JP2009244143A - 宇宙機測位システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数配置されたビーコン発信機からの信号を利用して、ＧＰＳ信号を受信できない宇宙空間で、より精度の高い位置や速度の同定を行なうことのできる宇宙機測位システムを得ることを目的とする。
【解決手段】 着陸目標地点の周囲に４機配置され、軌道データと基準時刻を含めたビーコン信号を発信するビーコン発信機と、宇宙機に搭載され、ビーコン発信機の電波を受信する送信アンテナと、送信アンテナにより受信した少なくとも４機のビーコン発信機からのビーコン信号に基づいて、自身の位置座標および速度を計算する演算処理装置とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、宇宙機の測位を行なう宇宙機測位システムに関するものである。

従来、ＧＰＳ衛星を利用した航法測位により、地球を周回する人工衛星や宇宙ステーションにドッキングする宇宙機の測位を行なう測位システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、月面に向かって航行する宇宙機では、ＧＰＳ信号の受信が困難であり、ＧＰＳ衛星を利用した航法測位を行なうことができない。

特開平１１−１１８８７５号公報

一方、従来、航空機での着陸航法システムとして、マーカービーコンにより、コースの直上に向けて電波を発射して航空機に上空通過を確認させ、滑走路の着陸進入端までの距離を取得する測位システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−９２７９９号公報

この種の測位システムでは、マーカービーコンを滑走路端から滑走路の手前に既知の間隔で２ないし３ヶ所、例えば約３００メートル、１０００メートル、７０００メートルの地点に配置しておく必要がある。このため、着陸コースを外れた場合や、マーカービーコンの設置が困難な着陸地点では、マーカービーコンを利用した測位システムが利用できない。このため、例えば、月面のようなマーカービーコンの設置が難しい着陸地点では、マーカービーコンを利用した測位システムを構築することが難しい。

ＧＰＳ信号を受信することができない月面では、ＧＰＳ衛星を利用した航法測位を行なうこと自体ができないという問題があった。

また、特許文献２に示された従来のビーコンを利用した測位システムでは、ある直線方向に対して既知の間隔で設置したビーコン発信機からのビーコン信号を用いた測距であるため、月面に着陸する宇宙機の着陸航法システムに適用する場合、マーカービーコンの設置が難しく、なおかつ航行軌道が制限されてしまうという問題があった。

そこで、本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、複数配置されたビーコン発信機からの信号を利用して、ＧＰＳ信号を受信できない宇宙空間で、より精度の高い位置や速度の同定を行なうことのできる宇宙機測位システムを得ることを目的とする。

この発明に係る宇宙機測位システムは、着陸目標地点の周囲に少なくとも４機配置され、自身の軌道データと基準時刻を含めたビーコン信号を発信するビーコン発信機と、上記ビーコン発信機の電波を受信するための送信アンテナと、上記送信アンテナにより受信した少なくとも４機のビーコン発信機からのビーコン信号に基づいて、自身の位置座標および速度を計算する演算処理装置とを有し、上記着陸目標地点に向かう宇宙機とを具備したものである。

また、ビーコン発信機は月の周回軌道に配置されるものであっても良い。

この発明に係る宇宙機測位システムによれば、軌道位置が推測可能な位置に複数配置されたビーコン発信機からの信号を利用することで、宇宙機について、より精度の高い自己位置や速度の同定を行なうことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１における宇宙機測位システムの構成の一例を示す図である。図において、宇宙機測位システムは、宇宙機２と、宇宙機２の着陸目標地点９の周囲に少なくとも４機配置されたビーコン発信機１から構成される。ビーコン発信機１は、送信アンテナ１１と、送信装置１２と、時計装置１３とから成る。宇宙機２は、受信アンテナ２１と、受信装置２２と、演算処理装置２３と、時計装置２４とから成る。図の例では、１つの宇宙機２しか記載していないが、さらに複数の宇宙機２を有していても良い。

