JP7614426B2

JP7614426B2 - 観測システム

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Inventors: 久幸迎
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Description

本開示は、観測システム、観測衛星、地上設備およびプログラムに関する。

従来技術では、観測衛星に搭載される光学観測装置の検出器の画素ピッチに依存して画像の分解能が制約される。このため、赤道上空約３６０００ｋｍの静止軌道上空から地球を観測する分解能を向上する際に、開口径と焦点距離とがロケットのフェアリングの寸法の制約を受ける。このため、従来技術では、高分解能化が難しいという課題があった（例えば特許文献１）。

特開２００８－１０７９４１号公報

本開示は、検出器の画素ピッチに依存せずに画像を高解像度化する観測システムの提供を目的とする。

本開示に係る観測システムは、
静止軌道上空から地球を観測する際に、開口径と焦点距離とがロケットのフェアリングの寸法の制約を受けない光学観測装置であって高解像度化される画像を撮影する光学観測装置と、通信装置とを具備した観測衛星と、
前記光学観測装置の撮像した撮像データを受信して画像化する地上設備と
を備え、地球または宇宙の地物を撮像する観測システムにおいて、
前記観測衛星は、
前記光学観測装置の視線ベクトルを移動させて前記光学観測装置で同一撮像対象を複数回撮像して前記同一撮像対象の複数回の各回の撮像データを生成し、前記通信装置で各回の撮像データを地上に伝送し、
前記地上設備は、
前記同一撮像対象の各回の撮像データを受信する通信制御部と、
各回の撮像データを画像処理対象として、ベイズ推定を用いて画像処理する超解像処理を実施する画像制御部と、
を備え、
前記光学観測装置が２次元検出器を具備し、
前記２次元検出器は、
視線ベクトル移動方向の画素数ｍに相当する前記光学観測装置の視野角ηにおいて撮像をしてから視線ベクトルの移動により隣接する次の視野角ηの撮像をするまでに要する時間ｔの間に、画素数ｍの約数以外の２以上の素数であり、かつ、２と３と５以外の素数である素数ｋに対して（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバルで撮像した各撮像データを取得し、
前記通信装置は、
前記２次元検出器で取得された各撮像データを、地上に伝送する。

本開示によれば、検出器の画素ピッチに依存せずに画像を高解像度化する観測システム提供できる。

実施の形態１の図で、観測システム１０００の構成を示す図。実施の形態１の図で、プッシュブルーム撮像の場合のオーバーサンプリング処理を説明する図。実施の形態１の図で、プッシュブルーム撮像の場合のオーバーサンプリング処理を説明する図。実施の形態１の図で、ベイズ推定を説明する図。実施の形態１の図で、ベイズ推定を説明する図。実施の形態１の図で、視線ベクトル移動距離ｘとＧＳＤとの関係を示す図。実施の形態１の図で、視線ベクトル移動距離ｘとＧＳＤとの関係を示す別の図。実施の形態１の図で、静止軌道を飛翔する観測衛星１００が、地表５０１の撮像対象４００を観測する状況を示す図。実施の形態１の図で、静止軌道からの地表５０１の撮像対象４００の観測において、φ＜θ／Ｎｄｅｇの状態での観測を示す図。実施の形態１の図で、比較例を示す図。実施の形態１の図で、比較例を示す別の図。実施の形態１の図で、図１０の観測領域を想定する際の観測方式を示す図。実施の形態１の図で、観測衛星１００のハードウェア構成を示す図。

実施の形態の説明および図面において、同じ要素および対応する要素には同じ符号を付している。同じ符号が付された要素の説明は、適宜に省略又は簡略化する。以下の実施の形態では、「部」を、「回路」、「工程」、「手順」、「処理」又は「サーキットリー」に適宜読み替えてもよい。

実施の形態１．
図１から図１２を参照して、実施の形態１の観測システム１０００を説明する。
図１は、観測システム１０００の構成を示す。観測システム１０００は、観測衛星１００と地上設備２００とを備えている。観測システム１０００は、地球５００または宇宙の地物を撮像するシステムである。観測衛星１００は、光学観測装置１１０、視野変更装置１２０および通信装置１３０を備えている。光学観測装置１１０は、光学系１１１および検出器１１２を備えている。

