高度演算装置および方法
【課題】 自機標高を高精度で求めることができる高度演算装置および方法を提供する。
【解決手段】 慣性航法演算手段３によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段６の地形標高抽出部７によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高が抽出される。また電波高度計５によって対地高度が取得され、自機標高演算手段６の加算部８によって地形標高と対地高度とが加算されて自機標高が演算される。さらに自機標高演算手段６のカルマンフィルタ９によって他の標高取得手段１７によって取得される自機標高とハイブリッド処理し、精度を向上することができる。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算し、高精度に自機標高を求めることができる。
【解決手段】 慣性航法演算手段３によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段６の地形標高抽出部７によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高が抽出される。また電波高度計５によって対地高度が取得され、自機標高演算手段６の加算部８によって地形標高と対地高度とが加算されて自機標高が演算される。さらに自機標高演算手段６のカルマンフィルタ９によって他の標高取得手段１７によって取得される自機標高とハイブリッド処理し、精度を向上することができる。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算し、高精度に自機標高を求めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば航空機に搭載され、自機標高を演算して推定する高度演算装置および方法に関する。
【０００２】
本発明において、用語「地表面」は、地球の表面を意味し、陸地の表面、ならびに海洋、河川および湖沼などの水域の表面を含む。
【背景技術】
【０００３】
航空機は、自機標高を取得しながら、予め設定されている目標標高で飛行している。また航空機に搭載される航法扶助装置が知られており、この航法扶助装置では、自機の水平方向および鉛直方向の位置を検出し、この検出値から自機標高を求めて地表面の形状を表す地形データと比較しながら、衝突防止のための警告を発するように構成されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
自機標高を取得する装置として、たとえば次の３つの装置が知られている。第１の装置は、気圧を計測して、その気圧から演算して標高を求める装置である。第２の装置は、電波高度計を用いて、鉛直下方の地表面までの距離を計測する装置である。第３の装置は、慣性センサを用いて検出される自機の加速度から慣性航法演算によって標高を算出し、これとグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を用いて得られる標高とをハイブリッドさせて標高を求める装置である。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２４３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高度を取得する従来の第１の装置は、いわゆる気圧高度計であって、標準気圧に基づいて標高を演算しており、気圧の変化の影響を受けてしまうので、自機標高を高精度に求めることができない。たとえば離陸前に、その飛行場などの航空機が存在する位置に対応するジオイド面における気圧を求め、この気圧を用いて自機標高を補正することができるが、気圧は、時々刻々変化するので、航空機の移動に合せて補正に用いる気圧を逐次変更する必要があるが、この補正に用いる気圧の情報を得ることができず、自機標高を高精度に求めることができない。
【０００７】
また高度を取得する従来の第２の装置は、いわゆる対地高度計であって、自機と自機の鉛直下方の地表面との相対的な距離である対地距離を計測することはできるが、地表面の地形標高を考慮することができない。したがって自機標高を求めることはできない。
【０００８】
また高度を取得する従来の第３の装置は、慣性航法演算とＧＰＳによる検出とをハイブリッドさせているが、慣性航法演算およびＧＰＳの特性上、高精度で自機標高を求めることができない。具体的に述べると、慣性航法演算は、慣性センサ自体の検出精度が低く、決して高精度で標高を演算することができないし、ＧＰＳは、位置特定のための衛星が自機よりも上方側にしかないので、鉛直方向の位置に関しては検出精度が低く、決して高精度で標高を演算することができない。またジオイド面が完全な楕円体面ではなく凹凸を有しているのに対して、ＧＰＳの衛星軌道は楕円体面であり、その誤差分、精度が低くなってしまう。
【０００９】
このように従来の技術では、自機の標高を高精度で求めることができず、自機の標高を高精度で取得できる技術が臨まれている。１４０００フィートを超えるの標高である高高度で飛行する場合には、自機標高の精度が要求されず、気圧高度計を用いて標準気圧に基づいて自機標高を求めているが、１４０００フィート以下の標高である低高度で飛行する場合には、高い精度が要求される。
【００１０】
本発明の目的は、自機標高を高精度で求めることができる高度演算装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得する位置取得手段と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する対地高度取得手段と、
地形標高を表す地形データを取得し、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出し、この地形標高と対地高度取得手段によって取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算手段とを含むことを特徴とする高度演算装置である。
【００１２】
本発明に従えば、位置取得手段によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高が抽出される。また対地高度取得手段によって対地高度が取得され、自機標高演算手段によって地形標高と対地高度とが加算されて自機標高が演算される。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００１３】
また本発明は、地形標高を表す地形データを記憶する地形データ記憶手段をさらに含み、
自機標高演算手段は、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、地形データ記憶手段を含んでおり、この地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することができる。
【００１５】
また本発明は、対地高度演算手段は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、対地高度演算手段によって、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理されて補正される。これによって自機標高の精度を向上することができる。
【００１７】
また本発明は、対地高度演算手段は、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、対地高度演算手段では、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理される。これによって自機標高の精度向上を実現することができる。
【００１９】
