説明

航行体の姿勢検出方法及び装置

【課題】2つのアンテナで航行体の姿勢を求める。
【解決手段】第1アンテナa1及び第2アンテナa2を離間して航行体1に搭載し、複数の測位用衛星S,Sから発信された電波の各々について、第1アンテナa1及び第2アンテナa2に届く電波の位相差を算出し、各位相差から、複数の測位用衛星S,Sと、第1アンテナa1と第2アンテナa2を結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角として算出し、求めた複数の姿勢角θ,θを合成することにより航行体1の姿勢を求める。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ロケット、航空機、ミサイル、衛星、船舶等の航行体の姿勢検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ミサイル、航空機、船舶などの航行体では、移動中に自身の姿勢が刻々と変化するため、何らかの方法で姿勢を検出することが必要とされる。従来、複数の測位用衛星からの電波(キャリア信号)を、物体の所定位置に配置された複数のアンテナで受信し、キャリア信号の位相をそれぞれ観測し、複数のアンテナのうち1つのアンテナを基準として他のアンテナの相対位置を求めることによって、各受信アンテナの相対位置関係を求め、これによって航行体の3次元姿勢を計測する方法は公知である(例えば下記特許文献1、2を参照)。
【0003】
特許文献1の方法は、一直線に配列されていない互いに離間した最低3つの受信機において、同一の人工衛星からの電波の到達時間差を計測し、この時間差から航行体の姿勢角を算出するものである。
【0004】
特許文献2の方法は、姿勢を検出する物体の一直線上に並ばないそれぞれ異なった位置に固定配置された複数のアンテナで複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信し、キャリア位相の1重位相差または2重位相差を観測し決定し、さらに姿勢を検出する物体に配置された慣性センサユニットからの出力により求まる物体の姿勢角から1重位相差または2重位相差の整数バイアスを再決定する方法である。
【0005】
【特許文献1】特開昭63−100515号公報
【特許文献2】特開2002−54946号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献1の方法は、最低3つの受信機つまり3つのアンテナが必要であり、航行体のコストが高くなるという問題がある。また最低3つの受信機を一直線に配列されないように互いに離間して航行体に配置するため、スピン安定している飛翔体には適用できない。
【0007】
また、特許文献2の方法は、2つのアンテナでも良いが、その代わりに加速度センサや傾斜計が必要となりコストが高くなるという問題がある。この場合もスピン安定している飛翔体には適用できないという問題がある。
【0008】
本発明は、上記従来の問題を解決すべく発明されたものであり、航行体のコスト削減が可能であり、スピン安定している飛翔体であっても安定して姿勢を検出できる航行体の姿勢検出方法及び装置を提供すること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するため、本発明の航行体の姿勢検出方法及び装置は、以下の技術的手段を採用する。
本発明の航行体の姿勢検出方法は、第1アンテナ及び第2アンテナを離間して航行体に搭載し、複数の測位用衛星から発信された電波の各々について、前記第1アンテナ及び前記第2アンテナに届く電波の位相差を算出し、各位相差から、前記複数の測位用衛星と、前記第1アンテナと前記第2アンテナを結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角として算出し、求めた複数の姿勢角を合成することにより前記航行体の姿勢を求める、ことを特徴とする。
【0010】
また、本発明の航行体の姿勢検出装置は、航行体に離間して搭載され、測位用衛星からの電波を受信する第1アンテナ及び第2アンテナと、前記航行体に搭載され該航行体の姿勢を求める演算装置と、を備え、該演算装置は、複数の測位用衛星から発信された電波の各々について、前記第1アンテナ及び前記第2アンテナに届く電波の位相差を算出し、各位相差から、前記複数の測位用衛星と、前記第1アンテナと前記第2アンテナを結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角として算出し、求めた複数の姿勢角を合成することにより前記航行体の姿勢を求める、ことを特徴とする。
【0011】
上記の方法及び装置によれば、2つのアンテナ(第1アンテナ及び第2アンテナ)で電波を受信して、少なくとも2つの測位用衛星に対するそれぞれの姿勢角を求め、求めた複数の姿勢角を合成することによって航行体の姿勢を求める。この方法では少なくとも2つの測位用衛星が必要であるが、測位用衛星はすでに運用されているものをそのまま利用でき、航行体側の機器ではないので、航行体のコスト増の要因とはならない。一方で、この方法では航行体に搭載されるアンテナは2つのみでよいため、航行体のコストを削減できる。
