(57)【要約】【課題】  飛しょう体が備える慣性装置の調定を短時間で行うこと可能にする。【解決手段】  飛しょう体の胴体外周に複数設けられた赤外線センサからの出力情報に基づき前記飛しょう体のロール角を求めるロール角推定手段と、前記飛しょう体の位置座標とピッチ角とヨー角とを算出するＧＰＳジャイロとを有する姿勢角初期推定手段と、前記姿勢角初期推定手段から入力した前記ロール角に基づき、前記ＧＰＳジャイロがＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信可能な姿勢に制御する操舵装置制御手段と、前記飛しょう体に搭載した慣性装置から入力した慣性情報と、前記姿勢角初期推定部から入力した前記飛しょう体の位置座標とロール角とピッチ角とヨー角とに基づき、前記慣性装置を調定して前記飛しょう体の位置と姿勢角を算出する航法装置とを備えるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛しょう体の胴体外周に複数設けられた赤外線センサからの出力情報に基づき前記飛しょう体のロール角を求めるロール角推定手段と、前記飛しょう体の位置座標とピッチ角とヨー角とを算出するＧＰＳジャイロとを有する姿勢角初期推定手段と、
前記姿勢角初期推定手段から入力した前記ロール角に基づき、前記ＧＰＳジャイロがＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信可能な姿勢に制御する操舵装置制御手段と、
前記飛しょう体に搭載した慣性装置から入力した慣性情報と、前記姿勢角初期推定部から入力した前記飛しょう体の位置座標とロール角とピッチ角とヨー角とに基づき、前記慣性装置を調定して前記飛しょう体の位置と姿勢角を算出する航法装置と、を備えることを特徴とする飛しょう体。
【請求項２】
前記赤外線センサは、赤外線の入射量に応じた電圧値を出力する熱電堆を備え、
前記姿勢角初期推定手段は、各赤外線センサが出力する前記電圧値に基づき前記飛しょう体のロール角を算出する請求項１記載の飛しょう体。
【請求項３】
前記赤外線センサは前記飛しょう体外周に略９０度間隔で４個設けられ、前記姿勢角初期推定手段は、２組の、略１８０度の角度で対向する前記赤外線センサからの電圧値の差分を各々求め、各々求めた電圧値の差分の比較により前記飛しょう体のロール角を算出することを特徴とする請求項２記載の飛しょう体。
【請求項４】
飛しょう体の胴体外周に複数設けた赤外線センサからの出力情報に基づき前記飛しょう体のロール角を求めて、操舵装置制御手段とストラップダウン演算手段に出力するステップと、
前記ロール角に基づき、前記操舵装置制御手段が飛しょう体に搭載されるＧＰＳジャイロがＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信可能な姿勢に制御するステップと、
前記ＧＰＳジャイロが、前記飛しょう体の位置座標とピッチ角とヨー角とを算出してストラップダウン演算手段に出力するステップと、
前記ストラップダウン演算手段が、前記ロール角と前記ピッチ角と前記ヨー角と前記位置座標と、飛しょう体に搭載された慣性装置からの慣性情報とに基づき前記慣性装置を調定するステップと、を備えることを特徴とする飛しょう体に搭載される慣性装置の調定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、姿勢角が未知の状態にある飛しょう体等の移動体に搭載された慣性装置を短時間に調定（アライメント）する飛しょう体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に飛しょう体に搭載されている慣性装置の調定を行うには、飛しょう体を停止させ、停止の間に慣性装置から出力されるデータを用いて飛しょう体（以下、機体ともいう）の姿勢角を検出する必要がある。この調停には通常数分から数十分という長い時間を要するため、飛しょう体が緊急に発射する場合や、飛しょう中に姿勢角が不明となり再度慣性装置の調定が必要となるような場合では、所要の時間内に調定を完了することができないという課題があった。
【０００３】
従来より、ＧＰＳ受信機からの情報を利用して、慣性装置の調定を行う方法が示されている（例えば、特許文献１、２参照）。しかしながら、特許文献１、２に記された調定方法は、あくまでＧＰＳ受信機が調定の際に十分なＧＰＳ観測情報を得ていることが前提であり、ＧＰＳ受信機がＧＰＳ観測情報を受信できない環境下では調定ができないという課題があった。
