JP2018112370A - 飛しょう体位置計測装置、飛しょう体位置計測方法及び飛しょう体位置計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べ、簡便な構成で高精度に飛しょう体の位置を計測する。
【解決手段】飛しょう体位置計測装置は、弾道軌道で飛行する飛しょう体の位置を計測するものであり、飛しょう体の画像を取得する光学センサと、飛しょう体が飛行を開始する始点Ｐの位置情報を含む当該飛しょう体の基本軌道ＦＴの情報を予め記憶している記憶部と、制御部とを備える。制御部は、光学センサが取得した画像に基づいて、当該光学センサから見た飛しょう体の方位ベクトルＶを算出し、始点Ｐを通る鉛直軸回りに基本軌道ＦＴを回転させた回転面ＳＲと、飛しょう体の方位ベクトルＶとの交点Ｎを、飛しょう体の位置として算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、飛しょう体の位置を計測する技術に関する。

従来、例えばロケットなどの飛しょう体の位置を計測する手法としては、レーダーを用いるものが一般的である。しかし、レーダーは電波を発するため、計測者の位置を他者に探知されやすいという問題がある。

この点、例えば特許文献１に記載の技術では、飛しょう体の複数の想定軌道データをデータベースとして蓄積しておき、光学センサによる観測データと最も合致度の高い想定軌道データによる想定軌道を飛しょう体の予測軌道として選択している。この技術によれば、レーダーなどの電波を発する機器を用いることなく、飛しょう体の軌道を予測してその位置を捕捉することができる。

特許第３００１７５７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、複数の想定軌道データの中から観測データに最も近いものを選択しているため、計測の高精度化を図るためには、大量の想定軌道データをデータベースとして蓄積しておく必要がある。他方、全ての想定軌道データについて観測データとの合致度を確認しなければならないため、高精度化を図り想定軌道データを増やすに伴って、計算時間が延びてしまう。
また、光学カメラの焦点調節により距離を計測する手法も考えられるが、この手法では、被写体が比較的遠方の場合や被写界深度が深い光学カメラを用いた場合に、計測誤差が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来に比べ、簡便な構成で高精度に飛しょう体の位置を計測することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、弾道軌道で飛行する飛しょう体の位置を計測する飛しょう体位置計測装置であって、
前記飛しょう体の画像を取得する光学センサと、
前記飛しょう体が飛行を開始する始点の位置情報を含む当該飛しょう体の基本軌道の情報を予め記憶している記憶手段と、
前記光学センサが取得した画像に基づいて、当該光学センサから見た前記飛しょう体の方位を算出する方位算出手段と、
前記始点を通る鉛直軸回りに前記基本軌道を回転させた回転面と、前記飛しょう体の方位との交点を、前記飛しょう体の位置として算出する位置算出手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の飛しょう体位置計測装置において、
前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、水平面への投影像の位置の時間変化が小さいものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の飛しょう体位置計測装置において、
前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、その位置の時間変化から得られる速度または加速度が所定の閾値範囲内であるものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛しょう体位置計測装置において、
前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、より速く前記光学センサに接近してくるものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の飛しょう体位置計測装置において、
前記光学センサが移動体に搭載されていることを特徴とする。

請求項６及び請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の飛しょう体位置計測装置と同様の特徴を具備する飛しょう体位置計測方法及び飛しょう体位置計測プログラムである。

本発明によれば、光学センサにより取得された飛しょう体の画像に基づいて当該光学センサから見た飛しょう体の方位が算出され、この飛しょう体の方位と、始点を通る鉛直軸回りに飛しょう体の基本軌道を回転させた回転面との交点として、飛しょう体の位置が算出される。
これにより、レーダーなどの電波を発する機器を用いる必要なく、光学センサで取得した画像に基づいて、飛しょう体の位置を好適に計測することができる。また、従来と異なり、大量の想定軌道データを蓄積したデータベースも、この大量のデータを逐一参照する計算も必要ない。さらに、光学カメラの焦点調節による手法よりも、高精度に飛しょう体の位置を計測することができる。
したがって、従来に比べ、簡便な構成で高精度に飛しょう体の位置を計測することができる。

実施形態における飛しょう体位置計測装置の機能構成を示すブロック図である。 実施形態における飛しょう体位置計測処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態における飛しょう体位置計測処理を説明するための図である。 実施形態における飛しょう体位置計測処理を説明するための図である。 実施形態における飛しょう体位置計測処理を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［飛しょう体位置計測装置の構成］
まず、本実施形態における飛しょう体位置計測装置１の構成について説明する。
図１は、飛しょう体位置計測装置１の機能構成を示すブロック図である。

飛しょう体位置計測装置１は、光学センサを用いて飛しょう体Ｆの位置を計測するものであり、本実施形態においては航空機１００に搭載されている（図３参照）。飛しょう体Ｆは、例えばロケットなどであり、始点Ｐから飛行を開始して（打ち上げられて）弾道軌道で飛行するものである。

