JP2002538466A - 特に悪環境における移動物体の動きを測定するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明による装置は、ａ）２つの無線周波数を発信する２つの送信機（１６、１７）であって、それによって移動物体に連結されている前記送信機と、ｂ）各無線周波数に対して感度が高い受信ベース（Ｂ₃、Ｂ₄、Ｂ₁、Ｂ₂）であって、受信された無線信号を表す電気信号を送るために互いに所定の間隔（Ｌ）で離れた固定位置に配置された一対のアンテナを個別に備えた受信ベースとを含み、これに加えて、移動物体がその所定の初期位置から発進するときに移動物体の現在位置を連続的に測定するための、前記電気信号が供給される干渉計手段を具備する。本発明は、離陸が起った後に発射台の近くにおける宇宙ランチャの移動を追跡するために使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、特に悪環境における移動物体の移動を測定するための装置に関し、
より詳細には、発進するロケットの移動をその離陸時から追跡するために適用さ
れるこの種の装置に関する。

【０００２】 ランチャ自体の近くに様々な設備機器または構造物を備えた発射台から離陸す
る、例えば人工衛星または宇宙船のランチャなどのロケットは周知である。特に
これは、Ｃｅｎｔｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｄ’Ｅｔｕｄｅｓ Ｓｐａｔｉａｌ
ｅｓ（国立宇宙研究センター）およびＥｕｒｏｐｅａｎ Ｓｐａｃｅ Ａｇｅｎ
ｃｙ（ヨーロッパ宇宙機関）によって設計、開発、および建造されたアリアン５
号発射台の場合であって、これはランチャの第１低温段にあるノズルの周りのガ
ス、およびこの段に取り付けられた２基のパワー・ブースタ・エンジンのガスを
排出するためのダクトを含む。ランチャの離陸中に、ランチャの軌跡はその正規
の垂直軌跡に対して側方にずれることがあるので、ノズルがそれぞれの垂直通路
の側部に接触する恐れなしに、ノズルが垂直通路から出て行かなければならいこ
とは明らかである。したがって、安全性の理由から、この危険性を最小限に抑え
るためにノズルの最大直径を普通より小さくする結果となる。これはこれらのエ
ンジンによって導き出される推力に対して不利である。

【０００３】 ランチャ離陸の最初の数秒間にランチャの動きを正確に知れば、ノズルを収容
する垂直通路に対して各ノズルの直径を最大限に増し、したがって、所定のガス
排出ダクトの直径に対して、各エンジンによって発生する動力を最大限に増加さ
せることが可能になるはずである。

【０００４】 推力と圧力の影響、低温段の冷却、およびいくつかの機械部品の自由度から結
果的に生ずる、ランチャの様々な構成部分の相対的ゆがみを考慮して、これらの
移動の正確な測定には、測定手段をランチャの底部分に配置することが必要とな
る。

【０００５】 これらの移動を測定するための様々な装置が考案されており、特にランチャに
取り付けられたワイヤ・スプールと、宇宙空間においていくつかの方向にスプー
ルから繰り出されたワイヤの長さを連続的に測定する手段とを含む装置がある。
また、離陸中のランチャのビデオ画像記録とランチャの動きを明らかにする記録
画像処理を使用すること、またはランチャにおける赤外線送信機または超音波送
信機ならびにこれらの送信機の移動を検出する手段を使用することさえも提案さ
れている。また、ランチャの慣性誘導システムによって提供される軌跡データを
使用することも考えられている。適切な反射器を備えたアルゴン・レーザ放射送
信機の使用も考えられている。

【０００６】 分析によって、これらの様々な装置は、ランチャの基部でエンジンの点火に起
因する様々な生成物（煙、蒸気、アルミニウム粉など）の莫大な放出と、特にこ
れらの放出に付随する非常に強力な熱放射、音響放射、および光放射のために、
これらの様々な装置がランチャの離陸中に受ける非常に悪質な環境においては満
足されないことが判明している。

【０００７】 したがって本発明の目的は、人工衛星用や宇宙船用ランチャなどの移動物体の
動きを測定するための装置を製造することであって、ランチャ離陸後の数秒間に
おいてその基部の周りに生ずる悪環境において、このようなランチャの基部の動
きを正確に測定できる装置の製造である。

