JP2002528314A - 通信衛星の姿勢を決定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 衛星（２）に搭載した姿勢決定装置であって、少なくとも２つの衛星（１、３）の間で光学的データ交換を行うためのデータ伝送装置と、衛星自体の位置を求める装置と、衛星自体の位置および前記データ伝送装置によって伝送された少なくとも２つの衛星（１、３）の位置データとから１つの慣性座標系内で方向ベクトルを求める装置と、少なくとも２つの衛星（１、３）に向いたそれぞれの方向ベクトルを衛星の本体に固定された座標系において決定する装置と、求められた方向ベクトルから姿勢を決定する装置とを有する装置、ならびにこの姿勢決定を行う方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、１つまたは複数の通信衛星の姿勢を決定する装置および方法に関す
る。

【０００２】 今日では衛星の姿勢すなわち角度姿勢を決定し制御する際に、操作に対して、
３つの回転軸すべてについて１／１００°レベルの精度要求が課されている。こ
の要求を満たすため、搭載自立型の恒星センサまたは地球センサが利用できる。
衛星の姿勢を決定するこれら２つの測定方法は、操作上大きな手間が必要になる
のが欠点である。この手間は、特にこのような測定法の誤差検知に対する要求か
ら生じるものである。搭載自立型の恒星センサの場合はそのほかにも欠点がある
。すなわち衛星の軌道領域に重い原子核を持つ強い放射線があるため、多数内蔵
された電子部品をこれに対応して堅牢にし、大きな技術的手間をかけないと、こ
の放射線を弱めることができない。しかしそれでも残留放射線が依然として存在
して電子部品に作用し、これが電子部品の寿命に悪影響を与える。

【０００３】 本発明の課題は、操作の際に姿勢決定に対する精度要求を満たし、できるだけ
わずかな技術的手間で、かつ特に精密なセンサを少なくとも１つ省いて、この精
度要求を実現できる、通信衛星の姿勢を決定する装置および方法を提供すること
である。

【０００４】 この課題は、独立請求項に記載の諸特徴によって解決される。代替の実施形態
は従属請求項に挙げてある。

【０００５】 衛星の姿勢を決定するための光学的データ伝送システムは、通信衛星の操作に
いずれにせよ必要なものであるが、これを使用することにより、本発明の対象に
必要な技術的な手間は相対的に少なくなる。必要なのはすでに衛星上で入手でき
るデータだけであって、これらのデータは比較的単純な方法で処理されるからで
ある。

【０００６】 以下、添付の図面に則してこの課題を説明する。

【０００７】 図１は３個の衛星１、２、３を示し、本発明の姿勢決定システムは、衛星１と
３の間の領域に位置する衛星２を起点として記述される。衛星１、２、３は地球
を中心とする軌道５上にあり、地球の中心点は参照番号６で象徴的に示されてい
る。

【０００８】 いずれの衛星１、２、３も、示されている星位にある他の衛星と情報交換でき
る。この情報交換は、レーザ技術を用いた光学的データ通信により行うことが好
ましい。いずれの衛星１、２、３も、その位置を地球の中心６に対して相対的に
決定することができる。たとえば地球の中心６を原点とする慣性地球中心座標系
で、その位置を決定することができる。いずれの衛星１、２、３も、光学的デー
タ通信によってそれ自体の位置を他の衛星に転送することができる。逆にいずれ
の衛星（２）も、データ交換に関与する他の各衛星（１、３）の位置データを受
信することができる。たとえば衛星２は、図１にベクトル１２で示されているそ
れ自体の位置を、他の衛星１および３に転送することができる。さらに衛星２は
、衛星１と２、または２と３の間の光学的データ通信によって、ベクトル１１で
示される衛星１の位置データと、位置ベクトル１３で示される衛星３の位置デー
タを受信する。