また本発明は、水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得し、この水平自機位置を、地形標高を表す地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する地形標高抽出工程と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する高度取得工程と、
地形標高抽出工程で抽出される地形標高と、高度取得工程で取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算工程とを含むことを特徴とする高度演算方法である。
【００２０】
本発明に従えば、水平自機位置を取得し、この水平自機位置を地形データと照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する。また対地高度を取得し、地形標高と対地高度とを加算して自機標高を演算する。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２１】
また本発明は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する補正工程をさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する。これによって自機標高の精度を向上することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２４】
また本発明によれば、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することができる。
【００２５】
また本発明によれば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、ハイブリッド処理されて補正される。したがって自機標高の精度を向上することができる。
【００２６】
また本発明によれば、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することができる。
また本発明によれば、気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２７】
また本発明によれば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、ハイブリッド処理して補正する。したがって自機標高の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の実施の位置形態の高度演算装置１を含む飛行管理装置２を示すブロック図である。図２は、高度演算装置１による高度の演算を説明するための断面図である。高度演算装置１および飛行管理装置２は、たとえば固定翼機および回転翼機を含む航空機１５に搭載される。高度演算装置１は、その航空機である自機１５のジオイド面１６からの高度である標高（以下「自機標高」という）Ｈ０，ＨＧＥＯを演算して推定する装置であり、飛行管理装置２は、高度演算装置１によって求められる自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯを利用して航空機１５を誘導する装置である。航空機１５は、有人機であってもよいし、無人機であってもよい。
【００２９】
高度演算装置１は、航法演算手段３と、地形データ記憶手段４と、電波高度計５と、自機標高演算手段６とを含む。自機標高演算手段６は、地形標高抽出部７と、加算部８と、カルマンフィルタ９とを含む。航法演算手段３は、位置取得手段であり、電波高度計５は、対地高度取得手段である。
【００３０】
航法演算手段３は、たとえば慣性航法演算手段であり、自機１５の加速度を検出するセンサを備え、そのセンサによって検出される加速度を積分演算して変位を算出し、その変位を累積して水平自機位置を求める。水平自機位置は、水平面内における自機１５の位置、すなわち水平方向に関する自機の位置である。この水平自機位置は、たとえば緯度および経度によって表される。航法演算手段３は、水平自機位置を表す信号を地形標高抽出部７に与える。
【００３１】
地形データ記憶手段４は、地形標高を数値で表すデータである地形データを記憶する。この地形データは、たとえば緯線および経線に沿うメッシュ状に区切られる領域の地形標高の代表値を有するデータである。地形標高は、地表面のジオイド面からの高度である。
【００３２】
地形データとしては、各領域の１辺が３０ｍ、５０ｍ、２５０ｍなど、必要な精度に合せて用いることができる。各領域の１辺が小さいほど精度を高くすることができ、各領域の１辺が大きいほどデータ量を小さくできる。本実施の形態では、たとえば１辺が５０ｍの地形データを用いる。また地形標高の代表値は、各領域の平均標高であってもよいし、最高標高であってもよい。安全性を高くするためには、代表値として最高標高が示されている地形データを用いることが好ましい。また建物などの人工物の存在が既知である場合には、その人工物の高さを加えるように地形データを補正しておいてもよい。これによってさらに精度の向上を図ることができる。
【００３３】
電波高度計５は、自機から鉛直下方に電波信号を送信し、地表面で反射して戻ってくる反射信号を受信する。電波高度計５は、電波信号を送信してから反射信号を受信するまでの時間を計測し、その時間から対地高度Ｈ１を求める。対地高度Ｈ１は、自機と地表面との鉛直方向の距離である。電波高度計５は、対地高度Ｈ１を表す信号を加算部８に与える。
【００３４】
地形標高抽出部７は、地形データ記憶手段４から地形データを読込み、航法演算手段３によって演算される水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出する。具体的には、水平自機位置と地形データとを比較し、航法演算手段３によって演算される水平自機位置が含まれる領域を抽出し、その領域の地形標高を取出す。このようにして水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出する。地形標高抽出部７は、地形標高Ｈ２を表す信号を加算部８に与える。
【００３５】
加算部８は、地形標高Ｈ２と対地高度Ｈ１とを加算し、自機標高Ｈ０を演算する。このようにして自機標高Ｈ０が演算して推定される。カルマンフィルタ９は、このようにして求められる自機標高Ｈ０を、この自機標高Ｈ０とは異なる他の原理によって求められる自機の標高を用いて、具体的には他の標高取得手段１７によって取得される自機標高を用いて、ハイブリッド処理して補正する。つまり高度演算装置１の自機標高演算手段６では、地形照合によって演算される自機標高と、他の手段によって得られる自機の標高との差を逐次計算し、補正を加える。この補正によって、過去に演算された自機標高と新しく演算された自機標高とに統計的に重みを付けて積算し、求められる自機標高の精度を、演算して求める毎に向上させることができる。
【００３６】
他の標高取得手段１７は、たとえば慣性航法演算手段であってもよいし、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を利用する手段であってもよいし、その他の手段であってもよい。慣性航法演算手段を用いる場合、水平自機位置を取得するための慣性航法演算手段３を代用することもできる。
【００３７】
カルマンフィルタ９で得られる自機標高は、高度演算装置１から出力される値であり、たとえば後述するように、自機の地形追従および回避飛行などの飛行管理のために用いられる。高度演算装置１における演算周期は、後段の飛行管理で必要とされる周期と同一であり、後段の飛行管理における処理に合せて自機標高を出力する。
【００３８】
以下、理解を容易にするために、地形標高と対地高度を加算して求めた自機標高を計測標高Ｈ０といい、カルマンフィルタ９によって補正して得られる自機標高を補正標高ＨＧＥＯという。
【００３９】