【０００８】 本発明のこの目的は、後記の説明を読めば明らかになるものと同様に、所定の
初期位置から出発した移動物体の動きを測定するための装置であって、 ａ）前記物体に統合された少なくとも無線周波数の送信機と、 ｂ）前記無線周波数を感知し、受信された無線信号を表す電気信号を送出する
ための互いに所定の間隔で定位置に配置された一対のアンテナと、前記所定の初
期位置からの前記移動物体の出発から前記送信機の現在位置を連続的に測定する
ために、前記電気信号が供給される干渉計手段と を具備することを特徴とする装置によって達成される。

【０００９】 後で詳しく示すように、本発明によって提案される無線電波干渉計使用法によ
る移動物体の動きの測定は、移動物体が上記の悪環境を受けるときも含めて高い
精度で移動物体の動きを追跡することを可能にする。

【００１０】 本発明の好ましい実施態様によれば、装置は同じ平面に配置された第１および
第２受信ベースを含み、本干渉計手段は、前記平面における送信機の投影位置の
測定値を伝える。装置はさらに、前記平面に直角な軸における送信機の投影位置
の測定値を伝えるための、前記軸に整列したアンテナを具備する第３受信ベース
を含む。

【００１１】 水平の発射台からほぼ垂直に離陸するロケットの位置を追跡する応用において
は、装置は、第１送信機によって送信される無線周波数とは異なる第２無線周波
数の第２送信機を具備する。この第２送信機は、第１送信機が取り付けられてい
る点から水平に離れた点でロケットの上に取り付けられており、第２送信機は、
第１送信機と同様に第２無線周波数の３つの受信ベースと、ロケットの離陸後に
おける第２送信機の位置の測定値を伝えるために受信ベースによって伝えられる
信号を処理するための干渉計手段とを備えている。

【００１２】 本発明のその他の特徴と利点は、下記の説明を読み、添付の図面を見ることに
よって明らかになろう。

【００１３】 添付図面の図１を参照して、本発明による装置において使用される干渉計使用
による測定の原理を説明する。

【００１４】 波長λに相当する所定の周波数を有する無線電波の移動送信機を１で示す。あ
る適切な形式の２つの無線波受信アンテナ２、３が、送信機とアンテナ２、３を
通過する平面の移動送信機１の放射域において互いの間隔Ｌで配置されていると
する。送信機１の方向は、上に定義した平面（図１の平面）内で、受信アンテナ
２、３の位置によって設定される直線部分のその中心４における垂線からの角度
θによって表される。

【００１５】 こうして、２つのアンテナ２、３によって、送信機１の電気信号の周波数で電
気信号を伝える「受信ベース」を形成することが可能になる。「基準」アンテナ
２からの信号に対する、測定アンテナとして選ばれたアンテナ３によって伝達さ
れる信号の位相φは、次の等式

【数１】 で近似的に得られることが実証されている。

【００１６】 こうして、この位相φの測定値によって送信機１の角度θ、したがって方向を
計算することが可能になる。

【００１７】 こうして送信機の方向のみが決定され、この方向に沿ったその位置は決定され
ない。しかし、１つではなく２つの受信ベースを使用して送信機１の位置を取る
ことによって、２つの受信ベースによってそれぞれ検出される２つの方向が交差
した所に送信機の位置があることは理解されるであろう。これが、本発明によっ
て使用される送信機の位置を追跡する原理である。

【００１８】 次に、添付図面の図２〜４を参照して本発明による装置の構造と機能動作を説
明する。

【００１９】 図２では、図示の目的で単に限定されない例示として選んだアリアン５号ラン
チャの線図を立面図で示したが、本説明を続けることによって明らかになるよう
に、本発明による装置は、どのようなランチャやロケットにも、またはその他の
移動物体にも適用可能である。

【００２０】 図２では、図示されたランチャは周知のように、第１低温段５と、第１段のケ
ーシングに固定された２基のパワー・ブースタ・エンジン８、９とを含むことが
わかるであろう。

