JP2011112284A - Orbital estimation system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、衛星に搭載された赤外線センサを用いて観測対象(推力飛行するロケットなど)を探知追尾する軌道推定システムに関し、特に、観測方向に基づいて観測対象の軌道を推定する軌道推定システムに関するものである。 The present invention relates to a trajectory estimation system that detects and tracks an observation target (such as a rocket flying by thrust) using an infrared sensor mounted on a satellite, and more particularly to a trajectory estimation system that estimates a trajectory of an observation target based on an observation direction. Is.
従来の軌道推定システムとして、ジンバル(Gimbal)で支持された赤外線センサを用いてジェット機を探知追尾する飛翔体誘導装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1に記載の従来装置においては、プルーム(赤外線放射面光源であるエンジン排気)の代表点を追尾点とし、ジンバル首振り角の時間変化率に比例して、ジェット機の進行方向にオフセット角を与えることにより、赤外線センサの追尾点であるプルーム代表点と、ジェット機基準点(機体の重要部位)と、の観測方向のずれを軽減している。
As a conventional trajectory estimation system, a flying object guidance apparatus that detects and tracks a jet using an infrared sensor supported by a gimbal is known (see, for example, Patent Document 1).
In the conventional device described in
ただし、この場合、観測対象は、大気中を飛行するジェット機であって、プルーム形状(赤外線放射面光源の空間分布)の大きさ(約10メートル)が限られていることを前提としている。
これに対し、地上から大気圏外までを飛行するロケットなどの場合には、プルーム形状が10メートル〜10キロメートルの範囲で大きく変化するので、上記従来装置を用いても、大きく時間変化するプルーム形状に起因するプルーム代表点とロケット機体基準点との観測方向のずれを適切に補正することはできない。
However, in this case, it is assumed that the observation target is a jet flying in the atmosphere, and the plume shape (the spatial distribution of the infrared radiation surface light source) has a limited size (about 10 meters).
On the other hand, in the case of a rocket flying from the ground to the outside of the atmosphere, the plume shape changes greatly in the range of 10 meters to 10 kilometers. Therefore, even if the conventional device is used, the plume shape changes greatly with time. The deviation of the observation direction between the plume representative point and the reference point of the rocket body cannot be corrected appropriately.
従来の軌道推定システムは、たとえば特許文献1に記載の技術の場合には、大気中を飛行するジェット機を観測対象としているので、地上から大気圏外まで飛行することからプルーム形状が大きく変化するロケットに対しては、観測方向のずれを適切に補正することができず、ずれを含む観測方向をロケット機体基準点への観測方向として用いると軌道推定精度が劣化するという課題があった。
In the conventional orbit estimation system, for example, in the case of the technique described in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、プルーム形状が大きく時間変化する観測対象(ロケットなど)の場合でも、赤外線センサによる観測方向に基づいて、観測対象の軌道を高精度に推定可能な軌道推定システムを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even in the case of an observation target (such as a rocket) whose plume shape greatly changes over time, the trajectory of the observation target is based on the observation direction of the infrared sensor. The objective is to obtain a trajectory estimation system capable of estimating
この発明に係る軌道推定システムは、赤外線センサと、赤外線センサで検出した観測対象の観測方向を入力情報として、観測対象の推定位置および推定速度を推定演算する軌道推定装置と、推定位置および推定速度と、赤外線センサで検出した観測対象のプルームの放射強度とを入力情報として、観測対象のプルーム形状を推定演算するデータベースと、観測方向、推定位置、推定速度およびプルーム形状を入力情報として、補正観測方向を算出する観測方向補正装置とを備え、軌道推定装置は、補正観測方向を入力情報として、観測対象の推定位置および推定速度を推定演算するものである。 A trajectory estimation system according to the present invention includes an infrared sensor, a trajectory estimation device that estimates and calculates an estimated position and an estimated speed of an observation object, using an observation direction of the observation object detected by the infrared sensor as input information, an estimated position and an estimated speed And the observed intensity of the plume detected by the infrared sensor as input information, a database for estimating the plume shape of the observation object, and the corrected observation using the observation direction, estimated position, estimated speed and plume shape as input information The trajectory estimation device includes an observation direction correction device that calculates a direction, and estimates and calculates an estimated position and an estimated speed of an observation target using the corrected observation direction as input information.