送信アンテナ１１は、ビーコン発信機１の外部に突出して設けられ、宇宙機２に向けてビーコン信号を放射できる位置に配置される。時計装置１３は、ビーコン発信機１の内部に設置され、自身のビーコン発信機における基準時刻情報を生成する。送信装置１２は、内部のメモリに予め設定された既知のビーコン発信機の軌道データを所持している。また、送信装置１２は、時計装置１３からの基準時刻情報と、送信装置１２の有するビーコン発信機の軌道データとから、ビーコン信号を生成する。送信装置１２は、生成したビーコン信号を、送信アンテナ１１の介在により周囲に送信する。

受信アンテナ２１は、宇宙機２の外部に突出して設けられ、ビーコン発信機１からのビーコン信号を受信できる位置に配置される。受信装置２２は、受信アンテナ２１により受信したビーコン信号から、各ビーコン発信機の軌道データおよび基準時刻情報を抽出し、演算処理装置２３へ伝達する。時計装置２４は宇宙機２の内部に設置され、宇宙機の基準時刻情報を生成する。演算処理装置２３は、各ビーコン発信機から受信し抽出した軌道データおよび基準時刻情報と、宇宙機の基準時刻情報に基づいて、宇宙機２自身の位置および速度を計算する。

次に、ビーコン発信機１の配置例について説明する。
図２は、少なくとも４機のビーコン発信機１の配置例を示す図である。図中、月５は地球３を周回する衛星である。図中、４機のビーコン発信機１として、３機のビーコン発信機１ａと１機のビーコン発信機１ｂを示している。
図２において、３機のビーコン発信機１ａは、月５の周囲を周回する既知の月周回軌道６上に配置される。３機のビーコン発信機１ａは、宇宙機２が航行する前に地球３からロケットで打ち上げられ、月周回軌道６上に事前に軌道投入される。この軌道への投入は、月面上にビーコンの設置位置を正確に設定するのに比べて、容易に実現できる。

また、ビーコン発信機１ｂは、地球３の地表上における慣性空間座標系における既知の位置に設置される。このように、少なくとも４つのビーコン発信機１が地球３と月５の周囲に配置され、何れのビーコン発信機１も自身の既知の軌道データを所持している。

宇宙機２は、地球３から月５に向かって航行し、月５に着陸するための月着陸軌道７を通って、月５に着陸する。月着陸軌道７は、宇宙機２の月５への着陸位置によって複数存在するが、各ビーコン発信機１ａの月周回軌道６の内側における所定の着陸時通過領域８内を通ることとなる。このため、月５を周回する各ビーコン発信機１ａは、姿勢制御装置（図示せず）による自身の姿勢制御によって、自身の送信アンテナ１１が常に着陸時通過領域に対してビーコン信号を放射できるように、送信アンテナ１１の指向方向が設定される。
地球３に設置されたビーコン発信機１ｂは、アンテナ駆動制御装置（図示せず）によりアンテナの指向方向が揺動制御されて、常に着陸時通過領域８を指向するように送信アンテナ１１の指向方向が設定される。
なお、ビーコン発信機１ａはコマンド受信装置（図示せず）を有し、地球からのコマンド送信によって、適宜送信装置１２の所持するビーコン発信機の軌道データを書き換えすることができる。

また、宇宙機２が地球３から見て月陰部を航行する場合は、地球３のビーコン発信機１ｂからのビーコン信号が受信できない。このため、例えば月５の中心をひとつの焦点とする周回軌道に配置された、他のビーコン発信機１からの信号を用いることも可能である。
図３は、少なくとも４機のビーコン発信機１の他の配置例を示す図である。図中、図２と同一符号のものは同一相当のものを示す。