【００２１】 パワー・ブースタ・エンジンの底にはガス排出ノズルがある。同様に、パワー
・ブースタ・エンジン８、９にはそれぞれノズル１１、１２が固定されている。

【００２２】 ランチャをその発射台に取り付けるとき、これらのノズル１０、１１、１２の
１つまたは複数を、図２に示すようにそれぞれ１３、１４、１５などのガス排出
ダクトの内部に収容することができ、これらのダクトは、使用される推進用燃料
の燃焼生成物を遠方へ排出できるようになっている。

【００２３】 上に示したように、本発明の目的は、ノズル寸法決定の最適化を可能にすると
ともに、ノズルがダクトから浮び上がってくる間に、これらのノズルとそれぞれ
のガス排出ダクトとが接触する恐れをなくすように、低温段５とパワー・ブース
タ・エンジン８、９の点火の後におけるランチャの移動を正確に測定することで
ある。

【００２４】 上に示したように、単一送信機と単一受信ベースの使用によって、この送信機
とアンテナ対とによって定義された平面における送信機を通過する方向の変化を
追跡することが可能になる。第２受信ベースを使用することによって、この平面
における送信機の位置を追跡することが可能になる。

【００２５】 移動が制限されている移動物体の追跡に対するいくつかの本発明の適用例では
、本発明による装置は、上に述べた２つの構造の１つなどの簡単な基本構造を提
供することができる。

【００２６】 一般に、三次元空間における固体物体の位置は固体物体の３非整列点の位置に
よって決まるので、本発明による装置は、追跡の対象である固体移動物体に固定
された３つの送信機を含む必要があり、各送信機は、空間内における３つの方向
に沿って３つの送信機の座標を計算するのに適した信号を伝えるように配置され
た、３つの受信ベースに関連付けられている。

【００２７】 エンジンのノズル１０、１１、１２がそれぞれの垂直通路１３、１４、１５か
ら浮び上がるのに必要な離陸に続く数秒間に、アリアン５号などのランチャの移
動を追跡することに対する本発明の特定の適用では、下に説明するように２つの
送信機で十分である。

【００２８】 図２、３に示す線図では、この２つの送信機１６、１７は、それぞれノズル１
１、１２の上のパワー・ブースタ・エンジン８、９の基部に配置され、第１段５
とパワー・ブースタ・エンジン８、９との３つの長手方向軸を通過するランチャ
の対称面Ｓの中にあり、かつ水平面Ｐの中にあることが示されている。

【００２９】 各送信機１６、１７は３つの受信ベースに関連付けられ、ランチャ発射後の空
間における送信機の移動の測定を可能にする。

【００３０】 したがって、ベースＢ₃、Ｂ₄は、水平面における送信機１６の突出部の位置を
測定するために、平面Ｐにおいて平面Ｓに対して対称に配置され、一方垂直軸に
整列した２つのアンテナから構成されるベースＢ₆は、軸上における送信機の突
出部の位置、すなわち送信機１６の高度を測定することを可能にする。

【００３１】 ベースＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₅は、送信機１７のために、それぞれベースＢ₃、Ｂ₄、Ｂ₆ の機能と同じ機能を有する。

【００３２】 ベースＢ₁〜Ｂ₄をランチャに対して十分に離すことによって、平面Ｐ内での送
信機とこれに関連する２つのベースとによって決まる平面が、ランチャ離陸後の
最初の数秒間にこの平面Ｐからほとんど離れないことが理解できるであろう。

【００３３】 図２において図式的に示すように、ベースＢ₁〜Ｂ₆は、発射台表面上の１８、
１９などの台によって支持されている。

【００３４】 本発明による装置は、送信機１６、１７の位置によって決まる直線の一部の位
置を、特に水平平面におけるこの部分の回転、すなわちノズル１０、１１、１２
とランチャの離陸中にこれらのノズルが出る垂直通路１３、１４、１５との間の
衝突を引き起こす可能性のある回転を追跡することを可能にする。

【００３５】 特に、この回転の検出の感度は、図示するように、水平方向に最大距離だけ分
離された２つの点に２つの送信機１６、１７を配置することによって、最高とな
ることが注目されよう。