図３は、高度演算装置１を用いて実行される高度演算方法を示すフローチャートである。図３は、実質的に、高度演算手段６の演算処理手順を示す。高度演算方法に従う動作は、航法演算手段３による水平自機位置の演算が可能でありかつ電波高度計５による対地高度の計測が可能な時点で開始することができ、動作が開始されると、ステップｓ０からステップｓ１に移行して、慣性航法演算手段３によって求められる水平自機位置を取得し、ステップｓ２で、地形データ記憶手段４から地形データを読込んで取得し、ステップｓ３で、自機位置に対応する地形標高を抽出する。このステップｓ１〜ｓ３は、地形標高抽出部７によって実行される。
【００４０】
次にステップｓ４で、電波高度計５によって計測される対地高度を取得し、ステップｓ５で、地形標高を地形標高抽出部７から取得して、これと対地高度を加算して計測標高Ｈ０を求める。このステップｓ４およびｓ５は、加算部８によって実行される。
【００４１】
次にステップｓ６で、計測標高Ｈ０を加算部８から取得して補正し、補正標高ＨＧＥＯを求め、ステップｓ７で、補正標高ＨＧＥＯを出力して、ステップｓ８に移行して高度演算方法に従う動作が終了する。ステップｓ６およびｓ７は、カルマンフィルタ９によって実行される。
【００４２】
図４は、カルマンフィルタ９における補正手順を示すフローチャートである。カルマンフィルタ９による補正手順は、大きく分けて、ステップａ１のカルマンフィルタ９の初期化工程と、ステップａ２の航法サイクル工程と、ステップａ３の観測サイクル工程とを有する。
【００４３】
カルマンフィルタ９の補正手順は、航法演算手段３による水平自機位置の演算が可能でありかつ電波高度計５による対地高度の計測が可能な時点で開始することができ、動作が開始されると、ステップａ０からステップａ１に移行する。ステップａ１では、まず、図１を参照して説明したように加算部８で求められた計測標高Ｈ０に基づいて、その誤差分散である計測標高分散σ０２（確からしさ）を算出する。計測標高Ｈ０は、対地高度を計測する電波高度計５の誤差と、地形データが有する誤差とを含んでいるので、これらの誤差から求めた計測標高分散σ０２を、式（１）によって算出する。
σ０２＝σＲＡ２＋σＭＡＰ２ …（１）
【００４４】
ここでσＲＡ２は、電波高度計５による対地高度の計測誤差の分散である高度計誤差分散である。この高度計誤差分散σＲＡ２は、搭載する機器の精度に基づいて、対地高度などを引数として数式化しており、電波高度計５による計測毎に変化する。
【００４５】
σＭＡＰ２は、地形データ誤差の分散である。地形データは、前述のように、所定の範囲、たとえば５０ｍ四方の領域の代表値であり、その領域内の凹凸による誤差を含んでいる。地形データの誤差の分散（以下「地形データ誤差分散」という）σＭＡＰ２は、このような地形データの誤差の分散であり、用いる地形データの精度として与えられる。
【００４６】
次に、補正パラメータを初期化する。換言すれば、補正に用いるパラメータである航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２の初期値を設定する。航法高度誤差ΔＨは、前述のような地形標高と対地高度の加算とは異なる原理を利用する他の標高取得手段１７によって求められる自機の標高（以下「自機高度」という）ＨＮＡＶが、実際の自機の標高に対して有する誤差の推定値である。取得補正標高誤差分散σＨ２は、航法高度誤差ΔＨの推定値の誤差分散（推定の確からしさ）である。航法高度誤差ΔＨおよび取得補正標高誤差分散σＨ２の初期値を、式（２）および式（３）のように設定する。
ΔＨ＝ＨＮＡＶ−Ｈ０ …（２）
σＨ２＝σ０２ …（３）
【００４７】
このように航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２の初期値を設定すると、ステップａ１の初期化工程を終了する。
【００４８】
ステップａ２では、補正標高ＨＧＥＯおよび補正標高誤差分散σＨ２を求める。補正標高ＨＧＥＯは、カルマンフィルタ９から出力される値である。この補正標高ＨＧＥＯは、式（４）によって求める。
ＨＧＥＯ＝ＨＮＡＶ−ΔＨ …（４）
【００４９】
この補正標高ＨＧＥＯは、自機高度ＨＮＡＶを含んでいる。この自機高度ＨＮＡＶが自機１５の上昇および下降を考慮しているので、補正標高ＨＧＥＯは、式（４）で表されるように、自機１５の上昇および下降に応じて変化する。
【００５０】
また補正標高ＨＧＥＯの推定精度である補正標高誤差分散σＨ２を、次のようにして求める。自機標高ＨＮＡＶを求める前記他の標高取得手段１７は、補正標高ＨＧＥＯの算出に関係なく誤差が変化するので、その変化量を考慮して、補正標高ＨＧＥＯの推定の確からしさ、すなわち補正標高誤差分散σＨ２も変化させる必要がある。この補正標高誤差分散σＨ２は、式（５）によって、旧補正標高誤差分散σＨ２ＯＬＤを用いて、新補正標高誤差分散σＨ２ＮＥＷを求める。つまり、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。
【００５１】
ここで添え字ＯＬＤは、変化前（更新前）、すなわち現在の値であることを示し、添え字ＮＥＷは、変化後（更新後）、すなわち新たに求められる値であることを示す。これらの添え字「ＯＬＤ」および「ＮＥＷ」は、補正標高誤差分散σＨ２以外に、航法高度誤差ΔＨに関しても、同様の意味で添える場合がある。また新旧に拘わらずに補正標高誤差分散および航法高度誤差を示す場合には、添え字を省略してσＨ２およびΔＨとそれぞれ示す。
σＨ２ＮＥＷ＝σＨ２ＯＬＤ＋（ｄｔ×σＮＤ）２ …（５）
【００５２】
ここでσＮＤは、単位時間あたりに変化する前記他の標高取得手段１７による取得誤差であり、搭載する手段の精度によって与えられる。ｄｔは、補正標高誤差分散σＨ２を求める時間間隔（時間の単位）である。
【００５３】
このように補正標高ＨＧＥＯおよび補正標高誤差分散σＨ２を求めると、ステップａ２の航法サイクル工程を終了する。
【００５４】
ステップａ３では、補正標高誤差分散σＨ２および航法高度誤差ΔＨを更新する。高度演算装置１では、前述の演算周期で電波高度計５によって対地高度Ｈ１が計測しており、この周期で計測標高Ｈ０を求めると、計測標高誤差分散σ０２を求め、その計測標高Ｈ０および計測標高誤差分散σ０２から、航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２を、より確からしい値に更新する。つまり新たな計測が行われて、計測標高Ｈ０が求められると、補正標高ＨＧＥＯの演算精度および確からしさが高くなるので、航法高度誤差ΔＨにフィードバックする。
【００５５】
まず、加算部８によって計測標高Ｈ０を求めると、前記式（１）を用いて、同様に計測標高誤差分散σ０２を求める。次に計測標高誤差分散σ０２から次のような式（６）を用いる統計的な計算によって、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。更新された新補正標高誤差分散σＨ２ＮＥＷは、新たな計測に基づく計測標高Ｈ０の取得に基づいて、新たな補正標高ＨＧＥＯの確からしさを示す情報である。
σＨ２ＮＥＷ＝σＨ２ＯＬＤ−（σＨ２ＯＬＤ）２／（σＨ２ＯＬＤ＋σ０２）
…（６）
【００５６】
次に、航法高度誤差ΔＨを更新する。航法高度誤差ΔＨは、求められる計測標高Ｈ０および補正標高ＨＧＥＯとの差分を、補正標高誤差分散σＨ２と、計測標高誤差分散σ０２とに基づいて、フィードバックすることによって、更新する。航法高度誤差ΔＨは、式（７）を用いて更新する。これによって、過去の推定の確からしさ（補正標高誤差分散σＨ２）に対して、新たな計測による確からしさ（計測標高誤差分散σ０２）に重みをつけて、航法高度誤差ΔＨを新たに求めることができる。
ΔＨＮＥＷ＝ΔＨＯＬＤ＋（σＨ２／σ０２）×（Ｈ０ＯＬＤ−ＨＧＥＯ）
…（７）
【００５７】
このように補正標高誤差分散σＨ２および航法高度誤差ΔＨを更新すると、ステップａ３の計測サイクル工程を終了し、再びステップａ２に移行する。つまり以降、ステップａ２の航法サイクル工程とステップａ３の計測サイクル工程とを、繰り返して補正標高ＨＧＥＯを演算する。
【００５８】
