この仮定により 面 dae から拡散反射される光量は となる dae から拡散反射した光強度は距離とともに徐々に減衰していく dae を基点とし 衛星位置を含む半径 D の球面を考える dae に正対する点での強度が最大で それをω0 とすると 角度 Θの点での強度はω0cosΘW/m 2 となる

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1 NASA TM "An Earth Albedo Model" このペーパーでは粗太陽センサの出力を対象としていることから 地球赤外は無視感度がない ) し 太陽光の地球大気との反応 (specular reflection,absorption,diffuse reflection) のうち diffuse reflection のみを対象としてこれを albedo と呼んでいる specular reflection の寄与度は十分小さく 無視している 拡散反射 衛星位置での拡散反射光強度の算出のために以下のようなコンフィグレーションを考える 地球近傍での太陽光強度はおよそ FSUN=1358W/m 2 太陽直下のポイント B での太陽光強度 FSUN に対して 直下から角度 Ψ だけ離れた地点での太陽光強度 は cosψ に比例する したがって 面 dae に入射する光量は となる 入射光の一部は吸収され あるいは反射される 反射される光量は入射光量にアルベド係数 ALB を掛け合わせたものになる アルベド係数は地域によって異なり 季節 時刻によって異なる このモデルではそのような変動は無視し アルベド係数は全地球表面で一定とする 平均的なアルベド係数は 0.3 である

2 この仮定により 面 dae から拡散反射される光量は となる dae から拡散反射した光強度は距離とともに徐々に減衰していく dae を基点とし 衛星位置を含む半径 D の球面を考える dae に正対する点での強度が最大で それをω0 とすると 角度 Θの点での強度はω0cosΘW/m 2 となる 半球を通過する光量は であり エネルギー保存則からこれは FoutdAe に等しい よって となり 球面上の最大光強度が求められる 一方 衛星の位置から面 dae を見込む立体角 da は

3 で与えられる よって 衛星位置でのアルベド光強度は立体角 da を用いて と表せる

4 サンセンサへのアルベド入力を算出する上での条件 ( 仮定 ) (1) 地球を完全球体とする また dae は日照面であること (2) 面 dae は衛星の視野内にあること (

5 3) 粗サンセンサの視野はハーフアングル Δ の円錐とする 反射光はこの視野内にある必要がある

6 サンセンサ 粗サンセンサ CSS の出力電流 ICSS はサンセンサのボアサイト ( 正面 ) 方向をと太陽光入射方向のなす角を β として となる また このモデルでは CSS のボアサイトからの光入射の場合の出力電流 ICSS が 1.0 となるようにノー マライズする

7 CSS への光入射はアルベド以外に太陽光からの直射もあるが ここではアルベド入力のみを考えるため ωcss=ωalb である 太陽を直視したときの CSS の最大出力電流を Imax とし アルベド入射による最大出力電流を dialbmax とすると が得られる 角度 β 方向からのアルベドに対する出力は cosβ に比例するため とすると K を求めるため β=0 の場合 ( 最大出力 ) を考えて となる 一般に CSS の出力電流は とかける であることを考慮して 面 dae からのアルベド入射によって発生する CSS の出力電流は

8 と表せる

9 計算 dialb を算出するためには 入射光の方向 ( ) を知る必要がある 遠距離から見ると地球は点源として 見えるが 衛星の軌道高度から見ると地球表面の曲がりを考慮する必要がある そのため 地球表面を 分割し それぞれの分割した面からのアルベド反射強度を求める それぞれの反射面に入射する太陽光 を求めるためには その面の垂直方向のベクトル を求める必要がある ここでは 衛星から見込む地球面を立体角の等しい NA 個の面に分割することを考える 分割されたそれぞれの面が dae に該当する 個々の面を決定したらそれぞれの必要な単位ベクトルを算 出する 視野の分割 衛星軌道が円である場合 衛星から地球を見込む視野角は一定である 衛星から見て衛星直下方向と地 球の水平線方向のなす角を αmax とすると 衛星高度を ALTP 地球半径を Re として となる 衛星からみこむ地球の立体角は

