(57)【要約】【課題】方位角方向及び仰角方向の双方の姿勢を推定できる姿勢推定装置及びプログラムを提供する。【解決手段】測位衛星からの信号を受信するアンテナ１１を有する飛翔体について、当該飛翔体の姿勢を検出する姿勢推定装置であって、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、アンテナ１１の受信強度のパターン情報を保持する。アンテナ１１が受信する測位衛星からの信号の受信強度と、保持されているパターン情報とを用いて、飛翔体の姿勢を推定する。【選択図】図２
2014071099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測位衛星からの信号を受信するアンテナを有する飛翔体について、当該飛翔体の姿勢を検出する姿勢推定装置であって、
所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を保持する保持手段と、
前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度と、前記保持手段が保持するパターン情報とを用いて、前記飛翔体の姿勢を推定する推定手段と、
を有する姿勢推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の姿勢推定装置であって、
飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出手段を用いて検出された姿勢と、前記飛翔体及び前記測位衛星の位置に係る情報と、前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度とを用いて、前記所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を生成する生成手段をさらに含む姿勢推定装置。
【請求項３】
測位衛星からの信号を受信するアンテナを有する飛翔体について、当該飛翔体の姿勢を検出する姿勢推定装置を、
所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を保持する保持手段と、
前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度と、前記保持手段が保持するパターン情報とを用いて、前記飛翔体の姿勢を推定する推定手段と、
として機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛翔体の姿勢推定装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星や航空機等の飛翔体は、例えばミッションの遂行のため、また人工衛星であれば太陽電池パネルを太陽の方向へ向けるため等の目的で、所定の目的方向に対するその姿勢を検出する必要がある。そこで従来よりその姿勢を検出する姿勢センサが備えられている。
【０００３】
従来の、例えば人工衛星の姿勢センサには、ジャイロセンサや、所定の天体を検出するスタートラッカ等が設けられている。
【０００４】
しかしながら、こうした姿勢センサが故障するなど、他の装置を利用することで姿勢を推定することが必要となる場合もある。こうした姿勢の推定の例としてＧＰＳ衛星（測位衛星）からの信号を用いて姿勢を推定する技術が非特許文献１等に開示されている。
【０００５】
この非特許文献１では、図６に例示するようにアンテナのボアサイトに対する仰角θに応じて、ＧＰＳアンテナのゲインが異なることに注目し、ＧＰＳ衛星から受信した信号の信号強度によりこの仰角θを推定し、飛翔体等に対するＧＰＳ衛星の位置（既知である）と、当該推定した仰角θとを用いて飛翔体等の姿勢推定を行う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】SHAUN et al.,Real-Time Attitude Determination of Nano-satellite Using GPS Signal-To-Noise Ratio Observation, 19th AIAA/USU Conference on small satellite, 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来のＧＰＳ衛星を用いる技術では、仰角θ方向の推定は可能であっても、ボアサイト方向の軸周り方向（方位角の方向、つまりアジマス方向）の姿勢が推定できず、用途が限定されていた。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、方位角方向及び仰角方向の双方の姿勢を推定できる姿勢推定装置及びプログラムを提供することを、その目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、測位衛星からの信号を受信するアンテナを有する飛翔体について、当該飛翔体の姿勢を検出する姿勢推定装置であって、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を保持する保持手段と、前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度と、前記保持手段が保持するパターン情報とを用いて、前記飛翔体の姿勢を推定する推定手段と、を有することとしたものである。