この発明によれば、プルーム形状を推定演算するデータベースを設けることにより、観測対象(ロケット)の位置や速度によるプルーム形状の変化に影響されることなく、観測対象の機体基準点への観測方向を高精度に取得することができ、軌道推定精度を改善させることができる。 According to the present invention, by providing a database for estimating and calculating the plume shape, the observation direction to the aircraft reference point of the observation target can be determined without being affected by the change in the plume shape due to the position and speed of the observation target (rocket). It can be acquired with high accuracy, and the trajectory estimation accuracy can be improved.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に用いられる赤外線センサを搭載した衛星10と観測対象11との関係を示す説明図である。
図1において、赤外線センサ(後述する)を搭載した衛星10は、観測対象11(以下、代表的に「ロケット」ともいう)のプルームP(赤外線放射面光源)を観測する。観測対象11は、地球12の大気Aの圏内および圏外を推進可能である。
衛星10は、目視線BをプルームPの観測方向として、プルームPの放射強度を時刻歴でリアルタイムに観測する。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the relationship between a
In FIG. 1, a
The
図2は一般的なロケットの飛行条件によるプルーム(2次火炎)形状変化を示す説明図であり、地上から打ち上げられてから、大気圏外に到達するまでのプルーム形状を時系列的(矢印参照)に示している(たとえば、公知文献『The Aerospace Press刊、Frederick S.Simmons著「Rocket Exhaust Plume Phenomenology」(ISBN 1−884989−08−X)の第26頁Fig.2.7』参照)。 Fig. 2 is an explanatory diagram showing changes in the plume (secondary flame) shape due to the flight conditions of a general rocket. The plume shape from launching from the ground to reaching the outside of the atmosphere is shown in time series (see arrows). (See, for example, page 26, FIG. 2.7 of “Rocket Exhaust Plum Phenomenology” published by The Aerospace Press, published by Frederick S. Simons, ISBN 1-884989-08-X).
図2において、2次火炎の直径Dは、地上からの打ち上げ直後においては、10m〜100m程度であり、高度が上昇するにつれて、0.1km〜1km、1km〜10km、へと順次に大きくなり、大気圏外に到達すると、所要推力が小さくなるうえ酸素も存在しないので、1m〜10m程度(破線領域参照)に減少する。
なお、プルーム形状および放射強度において、ロケット推力、プルームPの放射強度、および、プルームPの長さ、の3つのパラメータの間には、正の相関性がある。
In FIG. 2, the diameter D of the secondary flame is about 10 m to 100 m immediately after launching from the ground, and gradually increases from 0.1 km to 1 km, 1 km to 10 km as the altitude increases. When it reaches the outside of the atmosphere, the required thrust becomes small and oxygen does not exist, so it decreases to about 1 m to 10 m (see the broken line area).
In the plume shape and the radiation intensity, there is a positive correlation among the three parameters of the rocket thrust, the plume P radiation intensity, and the plume P length.
以下、図1および図2とともに、図3を参照しながら、この発明の実施の形態1について詳細に説明する。
図3はこの発明の実施の形態1に係る軌道推定システムを示す機能ブロック図であり、衛星10に搭載されたコンピュータ(または、衛星10との間で相互通信可能な地上局に設置されたコンピュータ)により実行されるアルゴリズムを図式的に示している。
図3において、軌道推定システムは、赤外線センサ1と、軌道推定装置2と、観測方向補正装置3と、データベース4と、切替スイッチ5と、航法装置6と、を備えている。
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3 together with FIG. 1 and FIG.
