JP2013210242A

JP2013210242A - 目標位置推定方法

Info

Publication number: JP2013210242A
Application number: JP2012079829A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Katai; 明彦片井; Katsuya Kusaba; 克也草場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】自機の観測値として目標との相対距離及び、ドップラ周波数を使用し慣性装置で観測した自機高度情報と合わせる事で目標の三次元位置(Ｘ、Ｙ、Ｚ)を算出していた。しかし慣性装置で観測した高度情報には誤差などが含まれることから、高度情報が劣化し、これに起因して三次元位置推定精度も劣化していた。
【解決手段】慣性装置の高度情報によらず、自機のセンサにて直下クラッタを観測し、この観測値から自機高度を求めることにより、高度情報の精度を高め三次元位置推定精度も向上させる。
【選択図】図１

Description

この発明は目標の三次元位置を推定する方法に関するものである。特に、自機のセンサにて直下クラッタを観測することにより高度を推定し、目標からの相対距離、ドップラ周波数に基づく画像中心と目標のなす角を用いて目標の三次元位置を推定する方法に関するものである。

従来、目標の三次元位置を推定する際には目標までの相対距離、自機高度、入射角度を用いて目標位置を推定していた。
自機の高度情報を得る方法としては、例えばＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）を用いる方法、慣性装置を用いる方法、あるいはクラッタを観測し高度情報を推定する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１４７１００号公報

しかしながら従来、下記（ａ）〜（ｃ）により目標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の推定精度が低下するという問題があった。（ａ）慣性装置のドリフト誤差により、高度情報の精度が劣化してしまうと、それに伴い目標位置の算出精度も劣化していた。（ｂ）ＧＰＳ搭載時は上記ドリフト誤差を排除することができるが、情報の更新が数秒程度であり、自機で観測する間隔と比較して大きい。（ｃ）複数のセンサ情報を融合する際の時刻整合が難しい。例えば観測時の時間遅れや、観測時刻・観測間隔が異なるためデータ融合が難しい等の問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、三次元目標位置の推定精度の高い目標位置推定方法を得ることを目標とする。

この発明に係る目標位置推定方法は、慣性装置の高度情報によらず、自機のセンサにて直下クラッタを観測することによって、自機高度を推定し、他の自機センサ観測値と組み合わせて目標の三次元位置を推定するものであって、前記飛しょう体の高度を推定する高度検出部と、目標が存在する目標方向の角度を推定する角度推定部と、目標との相対距離を算出する相対距離検出部と、前記飛しょう体の高度と、前記目標方向の角度と、前記相対距離を用いて前記目標位置を算出する三次元位置推定部とを備え、前記高度検出部は、前記飛しょう体の直下方向からの反射波を受信した受信信号の中で最も距離が短い信号が直下クラッタであると判断し、当該信号の受信時間をＴ’としてΔｈ＝ｃＴ’/２（ｃ：光速）により前記飛しょう体の高度Δｈを推定する。

この発明に係る目標位置推定方法によれば、自機のセンサにて高度情報を推定することでドリフト誤差等の誤差要因がなくなり、三次元での目標位置推定精度を向上することができる。
また、１つのセンサにより目標との相対距離、ドップラ周波数、高度を計測するため、データ融合が容易になり、目標位置推定精度を向上することができる。

実施の形態１に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態２に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態３に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態４に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態５に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態６に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態７に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態８に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態９に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態１０に係る目標位置推定方法を説明する図である。

以下、図を参酌しながら、本発明に係る目標位置推定方法について説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る目標位置推定方法を説明する図である。実施の形態１に係る目標位置推定方法は、目標からの反射波を受信した受信信号１０についてＤＢＳ（ＤｏｐｐｌｅｒＢｅａｍＳｈａｒｐｅｎｉｎｇ）処理を行うＤＢＳ処理部１１と、飛しょう体である自機の直下にあるクラッタまでの距離を自機高度Δｈとして算出する直下クラッタ距離検出部１７と、ＤＢＳ処理部１１で求められたΔｆｄから画像中心と目標のなす角θを推定する角度推定部１８と、目標との相対距離ΔＲを算出する相対距離検出部１９と、自機高度Δｈと画像中心と目標のなす角θと目標との相対距離ΔＲにより目標の三次元位置推定を行う三次元位置推定部２０から構成される。

