JP2004325435A - 飛翔体の測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロケット弾等のように飛翔時間が短い飛翔体に、粗測位用のＣ／Ａコードを使用するＧＰＳを適用することは困難であった。
【解決手段】 ＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号と基地局Ｓ２からの信号を受信して自己の位置を検出する主受信機１と、飛翔体Ａに搭載され且つＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号を受信して自己の位置を検出する搭載受信機２を備え、主受信機１から搭載受信機２にデータを入力する有線のデータ入力経路３を介して双方を分離可能に接続した飛翔体の測位装置とし、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳを用いて、ロケット弾等のように飛翔時間が短い飛翔体Ａにおける高精度測位を実現した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＧＰＳを使用して飛翔体の自己の位置を検出するのに用いられる飛翔体の測位装置に関するものである。

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）は、複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信して自己の位置を検出するシステムであって、航空機、船舶及び車両等の各種移動体の測位や、測地・測量などに用いられている。また、ＧＰＳ衛星からの信号は、精密測位用のＰコードと、粗測位用のＣ／Ａコードと呼ばれる２種類の信号により変調されており、粗測位用のＣ／Ａコードが一般用として開放されている。

また、上記のＣ／Ａコードを使用して測位精度を高める方法としては、デファレンシャルＧＰＳ（以下、『ＤＧＰＳ』とする）がある。このＤＧＰＳは、複数のＧＰＳ衛星からの信号と、緯度経度が明らかな無線航路標識等の基地局からの信号を受信し、その信号を誤差補正情報として用いることで、Ｐコードを使用したＧＰＳ並みの測位精度を得ることができる。
『第２版・航空宇宙工学便覧』丸善 平成４年９月３０日 第１０６３頁

ところで、近年では、ロケット弾、砲弾及びミサイル等のように飛翔時間の短い飛翔体にもＧＰＳを用いることが検討されている。しかしながら、精密測位用のＰコードを使用するＧＰＳは、当然のことながら高価であるうえに、簡単に入手し得るものではない。

これに対して、粗測位用のＣ／Ａコードを使用するＧＰＳは、比較的安価であるとともに入手も容易であるが、受信機の電源投入後、定位置で一定時間ＧＰＳ衛星を追尾して可視のＧＰＳ衛星の配置を記憶する必要がある。また、ＤＧＰＳは、基地局からの信号を誤差補正情報として長時間取得することで測位精度を高めているので、充分な測位精度を確保するには時間がかかる。

このため、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳは、上記したような飛翔体、すなわち飛翔時間が比較的短く、発射位置が不特定であり、緊急発射が要求されるような飛翔体への適用が困難であった。また、この種の飛翔体は、多くの場合、ロンチャ、キャニスター及び砲身などのように電波を遮断する金属製構造物に収容されているか、航空機の翼下のように機体が障害となって衛星信号を受信し難い位置に取り付けられている。したがって、発射以前において、搭載した受信機でＧＰＳ衛星の信号を受信することが困難であり、このような状況もＣ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳの上記飛翔体への適用を困難にしていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳを用いて、とくに、飛翔時間が比較的短く、発射位置が不特定であり、緊急発射が要求されるような飛翔体の高精度測位を行うことができる飛翔体の測位装置を提供することを目的としている。

本発明の飛翔体の測位装置は、請求項１として、複数のＧＰＳ衛星からの信号と基地局からの信号を受信して自己の位置を検出する主受信機と、飛翔体に搭載され且つ複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信して自己の位置を検出する搭載受信機を備え、主受信機から搭載受信機にデータを入力する有線のデータ入力経路を介して双方を分離可能に接続した構成とし、請求項２として、飛翔体が、発射用の金属製構造物に収容してある構成とし、請求項３として、主受信機から搭載受信機に入力するデータとして、複数のＧＰＳ衛星の配置情報を含む構成とし、請求項４として、主受信機から搭載受信機に入力するデータとして、飛翔体の飛翔経路を示す三次元飛翔情報を含む構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するするための手段としている。