【0012】
上記の姿勢検出方法において、好ましくは、前記第1アンテナと前記第2アンテナを前記航行体の機軸方向に離間して搭載する。
また、上記の姿勢検出装置において、好ましくは、前記第1アンテナと前記第2アンテナは、前記航行体の機軸方向に離間して搭載されている。
【0013】
第1アンテナと第2アンテナが航行体の機軸方向以外の方向に離間して搭載されている場合、航行体の姿勢を求めるためには、第1アンテナと第2アンテナを結ぶ線分から航行体の機軸方向を求める演算が必要である。一方、上記のように第1アンテナ及び第2アンテナを、航行体の機軸方向に離間して搭載することで、第1アンテナと第2アンテナを結ぶ線分が航行体の機軸方向と一致するので、複数の姿勢角の合成によって直接、航行体の姿勢を求めることができ、演算負荷が軽減される。
【0014】
上記の姿勢検出方法において、好ましくは、前記航行体はスピン安定する飛翔体であり、
前記第1アンテナ及び前記第2アンテナとして、前記飛翔体の機軸回りを囲む円筒状の無指向性アンテナと用いる。
また、上記の姿勢検出装置において、好ましくは、前記航行体はスピン安定する飛翔体であり、前記第1アンテナ及び前記第2アンテナは、前記飛翔体の機軸回りを囲む円筒状の無指向性アンテナである。
【0015】
上記のように構成することで、航行体がスピン安定している飛翔体の場合でも、測位用衛星からの電波を途絶えることなく安定して受信することできるので、姿勢検出の安定性および信頼性を向上できる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、航行体のコスト削減が可能であり、スピン安定している飛翔体であっても安定して姿勢を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0018】
図1は、本発明の実施形態にかかる航行体1の姿勢検出方法及び装置の概念図である。また図1は、航行体1を側面側から見たときの、2つの測位用衛星S,Sと航行体1との位置関係を示している。図2は、航行体1を機軸方向から見たときの、2つの測位用衛星S,Sと航行体1との位置関係を示している。
【0019】
図1において、航行体1はロケット、ミサイルなどの飛翔体であり、スピン安定して飛翔する。なお、以下では、航行体1がスピン安定して飛翔する飛翔体であるとして説明するが、本発明は、航空機、衛星、船舶等の移動中に姿勢が変化するあらゆる航行体に適用可能である。
【0020】
航行体1には、航行体1の姿勢を求める姿勢検出装置が搭載されている。この姿勢検出装置は、測位用衛星S,Sからの電波を受信する第1アンテナa1及び第2アンテナa2と、航行体1の姿勢を求める演算装置2とを備える。このような構成の姿勢検出装置はGPS受信機の機能をも備え、複数(原理的には3つ以上であるが、通常4つ)の測位用衛星からの電波を受信して自己の位置を求めることができる。
【0021】
測位用衛星S,SはGPS衛星であり、少なくとも時刻情報、測位情報を含む電波(キャリア信号)を発信する。
第1アンテナa1及び第2アンテナa2は、航行体1に離間して搭載されている。第1アンテナa1及び第2アンテナa2はGPSアンテナであり、測位用衛星S,Sからの電波を受信する。
【0022】
演算装置2は、複数の測位用衛星S,Sから発信された電波の各々について、第1アンテナa1及び第2アンテナa2に届く電波の位相差を算出し、各位相差から、複数の測位用衛星と、第1アンテナa1と第2アンテナa2とを結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角θ,θとして算出し、求めた複数の姿勢角θ,θを合成することにより航行体1の姿勢を求める。
【0023】
ここで、図1を参照し、測位用衛星Sに対する姿勢角θと測位用衛星Sに対する姿勢角θを例に、姿勢角の算出方法について説明する。姿勢角は、測位用衛星S,Sと、第1アンテナa1と第2アンテナa2を結ぶ線分とのなす角である。本実施形態では、第1アンテナa1と第2アンテナa2を結ぶ線分は航行体1の軌軸と一致するので、姿勢角θは、航行体1の機軸と、測位用衛星Sと第1アンテナa1を結ぶ線分とのなす角である。ここでは、航行体1の機軸と、測位用衛星Sと第1アンテナa1を結ぶ線分とがなす角における航行体1の進行方向側の角を姿勢角θとする。
【0024】
[測位用衛星Sに対する姿勢角θについて]
測位用衛星Sから2つのアンテナa1,a2に届く電波の位相差をlとし、2つのアンテナa1,a2間の距離をLとし、同一の測位用人工衛星Sと該測位用人工衛星Sから距離の近いアンテナとの距離をMとすると、測位用衛星Sと2つのアンテナa1,a2を含む平面において、余弦定理より下記[数1]及び[数2]が得られる。
【0025】
【数1】