＜観測システム１０００＞
地上設備２００は、光学観測装置１１０の撮像した撮像データを受信して画像化する。観測衛星１００は、光学観測装置１１０の視線ベクトルを移動させて、光学観測装置１１０で同一撮像対象を複数回撮像して、同一撮像対象の複数回の各回の撮像データを生成し、生成した各回の撮像データを、通信装置１３０で地上に伝送する。地上設備２００は、同一撮像対象の各回の撮像データを受信する通信制御部２１１と、各回の撮像データを画像処理対象として、ベイズ推定を用いて画像処理する超解像処理を実施する画像制御部２１２とを備えている。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１を参照して、地上設備２００のハードウェア構成を説明する。地上設備２００は、コンピュータである。地上設備２００は、プロセッサ２１０を備えるとともに、主記憶装置２２０、補助記憶装置２３０、入力ＩＦ２４０、出力ＩＦ２５０、および通信ＩＦ２６０といった他のハードウェアを備える。ＩＦはインタフェースを示す。プロセッサ２１０は、信号線２７０を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。地上設備２００は、機能要素として、通信制御部２１１および画像制御部２１２を備える。通信制御部２１１は、観測衛星１００から送信される撮像データの受信処理を実行する。画像制御部２１２は、撮像データを用いた画像処理を実行する。通信制御部２１１および画像制御部２１２の機能は、プロセッサ２１０とプログラム２０１との協働により実現される。ソフトウェアは補助記憶装置２３０に格納されている。通信ＩＦ２６０には、地上側通信装置３１０が接続されている。通信制御部２１１は、地上側通信装置３１０および地上側アンテナ３２０を介して観測衛星１００の通信装置１３０と通信する。

プログラム２０１は、通信制御部２１１および画像制御部２１２の「部」を「処理」、「手順」あるいは「工程」に読み替えた各処理、各手順あるいは各工程をコンピュータに実行させるプログラムである。また、観測方法は、コンピュータであ地上設備２００がプログラム２０１を実行することにより行われる方法である。プログラム２０１は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納されて提供されてもよいし、プログラムプロダクトとして提供されてもよい。

次に、観測衛星１００による観測について説明する。観測衛星１００に搭載した光学観測装置１１０の分解能の指標として、ＧｒｏｕｎｄＳａｍｐｌｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ（以下、ＧＳＤと表記）が一般に知られている。地球観測の例では、光学系１１１を介して検出器１１２に投影される地表画像において検出器１１２の画素ピッチに相当する地表距離が、ＧＳＤに相当する。検出器１１２の画素ピッチに相当する視野角は、瞬時視野角θと呼ばれる。このため、２次元に配置された後述の２次元検出素子１１４Ｅを具備した光学観測装置１１０の場合、１回の撮像で得られる画像のＧＳＤは、２次元検出素子１１４Ｅの画素ピッチに依存する。

＜オーバーサンプリング処理＞
これに対して、オーバーサンプリング処理と呼ばれる処理が知られている。オーバーサンプリング処理によれば、例えば画素ピッチの１／２ずつ、縦にも横にもずらして撮像した２枚の画像を合成することにより、検出器１１２の画素ピッチに依存するＧＳＤよりも空間分解能の高い画像が得られることが知られている。

＜プッシュブルーム撮像＞
図２および図３は、プッシュブルーム撮像の場合のオーバーサンプリング処理を説明する図である。以下に１次元検出器１１３による、プッシュブルーム撮像におけるオーバーサンプリング処理の実施例を説明する。図２には１次元検出器１１３として、１次元検出器１１３Ａ，１１３Ｂを示している。１次元検出器１１３の例はＣＣＤ検出器である。１次元検出器１１３は、列状に配置された複数の１次元検出素子１１３Ｅを有する。プッシュブルーム撮像とは、１次元検出素子１１３Ｅを具備する光学観測装置１１０が、１次元検出素子１１３Ｅの検出素子列と直交する方向１１５に視線ベクトルを移動しながら、所望の視線ベクトルの移動量に応じて１次元検出素子１１３Ｅを動作させることにより、２次元画像を生成する撮像方法である。図２のように、１次元検出器１１３Ａを基準として、１次元検出器１１３Ｂを、検出素子列方向（ＣＴ方向）に０．５画素、画素配列と直交方向（ＡＴ方向）にｎ＋０．５画素（ｎは整数）に配置する。
図３は、１次元検出器１１３Ａと１次元検出器１１３Ｂとからの画像化を示す。検出素子列と直交する方向１１５に１画素分移動するごとに撮像を繰返すと、１次元検出器１１３Ａによる２次元画像（黒丸１４１Ａ）と、１次元検出器１１３Ｂによる２次元画像（二重丸１４１Ｂ）とが画像化される。白丸１４１Ｃは撮像されない点を示している。１次元検出器１１３Ａと１次元検出器１１３Ｂとの画素中心間距離は、それぞれの画素ピッチの１／√２倍（１／２^１／２）となっている。

オーバーサンプリング処理では、撮像されない白丸１４１Ｃで示した格子の情報を、地上において周辺のデータから内挿処理によって導出する。例えば、隣接する黒丸１４１Ａによって構成される格子と、二重丸１４１Ｂによって構成される格子との合計４格子の情報を加算して４で割ることにより、白丸１４１Ｃの情報を生成して、あたかも画素ピッチが０．５となる画像を生成する。

図３では黒丸１４１Ａで構成される画像と、二重丸１４１Ｂで構成される画像との２枚の画像の画素中心同士が、縦と横に画素ピッチの１／２ずつずれた結果として、斜め４５度に画素中心間距離が１／（√２）に配列され、ＧＳＤが１／（√２）倍相当に高解像度化された効果であると理解される。但し、瞬時視野角θが１／（√２）倍されるわけではない。隣接画素の情報が混入するため、画素ピッチが１／（√２）の光学観測装置の取得画像には及ばない。