【００１０】
またここで、飛翔体の姿勢を検出する姿勢検出手段を用いて検出された姿勢と、前記飛翔体及び前記測位衛星の位置に係る情報と、前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度とを用いて、前記所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を生成する生成手段をさらに含んでもよい。
【００１１】
さらに本発明の一態様に係るプログラムは、測位衛星からの信号を受信するアンテナを有する飛翔体について、当該飛翔体の姿勢を検出する姿勢推定装置を、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、前記アンテナの受信強度のパターン情報を保持する保持手段と、前記アンテナが受信する測位衛星からの信号の受信強度と、前記保持手段が保持するパターン情報とを用いて、前記飛翔体の姿勢を推定する推定手段と、として機能させることとしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置のアンテナの設置例を表す概要説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置の構成例を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置が使用するパターン情報の概要例を表す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置の例を表す機能ブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置のアンテナの実際の受信強度の例を表す説明図である。
【図６】従来、仮定されていた理想的なアンテナの受信強度分布の例を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る姿勢推定装置１は、図１に例示するように、人工衛星等の飛翔体の外表面に設けられたアンテナ１１を有する。またこの飛翔体の表面には、アンテナ１１のほか、例えば太陽電池パネルＰや、カメラＣ等の各種の測定機器、推進のための機構等、種々の固定物が設けられている。
【００１４】
また、本実施の形態に係る姿勢推定装置１は、図２に例示するように、このアンテナ１１と、測位信号受信部１２と、制御部１３と、記憶部１４と、インタフェース部１５とを含んで構成される。ここで測位信号受信部１２は、複数の測位衛星（ＧＰＳ（Global Positioning System）等、位置測定のための衛星）からの信号を受信し、その受信した信号と、信号強度を表す情報とを出力する。
【００１５】
制御部１３は、ＣＰＵ等のプログラム制御デバイスであり、記憶部１４に格納されたプログラムに従って動作する。本実施の形態では、この制御部１３は、測位信号受信部１２が出力する複数の測位衛星からのそれぞれの信号に基づき、各測位衛星の位置と、当該測位衛星までの相対的な距離を特定するとともに、当該測位衛星の位置と相対的な距離とに基づいて、飛翔体の位置を推定して出力する。
【００１６】
また本実施の形態では、この制御部１３は、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、アンテナ１１の受信強度のパターン情報を、記憶部１４から読み出す。そして制御部１３は、アンテナ１１で受信した測位衛星からの信号の受信強度と、読み出したパターン情報と、飛翔体及び測位衛星の相対的な位置に係る情報とを用いて、飛翔体の姿勢を推定して出力する処理を行う。この制御部１３の具体的な動作の内容については、後に詳しく述べる。
【００１７】
記憶部１４は、メモリデバイス等であり、制御部１３によって実行されるプログラムが保持される。このプログラムは、種々の光学ディスクデバイス等のコンピュータ可読な記録媒体に格納されて提供され、この記憶部１４に格納されたものであってもよい。また、このプログラムは、通信回線を介して提供され、この記憶部１４に格納されたものであってもよい。
【００１８】