具体的には、図１に示すように、飛しょう体位置計測装置１は、光学センサ１３と、位置センサ１４と、記憶部１６と、制御部１８とを備えて構成されている。

光学センサ１３は、飛しょう体Ｆを探知・捕捉してその画像を取得する光学カメラであり、所定のフレームレートで連続撮影可能なものである。この光学センサ１３は、図示しないジンバルに載置されてその撮影方向を変更可能なように航空機１００の機体に設けられている。当該光学センサ１３は、制御部１８からの制御指令に基づいて、飛しょう体Ｆの画像を取得し、取得した画像情報を制御部１８に出力する。

位置センサ１４は、飛しょう体位置計測装置１の位置情報（座標情報）、すなわち本実施形態では航空機１００の自機位置の情報を取得するものである。この位置センサ１４は、制御部１８からの制御指令に基づいて、航空機１００の位置情報を取得し、取得した位置情報を制御部１８に出力する。なお、位置センサ１４は、例えば航空機１００に搭載されたＧＰＳ（Global Positioning System）受信機や慣性航法装置など、航空機１００の位置情報を取得可能であればその種別は特に限定されないが、他者に探知され得る電波を放出しないものが好ましい。

記憶部１６は、飛しょう体位置計測装置１の各種機能を実現するためのプログラムやデータを記憶するとともに、作業領域としても機能するメモリである。本実施形態においては、記憶部１６は、飛しょう体位置計測プログラム１６０と、軌道データ１６１とを予め記憶している。
飛しょう体位置計測プログラム１６０は、後述の飛しょう体位置計測処理を制御部１８に実行させるためのプログラムである。
軌道データ１６１は、飛しょう体Ｆが飛行を開始する始点Ｐの位置情報を含む、飛しょう体Ｆの基本軌道（弾道軌道）ＦＴの情報である（図３参照）。

制御部１８は、飛しょう体位置計測装置１の各部を中央制御する。具体的に、制御部１８は、光学センサ１３や位置センサ１４の動作を制御したり、記憶部１６に記憶されているプログラムを展開し、展開されたプログラムと協働して各種処理を実行したりする。なお、この制御部１８は、航空機１００の飛行を制御する飛行制御装置と一体的に構成されていてもよい。

［飛しょう体位置計測装置の動作］
続いて、飛しょう体位置計測処理を実行する際の飛しょう体位置計測装置１の動作について説明する。
図２は、飛しょう体位置計測処理の流れを示すフローチャートであり、図３及び図４は、飛しょう体位置計測処理を説明するための図である。なお、図３及び図４では、ｘｙ平面が水平面を示し、ｚ軸が鉛直軸を示している。

飛しょう体位置計測処理は、光学センサ１３により飛しょう体Ｆの画像を取得し、この画像情報に基づいて飛しょう体Ｆの位置（つまり、航空機１００からの飛しょう体Ｆの方位と距離）を計測する処理である。この飛しょう体位置計測処理は、例えば航空機１００のパイロットの操作等により当該処理の実行指示が入力されたときに、制御部１８が記憶部１６から飛しょう体位置計測プログラム１６０を読み出して展開することで実行される。
なお、ここでは、始点Ｐから発射された飛しょう体Ｆを、飛行中の航空機１００から捉えてその位置を計測するものとする。

図２及び図３（ａ）に示すように、飛しょう体位置計測処理が実行されると、まず制御部１８は、光学センサ１３により飛しょう体Ｆの画像を取得し、記憶部１６に記憶させる（ステップＳ１）。
そして、制御部１８は、取得した画像情報に基づいて、航空機１００（光学センサ１３）から見た飛しょう体Ｆの方位ベクトルＶを算出する（ステップＳ２）。
なお、本実施形態において、航空機１００から見た飛しょう体Ｆの「方位ベクトル」とは、単に航空機１００から見た飛しょう体Ｆの「方位」を意味しており、航空機１００から飛しょう体Ｆまでの距離の情報は含まないものとする。また、「方位」とは、方角（水平面内での方向）だけでなく鉛直方向の向きも含むものとする。

次に、制御部１８は、図３（ｂ）に示すように、始点Ｐを通る鉛直軸回りに飛しょう体Ｆの基本軌道ＦＴを回転させた回転面ＳＲと、飛しょう体Ｆの方位ベクトルＶとの交点Ｎを算出する（ステップＳ３）。
具体的に、制御部１８は、記憶部１６から読み出した軌道データ１６１に基づいて回転面ＳＲを算出したうえで、当該回転面ＳＲとステップＳ２で算出した方位ベクトルＶとの交点Ｎを算出する。なお、図３（ｂ）及び図４では、交点Ｎが２つある場合を示している。