なお、ここでは、ＮＡＶＳＴＡＲ／ＧＰＳ（Navigation System with Time And Ranging/Global Positioning System）以外の同様の全地球衛星測位システム全般を指してＧＰＳと称する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９-５１０５号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開平９−５１０６号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
飛しょう体に搭載している慣性装置の移動中における調定において、ＧＰＳを利用する場合には、十分な数（通常４衛星以上）のＧＰＳ衛星からの信号を捕捉している必要がある。しかしながら、機体の姿勢角が全く分からない状態ではＧＰＳアンテナを適切な方向へ向けることができない。この場合、移動中の調定に必要となるＧＰＳ観測情報を得ることができず、さらにはＧＰＳアンテナの指向方向を適切な方向へ向けることも出来ないため、短時間で調定を完了できないという課題があった。
【０００６】
特に、ＧＰＳアンテナを複数利用してそのアンテナ間の相対位置ベクトルを計算することによって方位角を得るＧＰＳジャイロを飛しょう体に搭載する場合には、全方位に利得特性を持つＧＰＳアンテナを利用することは、精度の確保の点において不利である。このため、移動中における調定に必要となるＧＰＳ観測情報を取得するためには、搭載するＧＰＳアンテナの利得パターンに応じて機体の向きを変える必要があるが、機体の姿勢角が未知の状態では機体を正しく制御することができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る飛しょう体は、飛しょう体の胴体外周に複数設けられた赤外線センサからの出力情報に基づき前記飛しょう体のロール角を求めるロール角推定手段と、前記飛しょう体の位置座標とピッチ角とヨー角とを算出するＧＰＳジャイロとを有する姿勢角初期推定手段と、前記姿勢角初期推定手段から入力した前記ロール角に基づき、前記ＧＰＳジャイロがＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信可能な姿勢に制御する操舵装置制御手段と、前記飛しょう体に搭載した慣性装置から入力した慣性情報と、前記姿勢角初期推定部から入力した前記飛しょう体の位置座標とロール角とピッチ角とヨー角とに基づき、前記慣性装置を調定して前記飛しょう体の位置と姿勢角を算出する航法装置とを備えるようにした。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、飛しょう体に搭載された慣性装置を、短時間で調定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、図を参照してこの発明の実施の形態１について説明する。
図１（ａ）は、実施の形態１の慣性装置が搭載される飛しょう体２０の構成を示した図である。図１（ｂ）は赤外線センサ１を含む面（Ａ-Ｂ面）における飛しょう体２０の断面図である。
ここでは飛しょう体２０の機体座標において、Ｘｂ軸を飛しょう体２０の長手方向に中心軸にとり、Ｚｂ軸をＸｂ軸が水平方向を向いた状態での鉛直下方にとり、Ｙｂ軸を右手系の３軸直行座標系を構成するように設定する。また、地球固定の局地水平座標系（ＮＥＤ）から機体軸への変換に必要となるオイラー角(φ,θ,ψ)により、機体の姿勢角を定義する。すなわち、機体座標軸（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）周りの回転角を各々（φ,θ,ψ）＝（ロール角、ピッチ角、ヨー角）とする。
【００１０】
飛しょう体２０は、胴体１５外周に９０度間隔で配置された４個の赤外線センサ１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、機体軸Ｘｂと同一の方向に２個のＧＰＳアンテナ２（２ａ、２ｂ）と、姿勢角初期推定部５と、航法装置１０とを備える。