【数2】

【0026】
ここで、(l+L)/M≒0、2lL/M≒0とみなせるから、以下の式が得られる。
cos(π−θ)≒l/L
cos(θ)≒−l/L
以上により、cosθの値が得られ、姿勢角θが算出される。
【0027】
なお、上記では、航行体1の機軸と、測位用衛星Sとアンテナa1を結ぶ線分とがなす角における航行体1の進行方向側の角を姿勢角θとしたが、航行体1の機軸と、測位用衛星Sとアンテナa2を結ぶ線分とがなす角を姿勢角θ’としても、lやLに比べ、Mが十分大きいとみなせるので、θ=θ’となる。
【0028】
[測位用衛星Sに対する姿勢角θについて]
測位用衛星Sから2つのアンテナa1,a2に届く電波の位相差をlとし、2つのアンテナa1,a2間の距離をLとし、測位用人工衛星Sと、測位用人工衛星Sから距離の近いアンテナとの距離をMとすると、測位用衛星Sと2つのアンテナa1,a2を含む平面において、余弦定理より下記[数3]及び[数4]が得られる。
【0029】
【数3】


【数4】

【0030】
ここで、(l+L)/M≒0、2lL/M≒0とみなせるから、以下の式が得られる。
cosθ≒l/L
以上により、cosθの値が得られ、姿勢角θが算出される。
【0031】
上記の方法を用い、測位用衛星S1と2つのアンテナa1,a2を含む第1平面における姿勢角θと、測位用衛星Sと2つのアンテナa1,a2を含む第2平面における姿勢角θとを算出することができる。したがって、上記の演算装置2は、この計算方法により姿勢角θ、θを算出する。
【0032】
次に、図3及び図4を参照し、算出した複数の姿勢角θ,θを合成することにより航行体1の姿勢を求める方法について説明する。図3は、地球重心を原点とした座標であり、図4は、航行体1を原点とした座標である。
【0033】
測位用衛星S,Sの位置を、原点を地球重心として、それぞれ(Xs1,Ys1,Zs1)、(Xs2,Ys2,Zs2)とする(図3)。これら測位用衛星S,Sの位置は、衛生の軌道情報あるいは測位用衛星自身が送信する位置情報から得られる。また、航行体1の位置を、原点を地球重心として、(XB,YB,ZB)とする(図3)。この航行体1の位置は、通常のGPS測位により得られる。
【0034】
ここで、航行体の位置を原点とすると、測位用衛星S,Sの位置は、それぞれ(Xs1−XB,Ys1−YB,Zs1−ZB)、(Xs2−XB,Ys2−YB,Zs2−ZB)と表すことができる(図4)。以下、(Xs1−XB,Ys1−YB,Zs1−ZB)=(X's1,Y's1,Z's1)、(Xs2−XB,Ys2−YB,Zs2−ZB)=(X's2,Y's2,Z's2)とする。
【0035】
ここで、航行体の位置を原点として、航行体の機軸を表すベクトルを、下記[数5]とすると、機軸と測位用衛星Sとの間にベクトルの内積により、下記[数6]が成り立つ。
【数5】