10 と表せる ここで 衛星位置を中心とした半径 1 の球面を考える この上に衛星から地球を見込む立体 角 Amax に相当するセグメントを定義する 視野 (field of view) を NA 個の等しいパーツに分割するため N 個の同心円 (i=1,n) を球面上に描く 地平線に相当する円が最も大きい円である それぞれの円によって単位球面がサブセグメントに分割される 次に各サブセグメントが等しい立体角となるようにする ここで 同心円がいかにして NA 個の等しい面積をもつセグメントに分割されるか考える まず 平面上の円を考える

11 まず面積が 1 の面からはじめる 3 倍の大きさの円を加えると その面積は 9 となる この 2 つの円にはさまれた部分の面積は 8 である ここを 8 分割すると 全体で 9 等分されることになる 分割された 9 個の面の中心を以下のように定義する まず中心にひとつ その他は 8 個の部分の面積が半分になるような円 ( 図の点線 ) を描く この円の上で個々の扇形の角の真ん中に位置する点をその扇形の中心点とする 点線の円の内側の面積は 5 である よって この点線の円の半径を r2 とすると となる 従ってその半径は最初の円半径の 倍である ここで一般に N : 円の合計数 NA : 等しい面積に分割されたときの分割数 Ri ri Θi とする :i 番目の円の相対半径 :i 番目の円環部につくられる分割面の面積を半分にする円の相対半径 :i 番目の円環を等分割した扇形の角度 次に相対半径 Ri が 5 の円を考える この円によって生成される新たな扇形は全部で 25-9=16 個となる これで全体の面積は 25 となる 新たな扇形の面積を半分にする円の半径は となる このように順次等しい間隔で大きな円を構成し そのつど新たに 8 個ずつ分割数を増やすことにより 以下を得る 一般に

12 となる

13 次にこの平面のケースを球面のケースに拡張する 衛星の視野に相当するハーフコーン角度 αmax の球 面セグメントを考える この半径 1 のコーン面の面積は衛星から地球を見込む立体角 Amax に等しい この面積を NA 個に等分すると 個々の面積は となる α1 を中心のセグメントのハーフコーン角度とすると を得る

14 この面の中心を通るユニットベクトル を定義する ここでは視野の中心方向と一致する 次に面積 が 5A1 となるコーンを考える これは前述した平面の i=2 の円のケースと同様である このとき となる

15 に加え 視野角の軸から角度 α2 のコーン上に 8 個の単位ベクトルを定義する それぞれのベクト ルは互いに だけ離れている 次に面積が 17A1 となるコーンを考える 平面のケースにならって新たな面の中心は互いに だけ離れている このとき となり 角度 α3 のコーン上に 16 個の単位ベクトルを生成する

16 一般に NA 個の等しい立体角を有する面に分割する 適切な単位ベクトルを定義するため da のセン ターの位置を求める必要がある k 番目の立体角 (k=1,na) のセンター位置を (γk δk) とする γk は視線方向の軸から k 番目の立体角の 中心までの角度を δk は 軸から半時計周りに計った角度とする これらの値は以下のように求められる よって i 番目 (i=2,n) のサークルに含まれるセグメントすべてについて となる

17 i 番目のサークルの分割数 M は であり 従って分割後のそれぞれの角度は となる よって k 番目の座標 δk は以下で与えられる

18 軌道座標系 単位ベクトルは衛星に固定された 座標系で規定される 軌道が円軌道の場合はベクトルは座標系 に固定され とは一度計算し 時刻とともに変換するだけでよい ここで は地球中心座標系における衛星の単位位置ベクトル は衛星の単位速度ベクトル は軌道面に垂直な単位ベクトルである 座標系では 衛星から面 dae を向く単位ベクトルは以下のように表せる

19 の計算 個々の面に対するが求められたら 次にそれぞれの面に垂直なベクトルを算出する まず 座標系を考える 一般にこの座標系における任意の点 G に対して地球中心からのベクトル を定義 する ここで D は衛星から G までの距離を示す 垂直ベクトルを求めると まず G は地球中心から地球表面 までの距離であるから 両辺を 2 乗して整理すると (u 1 2 +u 2 2 +u 3 2 )D 2 +2Ru 3D+R 2 -Re 2 =0 これを解いて このうち小さいほうの点 ( 以下の図の G' ではなく )G に対応する値を選択する