次に、目標位置推定方法の動作を説明する。
目標等からの反射波である受信信号をＤＢＳ処理部１１に入力する。なお、受信信号１０には自機直下のクラッタ及び目標からの受信信号が含まれるものである。ＤＢＳ処理部１１では受信信号のドップラ分解能を向上し、処理後の信号を直下クラッタ距離検出部１７と角度推定部１８と相対距離検出部１９に出力する。複数パルスを送受信し、観測したドップラ周波数に基づきＤＢＳ処理を行う際にＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）を各距離ビンで実施することによりドップラ周波数の分解能を向上することができる。また、これにより、画像中心からのドップラ周波数差Δｆｄを求めることができる。

直下クラッタ距離検出部１７は、受信信号に含まれる反射波のうち、最も距離が短い信号が直下クラッタであると考えて、直下クラッタまでの距離を自機高度Δｈとする。ここでは、受信信号に対する直下クラッタの受信時間Ｔ’を観測し、自機とクラッタ反射面までの距離をΔｈ＝ｃＴ’/２により算出することで、自機高度Δｈを推定する。

角度推定部１８は、ＤＢＳ処理部１１で求められた画像中心からのドップラ周波数差Δｆｄを画像中心と目標のなす角θに換算する処理を行う。

相対距離検出部１９は、送信信号に対する目標からの反射波の受信時間Ｔを観測し、自機と目標までの距離をΔＲ＝ｃＴ/２により算出することで、相対距離ΔＲを推定する。

三次元位置推定部２０は、直下クラッタ距離検出部１７で推定された自機高度Δｈと、角度推定部１８で推定された画像中心と目標のなす角θと、相対距離検出部１９で推定された相対距離ΔＲにより、目標の三次元位置を推定する。

このように本実施の形態に係る目標位置推定方法は、三次元位置推定に必要な自機高度Δｈ、相対距離ΔＲ、画像中心と目標のなす角θを全て観測された受信信号から求めることにより、従来の慣性装置などにより観測された高度情報に含まれる誤差等の影響なく目標の三次元位置推定精度が向上することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１の構成と比較し、ディジタルパルス圧縮処理部１２が追加される。
図２は実施の形態２に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態１と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図２において、新たに受信信号１０とＤＢＳ処理部１１の間にディジタルパルス圧縮処理部１２が追加される。ディジタルパルス圧縮処理部１２において受信信号の圧縮処理を行うことにより、直下クラッタ及び目標からの反射波の距離分解能を向上させることができる。

このように、ディジタルパルス圧縮処理部１２の構成を追加することで、直下クラッタ距離検出部１７、相対距離検出部１９で各々求められる自機高度Δｈ、相対距離ΔＲの高分解能化が図られる。結果として、三次元位置推定部２０における三次元位置の推定精度を向上させることができる。

なお、ディジタルパルス圧縮処理部１２はＤＢＳ処理部１１の後ろに挿入し、ＤＢＳ処理部１１とディジタルパルス圧縮処理部１２の順序を入れ替えても構わない。

実施の形態３．
実施の形態３では実施の形態２の構成と比較して、直下クラッタ距離検出部１７の前に距離方向のゲート制御部１４が追加される。なお、実施の形態２と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図３は、実施の形態３に係る目標位置推定方法を説明する図である。
図３において距離方向のゲート制御部１４は、ＤＢＳ処理部１１が出力する信号に対し、慣性装置の概略高度情報１３を用いて得られた概略高度情報近辺の信号を取り出すように、距離方向にゲート制御を行う。直下クラッタ距離検出部１７は、距離方向にゲート制御された信号に対して、最も距離が短い信号が直下クラッタであると考えて、直下クラッタまでの距離を自機高度Δｈとする。ここでは、受信信号に対する直下クラッタの受信時間Ｔ’を観測し、自機とクラッタ反射面までの距離をΔｈ＝ｃＴ’/２により算出することで、自機高度Δｈを推定する。