胴体１５外周に配置された４個の赤外線センサのうち、赤外線センサ１ａが配置された位置の機体座標軸Ｘｂ周りの回転角φをφ＝０[deg]とする。２個のＧＰＳアンテナ２ａ、２ｂは赤外線センサ１ａと同一の回転角、すなわちφ＝０[deg]の角度に配置されている。ＧＰＳアンテナ２は、φ＝θ＝０ [deg]の時、ＧＰＳアンテナ２のボアサイト方向が天頂方向を向くように設置される。また、２個のＧＰＳアンテナ２ａ、２ｂの間隔は数十センチ〜数メートル程度とする（図１（ｂ）参照）。
【００１１】
図２は、姿勢角初期推定部５の構成を示す図である。姿勢角初期推定部５は、ＧＰＳジャイロ４とロール角推定部１３を備える。ＧＰＳジャイロ４はＧＰＳアンテナ２ａ、２ｂと接続し、ＧＰＳ衛星からＲＦ信号（ＧＰＳ信号ともいう）を受信して機体の位置座標と、機体のピッチ角θ、ヨー角ψを出力する。
【００１２】
図３は、ＧＰＳジャイロ４の構成の一例を示した図である。このＧＰＳジャイロ４は、一般的なものであり、ＧＰＳアンテナ２ａ、２ｂと各々接続したＧＰＳ受信機４１ａ、４１ｂと、ＧＰＳ受信機４１からのＧＰＳ観測情報によってＧＰＳアンテナ２ａ、２ｂ間の基線ベクトルを計算する基線ベクトル計算部４２とを備えている。ＧＰＳ受信機４１ａはＧＰＳ衛星から受信したＲＦ信号により、ＧＰＳ観測情報と測位結果（機体の位置座標）を出力する。基線ベクトル計算部４２は、基線ベクトルから機体のピッチ角θとヨー角ψを算出する。
【００１３】
ロール角推定部１３は、４個の赤外線センサ１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と接続しており、赤外線センサ１からの情報に基づきロール角φを推定する。ロール角推定部１３が行うロール角φの推定については後ほど説明する。
【００１４】
図４は、航法装置１０の構成の一例を示した図である。航法装置１０は、飛しょう体の加速度や角加速度等の慣性情報を出力するジャイロや加速度計等からなる慣性装置６と航法計算部９とからなる。
慣性装置６は、３軸のジャイロと３軸の加速度計から構成され、各々３軸（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）周りの角速度と加速度を出力する。
航法計算部９は、ストラップダウン演算部７とカルマンフィルタ部８とからなる。ストラップダウン演算部７は、姿勢角初期推定部５から得た３軸の姿勢角（φ,θ,ψ）と機体の位置座標を初期値として、慣性装置６からの３軸（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）周りの角速度と加速度のデータをもとにストラップダウン演算を行い、飛しょう体２０の姿勢角(φ,θ,ψ)、位置および速度を計算する。なお、ストラップダウン演算については例えば特開2006-138834に記載がある。
【００１５】
ここで、ジャイロや加速度計は、バイアス誤差やスケールファクタ誤差などを持ち誤差量はドリフトするため、飛しょう時間が長時間になる場合や、姿勢角初期値推定部から得た姿勢角初期値の精度が悪い場合には計算誤差が大きくなってしまう。このため、カルマンフィルタ部８は、ストラップダウン演算部７が出力する姿勢角(φ,θ,ψ)、位置、速度と、姿勢角初期推定部５内のＧＰＳジャイロ４が出力する機体のピッチ角θ、ヨー角ψと、姿勢角初期推定部５内のＧＰＳ受信機１が出力する擬似距離や搬送波位相等のＧＰＳ観測情報を入力して、各種誤差（位置誤差、速度誤差、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、加速度計バイアス誤差、ジャイロスケールファクタ誤差、加速度計スケールファクタ誤差）を推定し、推定したこれらの誤差を補正データとして出力する。ストラップダウン演算部７は補正データにより姿勢角(φ,θ,ψ)、位置および速度を補正して、精度の高い機体の姿勢角、位置および速度を出力する。
【００１６】
図５は、飛しょう体２０の外周に設けられている赤外線センサ１の構成の一例を示す図である。赤外線センサ１は、例えば波長１〜１００［μｍ］の赤外線を透過する光学フィルタ３１と、赤外線を透過するレンズ３２と、熱電堆（熱電対列、thermopile）とから構成されている。赤外線センサ１内には光学フィルタ３１を通して赤外線のみが入射するようになっており、赤外線はレンズ３２により熱電堆３３に集光され、熱電堆３３で生じた温度変化が電圧信号として出力される。熱電堆３３には、赤外線の入射量に対してほぼ比例する電圧を出力するものを用いる。
【００１７】