このようにカルマンフィルタ９では、高度演算装置１による演算動作が開始されると、最初に計測標高Ｈ０が求められたとき、航法高度誤差ΔＨと補正標高誤差分散σＨ２との初期値を設定する。そして初期値の航法高度誤差ΔＨから補正標高ＨＧＥＯを求めるとともに、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。以降、計測標高Ｈ０が求められる毎に、航法高度誤差ΔＨと補正標高誤差分散σＨ２とを更新しながら、更新される航法高度誤差ΔＨから補正標高ＨＧＥＯを求める。
【００５９】
飛行管理装置２は、前述の高度演算装置１の構成に加えて、飛行計画作成手段１０、飛行管理手段１１および誘導表示手段１２を含む。飛行計画作成手段１０は、たとえばパイロットなどによって入力される、出発地点から目標地点まで低高度でかつ所定の距離以上の対地距離を保って飛行する経路を、飛行計画として作成する。この飛行計画を表す信号を飛行管理手段１１に与える。
【００６０】
飛行管理手段１１には、高度演算装置１によって推定される自機標高を表す信号がカルマンフィルタ９から与えられるとともに、水平面内の自機位置を表す信号が与えられる。水平面内の自機位置を表す信号は、航法演算手段３から与えられてもよいし、ＧＰＳを利用して水平面内の自機位置を求める手段から与えられてもよい。
【００６１】
飛行管理手段１１は、自機標高と、水平面内の自機位置に基づいて、自機の３次元的な位置を把握し、飛行計画の経路とを比較しながら、自機が飛行計画の経路に沿って飛行できるように誘導する表示内容を指示する信号を誘導表示手段１２に与える。誘導表示手段１２は、指示される表示内容の誘導表示をする。
【００６２】
本実施の形態によれば、慣性航法演算手段３によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段６によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２が抽出される。また電波高度計５によって対地高度Ｈ１が取得され、自機標高演算手段６によって地形標高Ｈ２と対地高度Ｈ１とが加算されて自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯが演算される。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯを演算することができる。
【００６３】
したがって低高度で飛行する場合のように、地表面に接近して飛行する場合に、地形追従飛行および障害物回避飛行を、高精度に達成することができる。特に低高度で飛行すべき状況は、たとえばレーダなどの監視手段への曝露を防止するために、山岳によって監視手段から隠蔽される領域を飛行する状況、またたとえば監視および調査の目的で、火山活動および災害の現場付近を飛行する状況などであり、できるだけ地表面に接近して飛行することが好ましく、自機標高の精度を高くすることによって、地表面により接近して飛行することが可能になる。本実施の形態では、たとえば１００フィート以下の高精度を実現することができる。
【００６４】
また地形データ記憶手段４を含んでおり、この地形データ記憶手段４に記憶される地形データと、慣性航法演算手段３によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出することができる。地形データは、たとえば基地局などから送信される地形データを受信して取得する構成としてもよいが、低高度で飛行する場合には、山岳などの遮蔽物によって受信困難な状況になる場合があるので、記憶手段に記憶しておくことによって、このような不具合を防ぐことができる。
【００６５】
また本発明によれば、対地高度演算手段によって、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理されて補正される。具体的にはカルマンフィルタを用いてハイブリッド処理される。これによって高精度の自機標高ＨＧＥＯを求めることができる。前述のように、演算する毎に精度が高くなるように精度の向上を図ることができる。
【００６６】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、構成を変更することができる。たとえば位置取得手段として、慣性航法演算手段３に代えて、ＧＰＳを利用する手段またはこれら以外の手段ならびにこれらをハイブリッドさせた手段であってもよい。また対地高度手段手段として、電波高度計５に代えてレーザ高度計など、他の測距手段を含む高度計を用いてもよい。もちろん地形データ記憶手段４は、必須の構成ではなく、地形データは、受信する構成にしてもよい。また本発明としては、カルマンフィルタ（ハイブリッド処理手段）を備えていない構成であってもよい。
【００６７】
また求めた自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯは、飛行管理手段に与えて誘導表示に用いるのではなく、単に、表示するようにしてもよい。また飛行管理手段は、単に、誘導表示するだけではく、操舵手段を制御する構成として、自動操縦を達成してもよい。特に無人機では、この構成が有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の位置形態の高度演算装置１を含む飛行管理装置２を示すブロック図である。
【図２】高度演算装置１による高度の演算を説明するための断面図である。
【図３】高度演算装置１を用いて実行される高度演算方法を示すフローチャートである。
【図４】カルマンフィルタ９における補正手順を示すフローチャートである。
【図５】補正標高ＨＧＥＯと航法高度誤差ΔＨとを示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 高度演算装置
２ 飛行管理装置
３ 慣性航法演算手段
４ 地形データ記憶手段
５ 電波高度計
６ 自機標高演算手段
７ 地形標高抽出部
８ 加算部
９ カルマンフィルタ
１７ 高度取得手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば航空機に搭載され、自機標高を演算して推定する高度演算装置および方法に関する。
【０００２】
本発明において、用語「地表面」は、地球の表面を意味し、陸地の表面、ならびに海洋、河川および湖沼などの水域の表面を含む。
【背景技術】
【０００３】
航空機は、自機標高を取得しながら、予め設定されている目標標高で飛行している。また航空機に搭載される航法扶助装置が知られており、この航法扶助装置では、自機の水平方向および鉛直方向の位置を検出し、この検出値から自機標高を求めて地表面の形状を表す地形データと比較しながら、衝突防止のための警告を発するように構成されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
自機標高を取得する装置として、たとえば次の３つの装置が知られている。第１の装置は、気圧を計測して、その気圧から演算して標高を求める装置である。第２の装置は、電波高度計を用いて、鉛直下方の地表面までの距離を計測する装置である。第３の装置は、慣性センサを用いて検出される自機の加速度から慣性航法演算によって標高を算出し、これとグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を用いて得られる標高とをハイブリッドさせて標高を求める装置である。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２４３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高度を取得する従来の第１の装置は、いわゆる気圧高度計であって、標準気圧に基づいて標高を演算しており、気圧の変化の影響を受けてしまうので、自機標高を高精度に求めることができない。たとえば離陸前に、その飛行場などの航空機が存在する位置に対応するジオイド面における気圧を求め、この気圧を用いて自機標高を補正することができるが、気圧は、時々刻々変化するので、航空機の移動に合せて補正に用いる気圧を逐次変更する必要があるが、この補正に用いる気圧の情報を得ることができず、自機標高を高精度に求めることができない。