【０００９】 位置決定は全地球的測位システム（ＧＰＳ）を用いて行うことが好ましい。そ
のため、いずれの衛星１、２、３も、それに対応するＧＰＳ受信機（ここには図
示せず）と、それに付属したセンサ・データから位置を求めるデータ処理装置を
搭載している。しかしそれ自体の位置の決定は、他の方法でも、たとえば軌道伝
播（Ｏｒｂｉｔ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）方式による評価法によっても行うこ
とができる。

【００１０】 衛星２は位置ベクトル１１、１２、１３がわかっているので、光学的データ通
信に関与する衛星、すなわち衛星１、３への方向ベクトルを決定することができ
る。これは公知の数学的操作に基づいて衛星２に設けられたそのためのデータ処
理装置によって実行される。特に衛星２は、衛星２から衛星１に向いた方向ベク
トル１５と、衛星２から衛星３に向いた方向ベクトル１６を、位置ベクトル１１
、１２または１２、１３から算出するが、その際方向ベクトル１５、１６は慣性
地球中心座標系において決定することが好ましい。

【００１１】 送信側衛星の位置データは、光学的データ通信により、利用データ（Ｎｕｔｚ
ｄａｔｅｎ）と一緒に伝送することが好ましい。

【００１２】 光学的データ通信を行うため、データ交換に関与する衛星はそれぞれ少なくと
も１つの光学系２１を有し、このシステムによって、データ交換に関与する他の
衛星から送信されたレーザ光線を受信し、関与する衛星にレーザ光線を送信する
ことができる。この光学系は、特に少なくとも１つの可動式望遠鏡と、複数の可
動式反射鏡、ならびに固定された光学エレメントを備える。送信または受信され
たレーザ光線は、光学系２１によって光学的に結像され（図２）、この像が光学
センサ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ）２２によって検知
または測定される。この光学センサ２２は特に、光学系の結像面上の基準点に対
する受信レーザ光線の偏差２４を捕捉し、所定の方式で調節可能な光学系を用い
て、受信レーザ光線を基準点または少なくとも基準点として指定された領域に移
動させることができる。測定された偏差２４または光学系の可動部調節後に存在
する偏差２４と、光学系の可動部のその時点での調節角度２５とに基づいて、公
知の手段により、受信側衛星２から送信側衛星１または３への方向単位ベクトル
を求めることができる。その際この単位ベクトルは、まず光学系の座標系におい
て、次に通常の数学的変換により衛星２の本体に固定された座標系において求め
ることが好ましい。姿勢の決定は公知の数学的方法に基づいて行われ、すなわち
慣性地球中心座標系で求められた方向単位ベクトル１５または１６に基づいて、
または、衛星２の本体に固定された座標系における方向単位ベクトルに基づいて
行われる。前述したように方向単位ベクトルは、測定された偏差２４及びその時
点の調節角度２５とから決定される。

【００１３】 下記に図２を用いて、衛星の本体に固定された座標系で行われる方向単位ベク
トルの求め方を説明する。この方向単位ベクトルは偏差２４とその時点の調節角
度２５から形成されるが、この場合図２は、これらの数値の決定に関与するメカ
ニズムの機能上の諸関係を示すに当たり、わかりやすくするためこれを一軸のも
のとして示す。図２に示したものは、同様に考えて三軸に拡張することができる
。