次に図１〜図６を用いて、この実施の形態に係る慣性装置の移動中における調定方法について説明する。図６は、慣性装置の調定方法のフローを示した図である。
飛しょう中に何らかの原因により機体の姿勢角（φ,θ,ψ）が不明となった状況において、ロール角推定部１３は、飛しょう体１の胴体外周に配置された各赤外線センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが出力する電圧信号を入力する（図６のステップＳ０１）。地球表面は空と比べると温度が高いため、地球表面と空が各々放射する赤外線の放射量が大きく異なる。例えば赤外線センサ１の指向方向が完全に地球表面を向いている場合は赤外線センサ１からの電圧信号が最大となる。一方、赤外線センサ１の指向方向が完全に空を向いている場合は赤外線センサ１からの電圧信号は最小となる。赤外線センサが地平線方向を向いている場合には、地球表面を向いている場合と空を向いている場合の間の出力をとる。
この原理を利用してロール角推定部１３は、赤外線センサ１の電圧信号の出力値に基づき数１により機体のロール角φを算出する（Ｓ０２）。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ロール角推定部１３は、算出したロール角φを初期ロール角として、操舵装置制御部３とストラップダウン演算部７に出力する（Ｓ０３）。操舵装置制御部３では、入力したロール角φに基づき、機体の操舵装置を制御し、機体のロール角をφ＝０[deg]となるように制御する（Ｓ０４）。機体の制御は、例えば、機体に設けられた操舵翼等により行う。これにより、ＧＰＳ装置４に含まれるＧＰＳアンテナ２のボアサイト方向を安定して天頂付近に向けることができるため、ＧＰＳジャイロのアンテナ２はＧＰＳ信号が観測できる状態になる。
【００２０】
次に図３に示したＧＰＳジャイロ４が、ＧＰＳ受信機４１ａ、４１ｂからのＧＰＳ観測情報によって２個のＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを計算し、機体のピッチ角θ、ヨー角ψを求める。ＧＰＳジャイロ４は、算出したピッチ角θとヨー角ψを初期ピッチ角と初期ヨー角としてストラップダウン演算部７に出力する。また、ＧＰＳジャイロ４は、ＧＰＳ観測情報から算出される位置座標を初期位置座標としてストラップダウン演算部７に出力する（Ｓ０５）。
【００２１】
ストラップダウン演算部７は、姿勢角初期推定部５から入力した機体の初期ロール角φと初期ピッチ角θと初期ヨー角ψと初期位置座標と、慣性装置６から入力した機体の角速度と加速度とに基づき、慣性装置を調定して飛しょう体の位置と速度と姿勢角を算出する（Ｓ０６）。このようにストラップダウン演算部７は、姿勢角初期推定部５から初期姿勢角（φ、θ、ψ）と初期位置座標の情報を得ることで、慣性装置の調定を実施可能として、機体の位置と速度と姿勢角を算出する。
【００２２】
このように実施の形態１では、飛しょう体外周に複数の赤外線センサ１を備えるようにした。上記ステップＳ０１〜Ｓ０２では、各赤外線センサからの出力情報を用いることで機体のロール角φを算出することを可能とした。上記ステップＳ０３〜Ｓ０６では、ロール角φに基づきＧＰＳアンテナ２のボアサイト方向を安定して天頂付近に向けることができるため、飛しょう体がＧＰＳ信号が観測できる状態にしてＧＰＳジャイロ４がＧＰＳ信号が観測できる状態にあるＧＰＳアンテナの受信情報から、機体の位置座標とピッチ角θとヨー角ψを算出することができるようにした。ストラップ演算部７は、姿勢角初期推定部５から機体の姿勢角（φ、θ、ψ）と位置座標の初期値を得て慣性装置の調定を行い、機体の位置、速度、姿勢角を算出しするようにした。
【００２３】
このようにこの実施の形態１では、飛しょう中の機体の姿勢角が全く分かない状態であっても、慣性装置の調定を短時間に行うことができる。これにより、飛しょう体が移動中に姿勢の制御を失うことがある場合であっても短時間でその姿勢を再度制御可能とすることができる。また、飛しょう体が飛行開始までの時間を短縮することができる。
【００２４】
なお、実施の形態１に示した方法により慣性装置６の調定が完了した後は、ストラップダウン演算部７はロール角推定部１３が出力するロール角φは用いず、機体の姿勢角、位置および速度の算出を行う。