以下に説明する実施の形態１の高解像度化の原理は、画素ピッチのずれ量が１／２に限定されず、また画像が２枚との限定もない。また実施の形態１の高解像度化の原理は、縦と横が異なる条件である必要もない。

＜ベイズ推定＞
同一撮像対象を撮像した複数画像をベイズ推定することにより、高解像度化の効果があることが知られており、これを「超解像処理」と呼ぶ。この超解像処理により、観測衛星１００において、視線ベクトルが瞬時視野角θｄｅｇよりも小さいθ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上１００以下の自然数）移動した状態の画像を複数枚利用する高解像度化が可能となる。

＜ベイズ推定の手順＞
以下にベイズ推定の手順を示す。以下に説明するベイズ推定の一連の手順は、画像制御部２１２が行う。
図４、図５は、ベイズ推定を説明する図である。図４には、実線で示す画像１と、一点鎖線で示す画像２との、２枚の画像を示している。画像制御部２１２は１枚の画像を選択し、各ピクセル（観測画像の画素をピクセルと呼ぶ）の値を基にして、所望の表面モデルの格子点（以降、ミクセルと呼ぶ）の値を内挿する。図４の破線が、表面モデルを示し、白丸がミクセルを示している。画像制御部２１２は、最初の画像と他の画像とのレジストレーションをサブピクセルの精度でとり、各ミクセルと各ピクセルの距離が求められるようにする。画像制御部２１２は、次式によりミクセルｉの画素値ｍｉを求め、初期合成画像とする。

（ａ）尤度
画像制御部２１２は、各ミクセルの画素値と、観測条件（ＰＳＦ、レジストレーション情報）とが与えられたときの、各ピクセルの画素値の確率を与える尤度関数を求める。次に、各画素の観測誤差が隣接値と独立であると見なし、画像全体の尤度として次式が得られる。

（ｂ）先見確率
各ミクセルの値がいかに関連するかを先見確率とする。ミクセル値の連続性を考慮し、次式を得る。図５では次式によるミクセル値生成を概念的に示している。

尤度と先見確率との積が最大となる条件は次式で与えられる。

ミクセル間隔が大きい場合は、上記の△ｍｉの右辺にける、分子の第１項が支配的になり最尤法の解と同様になる。分子の第２、３項は連続性に関わる項であり、雑音抑制として働く。

以上がベイズ推定の手順である。

＜超解像処理＞
以上のように、光学観測装置１１０で取得した、同一撮像対象物の複数回の撮像結果の複数画像を、ベイズ推定処理により高解像度処理して高分解能化を実現する手順を、超解像処理と呼ぶ。超解像処理を実施することにより、光学観測装置１１０の１回の撮像で得られる画像のＧＳＤよりも空間周波数の高い情報を抽出できるという効果がある。但し、光学観測装置１１０では光学系１１１の回折限界による高解像度化の限界があることは言うまでもない。

＜低軌道の周回＞
上記で述べた、観測衛星１００が実行するオーバーサンプリング処理と、地上設備２００が実行する超解像処理との説明では、簡単化のために、後述する図６のように、視線ベクトルが「平面と見做した地表面５０１」の法線ベクトルと平行になる状態のＧＳＤを使った。低軌道を周回する観測衛星１００は対地速度が大きいため、衛星の進行方向にプッシュブルーム撮像をすれば、視線ベクトルの角度が一定であっても、地表面に対して視線ベクトルが衛星の進行方向に移動する。よって、オーバーサンプリング処理および超解像処理が可能となる。

＜静止軌道から観測＞
一方、後述する図８に示すように、静止軌道（高度概略３６０００ｋｍ）近傍を飛翔する観測衛星１００から地球５００を観測する場合は、静止軌道衛星が地球５００の自転と同期して飛翔する。このため、静止軌道を飛翔する衛星は対地速度がほぼゼロなので、観測衛星１００本体の姿勢角または光学観測装置１１０の具備する視野変更装置１２０により、視線ベクトルを移動することになる。この場合はＧＳＤではなく瞬時視野角θを基準にするのが合理的である。例えば、静止軌道から日本を観測する場合には、地球の球状効果と、赤道上空から中緯度帯を観測する際の視線ベクトルの斜視効果と、光学装置から観測対象となる地表面までの距離が一律でないこと、により、１画素当たりのＧＳＤは直下視のＧＳＤとは異なる。
そこで、後述する図９に示すように、光学観測装置１１０の具備する検出素子の瞬時視野角θｄｅｇを基準として、観測衛星１００は、視線ベクトルの移動角度φが瞬時視野角θｄｅｇよりも小さい、
θ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上１００以下の自然数）
の状態で撮像した複数の撮像データを取得して地上に伝送する。そして、地上設備２００が、撮像データを受信して、画像制御部２１２が複数の撮像データを画像化した後に、ベイズ推定により超解像処理を実施する。