【０００７】
また高度を取得する従来の第２の装置は、いわゆる対地高度計であって、自機と自機の鉛直下方の地表面との相対的な距離である対地距離を計測することはできるが、地表面の地形標高を考慮することができない。したがって自機標高を求めることはできない。
【０００８】
また高度を取得する従来の第３の装置は、慣性航法演算とＧＰＳによる検出とをハイブリッドさせているが、慣性航法演算およびＧＰＳの特性上、高精度で自機標高を求めることができない。具体的に述べると、慣性航法演算は、慣性センサ自体の検出精度が低く、決して高精度で標高を演算することができないし、ＧＰＳは、位置特定のための衛星が自機よりも上方側にしかないので、鉛直方向の位置に関しては検出精度が低く、決して高精度で標高を演算することができない。またジオイド面が完全な楕円体面ではなく凹凸を有しているのに対して、ＧＰＳの衛星軌道は楕円体面であり、その誤差分、精度が低くなってしまう。
【０００９】
このように従来の技術では、自機の標高を高精度で求めることができず、自機の標高を高精度で取得できる技術が臨まれている。１４０００フィートを超えるの標高である高高度で飛行する場合には、自機標高の精度が要求されず、気圧高度計を用いて標準気圧に基づいて自機標高を求めているが、１４０００フィート以下の標高である低高度で飛行する場合には、高い精度が要求される。
【００１０】
本発明の目的は、自機標高を高精度で求めることができる高度演算装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得する位置取得手段と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する対地高度取得手段と、
地形標高を表す地形データを取得し、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出し、この地形標高と対地高度取得手段によって取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算手段とを含むことを特徴とする高度演算装置である。
【００１２】
本発明に従えば、位置取得手段によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高が抽出される。また対地高度取得手段によって対地高度が取得され、自機標高演算手段によって地形標高と対地高度とが加算されて自機標高が演算される。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００１３】
また本発明は、地形標高を表す地形データを記憶する地形データ記憶手段をさらに含み、
自機標高演算手段は、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、地形データ記憶手段を含んでおり、この地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することができる。
【００１５】
また本発明は、対地高度演算手段は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、対地高度演算手段によって、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理されて補正される。これによって自機標高の精度を向上することができる。
【００１７】
また本発明は、対地高度演算手段は、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、対地高度演算手段では、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理される。これによって自機標高の精度向上を実現することができる。
【００１９】
また本発明は、水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得し、この水平自機位置を、地形標高を表す地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する地形標高抽出工程と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する高度取得工程と、
地形標高抽出工程で抽出される地形標高と、高度取得工程で取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算工程とを含むことを特徴とする高度演算方法である。
【００２０】
本発明に従えば、水平自機位置を取得し、この水平自機位置を地形データと照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する。また対地高度を取得し、地形標高と対地高度とを加算して自機標高を演算する。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２１】
また本発明は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する補正工程をさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する。これによって自機標高の精度を向上することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２４】
また本発明によれば、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することができる。
【００２５】
また本発明によれば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、ハイブリッド処理されて補正される。したがって自機標高の精度を向上することができる。
【００２６】
また本発明によれば、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することができる。
また本発明によれば、気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高を演算することができる。
【００２７】
また本発明によれば、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、ハイブリッド処理して補正する。したがって自機標高の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の実施の位置形態の高度演算装置１を含む飛行管理装置２を示すブロック図である。図２は、高度演算装置１による高度の演算を説明するための断面図である。高度演算装置１および飛行管理装置２は、たとえば固定翼機および回転翼機を含む航空機１５に搭載される。高度演算装置１は、その航空機である自機１５のジオイド面１６からの高度である標高（以下「自機標高」という）Ｈ０，ＨＧＥＯを演算して推定する装置であり、飛行管理装置２は、高度演算装置１によって求められる自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯを利用して航空機１５を誘導する装置である。航空機１５は、有人機であってもよいし、無人機であってもよい。
【００２９】
高度演算装置１は、航法演算手段３と、地形データ記憶手段４と、電波高度計５と、自機標高演算手段６とを含む。自機標高演算手段６は、地形標高抽出部７と、加算部８と、カルマンフィルタ９とを含む。航法演算手段３は、位置取得手段であり、電波高度計５は、対地高度取得手段である。
【００３０】
