JP2004191158A

JP2004191158A - 飛翔位置計測装置

Info

Publication number: JP2004191158A
Application number: JP2002358924A
Authority: JP
Inventors: Hisayuki Mukai; 久幸迎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】従来の飛翔位置計測装置は米国の構築したＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍに依存していたが、ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍは米国政府の判断如何で、利用を禁止されるリスクを伴うという課題があり、代替手段が嘱望されていた。
【解決手段】空間航行体１と、地球固定座標系において位置座標既知であり、位置座標を送信時刻情報付きで電波送信しており、かつ上記空間航行体１が同時に異なる３ヶ所からの電波を受信可能な配置で設置された複数の地上局４により構成し、上記空間航行体が同時に受信した３つの位置座標からの相対距離に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は地表上空から地球表面を観測する地球観測衛星や飛行船などの空間航行体の飛翔位置を計測する飛翔位置計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の飛翔位置計測装置は、米国の構築したＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍの構成要素であり、電波伝播時間による測距用電波を発生し、軌道上位置座標が既知の複数の航法衛星と、空間航行体に搭載して上記航法衛星から発する測距用電波を受信して空間航行体の飛翔位置座標を解析する航法衛星信号受信機により構成していた。航法衛星は軌道高度２０００ｋｍ程度の高い高度を飛翔しているので元々重力の偏りの影響が小さく、更に例えば米国のグローバルポジショニング装置のように十分に影響補正処理を施された装置では、地球重力変動の影響を受けずに位置座標を確定することができる。従って例えばグローバルポジショニング装置で採用しているＷｏｒｌｄＧｅｏｄｅｔｉｃＳｙｓｔｅｍ８４と呼ばれる測地座標系を用いて、地球形状を単一座標系の上で測定し、位置座標を決定することが可能になる。空間航行体の飛翔位置座標は複数の航法衛星の信号に基づき航法衛星で採用する座標系上の位置座標が決定する。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３３５３５６６号（段落番号（００５５）、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来地球上の位置を計測する尺度として緯度、経度、高度を用いる方法があるが、高度に対する基準が世界中で統一されておらず絶対的な位置基準になりえないため、地球固定の座標系において位置座標を絶対値として計測する別の手段が必要であった。これに対してＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍは米国政府が構築した衛星システムであり、地球固定の座標系ＷＧＳ８４における位置座標を計測できる手段として普及している。しかしながらＧＰＳは現状では無償で誰でも利用可能な状態であるが、米国政府の判断如何で利用を禁止され、米国政府が認許したユーザ以外が利用不可能となるリスクを伴うという課題があり、代替手段が嘱望されていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は地球固定の位置座標既知の地上局から電波伝播時間による測距用電波を発生し、空間航行体で同時に複数の地上局が発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間により地上局と空間航行体の相対距離を計算し、座標位置既知の３点からの位置座標からの相対距離に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す図であり、図において１は時計を具備した空間航行体、２は上記空間航行体１の飛翔位置を代表する点、３は例えばＷＧＳ８４のような地球固定の座標系における上記空間航行体１の飛翔位置を代表する点２の飛翔位置座標、４は地球固定の座標系において位置座標既知の位置にある地上局、５は上記地上局４の位置を代表する点、６は上記地上局の位置を代表する点５の地球固定座標系における位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を送信時刻ｔの情報と組合せて編集した送信時刻情報付き位置座標、７は上記地上局４を代表する点５から空間航行体１を代表する点２へ送信される電波のベクトルをそれぞれ示す。また図における地上局４としては上記空間航行体１が同時に異なる３ヶ所からの電波を受信可能な配置で設置された第１の地上局４ａ、第２の地上局４ｂ、第３の地上局４ｃを示しており、５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ対応する地上局の位置を代表する点、６ａ、６ｂ、６ｃはそれぞれ対応する地上局の送信時刻付き位置座標、７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれ対応する地上局から空間航行体へ送信される電波のベクトルをそれぞれ示す。