【００１４】 光学系２１は受信レーザ光線の結像を行うものであるが、これは粗位置決め機
構（Ｃｏａｒｓｅ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＣＰＡ）３０と精細
位置決め機構（Ｆｉｎｅ Ｐｏｉｎｔｉｎｇ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＦＰＡ）５０
により調節可能である。この場合光学系２１の望遠鏡はＣＰＡ上で支持すること
が装置技術の視点から好ましく、また可動式反射鏡はＣＰＡの中に設け、ＦＰＡ
上で支持することが好ましい。したがって精細位置決め機構すなわちＦＰＡ５０
は、機能上は粗位置決め機構すなわちＣＰＡ３０の後ろに接続されている。通常
この粗位置決め機構３０は、望遠鏡の方位角と仰角を調整できる二軸回転機構３
１と、二軸回転機構３１の駆動電子回路３２と、この二軸回転機構３１のために
、そのときどきの方位角と仰角を測定するＣＰＡセンサ３３とを備える。駆動電
子回路３２は機能上、対応するＣＰＡレギュレータ３４がその前に接続され、こ
れがＣＰＡ駆動電子回路３２のための目標値信号３５を求める。ＣＰＡ駆動電子
回路３２はさらに、対応する制御信号３６を二軸ＣＰＡ回転機構３１に与える。
ＣＰＡセンサ３３は１群のセンサとして形成することもでき、ＣＰＡ回転機構３
１のそのときどきの実際の回転角度３７から、測定された回転角度３８を求める
。望遠鏡の実際の回転角度３７によって、受信レーザ光線４０は角度の変化を受
けるが、その変化の大きさは望遠鏡３９の回転角度と光学的結像特性とに依存す
る。これによりレーザ光線４０の入射角４３が生じる。

【００１５】 精細位置決め機構５０も同様に、二軸回転機構５１、その前に接続されたＦＰ
Ａ駆動電子回路５２、さらにその前に接続されたＦＰＡレギュレータ５４を備え
る。ＦＰＡレギュレータ５４はＦＰＡ目標値信号５５をＦＰＡ駆動電子回路５２
に送り、この駆動電子回路はＦＰＡ制御信号５６をＦＰＡ回転機構５１に送る。
ＦＰＡ回転機構５１のそのときどきの実際の回転角度５７を、ＦＰＡセンサ５３
またはＦＰＡセンサ・システム５３が測定する。測定された１つまたは複数の回
転角度５８は、さらなる信号処理またはデータ処理のために送られる。精細位置
決め機構５０を用いて行われた可動式反射鏡の調整により、光学的な結像５９と
角度変化６３が得られ、この角度変化は角度変化４３に比べるとより小さい角度
領域に属する。

【００１６】 図２の加算器７０は、粗位置決め機構３０による入射角変化４３と、精細位置
決め機構５０による入射角変化６３が加算されることを示している。したがって
この角度変化４３、６３によって光学的角度７１が生じ、この角度は光学系２１
による光学的結像によって結像する。光学系２１による光学的結像によって、光
学系２１の光学的結像面の基準点からの実際の偏差７３が生じる。すでに説明し
たように、光学センサ２２によりこれに対応して測定上の偏差２４が求められる
。

【００１７】 光学センサ２２で測定された偏差２４は、ＦＰＡレギュレータ５４に送られる
。さらにＦＰＡレギュレータ５４には、ＦＰＡセンサ５３によって測定された回
転角度５８が送られる。この測定された回転角度５８は、さらにＣＰＡレギュレ
ータ３４にも送られる。ＣＰＡレギュレータ３４は、ＣＰＡセンサ３３に測定さ
れた回転角度３８とＦＰＡセンサ５３に測定された回転角度５８に基づいて、い
かなる時点でもＣＰＡ駆動電子回路３２のための目標値信号３５を決定できる状
態である。これと同様にＦＰＡレギュレータ５４は、測定された回転角度５８と
測定された偏差２４からＦＰＡ目標値信号５５を求めることができる。

【００１８】 そのときどきの調節角度２５、すなわち測定された回転角度３８、５８および
測定された偏差２４は、計算ユニット８０に送られる。この計算ユニット８０で
は、これらのその時点での入力データ２４、２５が、受信側衛星２の本体に固定
された座標系で方向ベクトルに換算される。この方向ベクトルは受信側衛星２か
ら隣り合う衛星１、３のうちの１つに、またはデータ交換に関与する他の衛星の
１つに向いている。