航法演算手段３は、たとえば慣性航法演算手段であり、自機１５の加速度を検出するセンサを備え、そのセンサによって検出される加速度を積分演算して変位を算出し、その変位を累積して水平自機位置を求める。水平自機位置は、水平面内における自機１５の位置、すなわち水平方向に関する自機の位置である。この水平自機位置は、たとえば緯度および経度によって表される。航法演算手段３は、水平自機位置を表す信号を地形標高抽出部７に与える。
【００３１】
地形データ記憶手段４は、地形標高を数値で表すデータである地形データを記憶する。この地形データは、たとえば緯線および経線に沿うメッシュ状に区切られる領域の地形標高の代表値を有するデータである。地形標高は、地表面のジオイド面からの高度である。
【００３２】
地形データとしては、各領域の１辺が３０ｍ、５０ｍ、２５０ｍなど、必要な精度に合せて用いることができる。各領域の１辺が小さいほど精度を高くすることができ、各領域の１辺が大きいほどデータ量を小さくできる。本実施の形態では、たとえば１辺が５０ｍの地形データを用いる。また地形標高の代表値は、各領域の平均標高であってもよいし、最高標高であってもよい。安全性を高くするためには、代表値として最高標高が示されている地形データを用いることが好ましい。また建物などの人工物の存在が既知である場合には、その人工物の高さを加えるように地形データを補正しておいてもよい。これによってさらに精度の向上を図ることができる。
【００３３】
電波高度計５は、自機から鉛直下方に電波信号を送信し、地表面で反射して戻ってくる反射信号を受信する。電波高度計５は、電波信号を送信してから反射信号を受信するまでの時間を計測し、その時間から対地高度Ｈ１を求める。対地高度Ｈ１は、自機と地表面との鉛直方向の距離である。電波高度計５は、対地高度Ｈ１を表す信号を加算部８に与える。
【００３４】
地形標高抽出部７は、地形データ記憶手段４から地形データを読込み、航法演算手段３によって演算される水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出する。具体的には、水平自機位置と地形データとを比較し、航法演算手段３によって演算される水平自機位置が含まれる領域を抽出し、その領域の地形標高を取出す。このようにして水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出する。地形標高抽出部７は、地形標高Ｈ２を表す信号を加算部８に与える。
【００３５】
加算部８は、地形標高Ｈ２と対地高度Ｈ１とを加算し、自機標高Ｈ０を演算する。このようにして自機標高Ｈ０が演算して推定される。カルマンフィルタ９は、このようにして求められる自機標高Ｈ０を、この自機標高Ｈ０とは異なる他の原理によって求められる自機の標高を用いて、具体的には他の標高取得手段１７によって取得される自機標高を用いて、ハイブリッド処理して補正する。つまり高度演算装置１の自機標高演算手段６では、地形照合によって演算される自機標高と、他の手段によって得られる自機の標高との差を逐次計算し、補正を加える。この補正によって、過去に演算された自機標高と新しく演算された自機標高とに統計的に重みを付けて積算し、求められる自機標高の精度を、演算して求める毎に向上させることができる。
【００３６】
他の標高取得手段１７は、たとえば慣性航法演算手段であってもよいし、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を利用する手段であってもよいし、その他の手段であってもよい。慣性航法演算手段を用いる場合、水平自機位置を取得するための慣性航法演算手段３を代用することもできる。
【００３７】
カルマンフィルタ９で得られる自機標高は、高度演算装置１から出力される値であり、たとえば後述するように、自機の地形追従および回避飛行などの飛行管理のために用いられる。高度演算装置１における演算周期は、後段の飛行管理で必要とされる周期と同一であり、後段の飛行管理における処理に合せて自機標高を出力する。
【００３８】
以下、理解を容易にするために、地形標高と対地高度を加算して求めた自機標高を計測標高Ｈ０といい、カルマンフィルタ９によって補正して得られる自機標高を補正標高ＨＧＥＯという。
【００３９】
図３は、高度演算装置１を用いて実行される高度演算方法を示すフローチャートである。図３は、実質的に、高度演算手段６の演算処理手順を示す。高度演算方法に従う動作は、航法演算手段３による水平自機位置の演算が可能でありかつ電波高度計５による対地高度の計測が可能な時点で開始することができ、動作が開始されると、ステップｓ０からステップｓ１に移行して、慣性航法演算手段３によって求められる水平自機位置を取得し、ステップｓ２で、地形データ記憶手段４から地形データを読込んで取得し、ステップｓ３で、自機位置に対応する地形標高を抽出する。このステップｓ１〜ｓ３は、地形標高抽出部７によって実行される。
【００４０】
次にステップｓ４で、電波高度計５によって計測される対地高度を取得し、ステップｓ５で、地形標高を地形標高抽出部７から取得して、これと対地高度を加算して計測標高Ｈ０を求める。このステップｓ４およびｓ５は、加算部８によって実行される。
【００４１】
次にステップｓ６で、計測標高Ｈ０を加算部８から取得して補正し、補正標高ＨＧＥＯを求め、ステップｓ７で、補正標高ＨＧＥＯを出力して、ステップｓ８に移行して高度演算方法に従う動作が終了する。ステップｓ６およびｓ７は、カルマンフィルタ９によって実行される。
【００４２】
図４は、カルマンフィルタ９における補正手順を示すフローチャートである。カルマンフィルタ９による補正手順は、大きく分けて、ステップａ１のカルマンフィルタ９の初期化工程と、ステップａ２の航法サイクル工程と、ステップａ３の観測サイクル工程とを有する。
【００４３】
カルマンフィルタ９の補正手順は、航法演算手段３による水平自機位置の演算が可能でありかつ電波高度計５による対地高度の計測が可能な時点で開始することができ、動作が開始されると、ステップａ０からステップａ１に移行する。ステップａ１では、まず、図１を参照して説明したように加算部８で求められた計測標高Ｈ０に基づいて、その誤差分散である計測標高分散σ０２（確からしさ）を算出する。計測標高Ｈ０は、対地高度を計測する電波高度計５の誤差と、地形データが有する誤差とを含んでいるので、これらの誤差から求めた計測標高分散σ０２を、式（１）によって算出する。
σ０２＝σＲＡ２＋σＭＡＰ２ …（１）
【００４４】
ここでσＲＡ２は、電波高度計５による対地高度の計測誤差の分散である高度計誤差分散である。この高度計誤差分散σＲＡ２は、搭載する機器の精度に基づいて、対地高度などを引数として数式化しており、電波高度計５による計測毎に変化する。
【００４５】
σＭＡＰ２は、地形データ誤差の分散である。地形データは、前述のように、所定の範囲、たとえば５０ｍ四方の領域の代表値であり、その領域内の凹凸による誤差を含んでいる。地形データの誤差の分散（以下「地形データ誤差分散」という）σＭＡＰ２は、このような地形データの誤差の分散であり、用いる地形データの精度として与えられる。
【００４６】
次に、補正パラメータを初期化する。換言すれば、補正に用いるパラメータである航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２の初期値を設定する。航法高度誤差ΔＨは、前述のような地形標高と対地高度の加算とは異なる原理を利用する他の標高取得手段１７によって求められる自機の標高（以下「自機高度」という）ＨＮＡＶが、実際の自機の標高に対して有する誤差の推定値である。取得補正標高誤差分散σＨ２は、航法高度誤差ΔＨの推定値の誤差分散（推定の確からしさ）である。航法高度誤差ΔＨおよび取得補正標高誤差分散σＨ２の初期値を、式（２）および式（３）のように設定する。
ΔＨ＝ＨＮＡＶ−Ｈ０ …（２）
σＨ２＝σ０２ …（３）
【００４７】
このように航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２の初期値を設定すると、ステップａ１の初期化工程を終了する。