本発明の請求項１に係わる飛翔体の測位装置では、主受信機において、複数のＧＰＳ衛星からの信号と基地局からの信号を常に受信し、基地局からの信号を誤差補正情報として用いて、各信号に基づいて自己の位置を検出し、そのデータを有線のデータ入力経路により飛翔体の搭載受信機に入力する。

つまり、主受信機には、Ｃ／Ａコードを使用するＤＧＰＳの受信機を用いることが可能であり、これによりＣ／Ａコードを使用するＧＰＳよりも高精度のデータが得られる。また、搭載受信機は、電源を投入した時点で主受信機から高精度のデータが入力されて直ちに初期設定が成されるので、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳを用いることが可能となる。

そして、飛翔体の測位装置は、飛翔体の発射と共に、データ入力経路の部分で主受信機と搭載受信機を分離する。このとき、飛翔体の測位装置は、任意の発射位置で飛翔体を緊急発射したとしても、その発射以前に、常に測位を行っている主受信機から搭載受信機にデータを入力しているので、飛翔体の発射後においても、搭載受信機が主受信機と等価の測位精度を維持する。

また、飛翔体の発射後、搭載受信機は、基地局からの信号を受信せずに、複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信して測位を行うことになるが、主受信機からのデータすなわち基地局からの信号を含むデータを記憶しているので、飛翔体の飛翔時間が短いものであれば、目標に到達するまでに発生する測位誤差はきわめて小さいものとなる。

本発明の請求項２に係わる飛翔体の測位装置では、飛翔体が、発射用の金属製構造物に収容してある。この場合、金属製構造物が電波を遮断するので、飛翔体に搭載した受信機で信号を受信することはできない。これに対して、当該飛翔体の測位装置では、主受信機で常に信号を受信し、そのデータを搭載受信機に入力しているので、発射用の金属製構造物に収容した飛翔体に適用し得る。

本発明の請求項３に係わる飛翔体の測位装置では、主受信機から搭載受信機に入力するデータに、複数のＧＰＳ衛星の配置情報が含まれているので、飛翔体の発射直後には、単独測位を行うに際して、搭載受信機によるＧＰＳ衛星の捕捉及び選択を短時間で行い得ることとなる。

本発明の請求項４に係わる飛翔体の測位装置では、主受信機から搭載受信機に入力するデータに、飛翔体の飛翔経路を示す三次元飛翔情報が含まれているので、飛翔体の発射後には、単独測位を行いつつ三次元飛翔情報に基づいて飛翔体を飛翔させる。

本発明の請求項１に係わる飛翔体の測位装置によれば、例えば、飛翔時間が比較的短く、発射位置が不特定であり、緊急発射が要求されるような飛翔体に好適であって、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳを用いて、上記飛翔体の測位精度や目標到達精度を向上させることができ、また、上記ＧＰＳ及びＤＧＰＳの利用により生産コストの低減も実現することができる。

本発明の請求項２に係わる飛翔体の測位装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、ロンチャ、キャニスター及び砲身等のように電波を遮断する発射用の金属製構造物に収容した飛翔体に対しても、ＧＰＳを用いた測位装置の適用を実現することができる。

本発明の請求項３に係わる飛翔体の測位装置によれば、請求項１又は２と同様の効果を得ることができるうえに、複数のＧＰＳ衛星の配置情報を主受信機から搭載受信機に入力することにより、飛翔体の発射直後に、搭載受信機によるＧＰＳ衛星の捕捉及び選択を短時間で行うことができる。これにより、飛翔体が高速度に達する以前に、単独測位や誘導制御を迅速に開始することができると共に、飛翔体の目標到達精度をより高めることができ、また、単独測位や誘導制御の早期開始に伴って、誘導制御の駆動力とともに誘導制御用の装置やエネルギー源の容量を小さくして、飛翔体の軽量化を実現することができる。さらに、飛翔中において、一旦選択したＧＰＳ衛星の信号が受信不能になるような事態が生じても、ＧＰＳ衛星の再捕捉及び選択を短時間で行うことができる。