上記のθ／Ｎの式においてＮが２であり、緯度方向にも経度方向にもそれぞれθ／Ｎｄｅｇ移動して撮像する場合が、上記オーバーサンプリング撮像の原理を説明した図３の例に相当する。緯度方向のみθ／Ｎｄｅｇ移動して撮像する場合は、緯度方向のみの高解像度化が期待できる。なお視線ベクトルの移動方向は任意である。また光学系１１１の解析限界まで余裕のある状態であれば、Ｎが大きいほど効果が期待できる。

（視線ベクトルの移動距離＜ＧＳＤ／Ｎ）
地上設備２００は、撮像データとして、光学観測装置１１０が具備する検出器１１２の１つの検出素子１１２Ｅあたりの対地距離を示すＧｒｏｕｎｄＳａｍｐｌｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅの値ＧＳＤに対して、視線ベクトルの移動距離ｘがＧＳＤよりも小さいＧＳＤ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上の自然数）の状態で撮像された撮像データを受信する。
つまり、Ｎを２以上の整数として、
ｘ＜ＧＳＤ／Ｎ
である。
図６および図７を参照して視線ベクトル移動距離ｘとＧＳＤとの関係を具体的に説明する。図６は、ＧＳＤを示す。図６、図７では、観測衛星１００が右方向へ時刻ｔ１からｔｎにかけて飛翔する。図７は、視線ベクトルの移動距離ｘとＧＳＤとの関係を示す。図７に示すように、ＧＳＤの範囲に、複数個の「視線ベクトル移動距離ｘ」が含まれる。これにより、同一撮像対象の複数の撮像データが取得できるので、同一撮像対象の複数の画像を用いる地上設備２００による超解像処理が可能になる。

（φ＜θ／Ｎ）
地上設備２００は、撮像データとして、光学観測装置１１０が具備する検出器１１２の持つ検出素子１１２Ｅの瞬時視野角θｄｅｇに対して、検出素子１１２Ｅの視線ベクトルの移動角度φが、瞬時視野角θｄｅｇよりも小さいθ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上の自然数）の状態で撮像された撮像データを、観測衛星１００から受信する。
以下具体的に説明する。
図８は、静止軌道を飛翔する観測衛星１００が、地表５０１の撮像対象４００を観測する状況を示している。
図９は、静止軌道からの地表５０１の撮像対象４００の観測において、
φ＜θ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上の自然数）
の状態での観測を示す図である。
図８、図９は上記の＜静止軌道から観測＞で述べた内容である。図９に示す２本の点線の作る角度がφである。よって、観測衛星１００が静止軌道を飛翔する場合であっても、瞬時視野角θの範囲内において同一の撮像対象４００の複数の撮像データを得ることができる。これにより、同一撮像対象の複数の撮像データが取得できるので、同一撮像対象の複数の画像を用いる地上設備２００による超解像処理が可能になる。

（１次元プッシュブルーム）
光学観測装置１１０が、プッシュブルーム撮像で撮像データを生成する１次元検出器１１３を具備してもよい。この場合は、図２および図３で述べたように、プッシュブルーム撮像でオーバーサンプリング処理を用いることで、同一撮像対象の複数の撮像データが取得できるので、同一撮像対象の複数の画像を用いる地上設備２００による超解像処理が可能になる。

（視線ベクトルを一定の角速度で回転）
光学観測装置１１０が、視線ベクトルを一定の角速度で回転し、かつ、視線ベクトルを移動しながら撮像して撮像データを生成する方式を採用してもよい。
以下に具体的に説明する。
図１０および図１１は、実施の形態１の観測システム１０００の比較例である。以下では、観測システム１０００が図１０および図１１の比較例の有する課題を解決できることを説明する。図１０および図１１は、静止軌道近傍を飛翔する観測衛星の搭載する光学観測装置によって、ステップアンドステアと呼ばれる動作を繰り返して広域撮像をする方式を示している。図１０の観測領域全体４１１は、太枠のマスの集合である。観測領域全体４１１のうち、東端の一列を最東端観測領域４１２と称する。観測領域全体４１１のうち、最東端観測領域４１２の西側に隣接する一列を西側隣接領域４１３と称する。観測領域全体４１１のうち、西端の一列を最西端観測領域４１４と称する。

図１１では、最東端観測領域４１２と西側隣接領域４１３を示す。ステップアンドステアでは観測衛星は、光学観測装置の視野範囲が最東端観測領域４１２の最北端から最南端に移動するまで、光学観測装置の視線ベクトルの変更を繰り返す。つまり、静止軌道近傍を飛翔する観測衛星は、光学観測装置の視線ベクトルを緯度方向（南方向）に移動する。その後、観測衛星は、光学観測装置の視野範囲を最東端観測領域４１２の最南端から西側に隣接する西側隣接領域４１３の最南端に移動する。その後、観測衛星は、光学観測装置の視野範囲が西側隣接領域４１３の最南端から最北端に移動するまで、光学観測装置の視線ベクトルの変更を繰り返す。以上がステップアンドステアである。