【０００７】
図において上記地上局４は上記空間航行体１の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備しており、地上局４の位置を代表する点５の地球固定の座標系における位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を、送信時刻ｔの情報と組合せて（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ｔ）のデータセットを構成し、送信時刻情報付き位置座標６として電波送信している。
上記空間航行体１としては任意の時刻ｔ０に地上局４ａが発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間（ｔ０−ｔ１）に電波の速度ｖを乗じることにより第１の地上局４ａから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ａの長さＬ１が計算できる。同様にして第２の地上局４ｂから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ｂの長さＬ２、第３の地上局４ｃから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ｃの長さＬ３をそれぞれ計算する。
次に
（Ｘ１−Ｘ０）^２＋（Ｙ１−Ｙ０）^２＋（Ｚ１−Ｚ０）^２＝Ｌ１^２
（Ｘ２−Ｘ０）^２＋（Ｙ２−Ｙ０）^２＋（Ｚ２−Ｚ０）^２＝Ｌ２^２
（Ｘ３−Ｘ０）^２＋（Ｙ３−Ｙ０）^２＋（Ｚ３−Ｚ０）^２＝Ｌ３^２
を同時に満足する（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を算出することにより、衛星飛翔位置座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）が計測できたことになる。
【０００８】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２を示す図であり、図において１〜７は図１と同様である。また図における地上局４としては上記空間航行体１が同時に異なる４ヶ所からの電波を受信可能な配置で設置された第１の地上局４ａ、第２の地上局４ｂ、第３の地上局４ｃ、第４の地上局４ｄを示しており、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはそれぞれ対応する地上局の位置を代表する点、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはそれぞれ対応する地上局の送信時刻情報付位置座標、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄはそれぞれ対応する地上局から空間航行体へ送信される電波のベクトルをそれぞれ示す。
【０００９】
図において上記地上局４は上記空間航行体１の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備しており、地上局４の位置を代表する点５の地球固定の座標系における位置座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を、送信時刻ｔの情報と組合せて（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ｔ）のデータセットを構成し、送信時刻情報付き位置座標６として電波送信していることは実施の形態１と同様である。実施の形態１において電波の大気伝播における影響や電波の受信処理時間などが無視できれば、実施の形態１において十分精度の高い計測が可能であるが、実際には大気伝播誤差や時間計算に関わる上記の如き誤差要因があるために、結果として求まる飛翔位置座標が誤差をもつという課題が生じる。そこで任意の時刻ｔ０に地上局４ａが発した電波を空間航行体１が受信して、電波が到達するまでの遅延時間（ｔ０−ｔ１）を求める際に大気伝播と時刻補正のためのパラメータとしてΔｔを導入し、Ｌ１（Δｔ）＝（ｔ０−ｔ１＋Δｔ）×電波速度ｖとして第１の地上局４ａから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ａの長さＬ１（Δｔ）を計算する。同様にして第２の地上局４ｂから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ｂの長さＬ２（Δｔ）、第３の地上局４ｃから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ｃの長さＬ３（Δｔ）、第４の地上局４ｄから空間航行体１に送信した電波のベクトル７ｄの長さＬ４（Δｔ）を計算する。
Ｌ１（Δｔ）、Ｌ２（Δｔ）、Ｌ３（Δｔ）、Ｌ４（Δｔ）は時間に関わる未知数Δｔを含む関数となるので、
（Ｘ１−Ｘ０）^２＋（Ｙ１−Ｙ０）^２＋（Ｚ１−Ｚ０）^２＝Ｌ１^２
（Ｘ２−Ｘ０）^２＋（Ｙ２−Ｙ０）^２＋（Ｚ２−Ｚ０）^２＝Ｌ２^２
（Ｘ３−Ｘ０）^２＋（Ｙ３−Ｙ０）^２＋（Ｚ３−Ｚ０）^２＝Ｌ３^２
（Ｘ４−Ｘ０）^２＋（Ｙ４−Ｙ０）^２＋（Ｚ４−Ｚ０）^２＝Ｌ４^２