図３において、４機のビーコン発信機１は、月５の周囲を周回する既知の月周回軌道６上に配置される。４つのビーコン発信機１が月５の周囲に配置され、何れのビーコン発信機１も自身の既知の軌道データを所持している。４機のビーコン発信機１ａは、宇宙機２が航行する前に地球３からロケットで打ち上げられ、月周回軌道６上に事前に軌道投入される。この軌道への投入は、月面上にビーコンの設置位置を正確に設定するのに比べて、容易に実現できる。

宇宙機２は、地球３から月５に向かって航行し、月５に着陸するための月着陸軌道７を通って、月５に着陸する。月着陸軌道７は、宇宙機２の月５への着陸位置によって複数存在するが、各ビーコン発信機１の月周回軌道６の内側における所定の着陸時通過領域８内を通ることとなる。このため、月５を周回する各ビーコン発信機１は、姿勢制御装置（図示せず）による自身の姿勢制御によって、自身の送信アンテナ１１が常に着陸時通過領域に対してビーコン信号を放射できるように、送信アンテナ１１の指向方向が設定される。
なお、ビーコン発信機１はコマンド受信装置（図示せず）を有し、地球からのコマンド送信によって、適宜送信装置１２の所持するビーコン発信機の軌道データを書き換えすることができる。

次に、実施の形態１による宇宙機測位システムの測位動作について説明する。
宇宙機２は、地球３から月５に向かって月着陸軌道７上を航行し、月面に接近する。
演算処理装置２３は、予め予定された時間または月着陸軌道７の軌道データと現在時刻に基づいて、宇宙機２が着陸時通過領域８に到達しているか否かを判断する。
演算処理装置２３は、宇宙機２が着陸時通過領域８に到達していると判断されると、実施の形態１による宇宙機測位システムを用いた測位を開始し、月面の着陸目標地点９への着陸に向けて、着陸誘導制御を行う。

着陸誘導が開始されると、まず、宇宙機２の受信装置２２は、複数のビーコン発信機１のうち、ｊ番目（ｊ＝１〜４の整数）の発信機からのビーコン信号を受信する。演算処理装置２３は、受信装置２２の受信したビーコン信号に含まれる、時刻情報と自己の持つ時計の時刻情報とに基づいて、ビーコン発信機１と宇宙機２との間の信号伝達時間を測定する。
この信号伝達時間により、宇宙機２からビーコン発信機１までの擬似距離Ｌｊ を求める。

さらに、演算処理装置２３は、ビーコン信号に含まれるビーコン発信機１の軌道データを解析して、このｊ番目のビーコン発信機１の三次元座標（Ｐｊ，Ｑｊ，Ｒｊ）を求める。
ここで、宇宙機２に設けられた受信アンテナ２１の三次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、以下に示されるような方程式が成り立つ。

式（１）において、Ｅr はビーコン発信機が持っている時計装置１３と宇宙機２の時計装置２４との時刻誤差に起因する未知のパラメータであり、知ろうとする宇宙機２の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、この時刻誤差によるＥr とを合わせて未知パラメータが４個になる。このため、少なくとも４個のビーコン発信機１からビーコン信号を受信し、（１）式と同様の方程式をたてて、これらを連立させて解くことで、宇宙機２の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる。

かくして、演算処理装置２３は、宇宙機２の三次元座標を精度良く求めることで、求めた三次元座標を用いて、予め設定された月面の着陸目標地点９との相対距離、宇宙機３の移動速度や、予め予定された月着陸軌道７からの宇宙機航行位置の軌道位置ずれを求める。
演算処理装置２３は、求めた上記相対距離、移動速度や軌道位置ずれを確認しながら、月面の着陸目標地点９へ向けて宇宙機２を自律的に誘導する。

次に、月５を周回するビーコン発信機１（１ａも同様）の軌道データの例を示す。
ビーコン発信機１は、例えば月の中心をひとつの焦点とする周回軌道に配置される。
この場合のビーコン発信機１の軌道データは、月中心から宇宙機までの距離をｒとして、以下の式で表される。