このように、実施の形態３では、直下クラッタ距離検出部１７で自機高度Δｈを推定する前に、従来は自機高度Δｈとして活用されていた慣性装置で検出した概略高度情報を基に、直下クラッタ距離近傍に受信ゲートを設けるようにした。これにより、直下クラッタ距離検出部１７において処理する対象距離が直下クラッタ近傍に限られることで、信号処理の負荷を低減することが可能となる。
また、直下クラッタとは異なる距離からの受信信号に対して、誤った距離の誤検出防止をすることによって、自機高度の検出精度の向上が見込める。

実施の形態４．
実施の形態４では実施の形態３の構成と比較して、直下クラッタ距離検出部１７の前に、距離方向のゲート制御部１４の代わりにドップラ方向のゲート制御部１６が追加される。
図４は、実施の形態４に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態３と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図４においてドップラ方向のゲート制御部１６は、ＤＢＳ処理部１１が出力する信号に対して、自機の鉛直方向速度１５を用いて鉛直方向速度をドップラ周波数に換算し、ドップラ周波数方向に受信ゲートを制御するようにした。

このように、実施の形態４の目標位置推定方法は、ドップラ周波数方向の受信ゲートを制御することにより、直下クラッタ距離検出部１７で処理するドップラ周波数方向の範囲が直下クラッタ近傍に限られることから、信号処理の負荷を低減することができる。
また、直下クラッタ以外のドップラ周波数からの受信信号に対しては、直下クラッタ距離検出を行わないようにすることにより、ドップラ周波数軸上でも誤検出防止が可能となる。

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態２の構成と比較して、直下クラッタ距離検出部１７の前に、実施の形態３で説明した距離方向のゲート制御部１４と、実施の形態４で説明したドップラ方向のゲート制御部１６を設ける。
図５は、実施の形態５に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態２と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図５のように、実施の形態３で示した距離方向のゲート制御部１４と実施の形態４で示したドップラ方向のゲート制御部１６を設けたので、直下クラッタ距離検出部１７の処理負荷を更に低減することが可能となる。
また、距離とドップラ周波数の両方から検出範囲を限定することができることから誤検出を防止して、より検出精度を向上させることができる。

実施の形態６．
実施の形態１では、ビームを目標の方向に向けた状態で直下クラッタを含む受信信号を観測していたが、実施の形態６では、直下クラッタの受信レベルが足りない場合を想定して、一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態でも直下クラッタを計測する。
図６は、実施の形態６に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態１と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図６に示すように、受信ビームを目標の方向に向けた状態での受信信号を観測するとともに、一旦受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号を観測する。
受信ビームを目標に向けた受信信号１０には主に目標の反射波が含まれ、受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号２１には主に直下クラッタからの反射波が含まれる。
ＤＢＳ処理部１１によりドップラ分解能を向上させ、直下クラッタ距離検出部１７で求めた自機高度Δｈと、相対距離検出部１９により求めた相対距離ΔＲと、角度推定部１８で求めた画像中心と目標のなす角θを用いて目標の三次元位置推定を行う。

このように、実施の形態６では、一旦クラッタ反射面に向けて受信信号を取得するようにしたので、ビームが目標の方向を向いた場合は直下クラッタの反射波をサイドローブで受信していたのに対し、ビームをクラッタ反射面に向けることにより直下クラッタの反射波をメインローブで受信できるようになる。
これにより、グレージング角が浅いなどにより、直下クラッタの受信レベルが低くなってしまう場合においても、検出レベルに到達することが可能となる。