【００１９】 図２の示すものは、粗位置決め機構３０および精細位置決め機構５０のいずれ
についても、ただ１つの調節軸に関するものである。しかし粗位置決め機構３０
も精細位置決め機構５０も、そのいずれの調節も二軸で行われる。衛星２のいず
れの姿勢変化に際しても、すなわち１つまたは複数の空間軸を中心とする衛星の
いかなる回転に際しても、他の衛星との光学的データ通信を実現するために受信
されるレーザ光線４０は、４つの調節軸すべてにおける調節角度２５を用い、光
学系２１を介して、結像面の基準点に保持される。図２に示したのは図２に図示
したただ１つの軸に関するものであるが、これからすべての空間軸へのそして４
つの調節軸への拡張は、公知の制御技術的かつ数学的考え方に従って行われる。

【００２０】 したがってデータ交換の関係にある２つの衛星に関しては、たとえば衛星２お
よび１に関しては衛星２を起点として、衛星２の姿勢決定に２つのベクトルを利
用できる。その１つは慣性地球中心座標系における方向ベクトル１５であって、
このベクトルは位置決定および位置データの相互伝送から得られる。もう１つは
受信側衛星２からこの衛星とデータ交換関係にある他の衛星へ、たとえば衛星１
へ向けられたベクトル、かつ受信側衛星２の本体に固定された座標系におけるベ
クトルであって、計算ユニット８０で求められるベクトルである。

【００２１】 本発明による姿勢決定のためには、この２つのベクトルはそれぞれ少なくとも
２つの衛星、すなわち受信側衛星２とデータ交換関係にある衛星１、３に関して
必要である。このデータ交換は光学的データ通信を用いて達成されることが好ま
しいが、他の方法で行うこともできる。姿勢決定のためのデータ交換は、いずれ
にせよ行われるはずの利用データ（Ｎｕｔｚｄａｔｅｎ）交換の際に行うことが
好ましく、そうすれば本発明の姿勢決定法によって、技術的な手間の増加はごく
僅かですむ。少なくとも２つの衛星１、３が、そのレーザ光線やレーザ光線によ
り伝送される位置情報とともに、衛星２の姿勢決定に必要とされるが、これらの
衛星は受信側衛星２と同じ軌道にあることが好ましい。ただしこれらの衛星は異
なる軌道上にあるものとすることもできるが、これは本発明の方法にとっては重
要ではない。衛星２において方向ベクトル１５、１６の間にできるだけ大きな角
度を持つような隣り合う衛星を選択することが好ましい。２個より多い送信側衛
星を使用し、かつその一部を異なる軌道上にあるものとして、それぞれの受信側
となる衛星２の姿勢を決定することも好ましい。利用できる送信側衛星１、３の
数が多いほど、この方法の精度を改善することができる。ある１つの時点でそれ
ぞれ送信側となる衛星１、３を、他の時点または同時に受信側の衛星として、受
信データからそれ自体の姿勢を求めることができる。

【００２２】 少なくとも４つの方向ベクトルから、すなわち慣性地球中心座標系の２つの方
向ベクトルと、衛星の本体に固定されている２つの方向ベクトルとから、この衛
星は公知の数学的方法を用いてそれ自体の姿勢を決定する。その時点の受信側衛
星２の姿勢の計算は、次の方法に従って行うことが好ましい。２つの方向ベクト
ル１５、１６から、２つのクロス乗積を用いて１つの直交３×３行列を形成する
。これを同じ方法で慣性地球中心座標系および衛星の本体に固定された座標系で
与えられた２組の方向ベクトルについて行う。このように２つの座標系において
同じ姿勢を記述する２つの行列が得られる。慣性座標系の方向ベクトルから形成
された行列と、衛星２の本体に固定された座標系の方向ベクトルから形成された
行列の逆元を掛け合わせることによって、衛星２の求められる姿勢行列が得られ
る。

【００２３】 それぞれ受信側の衛星２がその隣り合う衛星１、３と通信する場合、３つの衛
星１、２、３が直線上に位置しなければ、位置の計算は非常にわかりやすい。同
じ軌道または軌道高度を持つ星位にある衛星の場合、このような直線を形成する
構成は避けることができる。