【００３６】 ノズルがそれぞれのガス排出ダクトから浮かび上がってしまうとすぐに、すな
わちランチャが数メートルだけ上昇してしまうと、この監視は不要になる。この
短い行程中に、送信機１６、１７の位置を通過する軸の周りのランチャの起こり
うる回転は非常に小さな範囲であり、これはノズルと垂直通路との衝突の危険性
を検出する問題としては無視し得るはずである。この理由で、本発明による装置
の上述の適用においてランチャ上に第３送信機が存在する必要はない。

【００３７】 ベースＢ₁〜Ｂ₆のアンテナによって送られた信号は、図４に示すように、中央
データ記録ステーション２０に送られ、それからこのデータを遠隔処理するため
にもう１つの中央ステーション２１に転送される。

【００３８】 図５の機能線図は、ベースによって送られる信号の処理の主要ステップを示し
ている。図５は、送信機１７のみに関連するベースＢ₃、Ｂ₄、Ｂ₆によって送ら
れる信号の処理を示す線図であり、ベースＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₅によって送られる信号
の処理もこれと同じである。

【００３９】 したがって、ベースＢ₃、Ｂ₄、Ｂ₆の各々において、アンテナによって送られ
た信号は、２２、２３において整形されてから、図１を参照して記載された角度
θなどの角度を表す信号を送る位相比較器２４において処理されるようにして、
干渉計手段（２２、２３、２４）によって処理される。タイム・ベース２６で制
御されるアナログ・デジタル変換器２５によってデジタル化された後、３つの信
号は２７で記録される。したがって、これらの信号を、ノズルがそれぞれの垂直
通路から浮かび上がってくる間にノズルがたどる軌跡を導き出すために遠隔処理
することができる。ノズルとこれらのガス排出ダクトとの間で衝突が起ることな
く浮かび上がるために必要な空間が決定され、この結果ノズルの直径が最適化さ
れる。

【００４０】 本発明による、無線電波に基づくランチャの移動の干渉計使用による測定が、
本説明文の前文に述べた装置が例えば離陸中におけるランチャの環境などの悪環
境にさらされたときに装置に影響する不利な点をすべて排除することができるの
で非常に有利である。無線周波数を適切に選択することによって、ガスおよび蒸
気の強力な放出による、またはこの環境において生じる強い熱と光と音響の放射
によるどのような干渉にも実際に事実上不感にすることが可能である。

【００４１】 したがって測定値の信号対雑音比は高いので、高精度の測定値が得られる。し
たがって、どのような干渉も排除するためにＸ帯域における異なる固定周波数で
動作する送信機１６、１７、ランチャから約３０メートル離れて配置された４つ
の受信ベースＢ₁〜Ｂ₄、互いに３メートル離れて配置された各ベースの２つのア
ンテナによって、各送信機の軌跡を、約１．３秒にわたって移動する軌跡の最初
の２メートルにわたって±５ｍｍの精度で測定することが可能であった。ランチ
ャの高度を５メートルまで測定することも可能であった。

【００４２】 問題の主な高度範囲（０〜２メートル）では、送信機位置の測定値の精度に対
するこの高度の影響は無視できる。

【００４３】 上に示したように、ベースＢ₁〜Ｂ₄のアンテナは台の上に取り付けられている
（図２を参照）。離陸時には、台はロケットのノズルから排出するガスと蒸気に
よって台に加わる力によって振動する傾向があり、したがってこの振動は得られ
る測定値を変化させる。

【００４４】 本発明によれば、送信機１６、１７に類似の、耐振支持物に堅く固定されてい
る無線電波３０（図３を参照）の送信機を使用して振動を測定することによって
、および台の１つ、例えば台の上に取り付けられた受信ベースＢ₇を使用する台
１９（図３を参照）などの台の振動を測定することによって、この振動を考慮す
ることができる。この測定から信号が導き出されて、台の振動に関係のない測定
値を得るために、他のベースを使用して得られた測定値を修正することも可能で
ある。

【００４５】 しかしある状況では、特に振動が問題のベースの軸に直角に向いているときに
は、得られる測定値に対するこの振動の影響は互いに作用し合うことができ、し
たがって互いに相殺して、いかなる修正も行う必要がない。