20 これで地球上の地点 G の垂線ベクトル が求められる

21 アルゴリズムの実行 FORTRAN サブルーチンでは 最初に CSS に影響する面を見出し 次にそれらの面からの反射光によ る出力電流を計算している 最初のコールで定数の初期化を行い NA 個の単位べクトルと (k=1,na) を求める これらのベ クトルの計算のため まずは最初の円 (i=1) から開始し ベクトルを衛星の視野コーン軸方向にとる これは 軌道座標系では (0,0,-1) に相当する 次の円 (i=2) については軸角と円の分割角を算出し 次にこの円環を構成する M 個のセンターの 座標を求める 個々の座標の組毎にを 座標系で求める このプロセスをすべての分 割面について行う (k=2,9 のエリアに対して行う ) 次の円環についても同じプロセスを行い 全 NA 個のエリアまで実行する すべてのベクトルが求められたら 対応するベクトルが求められる 衛星の視野に基づいてこれらの面を定義することにより 条件 2 が自動的に満足されるだけでなく 地 球表面の最小の面についても考慮することが可能である ここまでで初期化が完了する 個々のコールにおいて太陽方向の単位ベクトルが 座標系で計算される 太陽ベクトルは条件 2 の 検証のために必要である l 番目 (l th ) の CSS(l=1,P) に対して k 番目 (k th ) 表面からのアルベドが CSS に影響するかどうかを検証す

22 るための条件を考える まず k 番目の表面が日照になっているか ( 条件 1) この場合はその面が CSS の視野内にあるか ( 条件 3) 次に入射光がブロックされていないこと( 付録 1 の遮光関連の説明参照 ) これらの条件をすべて満たす場合にその面からの dlalb を算出する 面 1 から NA のすべてについて dlalb が算出できたらこれらを足し合わせて l 番目のサンセンサのアルベドからの出力電流 ISS を求める このプロセスを 1 から P までのサンセンサについて繰り返す 結論この簡略化したアルベドモデルは衛星の制御システムのシミュレーション 特に粗太陽センサのモデル化のために用意した 拡散反射のみを考慮しており 鏡面反射 (specular reflection) は無視している 楕円軌道の場合には個々のエリアに対応した単位ベクトルは衛星の高度によって変化することになる アルベド定数は年間平均値を用いている 付録 II には実際の地球上で観察される変化を示した 地球は完全球で回転しないものとしている アルベド定数を一定としているため回転は無視できる

23 単位はかっこの中 アルベドルーチンで使用している変数名はカギ括弧に示す A : 衛星の機体座標から 軌道座標系への変換マトリクス [A] Amax : 衛星から地球表面の部分を見込む立体角 (steradian) [AMAX] A1 : 単位球上の中心のサブセグメントの面積 ユニットエリアは da の大きさに等しい (steradian) [A1] ALB : 入射光量に対する拡散反射光量の比 [ALB] ALTP : ペリジ点での衛星高度 (km) [ALTP] B : が地球表面と交わるポイント BLOCK : Px4 のマトリクスで 最初の 3 つの要素は衛星機体座標系でのブロック (blockage) コーン方向 の単位ベクトルの要素であり 4 番目の要素はブロックコーンの半角を (degree) で表したもの [BLOCK] BLOCKAGE : 粗太陽センサの視野が部分的にブロックされているかどうかを示すフラグ [BLOCKAGE] D : k 番目の dae から衛星位置までの距離 (km) [D] da : 衛星視野から面 dae を見込む立体角 (steradian) dae : 地表の日照面積 (m 2) dialb dialbmax : ひとつの dae からのアルベド起因の粗太陽センサの電流出力の正規化した値 (amperes) [DI] : ひとつの dae からのアルベド起因の粗太陽センサの出力電流のとりうる最大値 (amperes) [IMAX] Fin : 与えられた面 dae に対する入射太陽光フラックス (watts/m 2 ) Fout : 与えられた面 dae からの太陽光フラックス (watts/m 2 ) Fsun : 地球近傍での太陽定数 (watts/m 2 ) G : 座標系での任意の位置 : 地球中心から位置 G までの 座標系でのベクトル : 軌道に垂直な単位ベクトル [HO] Imax : 粗太陽センサの出力電流の最大値 (amperes) [CSSIMAX] Icss : 粗太陽センサの出力電流 (amperes) [ALBICSS] j : i 番目の同心円環 j 番目の分割領域 [J] K : 地球のアルベドによる正規化された粗太陽センサ出力電流の比例定数 [KAPPA] k : NA 個の等しい面積の k 番目の要素 [K] l : P 個の粗太陽センサのうちの l 番目の粗太陽センサを指す M : i 番目の円環の円周まわりの分割数 [M] N : 同心円の数 [N] NA : 地球を等しい面積に分割した数 [NA]

