JP2005509126A - 遠隔姿勢／位置指示システム - Google Patents

Abstract

超音波センサ（１０８、２１０）を使用して、測定システムの座標系の空間で離れた２点が描くポインティング・ベクトルを決定する方法および装置。測定するには、その空間的に離れた座標が所望のポインティング・ベクトルを形成する２つのエミッター（１０８）から音響信号（２４０）が送信される。３つの検出器（２１０）、関連する受信電子機器（２１５、２１８）、およびソフトウェア（２２０、２２２）が、飛行時間測定値から６つの異なる球体（２５０）を算出するのに必要である。各エミッター（１０８）に関連する３つの球体の交点が、そのエミッター（１０８）の検出器の座標系で所望の位置を描く。各エミッター（１０８）の座標によって、標準の形状を使用してポインティング・ベクトルが算出される。基準（２３０）は、各検出器（２１０）への信号の飛行時間を求めるために必要である。別の実施形態は、ベクトル・ポイントで、既知の固定遅延を備える信号（２４０）の往復送受信によってタイミングが得られるアクティブな反射技術を使用する。

Description

【０００１】
発明の背景
発明の分野（技術分野）
本発明は、対象物の位置および向きを決定するシステムに関し、より詳細には、対象物への物理的なつなぎ線（ｔｅｔｈｅｒ）または接続なしに、またシステムと目的の対象物との間の位置合わせまたは所定の空間的関係なしに空間内での対象物の任意の位置および向きを音響ベースで決定するための方法および装置に関する。
【０００２】
背景技術
本発明が解決する問題は、位置および方向に関する間接照準射撃武器システムの効率的かつ正確な初期照準合わせ、および武器システムを標的に向かって正確に発砲するのに必要なその後の姿勢測定である。さらに、武器に物理的に取り付けるハードウェアを最小限に抑えることと同様に重量および所要電力を最小限に抑えることがこの解決策には極めて重要となる。
【０００３】
この問題の解決を図る方法は２つある。第１の方法は、自己推進式武器システムで使用される方法である。自己推進式武器システムは、三軸姿勢センサおよび全地球測位システム（ＧＰＳ）を使用してポインティング・データ（ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｄａｔａ）を求める。第２の方法は、理論的光学的方法である。このシステムでは、筒の端部にバーコードを付け、バーコード読取装置を使用して筒の変位を測定し、方位角を計算する。
【０００４】
牽引型または携帯型の間接照準射撃武器システムは、実測照準円を使用して照準を合わせる。システムの照準を射撃の方位角に合わせ、正確な位置をとった後で、光学照準器および照準基準（照準ポール、コリメータ、または遠隔照準点）を使用して、その後のすべての照準合わせを行う。間接照準射撃武器システムの照準を合わせてその後ポインティングするこのシステム／方法に関していくつかの問題があり、現在、迫撃砲を正確に据え付けるために実測が必要とされている。正確な実測値を、間接照準射撃武器システムの据付場所に伝えることは難しい。さらに、照準円を使用して据え付けるには、時間がかかり過ぎると思われる。照準円を使用する場合、武器の配置場所は、照準円への直線の視野方向に限られる。その結果、武器は、戦術上の問題点に最適となるようには配置されない。姿勢検出装置およびＧＰＳを使用することによって実測値の必要性はなくなるが、この方法にも欠点がある。自己推進式ポインティング・システムの主な欠点は、重量および所要電力がかかり過ぎることである。牽引型または携帯型の解決方法は、自己推進式システムに使用する装置に適応することが出来ない。さらに自己推進式システムは、筒に取り付けられるため、激しい衝撃と振動、および高温にさらされる。その結果電子部品の故障率は、許容できないほど高くなる。
【０００５】
第２の方法は、光学機器を使用して武器のポインティングを実施するシステムである。武器の筒の端部にバーコードが付けられ、バーコード読取装置が数メートル離れたところに配置される。筒が移動すると、バーコード読取装置は、変位をピックアップし、計算を行って方位角および射角を求める。この光学式の解決方法は理論上のものであるため、精度要件は立証されていない。