次に、制御部１８は、ステップＳ３で算出した交点Ｎが２つあるか否かを判定する（ステップＳ４）。
そして、図示は省略するが、交点Ｎが１つしかない（方位ベクトルＶが回転面ＳＲに接している）と判定した場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、制御部１８は、当該１つの交点Ｎを飛しょう体Ｆの位置として設定する（ステップＳ５）。

一方、ステップＳ４において交点Ｎが２つあると判定した場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御部１８は、２つの交点Ｎのうち、水平面への投影像の移動量がより小さい一方の交点Ｎを、飛しょう体Ｆの位置として設定する（ステップＳ６）。
具体的に、制御部１８は、図４に示すように、２つの交点Ｎの各々について、水平面への投影像を所定の数計算フレーム前のもの（図４では二点鎖線で図示）と比較し、当該投影像の移動量（位置の時間変化）Ｌを算出する。そして、制御部１８は、２つの交点Ｎのうち、投影像の移動量Ｌがより小さい方（図４では航空機１００から見て手前側のもの）を、飛しょう体Ｆの位置として設定する。

ここで、２つの交点Ｎからの飛しょう体Ｆの位置選定について、より詳細に説明する。
図５（ａ）に示すように、ｔ＝ｔ０からｔ１まで時間が経過した場合における、２つの交点Ｎの水平面（ｘｙ平面）への投影像Ｎｈ（航空機１００から見て奥側の投影像Ｎｈ１と、手前側の投影像Ｎｈ２）の移動量Ｌを考える。ここで、航空機１００は、時間ｔ＝ｔ０において、方位ベクトルＶの水平面への投影像Ｖｈに対して水平面内で角度θをなす飛行方位へ飛行しているものとする。
このとき、奥側の投影像Ｎｈ１が本物（飛しょう体Ｆの実際の投影位置）であった場合、図５（ｂ）に示すように、この奥側の投影像Ｎｈ１が基本軌道ＦＴに沿って移動する結果、当該投影像Ｎｈ１の移動量Ｌ１は、偽物である手前側の投影像Ｎｈ２の移動量Ｌ２よりも小さくなる。
一方、手前側の投影像Ｎｈ２が本物であった場合には、図５（ｃ）に示すように、この手前側の投影像Ｎｈ２が基本軌道ＦＴに沿って移動する結果、当該投影像Ｎｈ２の移動量Ｌ２は、偽物である奥側の投影像Ｎｈ１の移動量Ｌ１よりも小さくなる。
このように、奥側と手前側のいずれの投影像Ｎｈが本物であった場合でも、この本物の投影像Ｎｈの方が、偽物のものよりも移動量が小さくなる。これら２つの投影像Ｎｈの移動量の差は、方位ベクトルＶの投影像Ｖｈと飛行方位とのなす角度θに比例する。そのため、航空機１００は、角度θ＝０となる直線飛行を継続しないように旋回飛行等を行うことが好ましい。

こうして、ステップＳ５またはＳ６で飛しょう体Ｆの位置が設定されると、制御部１８は、飛しょう体位置計測処理を終了させるか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、制御部１８は、飛しょう体位置計測処理を終了させないと判定した場合には（ステップＳ７；Ｎｏ）、上述のステップＳ１へ処理を移行し、例えばパイロットによる終了操作を受けるなどして当該処理を終了させると判定した場合には（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、飛しょう体位置計測処理を終了させる。

［効果］
以上のように、本実施形態によれば、光学センサ１３により取得された飛しょう体Ｆの画像に基づいて、当該光学センサ１３から見た飛しょう体Ｆの方位ベクトルＶが算出される。そして、この方位ベクトルＶと、始点Ｐを通る鉛直軸回りに飛しょう体Ｆの基本軌道ＦＴを回転させた回転面ＳＲとの交点Ｎとして、飛しょう体Ｆの位置が算出される。
これにより、レーダーなどの電波を発する機器を用いる必要なく、光学センサ１３で取得した画像に基づいて、飛しょう体Ｆの位置を好適に計測することができる。また、従来と異なり、大量の想定軌道データを蓄積したデータベースも、この大量のデータを逐一参照する計算も必要ない。さらに、光学カメラの焦点調節による手法よりも、高精度に飛しょう体Ｆの位置を計測することができる。
したがって、従来に比べ、簡便な構成で高精度に飛しょう体Ｆの位置を計測することができる。