24 : 粗太陽センサに垂直な単位ベクトル [NCSS] : dae 面に垂直な外側に向かう方向の単位ベクトル [NORM] P : 粗太陽センサの数 [P] Ri : i 番目の円の相対半径 : 地球の中心から衛星位置を向いた単位ベクトル [RB] : 地球の中心から衛星位置までのベクトル (km) [RMAG = ] Re : 地球半径 (Km) [RE] : 衛星の視野コーン軸から i 番目の円環センターへの垂直距離を r1 単位で表したもの [RI] r1 : 単位面積を有する中心円の半径 : 地球から太陽に向けた単位ベクトル [SB] : 一般に粗太陽センサから入射光の源に向けた単位ベクトル 特に衛星から k 番目の dae に向 けた単位ベクトルを示す [U] : 衛星の単位速度ベクトル [VB] : 単位半径の衛星視野コーンの軸から測った i 番目の円環の角度 : 球面上のセグメントを見込む (encompass) コーンの反角 ナディアから水平線までの角度 [ALPHAMAX] : 単位面積をもつ中心円のセグメントを見込む (encompass) 半角 : と間の角度 : 粗太陽センサの円錐視野のハーフアングル [CSSLM = ] : k 番目の da のセンターの円周方向の座標を軸から k 番目の da のセンター方向に反時計まわりに測ったもの : k 番目の da のセンターの角度座標 単位半径の衛星の視野コーン軸から k 番目の面のセンターに向けた角度 i 番目の円環上のすべての面に対して同一 [CGAMMA 及び SGAMMA 及びのコサイン サイン ] : k 番目のと衛星位置のなす角 : i 番目の円の円柱方向の分割サイズ [THETA] : 積分変数 : 衛星位置でのフラックス (watts/m 2 ) : CSS へのフラックス入力 (watts/m 2 ) : 距離 D における最大フラックス (watts/m 2 ) : と k 番目のとのなす角

25 使用法 ルーチンを回す前に以下の定数を指定する必要がある BLOCKAGE : 0=no blockage ; 1 = blockage exists N : 円の数 N=16 を超えないこと NA は最大で 1000 が限度 CSSLM : 粗太陽センサ視野角の半角のコサイン (cosδ) P :CSS の数 8 個を超えないこと 現行の次元数 8 を P 次元に改めること ALTP : 衛星の軌道高度を km で ALB : アルベド定数 CSSIMAX :CSS 電流の最大値 太陽光が CSS の正面から入手するときの出力電流 BLOCKAGE 以外の定数は事前に定義する BLOCKAGE は CSS の視野が部分的にブロックされているかどうかを示すスイッである ブロックはコーンでモデル化される ブロックされる部分がある場合には BLOCK マトリクスに場所を指定する CSS がブロックされていない場合には単純に BLOCKAGE フラグをゼロとし BLOCK マトリク スもゼロとする ルーチンのコールの都度以下を使用する T : 時刻 NCSS :CSS のボアサイト方向の衛星機体座標系での単位ベクトル BLOCK :CSS のブロック領域を規定するアレイ VB : 衛星の単位速度ベクトル ( 衛星機体座標系 ) RB : 地球中心から衛星までの単位方向ベクトル ( 衛星機体座標系 ) SB : 地球中心から太陽までの単位方向ベクトル ( 衛星機体座標系 )

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