ステップアンドステアの繰り返しによる広域撮像では、例えば静止軌道から３６０００ｋｍ以上遠方の観測対象に対して、視線ベクトルの移動と静定とを繰返す動作は煩雑なうえに、指向精度と指向安定度との達成が難しいという課題があった。また、視線ベクトルを移動しながら撮像をした場合には、１回撮像した画像データでは、露光時間中に移動した隣接画素の情報が混入するために画像がぼけるという課題があった。
これに対して、光学観測装置１１０が、視線ベクトルを一定の角速度で回転し、かつ、視線ベクトルを移動しながら撮像して撮像データを生成する方式によれば、煩雑なステップアンドステア運用をせずに解像度の優れた画像を取得できるという効果がある。

（（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバルで実施）
観測システム１０００は以下の方式を採用することもできる。
光学観測装置１１０が２次元検出器１１４を具備する。２次元検出器１１４は、視線ベクトル移動方向の画素数ｍに相当する光学観測装置１１０の視野角ηにおいて撮像をしてから視線ベクトルの移動により隣接する次の視野角ηの撮像をするまでに要する時間ｔの間に、画素数ｍの約数以外の２以上の整数ｋに対して（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバルで撮像した各撮像データを取得する。通信装置１３０は、２次元検出器１１４で取得された各撮像データを、地上に伝送する。
オーバーサンプリング処理および超解像処理は、同一画素に限定して実施する必要はなく、同一監視対象を瞬時視野範囲に含む画素同士であれば地上設備２００の画像制御部２１２で、対応する画素を抽出して超解像処理ができる。このため、２次元検出器１１４では視野範囲の中で同一観測対象含む画素を選んで処理をすれば、特定画素の瞬時視野範囲内に限定せず、視野範囲の中で適度に分散した複数画像を取得すれば、オーバーサンプリ
ング処理ないし超解像処理が可能である。
一定速度の視線ベクトルの移動速度を保ちながら、隣接する視野角ηと次の視野角ηの間に複数回の撮像をする動作を連続的に繰り返すことにより、広域におよびオーバーサンプリング処理ないし超解像処理を実施可能な複数画像を得ることが可能となる。この際、整数ｋについて、２回や３回など、２次元検出器１１４の画素数の約数を設定すると、たまたま画素中心位置が一致してしまう可能性があるため、画像制御部２１２は、あえて画素数ｍの約数以外の整数ｋを選ぶ。
画素数ｍの約数以外のｋに対して（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバルで実施すれば、観測対象の特定地点を撮像した画素がｋ画素取得でき、しかも上記ｋ画素の中心位置は一致せず、適度に分散されるので、ベイズ推定による超解像処理に適した画像データセットを取得できるという効果がある。ｋとしては２と３と５以外の素数として７、１１、１３、１７などを選ぶことが望ましい。
従来、観測衛星では視野角ηにおいて一度視線ベクトルを静定して撮像した後に視線ベクトルを移動して隣接する視野角ηで再び視線ベクトルを静定して撮像するというステップアンドステア運用が必要であったが、本方式によれば、視線ベクトルの移動を一定速度で行いながら、しかも時間的に余裕のある撮像インターバルを確保して超解像処理に適した画像セットを取得できるという効果がある。

（視線ベクトル移動方向がａｒｃｔａｎ（１／ｍ）ｒａｄ以上離角）
また、観測システム１０００は以下の方式を採用することもできる。２次元検出素子１１４Ｅの視線ベクトル移動方向の画素数ｍに対して厳密な視線ベクトル移動方向が、視線移動方向に近い方の検出素子列方向に対してａｒｃｔａｎ（１／ｍ）ｒａｄ以上離角する。
この離隔について説明する。
「（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバル」の方式の観測システムにより、視線ベクトルの移動方向には同一撮像対象の複数画像を用いた超解像処理が可能となる。しかし、視線ベクトルの移動方向と検出素子列方向が厳密に一致している場合には、視線ベクトル移動方向の直交方向には超解像処理ができないという課題がある。そこで、厳密な視線ベクトル移動方向が検出素子列方向に対してａｒｃｔａｎ（１／ｍ）ｒａｄ以上離角することにより、視線ベクトル移動方向の直交方向に対しても超解像処理が可能となる。

（１次元検出器１１３と２次元検出器１１４との混在）
また、観測システム１０００は以下の方式を採用することもできる。具体的には以下のようである。光学観測装置１１０が、１次元に配置された複数の１次元検出素子１１３Ｅを有する１次元検出器１１３と、２次元に配置された複数の２次元検出素子１１４Ｅを有する２次元検出器１１４とを具備する。１次元検出素子１１３Ｅの素子列の略直交方向に各１次元検出素子１１３Ｅによってプッシュブルーム撮像された各撮像データである複数の一次元撮像データと、２次元検出素子１１４Ｅの撮像データである２次元撮像データとを、通信装置１３０が地上に伝送する。地上設備２００は、通信制御部２１１によって複数の１次元撮像データと、２次元撮像データとを受信する。画像制御部２１２は、複数の１次元撮像データの各１次元撮像データを画像化した後に、２次元撮像データを用いてプッシュブルーム撮像による視線ベクトル移動速度の誤差を推定する。そして、画像制御部２１２は、各１次元撮像データから画像化された各画像を幾何補正し、幾何補正された各画像を用いて超解像処理を実行する。