実施の形態７．
実施の形態２では、ビームを目標の方向に向けた状態で直下クラッタを含む受信信号を観測していたが、実施の形態７では一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタを計測する。
図７は、実施の形態７に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態２と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図７に示すように、受信ビームを目標の方向に向けた状態で受信信号を観測するとともに、一旦受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号を観測する。
受信ビームを目標に向けた受信信号１０には主に目標の反射波が含まれ、受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号２１には主に直下クラッタからの反射波が含まれる。
ディジタルパルス圧縮処理部１２により距離分解能を高め、ＤＢＳ処理部１１によりドップラ分解能を向上させた後、直下クラッタ距離検出部１７で求めた自機高度Δｈと相対距離検出部１９により求めた相対距離ΔＲ、角度推定部１８で求めた画像中心と目標のなす角θに換算し、これらのΔｈ、θ、ΔＲを用いて目標の三次元位置推定を行う。
なお、ディジタルパルス圧縮処理部１２とＤＢＳ処理部１１の順序は問わない。

このように実施の形態７では、実施の形態２の性能に加え、直下クラッタの受信レベルが足りない場合を想定し、一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタまでの距離すなわち自機高度Δｈを検出するようにしたので、直下クラッタの受信レベルが足りない場合であっても精度の高い目標の三次元位置推定を行うことができる。

実施の形態８.
実施の形態３では、ビームを目標の方向に向けた状態で直下クラッタを含む受信信号を観測していたが、実施の形態８では一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタを計測する。
図８は、実施の形態８に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態３と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図８に示すように、受信ビームを目標の方向に向けた状態で受信信号を観測するとともに、一旦受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号を観測する。
受信ビームを目標に向けた受信信号１０には主に目標の反射波が含まれ、受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号２１には主に直下クラッタからの反射波が含まれる。
ディジタルパルス圧縮処理部１２により距離分解能を高め、ＤＢＳ処理部１１によりドップラ分解能を向上させた後、慣性装置の概略高度情報１３により、直下クラッタの受信信号に対して距離方向にゲート制御１４を実施する。この後、直下クラッタ距離検出部１７で求めた自機高度Δｈと、相対距離検出部１９により求めた相対距離ΔＲと、角度推定部１８で求めた画像中心と目標のなす角θを用いて目標の三次元位置推定を行う。
なお、ディジタルパルス圧縮処理部１２とＤＢＳ処理部１１の順序は問わない。

このように実施の形態８では、実施の形態３の性能に加え、直下クラッタの受信レベルが足りない場合を想定し、一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタまでの距離すなわち自機高度Δｈを検出するようにしたので、直下クラッタの受信レベルが足りない場合であっても精度の高い目標の三次元位置推定を行うことができる。

実施の形態９．
実施の形態４では、ビームを目標の方向に向けた状態で直下クラッタを含む受信信号を観測していたが、実施の形態９では一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタを計測する。
図９は、実施の形態９に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態４と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図９に示すように、受信ビームを目標の方向に向けた状態で受信信号を観測するとともに、一旦受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号を観測する。
受信ビームを目標に向けた受信信号１０には主に目標の反射波が含まれ、受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号２１には主に直下クラッタからの反射波が含まれる。
ディジタルパルス圧縮処理部１２により距離分解能を高め、ＤＢＳ処理部１１によりドップラ分解能を向上させた後、自機の鉛直方向速度１５を用いて、直下クラッタの受信信号に対してドップラ方向にゲート制御１６を実施する。この後、直下クラッタ距離検出部１７で求めた自機高度Δｈと、相対距離検出部１９により求めた相対距離ΔＲと、角度推定部１８で求めた画像中心と目標のなす角θを用いて目標の三次元位置推定を行う。
なお、ディジタルパルス圧縮処理部１２とＤＢＳ処理部１１の順序は問わない。