【００４６】 本発明はもちろん、例示としてのみ挙げた説明図示した実施形態に限定される
ものではない。したがって、上記の干渉計を使用して無線電波を測定する方法が
保持される限り、本発明から逸脱することなく当業者は送信機とアンテナの他の
構成および他の周波数を考えることもできよう。

【００４７】 同様に、本発明は、ロケットまたは宇宙ランチャの離陸に続く数秒間にその移
動を追跡することに限定されるものでもない。逆に本発明は、例えばテスト中の
航空機の射出座席など、定位置を離れるあらゆる移動物体の追跡に拡げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による装置によって使用される干渉計使用による測定の原理を示す線図
である。

【図２】 単に例示としての、前記アリアン５号ランチャからなる移動物体における、本
発明による装置の一部を形成する単一または複数の送信機の位置付けを示す図で
ある。

【図３】 図２に示すランチャの発射台に取り付けられた、本発明による装置の送信機と
受信ベースの配置を示す平面図である。

【図４】 本発明による装置の平面図である。

【図５】 本発明による装置の一部を形成する信号処理手段の機能線図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年２月５日（２００１．２．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パタン，ブルーノ・ピエール・マリ フランス国・エフ−92260・フォンテネイ オ ローズ・リュ ブランシャール・15 (72)発明者 ロベール，エリック フランス国・エフ−91940・レ ウリス・ リュ ミシェル アンジェ・３ Ｆターム(参考） 5J062 BB03 CC14 EE00

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の初期位置から出発する移動物体の、特に悪環境におけ
   る物体の移動を測定するための装置であって、 ａ）前記移動物体と一体とされた少なくとも１つの無線周波数の送信機（１６
   ）と、 ｂ）前記無線周波数を感知する第１および第２受信ベース（Ｂ₃、Ｂ₄）であっ
   て、各受信ベースは、受信された無線信号を表す電気信号を送るための、互いに
   所定の間隔（Ｌ）を置いて同平面の固定位置に配置された一対のアンテナと、前
   記の所定の初期位置から出発する前記移動物体の発進から、前記平面における前
   記送信機の突出部の現在位置を連続的に測定するために前記電気信号を供給され
   る干渉計手段（２２、２３、２４）とを含む第１および第２受信ベース（Ｂ₃、
   Ｂ₄）とを含み、前記平面に直角な軸における前記送信機の位置測定値を送るた
   めに、前記軸に整列したアンテナを含む第３受信ベース（Ｂ₆）を含むことを特
   徴とする装置。
2. 【請求項２】 前記の軸が垂直であることを特徴とする請求項１に記載の装
   置。
3. 【請求項３】 水平発射台から垂直に離陸するロケット（５〜９）から成る
   移動物体の位置を追跡することに適用される請求項２に記載の装置であって、第
   １送信機（１６）によって発信される無線周波数とは別の第２無線周波数の第２
   送信機（１７）を含み、前記第２送信機（１７）は、前記ロケット上における第
   １送信機（１６）が取り付けられている点から水平方向に離れた点に取り付けら
   れており、かつ、第１送信機（１６）と同様に、前記第２無線周波数の受信ベー
   ス（Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₅）と、ロケットの離陸後に前記第２送信機（１７）の位置の
   測定値を伝えるために前記受信ベースによって送られる信号を処理するための干
   渉計手段とに関連付けられていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記送信機（１６、１７）が、同じ水平平面（Ｐ）内で、前
   記平面における最大分離間隔となるロケットの２点に配置されていることを特徴
   とする請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 離陸前には、発射台の上に設置されたガス排出ダクト（１３
   ；１４；１５）の中に配置された少なくとも１つのノズルを含むロケットに適用
   される請求項４に記載の装置であって、前記送信機（１６、１７）が前記ロケッ
   トの上で前記ノズル（１０；１１；１２）の近くに配置されていることを特徴と
   する請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記受信ベース（Ｂ₁〜Ｂ₆）が発射台に固定された台の上に
   取り付けられていること、およびロケットの離陸中に前記台の振動を検出するた
   め、および、前記振動に従って前記干渉計手段によって得られる測定値を修正す
   るための手段（Ｂ₇、３０）が設けられていることを特徴とする請求項３ないし
   ５のいずれか一項に記載の装置。