【０００６】
現在の方法は、重量、電力、精度、および筒外取付け（ｏｆｆ ｔｕｂｅ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）の各要件に対処することができない。
最新式のすべてのポインティング・システムは、衛星航空システム（ＧＰＳ）受信機、慣性航法システム（ＩＮＳ）など、ある種の位置／姿勢測定装置を必要とする。この問題を解決するための現在の方法は、問題の対象物に慣性航法システム（ジャイロスコープおよび加速度計）の設置を利用することが最も多い。多くの応用分野では、この解決方法はコストが非常に高くつく。光学式の手法は、対象物の位置が変われば、正確な位置決めおよび位置合わせの変更が必要となる。標準の超音波技術では、向きを完全三次元決定するための個別検出モジュールを要する。無線周波数の解決方法は、非常に高速の検出電子機器が必要となる（概算では、こうしたシステムが、迫撃砲筒の最小の増分移動を感知するのに４．６ピコ秒の分解能をもつ必要がある）。
【０００７】
上述したような向きおよび位置の決定問題の解決を図るその他の従来技術のシステムがいくつかある。
【０００８】
Ｃｏｈｅｎらによる米国特許４，８５３，８６３号は、距離、積分することで距離測定値が得られる角度測定値、およびドップラー偏移測定値（導関数）に基づいて計算するための機構として、光、超音波、およびコードを付けばね付きリールに巻いた線を使用するシステムを開示する。Ｃｏｈｅｎらのシステムは、測定値を得るために、同一線上にはない３つのエミッターおよび３つの検出器を必要とする。本発明では、２つのエミッター（同一線上）および３つの検出器（非同一線上）を利用する。Ｃｏｈｅｎらとのもう１つの違いは、本発明では、測地グリッド上のシステムの基準座標系の位置を指定する手段、および基準座標系の向きを決定して絶対姿勢および位置を計算する手段に結合された６つの距離を利用することである。こうした機能強化は、Ｃｏｈｅｎらのシステムにはみられない。さらにＣｏｈｅｎらは、本明細書に開示したような射撃制御の応用例については言及していない。
【０００９】
Ｆｉｇｕｅｒｏａらによる米国特許第５，２８０，４５７号は、超音波および「ストロボ」信号を使用して絶対距離測定を行う手段を開示する。この装置は、システム変数として音速を使用しないように設計されている。Ｆｉｇｕｅｒｏａらは、３次元で対象物の位置および向き（６自由度）を決定する本発明とは違って、３次元で１つの点の位置を決定する手段を記述している。またＦｉｇｕｅｒｏａらは、これを達成するための手段として、ｍ次元でうまく働かせるために１つのエミッターおよびｍ＋２の検出器を使用している。すなわち、３Ｄシステムに１つのエミッターおよび５つの検出器を使用している。この場合も、２つのエミッターおよび３つの検出器をそれぞれ使用する本発明とは異なる。最後に、Ｆｉｇｕｅｒｏａらは、１点の位置を決定する自己較正手段以外の応用例を示していない。
【００１０】
本発明は、対象物の位置および向きを正確に決定する、使いやすい手段を提供する。問題の対象物は、検出装置に対して任意の向きを有しうる。ユーザは、このシステムを使用する際に、正確な基準または基準点を確定する必要がない。
【００１１】
発明の概要（発明の開示）
遠隔姿勢／位置指示装置（ＲＡＰＩＤ）は、既知の座標系に対する対象物の位置およびポインティング姿勢を決定するためのシステムである。ＲＡＰＩＤシステムは、超音波をベースとした測定技術を使用して、既知の座標系で、問題の対象物上の２点から平面を形成する少なくとも３点への距離を求める。２つのエミッターのそれぞれから異なる音響信号を送信して、２つの検出器から少なくとも３つの検出器への異なる各信号の飛行時間を導き出すことによって、６つの最短距離の導出が達成される。飛行時間（ＴＯＦ）の測定は、音響信号が音速で移動するという事実を利用する。最低６つのＴＯＦ測定値を導出するには、検出アルゴリズム（ハードウェアおよび／またはソフトウェア）が、音響信号の送信の瞬間を突き止める必要がある。これは、ＲＦパルス送信を使用して達成することができる。ＲＦパルス送信は、音響パルスと同時に起こるが、検出器および関連する受信電子装置で即座に受信される。３つの音響信号が２つの対象物変換器に送信され、調整され、一定の遅延の後に送信変換器に戻される飛行往復時間を測定することによって、基準パルスなしに同様の結果が得られる。最低６つのＴＯＦ値が導出されると、６つのエミッター／対距離が算出され、それを使用して標準の幾何方程式を用いて最終的に対象物の向きが算出される。