本発明の請求項４に係わる飛翔体の測位装置によれば、請求項３と同様の効果を得ることができるうえに、ＧＰＳ衛星の配置情報に加えて三次元飛翔情報を主受信機から搭載受信機に入力することから、例えば飛翔中の飛翔体に姿勢変化が生じる場合でも、ＧＰＳ衛星を常に捕捉し且つ選択して単独測位を良好に継続することができる。

図１は本発明の飛翔体の測位装置の一実施例を説明する図である。図示の飛翔体の測位装置は、飛翔体Ａの発射装置Ｂに設けた主受信機１と、飛翔体Ａに搭載した搭載受信機２と、主受信機１から搭載受信機２にデータを入力するデータ入力経路３を備えている。

飛翔体Ａは、例えば、飛翔時間が比較的短く、発射位置が不特定であり、緊急発射が要求されるようなものであって、より具体的には、ロケット弾、砲弾及びミサイル等であり、発射装置Ｂにおいて、ロンチャ、キャニスター及び砲身等の金属製構造物Ｃに収容してある。

主受信機１は、Ｃ／Ａコードを使用するＤＧＰＳの受信機であり、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号と、経度緯度が明らかである基地局Ｓ２からの信号を受信して自己の位置を検出し、とくに、基地局Ｓ２からの信号を誤差補正情報として用いることにより、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳの受信機よりも高い測位精度を有している。なお、主受信機１は、当然のことながら、発射装置Ｂにおいて、各信号を常に受信し得る状態に設けてある。また、基地局Ｓ２には、航空機や船舶等の無線航路標識や放送局などが含まれる。

搭載受信機２は、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳの受信機であり、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号を受信して自己の位置を検出する。また、飛翔体Ａでは、搭載受信機２からのデータを制御回路４に入力し、飛翔体の姿勢制御などを行うようにしている。

データ入力経路３は、信号を伝達する電線や光ファイバーなどのケーブル、コネクタ類及びその周辺機器を含むもので、例えば飛翔体Ａの側部に対して係脱可能なコネクタにより、主受信機１と搭載受信機２を分離可能に接続している。

上記構成を備えた飛翔体の測位装置は、主受信機１において、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号と基地局Ｓ２からの信号を常に受信し、自己の位置を検出すると共に、初期位置、衛星軌道歴並びに複数のＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報、ＧＰＳ時刻、時計、誤差補正データ、電離層補正パラメータ及び飛翔体の飛翔経路を示す三次元飛翔情報等のデータを有線のデータ入力経路３により飛翔体Ａの搭載受信機２に入力する。このとき、飛翔体の測位装置は、主受信機１が常時測位を行うので、当該装置を搭載した発射装置Ｂが移動するものであっても構わない。

また、搭載受信機２では、飛翔体Ａが電波を遮断する金属製構造物Ｃに収容してあるので、飛翔体Ａの発射以前にＧＰＳ衛星Ｓ１の信号を直接受信することはできないが、電源を投入した時点で主受信機１からデータが入力されるので、誤差補正情報を含む高精度のデータに基づいて直ちに初期設定が成される。

そして、飛翔体の測位装置は、飛翔体Ａの発射に伴って、例えば飛翔体Ａからデータ入力経路３のコネクタを離脱させることにより、主受信機１と搭載受信機２を分離する。このとき、飛翔体の測位装置は、任意の位置で飛翔体Ａを発射したとしても、その発射以前に、常に測位を行っている主受信機１から搭載受信機２にデータを入力しているので、飛翔体Ａの発射後においても、搭載受信機２が主受信機１と等価の測位精度を維持する。