本実施の形態において、この記憶部１４には、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、アンテナ１１の受信強度のパターン情報が格納される。本実施の形態の一例では、例えば飛翔体の位置から予め定めた恒星の方向へのベクトルの向きを基準方向として用い、この基準方向向きのベクトルを法線とする面から、このベクトルの方向へ向う角を仰角（エレベーション）ＥＬとし、このベクトルの方向の軸まわりの角度であって、上記面内で予め定めた方向（方位基準と呼ぶ）からの角を方位角（アジマス）ＡＺとする。そしてアンテナ１１のボアサイトを基準方向に一致させ、適宜定めた、アンテナ１１からみた方位角０度の方向を方位基準に一致させた状態とし、アンテナ１１を取囲む仮想の球面を、予め定めた単位ΔＥＬ，ΔＡＺごとに分割して得たブロックごとに、各ブロックに対応する仰角ＥＬ，方位角ＡＺと、当該仰角ＥＬ，方位角ＡＺ方向からの信号のアンテナ１１での受信強度を表す情報とを関連付けて、受信強度のパターン情報とする。
【００１９】
この例のパターン情報は、概念的には、上記ブロックを、仰角ＥＬと方位角ＡＺとで張られる２次元の空間内にマトリクス状に配置したマップ（図３）上で、受信強度の情報を配したものとなる。また本実施の形態の記憶部１４は、制御部１３のワークメモリとしても動作する。
【００２０】
インタフェース部１５は、制御部１３と、外部の装置との間で、情報の入出力を行う。すなわち、このインタフェース部１５は、外部の装置から入力される情報を制御部１３に出力する。また、このインタフェース部１５は、制御部１３が出力する情報を、外部の装置へ出力する。ここで外部の装置は、例えば姿勢制御のための装置であり得る。
【００２１】
次に本実施の形態の制御部１３の動作について述べる。この制御部１３は、機能的には、図４に例示するように、アンテナ１１に到来し、測位信号受信部１２で受信した測位衛星からの信号を受け入れる受入部２１と、所定の基準方向に対する方位角及び仰角ごとに予め生成された、アンテナ１１の受信強度のパターン情報を保持する保持手段としての記憶部１４からパターン情報を読み出す読出部２２と、飛翔体自身及び測位衛星の位置に係る情報を生成する位置情報生成部２３と、測位衛星からの信号の受信強度と、保持手段が保持するパターン情報と、位置情報生成部２３が生成した飛翔体自身及び測位衛星の位置に係る情報とから飛翔体の姿勢を推定する推定部２４とを含む。
【００２２】
ここで位置情報生成部２３は、飛翔体自身と測位衛星の位置に係る情報として、飛翔体自身と測位衛星との相対的な位置の情報を生成する。具体的には、飛翔体からみた測位衛星の仰角及び方位角の情報を生成する。この情報の生成は、広く知られた方法を採用できるので、ここでの詳細な説明を省略する。
【００２３】
推定部２４は、次のようにして飛翔体の姿勢を推定する。まず、アンテナ１１にて信号を受信できた複数の測位衛星のうち、ｉ番目の測位衛星の飛翔体からみた、基準方向に対する方位角及び仰角をＥＬi，ＡＺiとすると、このｉ番目の測位衛星の方向ベクトル（ＬＯＳ；Line of Sight）は、
【数１】
2014071099.tif 000003
と記述できる。
【００２４】
ここで飛翔体の基準方向に対する姿勢角をｘ＝（φ，θ，ψ）とする。ここで姿勢角は、基準方向に対するアンテナ１１のボアサイトの方向を表す。そこで、アンテナ１１のボアサイト方向を法線とする面から、ボアサイト方向への角度を飛翔体座標系での仰角ＥＬ′、ボアサイト周りの角度を飛翔体座標系での方位角ＡＺ′というように書けば、この飛翔体座標系でのｉ場何目の測位衛星の方向ベクトル（ＬＯＳ）は、
【数２】
2014071099.tif 000004
と書ける。そして、この
【数３】
2014071099.tif 000005
の各成分を、
【数４】
2014071099.tif 000006
として、上記飛翔体座標系での仰角ＥＬ′、及び飛翔体座標系での方位角ＡＺ′はそれぞれ、
【数５】
2014071099.tif 000007
【数６】
2014071099.tif 000008
と表すことができる。なお、atan2(x,y)は、実質的にtan-1(y/x)と同じであるが、ｘ＝０の場合にｙ＞０であればπ／２、ｙ＜０であれば−π／２とするところが異なっているものである。
【００２５】
またここで
【数７】
2014071099.tif 000009
は、基準方向を用いた座標系（基準座標系）から飛翔体座標系への変換行列であり、姿勢角が３−２−１系列のオイラー角である場合は、次のように表される。
【００２６】
【数８】
2014071099.tif 000010
【００２７】
制御部１３の推定部２４は、このＥＬi，ＡＺi及び、（３）、（４）式で演算されるＥＬ′i，ＡＺ′iを用いて姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）を推定する。具体的には、仰角ＥＬ、方位角ＡＺに対応してパターン情報に示される受信強度の情報をＳＮＲ［ＥＬ，ＡＺ］と書くこととすると、推定部２４は、