【００１２】
上述したこの方法は、２つの主な電子アセンブリによって実装される。これらは、エミッター・アセンブリ、および検出器アセンブリから成る。問題の対象物には、エミッター・アセンブリが２つあることに留意されたい。エミッター・アセンブリは、音響エミッターおよびＲＦトランシーバ（ＲＦ基準システムの場合）に必要な駆動信号を生成するのに必要な電子回路を含む。検出器アセンブリは、最低３つの変換器で検出された信号を受信、増幅、および処理するのに必要な電子回路を含む。またこの回路は、「送信された時間」の基準信号を受信するためのＲＦトランシーバを含むこともできる。往復測定の実装では、検出器アセンブリは、兼用変換器を駆動し、次いで戻された信号を受信、増幅、および処理するのに必要な電子機器を含んでいる。検出器アセンブリは、既知の座標系（地球座標系（ｅａｒｔｈ ｆｒａｍｅ））で対象物の向きを計算できるようにするための姿勢／方位（ｈｅａｄｉｎｇ）基準装置へのインタフェースを収容している。
【００１３】
本発明の主な目的は、迫撃砲の照準合わせ、ターゲティング、および変位の自動化を可能にすることである。
本発明の別の目的は、迫撃砲台の致死率を高めることである。
【００１４】
本発明の別の目的は、迫撃砲をデジタル戦場に結び付けることである。
本発明の主な利点は、このシステムの砲台への突出しを最小限に抑えることである。
【００１５】
本発明の他の利点は、主な電子機器が武器上にないため、はるかに使いやすい環境であり、それによってシステムにおける環境設計要件のコストの影響が低減する。
【００１６】
さらに本発明の他の利点は、システムが非常に軽く、さらにこのシステムを携帯型および牽引型の追撃砲システムの一部として組み込むことをサポートしていることである。
【００１７】
本発明の他の利点は、システムが特別な設定や較正を必要としないため、操作性および耐攻撃性が向上することである。
本発明の他の利点は、システムの精度が縦揺れ／横揺れ／方位システムの精度に依存しているため、調整可能な性能およびコストを提供できることである。
【００１８】
本発明のその他の目的、利点および新しい特徴、およびさらなる応用分野の範囲は、一部は、添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明に記載されており、一部は以下の考察に基づいて当業者には明らかになり、あるいは本発明の実施によって学び取ることができるであろう。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲で特に指摘された手段および組合せによって実現し、達成することができる。
【００１９】
添付図面は、本明細書に含まれ、その一部を構成しており、本発明のいくつかの実施形態を図示し、説明とあいまって、本発明の原理を説明する役割を果たす。図は、本発明の好ましい実施形態を例示するためのものにすぎず、本発明を限定するものとは解釈されないものとする。
【００２０】
好ましい実施形態の説明
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、対象物への物理的なつなぎ線または接続なしに、またシステムと目的の対象物との間の位置合わせまたは所定の空間的関係なしに空間内での対象物の任意の位置および向きを決定するためのシステムを含む。好ましいシステムを図１に示す。図１に示すように、問題の対象物００１は、追撃砲の筒を表す。対象物００１は、筒の軸に取り付けられ、ある既知の距離だけ離れた２つの音響エミッター・アセンブリ１００を含む。検出器ボックスおよび３つの関連する変換器２００は、筒の姿勢を測定するための基準座標系に配置され、その基準座標系を確立する。以下で詳細に述べるように、エミッター／検出器対の間の６つの測定距離を使用して、筒上の２つのエミッターによって形成されるポインティング・ベクトルを幾何学的に算出する。