FIG. 3 is a functional block diagram showing the orbit estimation system according to
In FIG. 3, the trajectory estimation system includes an
赤外線センサ1は、観測対象11(目標ロケット)に対する観測方向と、目標ロケットのプルームPの放射強度とを観測する。観測方向および放射強度は、それぞれ時間歴として取得される。
軌道推定装置2は、赤外線センサ1で検出した観測対象11の観測方向を入力情報として、観測対象11の推定軌道(推定位置および推定速度)を推定演算する。
The
The
データベース4は、観測対象11の推定位置および推定速度と、赤外線センサ1で検出した観測対象11のプルームPの放射強度とを入力情報として、観測対象11のプルーム形状を推定演算する。
The
観測方向補正装置3は、観測対象11の観測方向、推定位置、推定速度およびプルーム形状を入力情報として、時刻歴からなる補正観測方向を算出する。
切替スイッチ5は、赤外線センサ1からの観測方向と、観測方向補正装置3を介した補正観測方向と、のいずれか一方を選択して、軌道推定装置2に入力する。
The observation
The
1回目の軌道推定処理においては、切替スイッチ5は、図示したように左接点(初期位置)に設定されており、赤外線センサ1から直接得られる観測方向を、軌道推定装置2への入力情報として選択する。
したがって、軌道推定装置2は、赤外線センサ1からの観測方向を用いて軌道推定処理を行い、概略的な推定軌道を算出する。
In the first trajectory estimation process, the change-
Therefore, the
次に、2回目の軌道推定処理においては、データベース4は、1回目の軌道推定処理で得られた概略的な推定軌道(推定位置および推定速度)と、赤外線センサ1で検出したプルームPの放射強度とを入力情報として、プルーム形状を推定演算し、プルーム形状の推定値を観測方向補正装置3に入力する。
Next, in the second trajectory estimation process, the
また、上記処理と並行して、航法装置6は、赤外線センサ1を搭載した衛星10の位置を観測方向補正装置3に入力する。
この結果、観測方向補正装置3は、データベース4からのプルーム形状と、赤外線センサ1からの観測方向と、軌道推定装置2からの概略的な推定軌道とを入力情報として、補正観測方向を算出することになる。
In parallel with the above processing, the
As a result, the observation
このとき、切替スイッチ5は、コンピュータの制御下で、左接点(図示した状態)から右接点に切替えられ、観測方向補正装置3からの補正観測方向を、軌道推定装置2への入力情報として選択する。
これにより、軌道推定装置2は、軌道推定処理を再び実行して、精密な推定軌道を算出する。
At this time, the
Thereby, the
このように、軌道推定装置2は、1回目の軌道推定処理においては、初期設定位置の切替スイッチ5を介して、赤外線センサ1からの観測方向を入力情報とし、概略的な軌道を推定演算し、2回目の軌道推定処理においては、切替動作された切替スイッチ5を介して、観測方向補正装置3からの補正観測方向を入力情報とし、精密な軌道を推定演算する。
Thus, in the first trajectory estimation process, the
このとき、2回目の軌道推定処理において、観測方向補正装置3は、1回目の概略的な軌道の推定演算値(ロケットの飛行高度および飛行速度)とプルームPの放射強度とを用いて得られたデータベース4からのプルーム形状(推定演算値)と、プルームPの長手方向の向き(ロケットの速度ベクトル方向)と、航法装置6から得られた赤外線センサ1の位置とを用いて、高精度の補正観測方向を算出して軌道推定装置2に入力する。
At this time, in the second orbit estimation process, the observation
すなわち、切替スイッチ5の動作により、1回目の概略軌道の推定演算に続いて、2回目の精密軌道の推定演算を行い、2段階の軌道推定処理を行う。
これにより、ロケットの飛行条件(位置や速度)によって、図2のようにプルーム形状が大きく変化しても、プルーム形状を補正して、ロケット機体基準点への観測方向が高精度に得られるようになり、軌道推定精度を改善することができる。
That is, by the operation of the
Thus, even if the plume shape changes greatly as shown in FIG. 2 depending on the flight conditions (position and speed) of the rocket, the plume shape is corrected so that the observation direction to the rocket airframe reference point can be obtained with high accuracy. Thus, the accuracy of trajectory estimation can be improved.