また、飛翔体Ａの発射後、搭載受信機２は、基地局Ｓ２からの信号を受信せずに、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号だけを受信して測位を行うことになるが、主受信機１からのデータすなわち基地局Ｓ２からの信号を含むデータを記憶しているので、とくに飛翔体Ａの飛翔時間が短いものであれば、目標に到達するまでに発生する測位誤差はきわめて小さい。

このようにして、飛翔体の測位装置は、Ｃ／Ａコードを使用するＤＧＰＳの主受信機１、及びＣ／Ａコードを使用するＧＰＳの搭載受信機２を用いて、上記飛翔体Ａの測位精度や目標到達精度を向上させるものとなり、また、電波を遮断する発射用の金属製構造物Ｃに収容した飛翔体Ａに対しても充分に適用し得ることが明らかであり、そしてさらに、Ｃ／Ａコードを使用するＧＰＳ及びＤＧＰＳの利用によって生産コストの低減なども実現し得るものとなる。

ここで、当該飛翔体の測位装置では、主受信機１から搭載受信機２に入力するデータとして、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報と、飛翔体Ａの飛翔経路を示す三次元飛翔情報を含んでいるので、発射後の飛翔体Ａが高速度に達する以前に、飛翔体Ａの単独測位や誘導制御を迅速に開始することができ、また、飛翔中におけるＧＰＳ衛星Ｓ１の再捕捉や選択も短時間で行うことができる。

例えば、単にＣ／ＡコードのＧＰＳを使用した飛翔体では、発射直後に複数のＧＰＳ衛星を捕捉し、その中から測位に適したＧＰＳ衛星を選択し、選択したＧＰＳ衛星からの信号を受信して測位を開始することから、発射直後から測位開始までに時間がかかる。このため、測位開始までの間に飛翔体の速度が増大し、高速度になってから誘導制御を開始するので、誘導制御のために大きな駆動力が必要になり、誘導制御の装置やエネルギー源の容量も大きくなる。また、飛翔中において、飛翔体の姿勢変化とともにアンテナの向きが変わり、一旦選択したＧＰＳ衛星からの信号が受信不能になった場合、ＧＰＳ衛星を再捕捉して選択するのに時間がかかる。

これに対して、当該飛翔体の測位装置では、主受信機１において、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１を捕捉してＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報を取得すると共に、選択したＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号と基地局Ｓ２からの信号により常に測位を行って、これらのデータを搭載受信機２に入力しており、飛翔体Ａの発射時には、発射装置Ｂにおける飛翔体Ａの方位や発射角度などに基づいて飛翔体Ａの飛翔経路を予測し、これを飛翔経路を示す三次元飛翔情報として主受信機１から搭載受信機２に入力する。

これにより、当該飛翔体の測位装置では、飛翔体Ａの発射とともにデータ入力経路３を切り離し、飛翔体Ａは、複数のＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号を受信して単独測位を行いながら飛翔するが、この際、発射直前に搭載受信機２に入力したＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報と三次元飛翔情報を制御回路４等に含まれる演算器で照合することにより、発射直後から極めて短時間で複数のＧＰＳ衛星Ｓ１を捕捉して測位に適したＧＰＳ衛星Ｓ１を選択し、単独測位や誘導制御を開始して飛翔し続ける。

つまり、当該飛翔体の測位装置では、三次元飛翔情報に基づいて飛翔経路上での飛翔体Ａの姿勢変化を予め把握しているので、ＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報と飛翔体Ａの三次元飛翔情報に基づいて、飛翔中に選択すべきＧＰＳ衛星Ｓ１の順番を決めておくことで、飛翔体Ａの姿勢が変化してアンテナの向きが変わっても、次のＧＰＳ衛星Ｓ１を速やかに選択して単独測位を良好に継続することができる。

なお、一般に、ロケット弾、砲弾及びミサイル等の飛翔体Ａの飛翔時間は、ＧＰＳ衛星Ｓ１の位置移動速度に比べて非常に短いので、発射直前に入力したＧＰＳ衛星Ｓ１の情報が有効でなくなる前に目標に到達することができる。