［変形例］
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、回転面ＳＲと飛しょう体Ｆの方位ベクトルＶとの交点Ｎが２つある場合に、当該２つの交点Ｎのうち、水平面への投影像の移動量Ｌがより小さいものを、飛しょう体Ｆの位置とした。しかし、他の手法によって２つの交点Ｎから飛しょう体Ｆの位置を選定してもよい。
例えば、２つの交点Ｎのうち、その位置の時間変化から得られる速度または加速度が、予め設定された閾値範囲内であるものを、飛しょう体Ｆの位置としてもよい。これは、飛しょう体Ｆの速度または加速度が、現状の科学で実現可能な数値か否かを判定する考え方である。この場合、２つの交点Ｎの両方が条件を満足するときには、これら両方を飛しょう体Ｆの位置とし、両方とも条件を満足しないときには、誤探知として結果を破棄する。
あるいは、２つの交点Ｎのうち、航空機１００との距離がより短くなる（より速く航空機１００に接近してくる）ものを、飛しょう体Ｆの位置としてもよい。これは、航空機１００に対する脅威という点で緊要度の高いものを選定する考え方である。
なお、これら２つの選定手法は、いずれか一方のみを採用してもよいが、アンド条件として併用（両者を満足するものを選定）するのがより望ましい。さらに、これら２つの選定手法の少なくとも一方を、上記実施形態における手法（交点Ｎの投影像の移動量に基づくもの）と併用してもよい。

また、本発明に係る飛しょう体位置計測装置は、車両や船舶などの航空機以外の移動体に搭載されていてもよいし、移動しない地上または洋上の設備に設置されていてもよい。
あるいは、光学センサのみを移動体に搭載し、移動体から送信されてくる画像情報を用いて、他の移動体または設備に設けられた制御部等で飛しょう体の位置を算出することとしてもよい。

１ 飛しょう体位置計測装置
１３ 光学センサ
１６ 記憶部
１８ 制御部
１００ 航空機
１６０ 飛しょう体位置計測プログラム
Ｆ 飛しょう体
Ｐ 始点
ＦＴ 基本軌道
ＳＲ 回転面
Ｎ 交点（回転面と飛しょう体の方位との交点）
Ｎｈ 交点の投影像
Ｌ 移動量（交点の投影像の移動量）
Ｖ 方位ベクトル（方位）
Ｖｈ 方位ベクトルの投影像

Claims (7)

1. 弾道軌道で飛行する飛しょう体の位置を計測する飛しょう体位置計測装置であって、
   前記飛しょう体の画像を取得する光学センサと、
   前記飛しょう体が飛行を開始する始点の位置情報を含む当該飛しょう体の基本軌道の情報を予め記憶している記憶手段と、
   前記光学センサが取得した画像に基づいて、当該光学センサから見た前記飛しょう体の方位を算出する方位算出手段と、
   前記始点を通る鉛直軸回りに前記基本軌道を回転させた回転面と、前記飛しょう体の方位との交点を、前記飛しょう体の位置として算出する位置算出手段と、
   を備えることを特徴とする飛しょう体位置計測装置。
2. 前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、水平面への投影像の位置の時間変化が小さいものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする請求項１に記載の飛しょう体位置計測装置。
3. 前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、その位置の時間変化から得られる速度または加速度が所定の閾値範囲内であるものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする請求項１または２に記載の飛しょう体位置計測装置。
4. 前記位置算出手段は、前記回転面と前記飛しょう体の方位との交点が２つある場合、当該２つの交点のうち、より速く前記光学センサに接近してくるものを、前記飛しょう体の位置とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛しょう体位置計測装置。
5. 前記光学センサが移動体に搭載されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の飛しょう体位置計測装置。
6. 弾道軌道で飛行する飛しょう体の位置を計測する飛しょう体位置計測方法であって、
   前記飛しょう体の画像を取得する光学センサと、
   前記飛しょう体が飛行を開始する始点の位置情報を含む当該飛しょう体の基本軌道の情報を予め記憶している記憶手段と、
   を備える飛しょう体位置計測装置が、
   前記光学センサが取得した画像に基づいて、当該光学センサから見た前記飛しょう体の方位を算出する方位算出工程と、
   前記始点を通る鉛直軸回りに前記基本軌道を回転させた回転面と、前記飛しょう体の方位との交点を、前記飛しょう体の位置として算出する位置算出工程と、
   を実行することを特徴とする飛しょう体位置計測方法。
7. 弾道軌道で飛行する飛しょう体の位置を計測する飛しょう体位置計測プログラムであって、
   前記飛しょう体の画像を取得する光学センサと、
   前記飛しょう体が飛行を開始する始点の位置情報を含む当該飛しょう体の基本軌道の情報を予め記憶している記憶手段と、
   を備える飛しょう体位置計測装置を、
   前記光学センサが取得した画像に基づいて、当該光学センサから見た前記飛しょう体の方位を算出する方位算出手段、
   前記始点を通る鉛直軸回りに前記基本軌道を回転させた回転面と、前記飛しょう体の方位との交点を、前記飛しょう体の位置として算出する位置算出手段、
   として機能させることを特徴とする飛しょう体位置計測プログラム。

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