【００２１】
このシステムは、図２のエミッター・アセンブリ１００、図３の検出／処理モジュール２００、および関連するソフトウェアを含む。
【００２２】
エミッター・アセンブリ１００は、図２に示すように、２つの超音波変換器１０８、短距離無線周波数トランシーバ１１０、関連する駆動電子機器１０２、電源装置１１６、およびＲＦアンテナ１０６から成る。電子機器１０２は、必要な共振周波数で超音波変換器１０８を励起する。２つの変換器１０８の送信は、検出器で信号を区別できるように、位相または周波数において別々にさせ得る。また回路は、ＲＦトランシーバ１１０を駆動して適切な無線周波数パルス１１２を発行させる。音響／無線周波数サブ回路用の電子機器が発振器１０４からタイミングを引き出し、ＲＦパルス１１２と音響パルス１１４との間の位相関係が知られる。ＲＦパルス１１２は、検出器モジュール２００でタイミング基準としての役割を果たし、検出されたＲＦ／音響信号、および空気中での音速など既知のパラメータの間の位相関係から、エミッターと検出器の間の距離が直接算出できる。
【００２３】
図３に示すように、検出器／処理モジュール２００は、３つの超音波検出器２１０、信号調整電子機器２１６、閾値検出回路２１８、短距離ＲＦトランシーバ２１４、プロセッサ・サブシステム２２０および２２２、およびアンテナ２１２から成る。縦揺れ／横揺れ／方位感知サブシステム２２４および２２６は、検出器／処理モジュール２００で絶対位置／姿勢情報を取得できるようにするために必要となる。
【００２４】
軍事用などある種の応用例の場合、ＧＰＳシステムおよび「戦場インターネット」機能も含まれることになる。気象データ２２８は、「戦場インターネット」を介して受信される。３つの超音波検出器２１０は、同一線上に並ばないようにモジュール２００に取り付けられ、それによって平面を画定する。縦揺れ／横揺れ／方位センサ２２４および２２６は、この平面に対して正確にモジュール２００に取り付けられる。対象物の位置および向きは、縦揺れ／横揺れ／方位センサ２２４および２２６によって確立される合成座標系を基準とする。無線周波数パルス２３０は、検出器モジュール２００で受信され、閾値検出／比較プロセス２２０を初期化する。音響信号２４０は受信され、処理されて、発信元の音響エミッターが知られる。検出器設計の考え得る実施形態の１つは、タイミング回路（２２０内に埋め込まれている）を含み、ＲＦ基準パルス２３０を受信すると高精度のタイマがトリガされ、音響パルス２４０を受信すると飛行時間の測定値が得られる。閾値検出技術２１８を使用して、音響パルス２４０の受信を決定することができる。２つのエミッターのそれぞれから３つの検出器のそれぞれへの飛行時間に関する、ＲＦパルスを基準にした時間間隔によって、各測定サイクルの６個１組の異なる時間間隔２５０が得られる。これらの間隔２５０が処理されて、６つの独立したエミッター−検出器間距離２５０を求めることができる。軍事用などある種の応用例の場合、温度、気圧、湿度などの気象データ２２８を距離決定の要因として考慮して精度を高めることができる。所与の距離結果を生成するエミッターの可能なすべての位置の組は、システムの基準座標系で球体を描く。３つのこうした球体（検出器ごとに１つ）の交点は２点であり、そのうちの１つのみが論理的解である。この解が、音響パルスを引き起こしたエミッターの位置である。第２のエミッターからの信号に対して類似の計算を行うと、対象物（たとえば追撃砲の筒）の位置および向きが完全に求められる。軍事用の応用例の場合、さらに変換計算（図示せず）を行って、システムの基準座標系を、射撃時に使用される測地座標系にマップすることができる。ベクトル・ポインティング角、方位角、および射角を算出するための式は、以下のとおりである。
【００２５】
【数１】