【数９】
2014071099.tif 000011
を最小とする（φ，θ，ψ）の組を、最小二乗法（例えば修正マルカート法を用いる）等の方法で求める。そしてここで求めた（φ，θ，ψ）の組が、飛翔体の姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）を表すものと推定する。
【００２８】
本実施の形態は、以上のような構成を備え、次のように動作する。すなわち本実施の形態では、飛翔体外表に備えられたアンテナ１１に到来する測位衛星からの信号の強度は、アンテナ１１とともに飛翔体外表に備えられた各種の固定物（太陽電池パネルやカメラ等）の配置により、その方位角方向にも変化が生じている。つまり、アンテナ１１を含む面であって、ある方位角方向の面内でのアンテナ１１の受信感度（アンテナゲイン、つまりアンテナ１１が受信する信号の強度）は、概念的には、図５に例示するように、図６に例示した理想的なものとは異なっているのが現状である。
【００２９】
そこで本実施の形態は、この現状を却って利用して、アンテナ１１の受信信号の強度の各仰角、各方位角方向のパターンを用い、位置が既知となる測位衛星の、飛翔体座標系から見た位置情報を検出するものである。
【００３０】
本実施の形態では、例えば飛翔体の位置から予め定めた恒星の方向へのベクトルの向きを基準方向として用い、この基準方向をＺ軸とする。またこのＺ軸向きのベクトルを法線とする面（ＸＹ面）から、このベクトルの方向へ向う角を仰角（エレベーション）ＥＬとする。さらに、このＸＹ面内でのＺ軸まわりの角度であって、ＸＹ面内で予め定めた方向（方位基準）をＸ軸の方向とし、ＸＹ面内でこのＸ軸の方向に直交する方向をＹ軸として（右手系，左手系は予めどちらかに定めておけばよい）、ＸＹ面内でＸ軸からＹ軸方向へ向う角を方位角（アジマス）ＡＺとする。このＸＹＺの座標系を基準座標とする。
【００３１】
またアンテナ１１のボアサイトを基準方向（Ｚ軸）に一致させ、予め定めた、アンテナ１１からみた方位角０度の方向を方位基準（Ｘ軸）に一致させた状態としたとき、アンテナ１１を取囲む仮想の球面を、予め定めた単位ΔＥＬ，ΔＡＺごとに分割して得たブロックごとに、各ブロックに対応する仰角ＥＬ，方位角ＡＺと、当該仰角ＥＬ，方位角ＡＺ方向からの信号のアンテナ１１での受信強度を測定する。そしてこの測定した情報を、対応するブロックの仰角ＥＬ，方位角ＡＺの情報に関連付けて、受信強度のパターン情報として生成し、記憶部１４に格納しておく。
【００３２】
本実施の形態のある例では、この受信強度のパターン情報を飛翔体が飛翔する前に、つまり地上でアンテナ１１周りの各方向から測位衛星が送信するものと同様の信号を疑似的に送信して、アンテナ１１で受け、測位信号受信部１２で受信して、アンテナ１１を取囲む仮想の球面を、予め定めた単位ΔＥＬ，ΔＡＺごとに分割して得たブロックごとに、各ブロックに対応する仰角ＥＬ，方位角ＡＺと、当該仰角ＥＬ，方位角ＡＺ方向からの信号のアンテナ１１での受信強度を予め決定しておく。そして、各ブロックに対応する仰角ＥＬ，方位角ＡＺと、当該仰角ＥＬ，方位角ＡＺ方向からの信号のアンテナ１１での受信強度を表す情報とを関連付けた、受信強度のパターン情報を生成し、記憶部１４に格納しておく。このパターン情報の生成は、飛翔体ごとに行っておくこととしてもよい。
【００３３】
その後、飛翔体が飛翔中に、本来の姿勢センサが故障するなどしたときに、アンテナ１１に到来した複数の測位衛星からの信号を測位信号受信部１２で受信する。そして測位信号受信部１２は、当該複数の測位衛星からの信号の強度の情報を生成する。
【００３４】
制御部１３は、飛翔体自身と測位衛星の位置に係る情報として、飛翔体自身と測位衛星との相対的な位置の情報を生成する。具体的には、飛翔体からみた測位衛星の仰角及び方位角の情報を生成する。この情報の生成は、広く知られた方法を採用できるので、ここでの詳細な説明を省略する。
【００３５】
また以下で、飛翔体の基準方向に対する姿勢角をｘ＝（φ，θ，ψ）とし、アンテナ１１にて信号を受信できた複数の測位衛星のうち、ｉ番目の測位衛星の飛翔体からみた、基準方向に対する方位角及び仰角をＥＬi，ＡＺiとする。さらに、アンテナ１１のボアサイト方向を法線とする面から、ボアサイト方向への角度を飛翔体座標系での仰角ＥＬ′、ボアサイト周りの角度を飛翔体座標系での方位角ＡＺ′というように記述して、仰角ＥＬ、方位角ＡＺに対応してパターン情報に示される受信強度の情報をＳＮＲ［ＥＬ，ＡＺ］と書くこととする。
【００３６】