【００４８】
ステップａ２では、補正標高ＨＧＥＯおよび補正標高誤差分散σＨ２を求める。補正標高ＨＧＥＯは、カルマンフィルタ９から出力される値である。この補正標高ＨＧＥＯは、式（４）によって求める。
ＨＧＥＯ＝ＨＮＡＶ−ΔＨ …（４）
【００４９】
この補正標高ＨＧＥＯは、自機高度ＨＮＡＶを含んでいる。この自機高度ＨＮＡＶが自機１５の上昇および下降を考慮しているので、補正標高ＨＧＥＯは、式（４）で表されるように、自機１５の上昇および下降に応じて変化する。
【００５０】
また補正標高ＨＧＥＯの推定精度である補正標高誤差分散σＨ２を、次のようにして求める。自機標高ＨＮＡＶを求める前記他の標高取得手段１７は、補正標高ＨＧＥＯの算出に関係なく誤差が変化するので、その変化量を考慮して、補正標高ＨＧＥＯの推定の確からしさ、すなわち補正標高誤差分散σＨ２も変化させる必要がある。この補正標高誤差分散σＨ２は、式（５）によって、旧補正標高誤差分散σＨ２ＯＬＤを用いて、新補正標高誤差分散σＨ２ＮＥＷを求める。つまり、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。
【００５１】
ここで添え字ＯＬＤは、変化前（更新前）、すなわち現在の値であることを示し、添え字ＮＥＷは、変化後（更新後）、すなわち新たに求められる値であることを示す。これらの添え字「ＯＬＤ」および「ＮＥＷ」は、補正標高誤差分散σＨ２以外に、航法高度誤差ΔＨに関しても、同様の意味で添える場合がある。また新旧に拘わらずに補正標高誤差分散および航法高度誤差を示す場合には、添え字を省略してσＨ２およびΔＨとそれぞれ示す。
σＨ２ＮＥＷ＝σＨ２ＯＬＤ＋（ｄｔ×σＮＤ）２ …（５）
【００５２】
ここでσＮＤは、単位時間あたりに変化する前記他の標高取得手段１７による取得誤差であり、搭載する手段の精度によって与えられる。ｄｔは、補正標高誤差分散σＨ２を求める時間間隔（時間の単位）である。
【００５３】
このように補正標高ＨＧＥＯおよび補正標高誤差分散σＨ２を求めると、ステップａ２の航法サイクル工程を終了する。
【００５４】
ステップａ３では、補正標高誤差分散σＨ２および航法高度誤差ΔＨを更新する。高度演算装置１では、前述の演算周期で電波高度計５によって対地高度Ｈ１が計測しており、この周期で計測標高Ｈ０を求めると、計測標高誤差分散σ０２を求め、その計測標高Ｈ０および計測標高誤差分散σ０２から、航法高度誤差ΔＨおよび補正標高誤差分散σＨ２を、より確からしい値に更新する。つまり新たな計測が行われて、計測標高Ｈ０が求められると、補正標高ＨＧＥＯの演算精度および確からしさが高くなるので、航法高度誤差ΔＨにフィードバックする。
【００５５】
まず、加算部８によって計測標高Ｈ０を求めると、前記式（１）を用いて、同様に計測標高誤差分散σ０２を求める。次に計測標高誤差分散σ０２から次のような式（６）を用いる統計的な計算によって、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。更新された新補正標高誤差分散σＨ２ＮＥＷは、新たな計測に基づく計測標高Ｈ０の取得に基づいて、新たな補正標高ＨＧＥＯの確からしさを示す情報である。
σＨ２ＮＥＷ＝σＨ２ＯＬＤ−（σＨ２ＯＬＤ）２／（σＨ２ＯＬＤ＋σ０２）
…（６）
【００５６】
次に、航法高度誤差ΔＨを更新する。航法高度誤差ΔＨは、求められる計測標高Ｈ０および補正標高ＨＧＥＯとの差分を、補正標高誤差分散σＨ２と、計測標高誤差分散σ０２とに基づいて、フィードバックすることによって、更新する。航法高度誤差ΔＨは、式（７）を用いて更新する。これによって、過去の推定の確からしさ（補正標高誤差分散σＨ２）に対して、新たな計測による確からしさ（計測標高誤差分散σ０２）に重みをつけて、航法高度誤差ΔＨを新たに求めることができる。
ΔＨＮＥＷ＝ΔＨＯＬＤ＋（σＨ２／σ０２）×（Ｈ０ＯＬＤ−ＨＧＥＯ）
…（７）
【００５７】
このように補正標高誤差分散σＨ２および航法高度誤差ΔＨを更新すると、ステップａ３の計測サイクル工程を終了し、再びステップａ２に移行する。つまり以降、ステップａ２の航法サイクル工程とステップａ３の計測サイクル工程とを、繰り返して補正標高ＨＧＥＯを演算する。
【００５８】
このようにカルマンフィルタ９では、高度演算装置１による演算動作が開始されると、最初に計測標高Ｈ０が求められたとき、航法高度誤差ΔＨと補正標高誤差分散σＨ２との初期値を設定する。そして初期値の航法高度誤差ΔＨから補正標高ＨＧＥＯを求めるとともに、補正標高誤差分散σＨ２を更新する。以降、計測標高Ｈ０が求められる毎に、航法高度誤差ΔＨと補正標高誤差分散σＨ２とを更新しながら、更新される航法高度誤差ΔＨから補正標高ＨＧＥＯを求める。
【００５９】
飛行管理装置２は、前述の高度演算装置１の構成に加えて、飛行計画作成手段１０、飛行管理手段１１および誘導表示手段１２を含む。飛行計画作成手段１０は、たとえばパイロットなどによって入力される、出発地点から目標地点まで低高度でかつ所定の距離以上の対地距離を保って飛行する経路を、飛行計画として作成する。この飛行計画を表す信号を飛行管理手段１１に与える。
【００６０】
飛行管理手段１１には、高度演算装置１によって推定される自機標高を表す信号がカルマンフィルタ９から与えられるとともに、水平面内の自機位置を表す信号が与えられる。水平面内の自機位置を表す信号は、航法演算手段３から与えられてもよいし、ＧＰＳを利用して水平面内の自機位置を求める手段から与えられてもよい。
【００６１】
飛行管理手段１１は、自機標高と、水平面内の自機位置に基づいて、自機の３次元的な位置を把握し、飛行計画の経路とを比較しながら、自機が飛行計画の経路に沿って飛行できるように誘導する表示内容を指示する信号を誘導表示手段１２に与える。誘導表示手段１２は、指示される表示内容の誘導表示をする。
【００６２】
本実施の形態によれば、慣性航法演算手段３によって水平自機位置が取得され、自機標高演算手段６によって水平自機位置が地形データと照合されて水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２が抽出される。また電波高度計５によって対地高度Ｈ１が取得され、自機標高演算手段６によって地形標高Ｈ２と対地高度Ｈ１とが加算されて自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯが演算される。これによって気圧などの時々刻々変化する物理量を用いることなく、かつ地形を考慮して、自機標高を演算することができる。したがって高精度に自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯを演算することができる。
【００６３】
したがって低高度で飛行する場合のように、地表面に接近して飛行する場合に、地形追従飛行および障害物回避飛行を、高精度に達成することができる。特に低高度で飛行すべき状況は、たとえばレーダなどの監視手段への曝露を防止するために、山岳によって監視手段から隠蔽される領域を飛行する状況、またたとえば監視および調査の目的で、火山活動および災害の現場付近を飛行する状況などであり、できるだけ地表面に接近して飛行することが好ましく、自機標高の精度を高くすることによって、地表面により接近して飛行することが可能になる。本実施の形態では、たとえば１００フィート以下の高精度を実現することができる。
【００６４】
また地形データ記憶手段４を含んでおり、この地形データ記憶手段４に記憶される地形データと、慣性航法演算手段３によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高Ｈ２を抽出することができる。地形データは、たとえば基地局などから送信される地形データを受信して取得する構成としてもよいが、低高度で飛行する場合には、山岳などの遮蔽物によって受信困難な状況になる場合があるので、記憶手段に記憶しておくことによって、このような不具合を防ぐことができる。
【００６５】