１次元検出器１１３のプッシュブルーム撮像では、視線ベクトルの移動方向に対する取得画像の位置精度が視線ベクトル移動速度の精度に依存する。このため、プッシュブルーム撮像データを画像制御部２１２が画像化する際に、視線ベクトル移動速度の誤差ないし検出誤差が含まれると画像の歪みが発生するという課題がある。
一方、２次元検出素子１１４Ｅによる撮像データは特定の瞬間における視線ベクトル移動方向およびその直交方向の相対位置関係が正確に画像化できる。そこで、
画像制御部２１２は、プッシュブルーム撮像により生成された画像と、２次元検出素子の撮像データから生成した画像を比較する。比較の結果、相違があれば、１次元検出素子１１３Ｅの視線ベクトル移動速度の誤差が存在することが顕在化するので、画像制御部２１２は、２次元検出素子１１４Ｅによる正しい位置情報により速度誤差を補償することができる。
また、１次元検出器１１３の視線ベクトル移動方向に角度誤差がある場合も、画像の差異により誤差を推定できる。よってプッシュブルーム撮像した画像に含まれる幾何誤差を補正できるという効果がある。幾何誤差は位置誤差と呼んでもよい。一般的に１次元検出素子１１３Ｅの方が観測幅方向に広域観測ができるので、２次元検出素子１１４Ｅによる狭域観測画像を使って、広域の正確な高解像度画像が取得できるという効果がある。

（２次元検出器１１４を搭載し静止軌道を飛翔）
観測システム１０００は、以下の方式を採用することもできる。観測衛星１００は、静止軌道に沿って飛翔する。光学観測装置１１０は、２次元検出器１１４を具備して、２次元検出器１１４で赤道上空から中緯度帯を観測する。

仮に縦横の画素ピッチが等しい２次元検出器１１４を具備する光学観測装置１１０で赤道上空から中緯度帯に位置する日本を撮像した場合、１画素当たりの地表換算距離は経度方向よりも緯度方向の方が斜視効果により長くなるという課題がある。そこで、緯度方向に超解像度処理すれば、経度方向と緯度方向で同等の解像度の画像が取得できるという効果がある。

（静止軌道飛翔、プッシュブルーム）
観測システム１０００は、以下の方式を採用することもできる。観測衛星１００は、静止軌道近傍を飛翔してもよい。
図１２に基づいて、静止軌道近傍を飛翔する際の広域撮像方法を説明する。図１２は、図１０の観測領域を想定する。光学観測装置１１０の１次元検出器１１３は、横一列に並んだ１６個の可視検出素子を備える。観測衛星１００は、光学観測装置１１０の視野範囲が最東端観測領域４１２の最北端から最南端に移動するまで、光学観測装置１１０の視線ベクトルの変更を続ける。つまり、観測衛星１００は光学観測装置１１０の視線ベクトルを緯度方向（南方向）に移動する。この間、光学観測装置１１０は撮像を続ける。その後、観測衛星１００は、光学観測装置１１０の視野範囲を最東端観測領域４１２の最南端から西側に隣接する観測領域（西側隣接領域４１３）の最南端に移動する。その後、観測衛星１００は、光学観測装置１１０の視野範囲が西側に隣接する観測領域の最南端から最北端に移動するまで、光学観測装置１１０の視線ベクトルの変更を続ける。移行、この動作が繰り返され、１次元検出器１１３の視野範囲が観測領域全体４１１の最西端に移動する。

静止軌道近傍から地球５００を常時観測する高分解能の光学観測装置１１０を具備した観測システム１０００では、日本近傍を網羅的に観測するために１日がかりとなる可能性がある。「太陽は東から登り西に沈む」と言われるように、日照条件は時間経過に伴い東から西に良好な太陽光入射位置が移動する。
このため、図１２に示すように、東から西に順番に撮像するのが合理的である。また、プッシュブルーム撮像により緯度方向に撮像してから観測幅として隣接する、西側の観測幅の領域へ視線ベクトルを移動して、再び緯度方向にプッシュブルーム撮像していくのが合理的である。緯度方向にプッシュブルーム撮像する際に、瞬時視野角θよりも視線ベクトル移動角度が小さい条件で撮像を繰返すことにより、緯度方向の対地距離を経度方向と同等にすることも可能であり、また超解像処理により高解像度化する効果も得られる。

（楕円軌道、プッシュブルーム）
観測システム１０００は、以下の方式を採用することもできる。観測衛星１００が、楕円軌道を飛翔して衛星進行方向にプッシュブルーム撮像を実施する。観測衛星１００は、近地点近傍における撮像周期を維持して遠地点近傍においても撮像する。
観測衛星が低軌道楕円軌道を飛翔して地球を観測する場合に、瞬時視野角θが一定であれば、近地点ではＧＳＤが小さい高分解能画像となり、遠地点ではＧＳＤが大きい低分解能画像となる。よって、プッシュブルーム撮像をする場合には、近地点近傍における撮像周期に比較して遠地点近傍では撮像周期が長くするのがオーソドックスな方法である。
これに対して近地点と同等の撮像周期でプッシュブルーム撮像を実施すると、衛星進行方向の瞬時視野角θに対してオーバーラップして撮像する複数の画像が生成可能となり、オーバーサンプリング処理や超解像処理が可能となる。超解像処理することにより、遠地点近傍の対地距離に比して解像度の高い画像が取得できるという効果がある。また遠地点近傍では対地速度が近地点近傍よりも遅いため、長時間に渡り特定観測対象を観測できるという効果がある。

