JP2018169368A - Flight vehicle-purpose navigation device, and flight vehicle-purpose navigation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、飛行体用航法装置および飛行体用航法に関する。 The present invention relates to an aircraft navigation apparatus and an aircraft navigation.
近年、ロケットなどの飛行体の位置や速度を高精度で計測するための航法センサの研究が進められている(特許文献1、2参照)。この航法センサは、センサ源として慣性センサを備えており、位置や速度の計算のために予め設定された姿勢で飛行体に取り付けられる。しかしながら、この位置や速度の計算のために予め設定された姿勢と、航法センサの実際の取付姿勢との間に誤差(以下、「姿勢誤差」という)があると、飛行体の位置や速度を正確に計測することができない。
In recent years, research on navigation sensors for measuring the position and speed of a flying object such as a rocket with high accuracy has been underway (see
上記の姿勢誤差による影響を排除するために、航法センサの姿勢誤差を推定し、これを補正する方法が知られている。例えば、ロケット用の航法センサにおいては、姿勢誤差を、飛行体のロール軸、ピッチ軸、およびヨー軸の3つの軸方向の成分に分離し、ピッチ軸およびヨー軸回りの姿勢誤差については、重力加速度の方向ベクトルを用いて補正し、ロール軸回りの姿勢誤差については、地球自転角速度(アースレート)を用いて補正する方法が知られている。 In order to eliminate the influence of the above-mentioned attitude error, a method for estimating the attitude error of the navigation sensor and correcting it is known. For example, in a navigation sensor for a rocket, the attitude error is separated into three components in the axial direction of the roll axis, pitch axis, and yaw axis of the flying object. There is known a method of correcting using an acceleration direction vector and correcting an attitude error around the roll axis using an earth rotation angular velocity (earth rate).
ピッチ軸およびヨー軸回りの姿勢誤差に関して、重力加速度の方向ベクトルを用いた補正を行う場合、その補正の精度は慣性センサの精度に依存する。慣性センサの精度が悪いと慣性センサが検知する重力加速度の方向ベクトルそのものに誤差が生じる。このため、誤差を含む重力加速度の方向ベクトルを用いて補正を行った場合、姿勢誤差を適切に取り除くことができない。また、慣性センサの精度は、内蔵される加速度計やジャイロの精度に依存し、高精度なものほどコストが高くなる。低コスト化のため、慣性センサとしては比較的低精度な民生部品が使用される場合が多いため、重力加速度の方向ベクトルを用いた補正では飛行体の位置や速度を正確に計測することができない。 When correction using the direction vector of the gravitational acceleration is performed for the posture error about the pitch axis and the yaw axis, the accuracy of the correction depends on the accuracy of the inertial sensor. If the accuracy of the inertial sensor is poor, an error occurs in the direction vector itself of the gravitational acceleration detected by the inertial sensor. For this reason, when correction is performed using the direction vector of gravitational acceleration including an error, the posture error cannot be appropriately removed. The accuracy of the inertial sensor depends on the accuracy of the built-in accelerometer and gyroscope, and the higher the accuracy, the higher the cost. Because of the low cost, relatively low-precision consumer parts are often used as inertial sensors, so correction using the gravitational acceleration direction vector cannot accurately measure the position and velocity of the flying object. .
また、ロール軸回りの姿勢誤差に関して、アースレートを用いた補正を行う場合、飛行環境下で使用可能であり、かつ、補正に必要な精度でアースレートを検出可能な高価な慣性センサが必要となる。低価格な慣性センサでは、厳しい飛行環境下で使用可能とすることと、補正に必要な精度でアースレートを検出する性能の両立が難しい。従って、アースレートを用いない姿勢誤差の補正方法が求められている。 Also, when correcting the attitude error around the roll axis using the earth rate, an expensive inertial sensor that can be used in the flight environment and can detect the earth rate with the accuracy required for the correction is required. Become. A low-priced inertial sensor is difficult to achieve both the ability to be used in severe flight environments and the ability to detect the earth rate with the accuracy required for correction. Therefore, there is a need for a method for correcting an attitude error that does not use an earth rate.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、汎用の低精度な慣性計測装置を用いた場合であっても姿勢誤差を適切に補正することが可能な飛行体用航法装置および飛行体用航法を提供することを目的の一つとする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and is a navigation system for an aircraft that can appropriately correct an attitude error even when a general-purpose low-precision inertial measurement device is used. Another object is to provide navigation for a vehicle.