慣性装置６の調定が完了した後においては、ＧＰＳジャイロ４が、ＧＰＳ受信機４１ａ、４１ｂからの観測データによって２個のＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを計算し、機体のピッチ角θ、ヨー角ψを求めてカルマンフィルタ８に出力する。また、ＧＰＳ受信機４１ａは、ＧＰＳアンテナ１ａが受信したＲＦ信号から得たＧＰＳ観測情報をカルマンフィルタ８に出力する。
カルマンフィルタ８は、ストラップダウン演算部７が出力する機体の位置、速度、姿勢角(φ,θ,ψ)と、姿勢角初期推定部５内のＧＰＳジャイロ４が出力する機体のピッチ角θ、ヨー角ψと、擬似距離や搬送波位相等のＧＰＳ観測情報を入力して、各種誤差（位置誤差、速度誤差、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、加速度計バイアス誤差、ジャイロスケールファクタ誤差、加速度計スケールファクタ誤差など）を推定して、推定したこれらの誤差を補正データとして出力する。そして、ストラップダウン演算部７は補正データにより位置、速度、姿勢角を補正することで、精度の高い機体の姿勢角、位置および速度を取得することができる。。
なお、カルマンフィルタには非線形の系に対して適用できる拡張カルマンフィルタを用いることができる。飛しょう中は常に上記観測更新計算を行い、ストラップダウン演算部に航法補正データをフィードバックすることで、ストラップダウン演算によって得られる位置、速度、加速度計算を精度良く行うことができる。
このように、飛しょう中の機体の姿勢角が全く分かない状態であっても短時間に機体の姿勢角を推定することができて慣性装置の移動中の調定が可能となり、調定完了後はカルマンフィルタを用いることで、高精度に機体の位置、速度、姿勢角を計算して出力することが可能となる。
【００２５】
なお、実施の形態１の赤外線センサー１ではレンズを用いて光学フィルター透過後の赤外線を熱電堆に集光したが、レンズはなく直接熱電堆で赤外線を受けるようにしてもよい。
また、赤外線センサ１の光学フィルタ３１の透過波長は１〜１００［μｍ］に限られるものではなく、地球表面から放射される波長に合わせて適宜設定すればよい。
【００２６】
また、実施の形態１では、赤外線センサーを機体外周に４個配置したが、４個に限定されるものではなく、赤外線センサからの電圧出力により機体の姿勢角が算出されるものであればその配置数は４個以外であってもよく、例えば３個や５個であってもよい。
【００２７】
また、実施の形態１では熱電堆３３を用い熱電堆が出力する電圧に基づき初期のロール角を算出したが、赤外線センサにＣＣＤ素子を搭載し、ＣＣＤ素子が出力する画像情報から水平線を認識し、各ＣＣＤ素子からの画像の水平線の角度情報から初期のロール角を算出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）実施の形態１に係る飛しょう体の構成図である。（ｂ）実施の形態１に係る飛しょう体の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る姿勢角初期推定部の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るＧＰＳジャイロの構成を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る航法装置１０の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る赤外線センサ１の構成の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る慣性装置の調定方法を説明するフロー図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ａ〜１ｄ  赤外線センサ、２ａ、２ｂ  ＧＰＳアンテナ、３  操舵装置制御部、４  ＧＰＳジャイロ、５  姿勢角初期推定部、６  慣性装置、７  ストラップダウン演算部、８  カルマンフィルタ部、９  航法計算部、１０ 航法装置、１３  ロール角推定部、１５  飛しょう体２０の胴体、２０  飛しょう体、３１  光学フィルタ、３２  レンズ、３３  熱電堆、４１ａ  ＧＰＳ受信機１、４１ｂ  ＧＰＳ受信機２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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