（ＷＧＳ８４）
観測システム１０００は、以下の方式を採用することもできる。地上設備２００が、撮像対象である撮像目標の地球固定座標系における位置座標を含む撮像指令を、観測衛星に送信する。具体的には、通信制御部２１１が、この位置座標を含む撮像指令を生成し、地上側通信装置３１０を介して観測衛星１００に送信する。
地球固定座標系としてＷＧＳ８４が知られており、航法測位衛星システムＧＰＳなどで採用されている。
地球を観測する観測衛星において、撮像対象の位置座標を指定すれば、地球固定座標系に対する観測衛星の飛翔位置と速度ベクトルが既知である。よって、光学撮像装置の視線ベクトルを撮像目標の手前に設定し、適切な視線ベクトル移動を付与して的確に超解像処理が可能となる。低高度を飛翔する周回衛星では衛星の対地速度を利用して視線ベクトル移動を付与することが合理的であり、静止衛星では衛星姿勢角を変更して視線ベクトル移動を付与することが合理的である。更に衛星の対地速度と姿勢角変動を適切に組み合わせることにより、撮像対象に対して所望の視線ベクトル移動速度を実現できるので、超解像処理に適した任意の回数の撮像データを取得することができる。

（宇宙物体）
観測システム１０００は、以下の方式を採用することもできる。同一撮像対象は宇宙物体である。近年、宇宙物体数の増加に伴い社会インフラとして活躍する人工衛星に対するデブリ衝突の危険を回避する目的などで、宇宙物体の監視活動が強化されている。そして、監視活動の手段として観測衛星によりデブリ等の宇宙物体を高解像度で監視するニーズが増加している。

宇宙物体の軌道情報は予めＳＳＡ（ＳｐａｃｅＳｉｔｕａｔｉｏｎＡｗａｒｅｎｅｓｓ）と呼ばれる宇宙状況監視システムにより把握され、将来の特定時刻における宇宙物体の飛翔位置は地球固定座標系の位置座標として把握することが可能であり、速度ベクトルも既知である。

観測衛星の特定時刻における飛翔位置と速度ベクトルも既知である。よって撮像対象となる特定の宇宙物体の地球固定座標系における位置座標を含む撮像指令を、通信制御部２１１は観測衛星１００に送信することができる。これにより、観測衛星１００の具備する光学観測装置１１０が宇宙物体を捉える視線ベクトルの指向方向が決定し、相対移動方向と相対速度も計算できる。よって、相対速度と観測衛星の姿勢角変動を適切に組み合わせることにより、撮像対象に対して所望の視線ベクトル移動速度を実現でき、超解像処理に適した任意の回数の撮像データを取得することができる。

静止軌道近傍を飛翔する観測衛星から、同様に静止軌道近傍を飛翔する宇宙物体を監視するニーズが増加している他、低高度の周回衛星から宇宙物体を監視するニーズも増加している。観測衛星からデブリ等の宇宙物体を撮像する場合に、同一対象を複数回撮像して超解像処理をすることで、精細な画像が取得できるという効果がある。宇宙物体が人工物体である場合には、対象が人工衛星かロケットの残骸かの識別ができる他、形状を高解像度で画像化することにより人工衛星の種類、例えば通信衛星や観測衛星などの識別も可能となる。またプッシュブルーム撮像によれば、広域連続撮像ができるため、広い宇宙空間において特性の撮像対象を確実に撮像できるという効果がある。

（観測衛星１００のハードウェア構成の補足）
図１３は、観測衛星１００のハードウェア構成を示す。図１３を参照して、観測衛星１００のハードウェア構成を説明する。

図１３に基づいて、観測衛星１００の構成を説明する。
観測衛星１００は、光学観測装置１１０、視野変更装置１２０、通信装置１３０、姿勢制御装置１４０、推進装置１５０、衛星制御装置１６０および電源装置１７０を備える。

光学観測装置１１０は、上記で説明した通りである。

視野変更装置１２０は、光学観測装置１１０の観測視野を変更する。

通信装置１３０は、地上設備２００と通信するための通信装置である。例えば、通信装置１３０は、地上設備２００から各種コマンドを受信する。また、通信装置１３０は、光学観測装置１０１によって得られる観測データを地上設備２００に送信する。