【００２４】 ２個以上の隣り合う衛星を利用できる場合、衛星の姿勢の計算は冗長決定状態
となる。このような場合は、冗長方程式の計算手順を用いることによって、特に
は追加の測定情報に基づいて最小二乗法または最小分散推定法を用いることによ
って、姿勢決定の精度を改善することができる。さらにはたとえば測定データの
順次処理に基づいて、特にカルマン・フィルタを用いることによって、動的な評
価法をも採用することができる。

【００２５】 センサの測定誤差は高周波部分を、たとえば２０Ｈｚ以上の周波数を含む。こ
れにはたとえば、衛星を安定させるために用いられるジャイロによるノイズまた
は障害によって生じるものがある。衛星の姿勢決定のためには、明らかにより低
い周波数を持つ姿勢測定値が必要である。したがって姿勢測定値中の高周波部分
を、対応するフィルタによって、特に低域通過フィルタまたはカルマン・フィル
タによって除去することができ、これは姿勢測定値の改善につながる。さらには
機械的な減衰手段および／またはその他の対策を取り、たとえばノッチ・フィル
タまたはアクティブ・コントロール・システムを設けることができる。

【００２６】 衛星の内蔵装置の位置合せ誤差や熱による変形は、ペイロードの位置合せにお
ける静的な誤差、またはゆっくりと変化する誤差を引き起こす。相対的な姿勢測
定センサを光学的通信端子とペイロード（たとえばアンテナ）の間に取り付ける
ことによって、ペイロードの位置合せを改善することができる。測定された相対
姿勢はその後、ペイロードの位置合せをそれに対応して修正するために用いられ
る。

【００２７】 したがって本発明の方法は次のステップからなる。慣性地球中心座標系にあっ
て、少なくとも２つの隣り合う衛星の方向にある２つのベクトルを計算する。こ
の計算は、たとえばＧＰＳによる位置測定と、既存の光学的データ交換法を用い
る位置データの伝送に基づいて行う。次に、受信側衛星の本体に固定された座標
系における２つのベクトルを計算する。これらのベクトルは、受信側衛星とデー
タ交換関係にある衛星から、たとえば２つの隣り合う衛星から入射するレーザ光
線の方向に対応する。この計算は光学系のセンサ情報に、すなわち粗位置決め機
構３０の角度姿勢と、精細位置決め機構５０の角度姿勢と、光学センサ２２の測
定された偏差２４とに基づく。次に、それぞれ２つの方向単位ベクトルの少なく
とも２組から衛星姿勢を計算する。これらのベクトルはそれぞれ慣性地球中心座
標系において、また衛星の本体に固定された座標系において求められたものであ
る。次に測定値障害の高周波部分をフィルタ処理する。次に必要であれば、ペイ
ロードと光学的通信端子の間で相対的姿勢測定を行うことにより、ペイロードの
姿勢の決定を改善する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 相互に本発明による姿勢決定を行うためのデータ交換の関係にある、同一軌道
上にある３つの衛星の星位を示す図である。

【図２】 利用データを交換するために提供された他の衛星のレーザ光線を調整しかつ受
信し、本発明による姿勢決定システムが、関係する各衛星の位置データとともに
、入力量として必要とする測定値を求めるための、光学系の１つの軸を調整、制
御するのに必要な機能のブロック回路図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランゲ，ギュンター ドイツ連邦共和国 ディー−85658 エグ マティング，アム フェルデル 21 (72)発明者 ズラウアー，ミカエル ドイツ連邦共和国 ディー−83339 キー ミング，リンデンシュトラッセ 11 Ｆターム(参考） 5J062 BB04 CC07