このように実施の形態９では、実施の形態４の性能に加え、直下クラッタの受信レベルが足りない場合を想定し、一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタまでの距離すなわち自機高度Δｈを検出するようにしたので、直下クラッタの受信レベルが足りない場合であっても精度の高い目標の三次元位置推定を行うことができる。

実施の形態１０．
実施の形態５では、ビームを目標の方向に向けた状態で直下クラッタを含む受信信号を観測していたが、実施の形態１０では一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタを計測するようにする。
図１０は、実施の形態１０に係る目標位置推定方法を説明する図である。なお、実施の形態５と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図１０に示すように、受信ビームを目標の方向に向けた状態で受信信号を観測するとともに、一旦受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号を観測する。
受信ビームを目標に向けた受信信号１０には主に目標の反射波が含まれ、受信ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号２１には主に直下クラッタからの反射波が含まれる。
ディジタルパルス圧縮処理部１２により距離分解能を高め、ＤＢＳ処理部１１によりドップラ分解能を向上させた後、慣性装置の概略高度情報１３と自機の鉛直方向速度１５を用いて、直下クラッタの受信信号に対して、距離方向およびドップラ方向にゲート制御を行う。その後、直下クラッタ距離検出部１７で求めた自機高度Δｈと、相対距離検出部１９により求めた相対距離ΔＲと、角度推定部１８で求めた画像中心と目標とのなす角θを用いて目標の三次元位置推定２０を行う。
なお、ディジタルパルス圧縮処理部１２とＤＢＳ処理部１１の順序は問わない。

このように実施の形態５では、実施の形態５の性能に加え、直下クラッタの受信レベルが足りない場合を想定し、一旦ビームをクラッタ反射面に向けた状態で直下クラッタまでの距離すなわち自機高度Δｈを検出するようにしたので、直下クラッタの受信レベルが足りない場合であっても精度の高い目標の三次元位置推定を行うことができる。

１０受信信号、１１ＤＢＳ処理部、１２ディジタルパルス圧縮処理部、１３慣性装置の概略高度情報、１４距離方向のゲート制御部、１５自機の鉛直方向速度、１６ドップラ方向のゲート制御部、１７直下クラッタ距離検出部、１８角度推定部、１９相対距離検出部、２０三次元位置推定部、２１ビームをクラッタ反射面に向けた受信信号。

Claims

目標の位置を推定する目標位置推定方法であって、
自機の高度を推定する高度検出ステップと、
画像中心と目標とのなす角を推定する角度推定ステップと、
目標との相対距離を算出する相対距離検出ステップと、
前記高度検出ステップで推定した前記自機の高度と、前記角度推定ステップで推定した前記画像中心と目標とのなす角と、前記相対距離検出ステップで算出した前記相対距離を用いて目標位置を推定する三次元位置推定ステップとを備え、
前記高度検出ステップは、前記自機の直下方向からの反射波を受信した受信信号の中で最も距離が短い信号が直下クラッタであると判断し、当該信号の受信時間をＴ’としてΔｈ＝ｃＴ’/２（ｃ：光速）により前記自機の高度Δｈを推定することを特徴とする目標位置推定方法。
請求項１に記載の目標位置推定方法において、
前記高度検出ステップは、自機に搭載された慣性装置の高度情報を用い、距離方向のゲート制御を行うことを特徴とする目標位置推定方法。
請求項１、２いずれか記載の目標位置推定方法において、
前記高度検出ステップは、自機の鉛直方向速度をドップラ周波数に換算し、前記ドップラ周波数方向のゲート制御を行うことを特徴とする目標位置推定方法。
請求項１、２、３いずれか記載の目標位置推定方法において、
前記高度検出ステップは、前記直下方向からの反射波を受信する場合に、直下方向にビームを指向し受信信号を得ることを特徴とする目標位置推定方法。