【００２６】
式中、Ｒ₂₀は元の検出器とＸ軸上の検出器の間の距離、Ｒ₃₀は元の検出器とＹ軸上の検出器の間の距離を示す。
結果として得られる距離（ｄ１ａ、ｄ２ａ、ｄ３ａ、ｄ１ｂ、ｄ２ｂ、ｄ３ｂ）は、エミッターの座標であり、方位角および射角は、以下のようにして算出される。
【００２７】
【数２】

【００２８】
【数３】

【００２９】
【数４】

【００３０】
このシステムは、既存の在庫品を使用した縦揺れ／横揺れ／方位モジュール２２４および２２６を使用する低コストの解決方法として実装することができる。埋込み型慣性航法システムを備える検出モジュール２００によって精度が向上し、１つのＩＮＳが複数の武器としての役割を果せるようにすることができる。
【００３１】
システムの基本設計は、音響パルス・エッジ検出のために位相ロック回路（ＰＬＬ）を利用するものであった。１．６ミリ秒間の７５ｋＨｚの正弦波音響パルスがＰＬＬに入力された。この実装は、音響パルスの先頭および末尾を検出する非常に簡単な方法をもたらすことを目的としていた。しかしＰＬＬは、システムに対して指定された距離測定精度を得るのに必要な分解能でエッジの検出を実施するのに十分なほど安定してはいなかった。この設計がＰＬＬをなくすように変更され、音響パルスが高速Ａ／Ｄに入力され、デジタル信号プロセッサによって処理された。その他の同様の既知の技術も使用できるが、この技術によって、５０マイクロ秒以内にＴＯＦ測定値のパルス・エッジを測定できるようになった。この実装によって、最終的に方位角および射角を平均０．５６度（１０ミル）以内の精度で算出できるようになった。
【００３２】
本発明は、ＧＳＰと、縦揺れ／横揺れ／方位センサ２２４および２２６とのインタフェースとなり、検出器／処理モジュール２００に基準座標系および位置情報を提供する。さらに、検出器／処理モジュール２００は、通信無線などその他のシステムへのインタフェースの役割を果たすことが可能となり、射撃制御システムの応用例においては、気象データ（図示せず）を提供する。
【００３３】
このシステムの好ましい実施形態は、ＲＦ基準パルスを必要としない。この実施形態では、所望の距離測定値は、送信された音響パルスの飛行時間の往復測定によって導き出される。このシステムの一般的な構成要素を図４に示す。
【００３４】
送信されたパルスは、武器システム変換器１０８で受信され、増幅され（３１２）、形状変更され（３１４）、検出器／処理モジュール４００に返送される。武器システムにおけるアクティブな電子機器の遅延は固定されている。したがって距離は、電子機器の固定された遅延より小さい飛行時間の合計の半分に等しい。
【００３５】
どちらの実施形態でも、主な検出器アセンブリ駆動電子機器は同じである。変換器１０８は、適切な周波数で駆動電子機器によって生成された入力信号によって励起されたとき、変換器１０８／２１０の共振周波数で音響パルスを生成する。信号は検出変換器２１０で受信される。音響パルスは、変換器２１０を励起し、その結果、受信された信号の周波数および振幅に対応した特徴をもつ電圧信号が得られる。この信号は、調整され、再送信され（好ましい実施形態の場合）、あるいは飛行時間の測定をトリガする（ＲＦ基準パルスの実装形態の場合）。処理用の電子機器／ソフトウェアによって、エミッター／検出器対ごとにＴＯＦ測定値（または往復ＴＯＦ）を捕捉し、次いで数式（１）、（２）、（３）、および（４）の数学的実装によって所望の方位角および射角を算出する。
【００３６】
本発明は、武器システムの方位角および射角を導出するための実装という点で独特である。また、アクティブな反射器の実施形態も、飛行時間のベースとなる基準パルスの必要性をなくすので、独特である。飛行時間は、音響信号のみから得られる。
【００３７】
変換器２１０は、多数の方法で駆動してさまざまな特性信号を生成することができる。特に、パルス幅および形状は、範囲および信号デコーディング／保全性について、所望の性能を提供するように変更することができる。これによって、駆動回路および受信回路の両方で柔軟性を実現することができる。
【００３８】
この処理エレメントは、プログラム可能論理装置、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサなど、いくつかの形態をとることができる。
電源は、バッテリ、あるいは太陽電池などその他のタイプの携帯型電源装置とすることができる。
【００３９】
センサおよび電子機器を組み合わせて一体型パッケージを形成することができる。このパッケージの入力は未調整の駆動信号であり、その出力は、ＴＯＦ測定値、あるいは有効な音響パルス・エッジの受信を指示するトリガである。