を同時に満足する（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を算出することにより、大気伝播誤差や時刻遅延誤差を除去した衛星飛翔位置座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）が計測できる。
なおここではΔｔを簡略化したパラメータとして示したが、実際には複数のパラメータを有する多次元関数として扱うこともでき、ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍにおいて実用化されている、４機の航法衛星信号を利用してＧＰＳ受信機が同様の補正をする技術を採用可能なことはいうまでもない。本発明の実施の形態２によれば、大気伝播誤差や処理時刻誤差などの計測誤差要因のない精度の高い飛翔位置計測が可能になるという効果がある。
【００１０】
実施の形態３．
本発明による実施の形態３の構成は実施の形態１または実施の形態２と同様であるが、空間航行体１が予め各地上局４の位置座標をメモリに格納しており、各地上局４は時報のみを電波送信している。空間航行体１が各地上局の電波を受信した後の処理については、予めメモリに格納されている地上局の位置座標を用いて計算をすることを除けば、実施の形態１または実施の形態２と同様である。なおメモリへの位置情報格納方法としては、予め空間航行体１を地上整備している段階に格納してもよいし、空間航行体１飛翔時に地上から送信してもよい。本発明の実施の形態３によれば、位置座標情報を常時電波送信する必要がないので、時報送信のために利用可能な伝送容量が増やせるため、時報をより高頻度かつ高精度で送信可能となり、飛翔位置計測の精度が向上するという効果がある。
【００１１】
実施の形態４．
本発明による実施の形態４の構成は、実施の形態１と同様の構成に、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、位置座標を送信時刻情報付きで電波送信している第二の空間航行体を付加したものである。空間航行体１が図示していない第二の空間航行体と複数の地上局４から電波受信した後の処理は第二の空間航行体の送信した情報を地上局のひとつと同様にして処理することを除けば、実施の形態１及び実施の形態２と同様である。また第二の空間航行体と同様に構成された第三の空間航行体を地上局の代わりに利用可能なことは言うまでもない。また地上局を全て位置座標既知の別の空間航行体で代替しても同様に実施可能であることはいうまでもない。本発明の実施の形態４によれば、例えば準天頂衛星のような高軌道衛星を利用すれば地上と比較して長く空間航行体に対して電波送信し続けられるので、飛翔位置計測可能な時間が長く、飛翔位置計測の頻度と精度を上げられるという効果がある。
【００１２】
実施の形態５．
図３はこの発明の実施の形態５を示す図であり、図において１は空間航行体、４ａは第１の地上局、４ｂは第２の地上局、４ｃは第３の地上局、７ａは上記第１の地上局４ａから空間航行体１へ送信される電波のベクトル、８は図の上が北極で下が南極となるよう配置した地球、１０は上記空間航行体１の軌道をそれぞれ示す。本発明による実施の形態３では、上記空間航行体１が地表高度１０００ｋｍ以下の地球周回軌道を飛翔する人工衛星であり、かつ上記空間航行体１が同時に電波を受信可能な３ヶ所以上の地上局４を北緯７０度〜９０度、または南緯７０度〜９０度の極域に具備している。地表高度１０００ｋｍ以下の地球周回軌道を飛翔する人工衛星の中で、例えば太陽同期準回帰軌道を飛翔する地球観測衛星の場合には、空間航行体１の軌道９は図の如く赤道上空では複数の軌道が離れた位置関係となるが、北極や南極上空ではいずれの軌道も極付近で集結することになる。このため極域において地上局を設定すれば、毎周回飛翔位置を計測可能となる。このため低軌道を周回する人工衛星の飛翔位置を毎周回計測可能になるという効果がある。また人工衛星は航空機等に比較して大気抵抗などの誤差要因が小さいため軌道推定精度が高いため、飛翔位置計測していない時間帯や位置での飛翔位置推定精度も高いという効果がある。更に毎周回飛翔位置計測ができるので、次の飛翔位置計測までの累積誤差が小さくなり、飛翔位置計測していない時でも精度の高い飛翔位置推定が可能になるという効果がある。
【００１３】
実施の形態６．
本発明による実施の形態６では、空間航行体１が地表高度１０００ｋｍ以下の地球周回軌道を飛翔する人工衛星であり、かつ上記空間航行体１が同時に電波を受信可能な３ヶ所以上の地上局を北緯７０度〜９０度及び南緯７０度〜９０度の極域にそれぞれ具備している。このため実施の形態３と同様の仕組みにより北極付近と南極付近の両方で毎周回飛翔位置計測が可能となる。このため低軌道を周回する人工衛星の飛翔位置を毎周回２度づつ計測可能なので、極域以外を飛翔している間の軌道予測誤差が小さくなり、空間航行体の搭載する地球観測用のセンサや通信機器の指向誤差も小さくできるという効果がある。
【００１４】
実施の形態７．
本発明による実施の形態７は空間航行体１がＧＰＳ受信機を具備したものである。実施の形態１による飛翔位置計測装置で計測した飛翔位置と、ＧＰＳ受信機で計測した飛翔位置を比較することにより、実施の形態１により飛翔位置計測をした際に誤差要因となる大気伝播の影響や処理時刻誤差などの誤差量を計測可能となる。予め米国がＧＰＳ利用を許容している段階で誤差量計測をしておくことにより、ＧＰＳ利用を禁止した後に、本発明による飛翔位置計測装置に移行した段階で誤差が把握できているという効果がある。
