝＄、・＄２ １２＝ＩＩＩ２　・も　　　　　　　　　　　　＠１３
＝牢、・印。

を計算する。

４：つぎに、２；の結果簡単のため’ｉ、＊　’ｉ□甲
１３（但しｉ＝１．２．３）が残ったとして、それぞれ γ１１　””　’１１　゛”２１ γ２１””２１・８５．＠ γ３．＝６．・印、。

γ１２　”　’　１２°’２２ ■ γ２２”’２２°”３２ γ３２＝印５２　°＄１２ γ１３＝５１３　”２３　　　　　　　　　　ｃｌ、。

ｒ２３　”　”２３°”３３ γ３３　””　＄５３°ｌ１ｌ１１３ を計算する。

５：微小なウィンドウε３　を用いて γ、ｉ　Ｅ（γ、ｉｌｌ　’＋　−γ、ｉＫ’３　：］
７２１　ＥＤ２ｉ　１１１１２　７ｚｌ　１＜　６．　
〕Ｃ３Ｄγ５ＩＥ（’５ｉｌｌ’５−ｒｓｉｌ〈’３　
）を求めれは、弐０２を全て満足する共通の１番例えば
１＝２をもつ（ｒ１２１　ｒ２□＋１５□）が得られ。

観測値に対応するカタログｉｍが決定できる。

なお０以上の説明では特に断らない限り恒星方向の観測
値？は全て衛星様軸座標に対する単位ベクトルを想定し
ている。

以上述べたことから明らかなように、この発明による恒
星センサ信号処理方式は恒星センサによる恒星方向の単
位ベクトルの観測値に対応するカタログ恒星を一意的に
決定し、観測１１１Ｌと共に出力する利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による恒星センサ信号処理系の構成を
示す概念図、第２図は２つの座標系の関係を与えるオイ
ラ角の定義を示す図であ）。 （１）は慣性センサ、＜２１は姿勢計算装置、（３）は
データベース、（４）はサブカタログＡ編集装置、（５
）は恒星センサ、（６）は〔ＢＣ□〕推定装置、（７）
はサブカタログ群Ｂｔａ集装置、（８）は恒星同定処理
装置。 （９）は恒星同定処理用計算機である。 代理人　葛　野　信　− 第２図 東京都千代田区丸の内２丁目２ 番３号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 人工衛星に搭載した慣性センサによって測定した衛星機
   軸回りの回転角速度を入力して、慣性空間座標に対する
   人工衛星の各機軸方向の単位ベクトル即ち人工衛星の姿
   勢を計算する姿勢計算装置と、上記姿勢計算装置の出力
   およびデータベース中の恒星カタログを入力して、恒星
   センサの視野内にあると予測される恒星のカタログを編
   集するサブカタログＡ編集装置と、上記サブカタログ八
   編集装置の出力および人工衛星に搭載した恒星センサに
   よって測定した恒星方向の単位ベクトルとを入力して、
   慣性空間座標と衛星機軸座標との関係を与える座標変換
   行列１：ｏＯｘ）を推定する（　ＢＯＩ　）推定装置と
   、上記〔１・？Ｉ）推定装置の出力およびデータベース
   中の恒星カタログを入力として、推定された（　１３ａ
   ”Ｉ　）に基く恒星センサの視野に対応する恒星のカタ
   ログを編集するサブカタログ群Ｂ編集装置と。 上記サン゛カタログ群Ｂ編集装置および恒星センサによ
   って測定した恒星方向単位ベクトルの観測値とを入力し
   て、観測値に対応するカタログ値を同定する同定処理装
   置とを備えた恒星センサ信号処理用計算機を上記人工衛
   星に搭載し。 恒星ベクトルの観測値とそのカタログ値とを出力するよ
   うにしたことを特徴とする人工衛星搭載恒星センサ信号
   処理方式。