【００４０】
さらに音響センサを追加して、温度、およびその他の気柱の影響による音速のばらつきを較正するのに使用することができる。また、追加センサは、測定の精度を向上させ、座標位置測定値のあいまいさをなくす。
【００４１】
上述したように、アクティブな反射器の実装では、ＲＦトランシーバをなくすことができる。また、アルゴリズムをハードウェアおよび／またはファームウェアに実装する場合のプロセッサの必要性をなくすことも可能である。
【００４２】
また、受動反射を使用して本発明を実施することも可能である。つまり、音響パルスが武器システムの表面に送信され、反射されることになる。
このシステムのソフトウェアおよび／またはファームウェアは、システムの２つの機能をサポートする。第１の機能は、ハードウェアの制御である。この機能は、アナログ／デジタル変換器、飛行時間測定タイマ（ハードウェアに実装した場合）などの装置の初期化およびリセット機能を含む。ソフトウェアは、次いで飛行時間（ＴＯＦ）測定値を読み取り、数式（１）、（２）、（３）、（４）で所望の方位角出力および射角出力を算出する。これらの式は、所望の武器ポインティング角を算出するためのアルゴリズムを形成する。この角度がソフトウェアによって縦揺れ／横揺れ／方位センサ２２４および２２６の座標系に変換される。またソフトウェアは、武器システムのオペレータにポインティング・キュー（ｃｕｅ）を提供するユーザ・インタフェース機能を含む。これらのキューは、標的を撃つのに必要な適切な姿勢で武器をポインティングするための情報を提供する。
【００４３】
ユーザによる位置合わせは必要ない。図１に示すような軍事用の応用例の場合、野戦兵は、追撃砲００１を設置し、検出器モジュール２００を１から３メートル離して地面に設定し、エミッター・アセンブリ１００および検出器モジュール２００をオンにする。５秒後、その銃は、銃の現在の場所とその銃が向けられている場所を「知る」。使いやすさがこのシステムの主な利点である。図５は、追撃砲筒の応用例で好ましい実施形態を使用する一般的な方法を示す流れ図である。
【００４４】
本来は、追撃砲の応用例のための使いやすい射撃制御装置として考え出されたが、本明細書に記載した方法は、位置および向きの無接触感知を必要とするどのような状況でも使用することができる。いくつかの応用例が考えられ、それは以下のとおりである。
【００４５】
単一の検出器モジュールを使用した複数の追撃砲の位置／向きの感知。特に、独自のエミッター搬送周波数（またはパルス列）および補助受信電子機器によって、複数の武器は、単一の検出モジュールからサービスを受けることができるようになる。
【００４６】
本発明は、戦車の筒など大型の武器システムで使用することができる。このシステムによってターゲティング情報が提供される以外に、筒垂下感知システム（現在はレーザ／反射器／検出器実装）の代わりにこのシステムを使用することができる。
【００４７】
ターゲット射撃を娯楽とする射手や射撃練習場の管理者は、こうしたシステムを使用して、「煩わしくない」銃腔照準サービスを提供する。
アマチュアの天体用の高性能望遠鏡の所有者であれば、特に、精密なマウント・ドライブの１つとのインタフェースとなる場合、このシステムが非常に興味深いものであることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
好ましい位置／向き感知システムを示す図である。
【図２】
好ましいエミッター・アセンブリを示す概略図である。
【図３】
好ましい検出器モジュールを示す図である。
【図４】
本発明のいずれかの実施形態の一般的な構成要素を示す図である。
【図５】
本発明を使用する一般的な方法を示す流れ図である。

Claims (1)

1. 対象物の位置および向きを決定する方法であって、
   （ａ）対象物上に一列に配置された２つのエミッターを提供するステップと、
   （ｂ）エミッターの視野内で同一線上に配置された少なくとも３つの検出器を提供するステップと、
   （ｃ）測地基準を検出器に提供するステップと、
   （ｄ）各エミッターから異なる信号を送信するステップと、
   （ｅ）各検出器で異なる信号を受信するステップと、
   （ｆ）異なる信号から検出器への少なくとも６つの飛行時間測定値を導出するステップと、
   （ｇ）少なくとも６つの飛行時間測定値を距離に変換するステップと、
   （ｈ）対象物の位置および向きを距離から算出するステップと、
   を含む方法。

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