また実施の形態２による飛翔位置計測装置では大気伝播誤差や処理時刻誤差を補正済みであるが、予め米国がＧＰＳ利用を許容している段階で補正処理の結果が正しいことを検証することができ、米国がＧＰＳ利用を禁止した後に、本発明による飛翔位置計測装置に移行した段階で装置の校正ができており正確な飛翔位置計測が可能となるという効果がある。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、予め地球固定座標系における位置座標が既知の地上局を位置基準として空間航行体の飛翔位置を計測するので、地球固定座標系において飛翔位置計測が可能となるという効果がある。また米国がＧＰＳの利用を禁止しても、地球固定座標系上において空間航行体の飛翔位置を計測できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による飛翔位置計測装置の実施の形態１を示す図である。
【図２】この発明による飛翔位置計測装置の実施の形態２を示す図である。
【図３】この発明による飛翔位置計測装置の実施の形態５を示す図である。
【符号の説明】
１空間航行体
２空間航行体の飛翔位置を代表する点
３空間航行体の飛翔位置座標
４地上局
５地上局の位置を代表する点
６送信時刻情報付き位置座標
７地上局から空間航行体へ送信される電波のベクトル
８地球
９空間航行体の軌道

Claims

時計を具備した空間航行体と、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、
位置座標を送信時刻情報付きで電波送信しており、かつ上記空間航行体が同時に異なる３ヶ所からの電波を受信可能な配置で設置された複数の地上局により構成され、
上記空間航行体としては任意の時刻に各地上局が発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間により地上局と空間航行体の相対距離を計算する仕組みを具備しており、
同時に受信した３つの位置座標からの相対距離に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定することを特徴とする飛翔位置計測装置。
時計を具備した空間航行体と、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、
位置座標を送信時刻情報付きで電波送信しており、かつ上記空間航行体が同時に異なる４ヶ所からの電波を受信可能な配置で設置された複数の地上局により構成され、
上記空間航行体としては任意の時刻に各地上局が発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間により地上局と空間航行体の相対距離を計算する仕組みと、電波が大気伝播時に発生する遅延時間を計算する仕組みを具備しており、
同時に受信した４つの位置座標からの相対距離と大気伝播遅延時間に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定することを特徴とする飛翔位置計測装置。
時計を具備した空間航行体と、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、
時報を電波送信しており、かつ上記空間航行体が同時に異なる３ヶ所以上の電波を受信可能な配置で設置された複数の地上局により構成され、
上記空間航行体としてはそれぞれの地上局の位置座標を予めメモリに格納しており、任意の時刻に各地上局が発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間により地上局と空間航行体の相対距離を計算する仕組みを具備しており、
同時に受信した複数の位置座標からの相対距離に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定することを特徴とする飛翔位置計測装置。
時計を具備した空間航行体と、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、
位置座標を送信時刻情報付きで電波送信している第二の空間航行体と、地球固定座標系において位置座標既知であり上記空間航行体の具備する時計と相互に時刻を合わせた時計を具備し、
位置座標を送信時刻情報付きで電波送信する複数の地上局により構成され、
かつ上記空間航行体が同時に第二の空間航行体及び異なる２ヶ所以上の地上局から電波を受信可能な配置で飛翔しており、上記空間航行体としては任意の時刻に各地上局が発した電波を受信して、電波が到達するまでの遅延時間により第二の空間航行体及び地上局と空間航行体の相対距離を計算する仕組みを具備しており、
同時に受信した複数の位置座標からの相対距離に基づき地球固定の座標系における飛翔位置を決定することを特徴とする飛翔位置計測装置。
空間航行体が地表高度１０００ｋｍ以下の地球周回軌道を飛翔する人工衛星であり、かつ上記空間航行体が同時に電波を受信可能な３ヶ所以上の地上局を北緯７０度〜９０度、または南緯７０度〜９０度の極域に具備することを特徴とする請求項１から請求項４記載の飛翔位置計測装置。
空間航行体が地表高度１０００ｋｍ以下の地球周回軌道を飛翔する人工衛星であり、かつ上記空間航行体が同時に電波を受信可能な３ヶ所以上の地上局を北緯７０度〜９０度及び南緯７０度〜９０度の極域にそれぞれ具備することを特徴とする請求項１から請求項４記載の飛翔位置計測装置。
空間航行体がＧＰＳ受信機を具備することを特徴とする請求項１から請求項４記載の飛翔位置計測装置。