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 衛星（２）に搭載の姿勢決定装置であって、 少なくとも２つの衛星（１、３）の間で光学的なデータ交換を行うためのデー
   タ伝送装置と、衛星自体の位置を求める装置と、衛星自体の位置と、前記データ
   伝送装置により伝送された少なくとも２つの衛星（１、３）の位置データとから
   、１つの慣性座標系中で方向ベクトルを求める装置と、 少なくとも２つの衛星（１、３）に向いたそれぞれの方向ベクトルを衛星の本
   体に固定された座標系中で決定する装置と、求められた方向ベクトルから姿勢を
   決定する装置とを有する姿勢決定装置。
2. 【請求項２】 衛星の本体に固定された座標系中で方向ベクトルを決定する
   装置が、 少なくとも２つの衛星（１、３）により受信されたレーザ光線（４０）を光学
   的に結像する光学系（２１）であって、受信されたそれぞれのレーザ光線（４０
   ）を、その光学系（２１）を調節する位置決め機構（３０、５０）の調節（３８
   、５８）によって、受信側衛星（２）の姿勢が変化した際に、基準点の領域にお
   ける結像面上に保持する光学系（２１）と、 位置決め機構（３０、５０）の調節角度（２５）を測定する測定装置、および
   受信されたレーザ光線（４０）の結像面上の基準点からの偏差を測定する光学セ
   ンサ（２２）と、 偏差（２４）と調節角度（２５）から、受信側衛星（２）の本体に固定された
   座標系中で、受信側衛星から受信側衛星と光学的データ交換関係にある他の少な
   くとも２つの衛星（１、３）へのそれぞれの方向ベクトルを求める計算ユニット
   （８０）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の姿勢決定装置。
3. 【請求項３】 衛星の位置決定がＧＰＳを用いて行われることを特徴とする
   、請求項１または２に記載の姿勢決定装置。
4. 【請求項４】 位置決定が軌道伝播方式により行われることを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の衛星姿勢決定装置。
5. 【請求項５】 軌道伝播方式による位置決定の際に、さらに測定データによ
   る支援が行われることを特徴とする、請求項４に記載の衛星姿勢決定装置。
6. 【請求項６】 受信側衛星（２）が、受信側衛星とデータ交換関係にある２
   個以上の衛星からレーザ光線を受信することを特徴とする、請求項１から５のい
   ずれか一項に記載の衛星姿勢決定装置。
7. 【請求項７】 方向ベクトルを決定する際に、冗長方程式系のための計算法
   を用いることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の衛星姿勢決
   定装置。
8. 【請求項８】 最小二乗フィルタを用いることを特徴とする、請求項７に記
   載の衛星姿勢決定装置。
9. 【請求項９】 方向ベクトルを決定する際に、測定データの順次処理を行う
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の衛星姿勢決定装置。
10. 【請求項１０】 カルマン・フィルタを用いることを特徴とする、請求項９
    に記載の衛星姿勢決定装置。
11. 【請求項１１】 衛星（２）の構造の振動による妨害を軽減するため、機械
    的減衰手段および動的フィルタを追加して設けることを特徴とする、請求項１か
    ら１０のいずれか一項に記載の衛星姿勢決定装置。
12. 【請求項１２】 衛星のペイロードに対する姿勢情報が、光通信端末とペイ
    ロードの間にある相対姿勢センサによって改善されることを特徴とする、請求項
    １から１１のいずれか一項に記載の衛星姿勢決定装置。
13. 【請求項１３】 データ交換に関与する衛星（１、２、３）の位置測定と、
    光通信を用いる位置データ伝送とに基づいて、慣性地球中心座標系において、そ
    れぞれ受信側衛星（２）とデータ交換関係にある少なくとも２つの衛星（１、３
    ）の方向の方向ベクトルを計算する段階と、 レーザ光線（４０）を受信するための光学装置（２５）の調整と、結像面にお
    ける基準点からの光学的レーザ光線の偏差（２４）とに関するセンサ情報に基づ
    いて、受信側衛星（２）の本体に固定された座標系において受信側衛星から受信
    側衛星とデータ交換関係にある少なくとも２つの衛星に向いたそれぞれ１つの方
    向ベクトルを計算する段階と、 慣性地球中心座標系中および衛星（２）の本体に固定された座標系における少
    なくとも２対の方向ベクトルから衛星位置を計算する段階とを含む、衛星姿勢決
    定方法。