【数6】

【0036】
ここで、[数6]の右辺において絶対値で表現された要素は、ベクトルの大きさであり姿勢には関係がないので省略し、下記[数7]が得られる。
【数7】

【0037】
同様に、航行体1の機軸と測位用衛星との関係から下記[数8]が得られる。
【数8】

【0038】
[数7]×Z'S2−[数8]×Z'S1より、下記[数9]が得られる。
【数9】

【0039】
[数9]を[数7]に代入することにより、下記[数10]が得られる。
【数10】

【0040】
[数9]、[数10]より、機軸ベクトルが既知の変数と任意の変数XPで表現され、XP、YP、ZPは、下記[数11]を満たすので、航行体1の姿勢を求めることができる。したがって、上記の演算装置2は、この計算方法により姿勢角θ、θを合成して航行体1の姿勢を求める。
(数11)
XP+YP+ZP=1
【0041】
上述した本発明の航行体1の姿勢検出方法及び装置では、少なくとも2つの測位用衛星が必要であるが、測位用衛星S,Sはすでに運用されているものをそのまま利用でき、航行体1側の機器ではないので、航行体1のコスト増の要因とはならない。一方で、この方法では航行体1に搭載されるアンテナは2つのみでよい。したがって、本発明によれば、航行体1のコストを削減できる。
【0042】
なお、本発明においては、本実施形態のように2つの姿勢角θ,θから航行体1の姿勢を求めることも可能であるが、3つの測位用衛星を用いて3つの姿勢角から航行体1の姿勢を求めることで、姿勢検出精度が向上する。また、姿勢検出精度を向上させるために、4つ以上の姿勢角を合成してもよい。
【0043】
ここで、図1に示すように、第1アンテナa1と第2アンテナa2は、航行体1の機軸方向に離間して搭載されていることが好ましい。
第1アンテナa1と第2アンテナa2が航行体1の機軸方向以外の方向に離間して搭載されている場合、航行体1の姿勢を求めるためには、第1アンテナa1と第2アンテナa2を結ぶ線分から航行体1の機軸方向を求める演算が必要である。一方、本実施形態のように、第1アンテナa1及び第2アンテナa2を、航行体1の機軸方向に離間して搭載することで、第1アンテナa1と第2アンテナa2を結ぶ線分が航行体1の機軸方向と一致するので、複数の姿勢角θ,θの合成によって直接、航行体1の姿勢を求めることができ、演算負荷が軽減される。
【0044】
本実施形態において、第1アンテナa1及び第2アンテナa2は、飛翔体である航行体1の機軸回りを囲む円筒状の無指向性アンテナである。無指向性アンテナは、周囲360度の受信範囲を有するアンテナである。
上記のように構成することで、本実施形態のように、航行体1がスピン安定している飛翔体の場合でも、測位用衛星S,Sからの電波を途絶えることなく安定して受信することできるので、姿勢検出の安定性および信頼性を向上できる。
【0045】
なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の実施形態にかかる航行体の姿勢検出方法及び装置の概念図である。
【図2】図1に示した航行体の機軸方向から見たときの、3つの測位用衛星と航行体との位置関係を示す図である。
【図3】航行体と測位用衛星との位置関係を示す第1の図である。
【図4】航行体と測位用衛星との位置関係を示す第2の図である。
【符号の説明】
【0047】
1 航行体
2 演算装置
a1 第1アンテナ
a2 第2アンテナ
、S 測位用衛星
測位用人工衛星S1から2つのアンテナa1、a2に届く電波の位相差
測位用人工衛星S2から2つのアンテナa1、a2に届く電波の位相差
L アンテナ間距離
測位用人工衛星S1と該測位用人工衛星S1から距離の近いアンテナとの距離
測位用人工衛星S2と該測位用人工衛星S2から距離の近いアンテナとの距離
θ、θ’、θ 姿勢角

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1アンテナ及び第2アンテナを離間して航行体に搭載し、複数の測位用衛星から発信された電波の各々について、前記第1アンテナ及び前記第2アンテナに届く電波の位相差を算出し、各位相差から、前記複数の測位用衛星と、前記第1アンテナと前記第2アンテナを結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角として算出し、求めた複数の姿勢角を合成することにより前記航行体の姿勢を求める、ことを特徴とする航行体の姿勢検出方法。
【請求項2】
前記第1アンテナと前記第2アンテナを前記航行体の機軸方向に離間して搭載する、請求項1記載の航行体の姿勢検出方法。
【請求項3】
前記航行体はスピン安定する飛翔体であり、
前記第1アンテナ及び前記第2アンテナとして、前記飛翔体の機軸回りを囲む円筒状の無指向性アンテナを用いる、請求項2記載の航行体の姿勢検出方法。
【請求項4】
航行体に離間して搭載され、測位用衛星からの電波を受信する第1アンテナ及び第2アンテナと、
前記航行体に搭載され該航行体の姿勢を求める演算装置と、を備え、
該演算装置は、複数の測位用衛星から発信された電波の各々について、前記第1アンテナ及び前記第2アンテナに届く電波の位相差を算出し、各位相差から、前記複数の測位用衛星と、前記第1アンテナと前記第2アンテナを結ぶ線分とがなす角をそれぞれの姿勢角として算出し、求めた複数の姿勢角を合成することにより前記航行体の姿勢を求める、ことを特徴とする航行体の姿勢検出装置。
【請求項5】
前記第1アンテナと前記第2アンテナは、前記航行体の機軸方向に離間して搭載されている請求項4記載の航行体の姿勢検出装置。
【請求項6】
前記航行体はスピン安定する飛翔体であり、
前記第1アンテナ及び前記第2アンテナは、前記飛翔体の機軸回りを囲む円筒状の無指向性アンテナである、請求項5記載の航行体の姿勢検出装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2009−186355(P2009−186355A)
【公開日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−27537(P2008−27537)
【出願日】平成20年2月7日(2008.2.7)
【出願人】(500302552)株式会社IHIエアロスペース (298)
【Fターム(参考)】