本発明の一態様は、飛行体に搭載される飛行体用航法装置であって、前記飛行体に働く慣性力を検出する検出装置と、前記飛行体の静止時に、前記検出装置によって検出された加速度に対する重力加速度による補正の結果に基づいて、前記飛行体に対する前記検出装置の初期設定姿勢と取付姿勢との誤差成分のうち少なくとも一部である第1誤差を推定する第1推定部と、前記第1推定部によって推定された前記第1誤差が除去された前記初期設定姿勢に基づいて、前記飛行体の位置および速度を導出する測位部とを備える。 One aspect of the present invention is a navigation apparatus for an aircraft mounted on an aircraft, the detection device detecting an inertial force acting on the aircraft, and detected by the detection device when the aircraft is stationary. A first estimation unit that estimates a first error that is at least a part of an error component between an initial setting posture and an attachment posture of the detection device with respect to the flying object based on a result of correction by acceleration due to gravitational acceleration; A positioning unit that derives the position and velocity of the flying object based on the initial setting posture from which the first error estimated by the first estimating unit is removed.
本発明は、汎用の低精度な慣性計測装置を用いた場合であっても姿勢誤差を適切に補正することができる。 The present invention can appropriately correct the posture error even when a general-purpose low-precision inertial measurement device is used.
以下、図面を参照して、本発明に係る飛行体用航法装置および飛行体用航法の実施形態について説明する。飛行体用航法装置は、ロケットや人工衛星、宇宙探査機などの飛行体に搭載される装置である。以下、飛行体は、一例として、ロケットであるものとして説明するが、上述したように人工衛星や宇宙探査機であってもよい。以下、このような装置の構成および機能について段階的に開示する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an aircraft navigation apparatus and an aircraft navigation according to the present invention will be described with reference to the drawings. The flying object navigation apparatus is an apparatus mounted on a flying object such as a rocket, an artificial satellite, or a space probe. In the following description, the flying object is described as a rocket as an example, but may be an artificial satellite or a space probe as described above. Hereinafter, the configuration and function of such an apparatus will be disclosed step by step.
[ロケット]
図1は、ロケット1の概略構成図である。ロケット1は、例えば、多段ロケットであり、最上段には衛星を格納し、それ以下の段は、最上段を切り離した後、海などに着水し、或いは地上に着地する。ロケット1は、例えば、一段目ロケット10と、二段目ロケット12と、最上段の三段目ロケット14とを備える。ロケット1は、発射された直後は一段目ロケット10による推進力で飛行し、その後、一段目ロケット10を切り離した後、二段目ロケット12の推進力で飛行し、最終的に三段目ロケット14が人口衛星などのペイロード20を宇宙空間に到達させる。飛行体用航法装置100は、例えば、二段目ロケット12に格納される。
[rocket]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the
[飛行体用航法装置]
飛行体用航法装置100が備える慣性計測装置は、ロケット1の位置や速度を高精度で計測するために、例えば、二段目ロケット12内に予め設定された初期設定姿勢で正確に取り付けられる必要がある。しかしながら、慣性計測装置の実際の取付姿勢と、飛行体用航法装置100の位置や速度の計算のために予め設定された初期設定姿勢との間に姿勢誤差が生じる場合がある。飛行体用航法装置100は、この姿勢誤差を補正するための機能を備えている。
[Aircraft navigation system]
The inertial measurement device included in the flying
図2は、図1に示されたロケット1のA−A’方向における断面図である。図2に示すように、飛行体用航法装置100は、姿勢誤差を、ロケット1の進行方向の軸であるロール軸と、ロケット1の左右方向の軸であるピッチ軸、およびロケット1の上下方向の軸であるヨー軸の3つの軸方向の成分に分離して補正を行う。例えば、飛行体用航法装置100は、ピッチ軸回りの姿勢誤差(以下、「ピッチ角誤差」という)およびヨー軸回りの姿勢誤差(以下、「ヨー角誤差」という)については、ロケット1の打ち上げ前の静止時に実施するレベリング処理により補正を行う。一方、ロール軸回りの姿勢誤差(以下、「ロール角誤差」という)については、ロケット1の打ち上げ後の飛行中に実施する方位角推定処理により補正を行う。レベリング処理および方位角推定処理の詳細については後述する。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
図3は、飛行体用航法装置100の構成図である。飛行体用航法装置100は、一以上のアンテナATと、通信装置TMとに接続される。飛行体用航法装置100は、例えば、電波航法測位モジュール110と、IMU(Inertial Measurement Unit;慣性計測装置)120と、航法計算モジュール130と、電源モジュール140と、記憶部150とを備える。
FIG. 3 is a configuration diagram of the
アンテナATは、外部から電波を受信し、受信した電波に応じた信号(以下、衛星測位信号と称する)をLNA(Low Noise Amplifier)に出力する。LNAは、アンテナATから入力された衛星測位信号を増幅する。 The antenna AT receives radio waves from the outside and outputs a signal corresponding to the received radio waves (hereinafter referred to as satellite positioning signal) to an LNA (Low Noise Amplifier). The LNA amplifies the satellite positioning signal input from the antenna AT.