制御部１３は、受信できた複数の測位衛星のそれぞれについて、ＳＮＲ［ＥＬi，ＡＺi］及び、ＳＮＲ［ＥＬ′i，ＡＺ′i］を求め、これらから（６）式の値を演算する。そしてこの（６）式で得られた値を最小とする（φ，θ，ψ）の組を、最小二乗法（例えば修正マルカート法を用いる）等の方法で求める。そしてここで求めた（φ，θ，ψ）の組が、飛翔体の姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）を表すものと推定する。制御部１３はこの推定した飛翔体の姿勢角の情報を外部の機器に出力する。そして外部の機器にて当該推定された姿勢角の情報を用いて姿勢制御等が行われることとなる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、受信できた測位衛星の数が単数であると、パターン情報において、当該測位衛星からの信号の受信強度に一致する受信強度に関連付けられたすべての仰角ＥＬ、方位角ＡＺの方向に対応する姿勢角で（６）式が最小値となってしまうため、妥当な姿勢の推定が困難となる。そこで本実施の形態では、制御部１３は、受信できた測位衛星の数が、予め定めたしきい値Ｔを下回る場合には姿勢の推定ができない旨のエラーを出力してもよい。また受信できた測位衛星の数が多いほど、（６）式が最小値となる姿勢角の数が少なくなるので、制御部１３は、受信できた測位衛星の数が、上記しきい値Ｔとは別に定めたしきい値Ｓ（Ｔ＜Ｓ）を下回る場合に、推定した姿勢角の情報とともに、誤差が大きい可能性があることを示すアラート情報を、併せて出力してもよい。
【００３８】
さらに本実施の形態のある例では、受信強度のパターン情報を、飛翔体が飛翔している間に生成してもよい。この場合、実際の測位衛星からの信号をアンテナ１１で受け、測位信号受信部１２で受信して受信強度のパターン情報を生成する。すなわち制御部１３は、飛翔体座標系での仰角ＥＬ′，方位角ＡＺ′から到来した測位衛星からの信号の強度を測定する。また制御部１３は、姿勢検出手段としての、外部の姿勢検出装置（このパターン情報の生成時点では正常に動作しているものとする）から飛翔体の姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）の情報を取得する。
【００３９】
そして制御部１３は、この姿勢角の情報を用い、飛翔体座標系での仰角ＥＬ′，方位角ＡＺ′を、基準座標系での仰角ＥＬ，方位角ＡＺに変換する。一方、制御部１３は、アンテナ１１を基準座標に一致させたと仮定したときの、アンテナ１１を取囲む仮想の球面を、予め定めた単位ΔＥＬ，ΔＡＺごとに分割して得たブロックのうち、この変換後の仰角ＥＬ，方位角ＡＺに対応するブロックを特定する。そして制御部１３は、この特定したブロックに対応する仰角ＥＬ，方位角ＡＺと、先に測定して得た、測位衛星からの信号の強度とを関連付けて受信強度のパターン情報を生成し、記憶部１４に格納する。
【００４０】
なお、測位衛星もそれぞれ送信する信号の強度が仰角に応じてバラつくことがあることに鑑み、予め測位衛星ごとに測定して得た信号強度の差の情報を用いて、基準となる信号強度からの差ΔＳＮＲiを求めておき、このΔＳＮＲiを用いて、（６）式の代わりに、次の（７）式を最小とする姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）を求めることとしてもよい。
【００４１】
【数１０】
2014071099.tif 000012
【００４２】
さらにこの基準となる信号強度からの差ΔＳＮＲiが仰角に応じて変化する場合は、（８）式を最小とする姿勢角ｘ＝（φ，θ，ψ）を求めることとしてもよい。
【００４３】
【数１１】
2014071099.tif 000013
【００４４】
また、ここまでの説明では、アンテナ１１の、アンテナ１１まわりの各方向からの信号の受信強度は、アンテナ１１の周囲に配されている固定物の影響により自然に異なるものとしていたが、このような受信強度の変化は意図的にアンテナ１１の設計により形成したものであっても構わない。この場合、アンテナ１１の本来の機能（測位衛星の信号を受信する機能）を損わない程度の変化としておく。
【００４５】
本実施の形態によると、方位角方向及び仰角方向の双方で飛翔体の姿勢を推定できるので、当該推定の結果は、姿勢検出装置の検出結果と同様の用途で使用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  姿勢推定装置、１１  アンテナ、１２  測位信号受信部、１３  制御部、１４  記憶部、１５  インタフェース部、２１  受入部、２２  読出部、２３  位置情報生成部、２４  推定部。
【図１】
2014071099.tif 000014
【図２】
2014071099.tif 000015
【図３】
2014071099.tif 000016
【図４】
2014071099.tif 000017
【図５】
2014071099.tif 000018
【図６】
2014071099.tif 000019