ここで、ビーコン発信機１の角運動量をＨ、全エネルギーをＥ_０として、

次に、軌道データを解析して三次元座標（Ｐｊ，Ｑｊ，Ｒｊ）を求める例を示す。
ビーコン発信機１（１ａも同様）の三次元座標（Ｐｊ，Ｑｊ，Ｒｊ）は、上記式（２）により得られる軌道データについて、周回軌道の６要素をもとに、以下の式（５）で求めることができる。

ここに、軌道傾角をｉ、近地点引数をω、真近点角をθ、昇交点赤経をΩとして、

なお、ビーコン発信機１ｂの軌道データとして予め設定された慣性空間座標系における既知の位置座標を設定し、ビーコン発信機１ｂの三次元座標（Ｐｊ ，Ｑｊ ，Ｒｊ ）を、上記式（２）、（５）によらず、予め設定された慣性空間座標系における既知の位置座標から求めても良い。

以上説明したとおり、この実施の形態１による宇宙機測位システムは、宇宙機２の向かう着陸目標地点の周囲に少なくとも４機配置され、自身の軌道データと基準時刻を含めたビーコン信号を発信するビーコン発信機１と、ビーコン発信機１の電波を受信するための送信アンテナ１１と、送信アンテナ１１により受信した少なくとも４機のビーコン発信機１からのビーコン信号に基づいて、自身の位置座標および速度を計算する演算処理装置２３とを有した宇宙機２を備えたことを特徴とする。この際、ビーコン発信機１は月の周回軌道に配置される。また、演算処理装置２３は、宇宙機２が月５の周回軌道内の着陸時通過領域８に到達した後、ビーコン発信機１の電波を用いて自身の位置座標および速度を計算する。

この構成により、より精度の高い位置や速度の同定、および基準時刻の獲得が求められるような、地表面や月面への着陸航法システムに適用可能な宇宙機測位システムを得ることができる。

また、複数配置されたビーコン発信機１からの信号を利用することで、地球に対して月面の裏側となる月面周囲の広範囲に渡り、宇宙機２の航行軌道を拡張することができる。

さらに、ビーコン信号を受信する受信装置２２を搭載した宇宙機２を、月面に向かって着陸させる際、着陸中に着陸目標地点周辺に複数配置させたビーコン発信機１からのビーコン信号を受けることで、演算処理装置２３によりリアルタイムで宇宙機自身の位置と速度を自律的に求めることができ、より正確な宇宙機２の着陸誘導制御を行なうことが可能となる。

この発明の実施の形態１による宇宙機測位システムの構成の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１によるビーコン発信機の配置例を示す図である。 この発明の実施の形態１によるビーコン発信機の他の配置例を示す図である。

符号の説明

１ ビーコン発信機、２ 宇宙機、３ 地球、５ 月、９ 着陸目標地点、１１ 送信アンテナ、１２ 送信装置、１３ 時計装置、２１ 受信アンテナ、２２ 受信装置、２３ 演算処理装置、２４ 時計装置。

Claims (3)

1. 着陸目標地点の周囲に少なくとも４機配置され、自身の軌道データと基準時刻を含めたビーコン信号を発信するビーコン発信機と、
   上記ビーコン発信機の電波を受信するための送信アンテナと、上記送信アンテナにより受信した少なくとも４機のビーコン発信機からのビーコン信号に基づいて、自身の位置座標および速度を計算する演算処理装置とを有し、上記着陸目標地点に向かう宇宙機と、
   を備えた宇宙機測位システム。
2. 上記ビーコン発信機は月の周回軌道に配置されることを特徴とした請求項１記載の宇宙機測位システム。
3. 上記演算処理装置は、上記宇宙機が月の周回軌道内の所定領域に到達した後、上記ビーコン発信機の電波を用いて自身の位置座標および速度を計算することを特徴とした請求項２記載の宇宙機測位システム。

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