なお、図3においては、衛星10の位置を航法装置6から出力しているが、衛星10が静止衛星である場合には、位置が一定なので、衛星10の一定位置を既知として用いることができる。
In FIG. 3, the position of the
以上のように、この発明の実施の形態1(図1〜図3)に係る軌道推定システムは、赤外線センサ1と、赤外線センサ1で検出した観測対象11の観測方向とを入力情報として、観測対象11の推定位置および推定速度を推定演算する軌道推定装置2と、推定位置および推定速度と、赤外線センサ1で検出した観測対象11のプルームPの放射強度とを入力情報として、観測対象11のプルーム形状を推定演算するデータベース4と、観測方向、推定位置、推定速度およびプルーム形状を入力情報として、補正観測方向を算出する観測方向補正装置3と、を備え、軌道推定装置2は、補正観測方向を入力情報として、観測対象11の推定位置および推定速度を推定演算する。
As described above, the trajectory estimation system according to Embodiment 1 (FIGS. 1 to 3) of the present invention uses the
データベース4は、赤外線センサ1による観測方向(プルーム代表点とロケット機体基準点との観測方向のずれを軽減処理する前の観測方向)に基づく概略的な推定位置(ロケット位置)および推定速度(速度ベクトル)と、赤外線センサ1からの放射強度とを入力情報として、プルーム形状を推定演算して観測方向補正装置3に入力する。
これにより、観測方向補正装置3は、赤外線センサ1による観測方向を、プルーム形状に応じて、機体基準点への観測方向のずれが軽減するように補正する。
The
Thereby, the observation
したがって、この発明の実施の形態1によれば、ロケットの位置や速度によりプルーム形状が大きく変化しても、データベース4で推定演算されたプルーム形状に基づいて観測方向のずれを軽減させ、観測対象11(ロケット)の位置や速度によるプルーム形状の変化に影響されることなく、ロケット機体基準点への観測方向が高精度に取得して、軌道推定精度を改善することができる。
Therefore, according to
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1(図3)では、赤外線センサ1で検出された放射強度を、そのままデータベース4への入力情報としたが、図4のように、透過率補正装置7を挿入し、透過率補正装置7で補正された放射強度をデータベース4への入力情報としてもよい。
図4はこの発明の実施の形態2に係る軌道推定システムを示す機能ブロック図であり、前述(図3参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
In the first embodiment (FIG. 3), the radiation intensity detected by the
FIG. 4 is a functional block diagram showing a trajectory estimation system according to
図4において、軌道推定システムは、前述の構成に加えて、赤外線センサ1とデータベース4との間に挿入された透過率補正装置7を備えている。
透過率補正装置7は、2回目の軌道推定処理において、航法装置6から得られる赤外線センサ1の位置と、軌道推定装置2から得られる観測対象11の推定位置(概略推定値)と、赤外線センサ1で検出されたプルームPの放射強度と、を入力情報として、放射強度に対して、赤外線センサ1と観測対象11(プルームP)との間の空間の透過率補正処理を行い、赤外線センサ1で観測した放射強度をロケット位置での放射強度に換算した補正放射強度をデータベース4に入力する。
4, the trajectory estimation system includes a transmittance correction device 7 inserted between the
In the second trajectory estimation process, the transmittance correction device 7 includes the position of the
すなわち、透過率補正装置7は、赤外線の中でも大気透過率の小さい波長帯を用いる場合には、ロケット位置の概略推定値を入力情報として、赤外線センサ1とプルームPとの間の透過率を推定演算し(または、データベース4から求め)、実際のロケット位置(赤外線放射源)でのプルームPの放射強度を補正放射強度として推定演算する。
これにより、データベース4は、大気透過率が小さい波長帯の赤外線を用いた赤外線センサ1の場合であっても、高精度にプルーム形状の推定演算を行うことができる。
That is, the transmittance correction device 7 estimates the transmittance between the
As a result, the
以上のように、この発明の実施の形態2(図4)によれば、透過率補正装置7を設けることにより、赤外線センサ1で使用される赤外線の大気に対する透過率が小さい場合でも、プルーム形状を高精度に推定演算することができる。
すなわち、大気透過率が小さな波長を利用した場合に、赤外線センサ1で観測する放射強度が減衰しても、放射強度減衰による観測方向のずれを過小評価することなく、軽減補正することができる。
As described above, according to the second embodiment (FIG. 4) of the present invention, the provision of the transmittance correction device 7 enables the plume shape even when the transmittance of the infrared rays used in the
In other words, when a wavelength having a small atmospheric transmittance is used, even if the radiation intensity observed by the
したがって、観測方向補正装置3で算出される補正観測方向の精度も改善し、ロケット機体基準点への観測方向が高精度に得られるようになり、軌道推定装置2における軌道推定精度が改善する。
また、大気透過率の小さい波長帯の赤外線を用いる場合に、透過率補正によりロケット位置での放射強度に換算することができるので、データベース4において、大気透過率に影響されることなく、減衰する前の放射強度に応じたプルーム形状を推定演算することができ、ロケット機体基準点への観測方向が高精度に得られ、軌道推定精度が改善する。
Therefore, the accuracy of the corrected observation direction calculated by the observation
In addition, when infrared rays having a wavelength range with a low atmospheric transmittance are used, the radiation intensity at the rocket position can be converted by correcting the transmittance, so that the
1 赤外線センサ、2 軌道推定装置、3 観測方向補正装置、4 データベース、5 切替スイッチ、6 航法装置、7 透過率補正装置、10 衛星、11 観測対象(ロケット)、A 大気、B 目視線(観測方向)、P プルーム。 1 Infrared sensor, 2 orbit estimation device, 3 observation direction correction device, 4 database, 5 selector switch, 6 navigation device, 7 transmittance correction device, 10 satellites, 11 observation target (rocket), A atmosphere, B line of sight (observation) Direction), P plume.