姿勢制御装置１４０は、観測衛星１００の姿勢と観測衛星１００の角速度といった姿勢要素を制御するための装置である。姿勢制御装置１４０は、各姿勢要素を所望の方向に変化させる。もしくは、姿勢制御装置１４０は、各姿勢要素を所望の方向に維持する。姿勢制御装置１４０は、姿勢センサとアクチュエータとコントローラとを備える。姿勢センサは、ジャイロスコープ、地球センサ、太陽センサ、スター・トラッカ、スラスタおよび磁気センサなどである。アクチュエータは、姿勢制御スラスタ、モーメンタムホイール、リアクションホイールおよびコントロール・モーメント・ジャイロ等である。コントローラは、姿勢センサの計測データまたは地上設備２００からの各種コマンドにしたがって、アクチュエータを制御する。姿勢制御装置１４０は、光学観測装置１０１の視線ベクトルの方位角を変更するために使用することができる。

推進装置１５０は、観測衛星１００に推進力を与える装置であり、観測衛星１００の速度を変化させる。具体的には、推進装置１５０は電気推進機である。例えば、推進装置１５０は、イオンエンジンまたはホールスラスタである。

衛星制御装置１６０は、観測衛星１００の各装置を制御するコンピュータであり、処理回路を備える。例えば、衛星制御装置１６０は、地上設備２００から送信される各種コマンドにしたがって、各装置を制御する。

電源装置１７０は、太陽電池、バッテリおよび電力制御装置などを備え、観測衛星１００の各装置に電力を供給する。

衛星制御装置１６０に備わる処理回路について説明する。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても
よい。処理回路において、一部の機能が専用のハードウェアで実現されて、残りの機能がソフトウェアまたはファームウェアで実現されてもよい。つまり、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。専用のハードウェアは、具体的には、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、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせである。ＡＳＩＣは、ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｃｉｒｃｕｉｔの略称である。ＦＰＧＡは、ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙの略称である。

以上、実施の形態１について説明した。実施の形態１の複数の技術事項のうち、１つを部分的に実施しても構わないし、実施の形態１の複数の技術事項のうち、２以上の技術事項を組み合わせて実施しても構わない。

１００観測衛星、１１０光学観測装置、１１１光学系、１１２検出器、１１２Ｅ検出素子、１１３，１１３Ａ，１１３Ｂ１次元検出器、１１３Ｅ１次元検出素子、１１４２次元検出器、１１４Ｅ２次元検出素子、１１５方向、１２０視野変更装置、１３０通信装置、１４０姿勢制御装置、１５０推進装置、１６０衛星制御装置、１７０電源装置、１４１Ａ黒丸、１４１Ｂ二重丸、１４１Ｃ白丸、２００地上設備、２１０プロセッサ、２１１通信制御部、２１２画像制御部、２２０主記憶装置、２３０補助記憶装置、２４０入力ＩＦ、２５０入力ＩＦ、２６０入力ＩＦ、２７０信号線、３１０地上側通信装置、３２０地上側アンテナ、４００撮像対象、４１０観測地域、４１１観測領域全体、４１２最東端観測領域、４１３西側隣接領域、４１４最西端観測領域、５００地球、５０１地表面、１０００観測システム。

Claims

静止軌道上空から地球を観測する際に、開口径と焦点距離とがロケットのフェアリングの寸法の制約を受けない光学観測装置であって高解像度化される画像を撮影する光学観測装置と、通信装置とを具備した観測衛星と、
前記光学観測装置の撮像した撮像データを受信して画像化する地上設備と
を備え、地球または宇宙の地物を撮像する観測システムにおいて、
前記観測衛星は、
前記光学観測装置の視線ベクトルを移動させて前記光学観測装置で同一撮像対象を複数回撮像して前記同一撮像対象の複数回の各回の撮像データを生成し、前記通信装置で各回の撮像データを地上に伝送し、
前記地上設備は、
前記同一撮像対象の各回の撮像データを受信する通信制御部と、
各回の撮像データを画像処理対象として、ベイズ推定を用いて画像処理する超解像処理を実施する画像制御部と、
を備え、
前記光学観測装置が２次元検出器を具備し、
前記２次元検出器は、
視線ベクトル移動方向の画素数ｍに相当する前記光学観測装置の視野角ηにおいて撮像をしてから視線ベクトルの移動により隣接する次の視野角ηの撮像をするまでに要する時間ｔの間に、画素数ｍの約数以外の２以上の素数であり、かつ、２と３と５以外の素数である素数ｋに対して（ｋ―１）回の撮像をｔ／ｋの時間インターバルで撮像した各撮像データを取得し、
前記通信装置は、
前記２次元検出器で取得された各撮像データを、地上に伝送する観測システム。
前記光学観測装置が、
視線ベクトルを一定の角速度で回転し、かつ、視線ベクトルを移動しながら撮像して前記撮像データを生成する２次元検出器を具備する請求項１に記載の観測システム。
前記地上設備は、前記撮像データとして、
前記光学観測装置が具備する検出器の持つ検出素子の瞬時視野角θｄｅｇに対して、前記検出素子の視線ベクトルの移動角度φが瞬時視野角θｄｅｇよりも小さいθ／Ｎｄｅｇ（Ｎは２以上の自然数）の状態で撮像された撮像データを受信する、
請求項２に記載の観測システム。