このように、当該測位装置を用いた飛翔体Ａでは、発射から単独測位を開始するまでに時間がかかることはなく、高速度に達する以前に単独測位や誘導制御を迅速に開始することができるので、誘導制御のための駆動力も小さくて済み、誘導制御の装置やエネルギー源の容量を小さくして軽量化を実現し得るものとなり、また、飛翔中における単独測位も良好に継続できるので、目標到達精度が高くなる。

また、当該飛翔体の測位装置では、飛翔体Ａが、ＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報と三次元飛翔情報とを照合する演算器を持たない場合には、主受信機１又はこれに接続した外部機器により予めＧＰＳ衛星Ｓ１の配置情報と三次元飛翔情報を照合し、搭載受信機２に対して選択すべきＧＰＳ衛星Ｓ１の配置を入力し、搭載受信機２においてＧＰＳ衛星Ｓ１の選択順番を決定するようにすれば、発射後のＧＰＳ衛星Ｓ１の捕捉及び選択を短時間で行うことができる。

さらに、この種の飛翔体Ａでは、上記した飛翔中の姿勢変化以外に、発射や飛翔中の分離イベント等の際に、振動、衝撃、減速又は加速の加速度、及びスピンによる遠心力などが加わり、これらの外力によりＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号がドップラーシフトしたり、ＧＰＳ受信機の構成品である基準周波数発信器がドリフトしたりすることで、一旦捕捉したＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号を見失うことがある。

これに対して、当該飛翔体の測位装置によれば、先述したように発射後のＧＰＳ衛星Ｓ１の捕捉及び選択を短時間で行うことができるので、飛翔体Ａに加わる外力などにより、一旦捕捉したＧＰＳ衛星Ｓ１からの信号を見失っても、ＧＰＳ衛星Ｓ１の再捕捉及び選択を容易に行うことができ、このように時間的損失が少ないことからも、誘導制御の迅速化並びに飛翔体Ａの軽量化に貢献し得るものとなる。

なお、上記実施例では、飛翔体Ａがロンチャ、キャニスター及び砲身等の金属製構造物Ｃに収容してある場合を説明したが、当該飛翔体の測位装置は、航空機の翼下のように機体が障害となって衛星信号を受信し難い位置に取り付けられている飛翔体にも当然適用可能であり、この場合にも上記実施例と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施例における飛翔体の測位装置は、Ｃ／ＡコードのＧＰＳを用いたＤＧＰＳにより高精度の測位を行うものであるが、Ｃ／ＡコードのＧＰＳよりも高精度であるＰコードのＧＰＳを使用することも当然可能である。

本発明に係わる飛翔体の測位装置の一実施例を説明するブロック図である。

符号の説明

Ａ 飛翔体
Ｂ 発射装置
Ｃ 発射用の金属製構造物
Ｓ１ ＧＰＳ衛星
Ｓ２ 基地局
１ 主受信機
２ 搭載受信機
３ データ入力経路

Claims (4)

1. 複数のＧＰＳ衛星からの信号と基地局からの信号を受信して自己の位置を検出する主受信機と、飛翔体に搭載され且つ複数のＧＰＳ衛星からの信号を受信して自己の位置を検出する搭載受信機を備え、主受信機から搭載受信機にデータを入力する有線のデータ入力経路を介して双方を分離可能に接続したことを特徴とする飛翔体の測位装置。
2. 飛翔体が、発射用の金属製構造物に収容してあることを特徴とする請求項１に記載の飛翔体の測位装置。
3. 主受信機から搭載受信機に入力するデータとして、複数のＧＰＳ衛星の配置情報を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の飛翔体の測位装置。
4. 主受信機から搭載受信機に入力するデータとして、飛翔体の飛翔経路を示す三次元飛翔情報を含むことを特徴とする請求項３に記載の飛翔体の測位装置。

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