Claims (3)
前記赤外線センサで検出した観測対象の観測方向を入力情報として、前記観測対象の推定位置および推定速度を推定演算する軌道推定装置と、
前記推定位置および前記推定速度と、前記赤外線センサで検出した前記観測対象のプルームの放射強度とを入力情報として、前記観測対象のプルーム形状を推定演算するデータベースと、
前記観測方向、前記推定位置、前記推定速度および前記プルーム形状を入力情報として、補正観測方向を算出する観測方向補正装置と、を備え、
前記軌道推定装置は、前記補正観測方向を入力情報として、前記観測対象の推定位置および推定速度を推定演算することを特徴とする軌道推定システム。 An infrared sensor;
A trajectory estimation device that estimates and calculates the estimated position and estimated speed of the observation target, using the observation direction of the observation target detected by the infrared sensor as input information,
A database for estimating and calculating the plume shape of the observation target, using the estimated position and the estimated speed, and the radiation intensity of the observation target plume detected by the infrared sensor as input information;
An observation direction correction device that calculates a correction observation direction using the observation direction, the estimated position, the estimated speed, and the plume shape as input information, and
The trajectory estimation system is configured to estimate and calculate an estimated position and an estimated speed of the observation target using the corrected observation direction as input information.
前記透過率補正装置は、前記赤外線センサの位置と、前記観測対象の推定位置と、前記プルームの放射強度とを入力情報として、前記赤外線センサと前記観測対象との間の透過率補正を行い、前記放射強度を補正した補正放射強度を前記データベースに入力することを特徴とする請求項1に記載の軌道推定システム。 Comprising a transmittance correction device inserted between the infrared sensor and the database;
The transmittance correction device performs transmittance correction between the infrared sensor and the observation target, using the position of the infrared sensor, the estimated position of the observation target, and the emission intensity of the plume as input information, The trajectory estimation system according to claim 1, wherein a corrected radiation intensity obtained by correcting the radiation intensity is input to the database.
前記切替スイッチは、
1回目の軌道推定処理においては、前記赤外線センサからの観測方向を前記軌道推定装置に対する入力情報とし、
2回目の軌道推定処理においては、前記観測方向補正装置からの補正観測方向を前記軌道推定装置に対する入力情報とし、
前記軌道推定装置は、
前記1回目の軌道推定処理においては、前記赤外線センサからの観測方向を用いて、概略的な推定位置および推定速度を算出し、
前記2回目の軌道推定処理においては、前記補正観測方向を用いて精密な推定位置および推定速度を算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の軌道推定システム。 A change-over switch inserted between the infrared sensor and the observation direction correction device and the trajectory estimation device;
The changeover switch is
In the first orbit estimation process, the observation direction from the infrared sensor is set as input information to the orbit estimation apparatus,
In the second orbit estimation process, the corrected observation direction from the observation direction correction device is input information to the orbit estimation device,
The trajectory estimation device includes:
In the first trajectory estimation process, using the observation direction from the infrared sensor, a rough estimated position and estimated speed are calculated,
3. The trajectory estimation system according to claim 1, wherein in the second trajectory estimation process, a precise estimated position and an estimated speed are calculated using the corrected observation direction.
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