また本発明によれば、対地高度演算手段によって、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高が、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理されて補正される。具体的にはカルマンフィルタを用いてハイブリッド処理される。これによって高精度の自機標高ＨＧＥＯを求めることができる。前述のように、演算する毎に精度が高くなるように精度の向上を図ることができる。
【００６６】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、構成を変更することができる。たとえば位置取得手段として、慣性航法演算手段３に代えて、ＧＰＳを利用する手段またはこれら以外の手段ならびにこれらをハイブリッドさせた手段であってもよい。また対地高度手段手段として、電波高度計５に代えてレーザ高度計など、他の測距手段を含む高度計を用いてもよい。もちろん地形データ記憶手段４は、必須の構成ではなく、地形データは、受信する構成にしてもよい。また本発明としては、カルマンフィルタ（ハイブリッド処理手段）を備えていない構成であってもよい。
【００６７】
また求めた自機標高Ｈ０，ＨＧＥＯは、飛行管理手段に与えて誘導表示に用いるのではなく、単に、表示するようにしてもよい。また飛行管理手段は、単に、誘導表示するだけではく、操舵手段を制御する構成として、自動操縦を達成してもよい。特に無人機では、この構成が有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の位置形態の高度演算装置１を含む飛行管理装置２を示すブロック図である。
【図２】高度演算装置１による高度の演算を説明するための断面図である。
【図３】高度演算装置１を用いて実行される高度演算方法を示すフローチャートである。
【図４】カルマンフィルタ９における補正手順を示すフローチャートである。
【図５】補正標高ＨＧＥＯと航法高度誤差ΔＨとを示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 高度演算装置
２ 飛行管理装置
３ 慣性航法演算手段
４ 地形データ記憶手段
５ 電波高度計
６ 自機標高演算手段
７ 地形標高抽出部
８ 加算部
９ カルマンフィルタ
１７ 高度取得手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得する位置取得手段と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する対地高度取得手段と、
地形標高を表す地形データを取得し、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出し、この地形標高と対地高度取得手段によって取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算手段とを含むことを特徴とする高度演算装置。
【請求項２】
地形標高を表す地形データを記憶する地形データ記憶手段をさらに含み、
自機標高演算手段は、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することを特徴とする請求項１記載の高度演算装置。
【請求項３】
対地高度演算手段は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正することを特徴とする請求項１または２記載の高度演算装置。
【請求項４】
対地高度演算手段は、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することを特徴とする請求項３記載の高度演算装置。
【請求項５】
水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得し、この水平自機位置を、地形標高を表す地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する地形標高抽出工程と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する高度取得工程と、
地形標高抽出工程で抽出される地形標高と、高度取得工程で取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算工程とを含むことを特徴とする高度演算方法。
【請求項６】
地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する補正工程をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の高度演算方法。
【請求項１】
水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得する位置取得手段と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する対地高度取得手段と、
地形標高を表す地形データを取得し、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出し、この地形標高と対地高度取得手段によって取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算手段とを含むことを特徴とする高度演算装置。
【請求項２】
地形標高を表す地形データを記憶する地形データ記憶手段をさらに含み、
自機標高演算手段は、地形データ記憶手段に記憶される地形データと、位置取得手段によって取得した水平自機位置を地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出することを特徴とする請求項１記載の高度演算装置。
【請求項３】
対地高度演算手段は、地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正することを特徴とする請求項１または２記載の高度演算装置。
【請求項４】
対地高度演算手段は、カルマンフィルタを用いてハイブリッド処理することを特徴とする請求項３記載の高度演算装置。
【請求項５】
水平面内における自機の位置である水平自機位置を取得し、この水平自機位置を、地形標高を表す地形データに照合して、水平自機位置に対応する地形標高を抽出する地形標高抽出工程と、
自機と地表面との鉛直方向の距離である対地高度を取得する高度取得工程と、
地形標高抽出工程で抽出される地形標高と、高度取得工程で取得される対地高度とを加算して自機標高を演算する自機標高演算工程とを含むことを特徴とする高度演算方法。
【請求項６】
地形標高と対地高度とを加算して求められる自機標高を、他の原理によって求められる自機の標高を用いてハイブリッド処理して補正する補正工程をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の高度演算方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１３８６９７（Ｐ２００６−１３８６９７Ａ）
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２７５３７（Ｐ２００４−３２７５３７）
【出願日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１４年度、防衛庁、研究委託、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１１日（２００４．１１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１４年度、防衛庁、研究委託、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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