電波航法測位モジュール110は、LNAにより増幅された衛星測位信号に基づいて、ロケット1の位置および速度を導出し、航法計算モジュール130に出力する。
The radio
IMU120は、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)や光ファイバによって構成される三軸式加速度センサ、および三軸式ジャイロセンサを含む。IMU120は、ロケット1に働く慣性力を検出する。IMU120は、これらのセンサによって検出された値(水平方向、垂直方向、奥行き方向の各加速度、およびピッチ、ロール、ヨーの各レートなど)を航法計算モジュール130に出力する。IMU120は、「検出装置」の一例である。
The
航法計算モジュール130は、IMU120の実際の取付姿勢と、初期設定姿勢との間の姿勢誤差を補正する。また、航法計算モジュール130は、IMU120により検出された検出値(検出結果)に基づいて、ロケット1の位置および速度を導出する。また、航法計算モジュール130は、電波航法測位モジュール110により導出された位置および速度と、IMU120による検出結果を用いて導出された位置および速度とを統合してロケット1の位置および速度を導出する。
The
電源モジュール140は、図示しない電源装置に接続される。電源モジュール140は、例えば、保護回路とDC−DCコンバータを備え、飛行体用航法装置100の各部に電力を供給する。
The
記憶部150は、ロケット1の位置および速度を導出する際の計算に利用される飛行体用航法装置100のIMU120の初期設定姿勢のデータを記憶する。この初期設定姿勢は、ロケット1に対するIMU120の取付姿勢を予め定義したものである。航法計算モジュール130は、IMU120により検出された検出値に基づいてロケット1の位置および速度を導出する際に、IMU120が初期設定姿勢でロケット1に取り付けられていることを前提として位置および速度を算出する。
The
また、記憶部150は、電波航法測位モジュール110に入力された衛星測位信号や、IMU120により検出された検出値、電波航法測位モジュール110および航法計算モジュール130により導出された各種演算結果(ロケット1の位置または速度)などを記憶する。記憶部150は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM、EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory)などにより実現される。また、記憶部150は、HDD(Hard Disc Drive)、フラッシュメモリなどにより実現されてもよい。
The
通信装置TMは、例えば、テレメータ回線を利用して情報を地上監視装置(不図示)に送信する。地上監視装置は、例えば、ロケット1が発射された(飛び立った)後のロケット1の位置および速度を、テレメトリ通信によってロケット1から取得する。そして、地上監視装置は、仮にロケット1が落下した場合の落下地点を繰り返し推定し、落下による危険を回避するようにロケット1に指示信号を送信する。
The communication device TM transmits information to a ground monitoring device (not shown) using, for example, a telemeter line. For example, the ground monitoring device acquires the position and speed of the
[電波航法測位モジュール]
図4は、電波航法測位モジュール110の構成図である。電波航法測位モジュール110は、測位側インターフェース112と、電波航法測位部114とを備える。アンテナATによって受信された衛星測位信号は、LNAによって増幅されて測位側インターフェース112に入力される。測位側インターフェース112は、例えば、RF(Radio Frequency)インターフェースである。
[Radio navigation positioning module]
FIG. 4 is a configuration diagram of the radio
電波航法測位部114は、測位側インターフェース112に入力された衛星測位信号に対する処理を行ってロケット1の位置および速度を導出し、航法計算モジュール130に出力する。電波航法測位部114は、アンテナATにより4つ以上の人工衛星から受信された電波の其々に応じた衛星測位信号に基づいて、人工衛星との相対距離(シュートレンジ)を求めることでロケット1の位置を算出する。
The radio
[航法計算モジュール]
図5は、航法計算モジュール130の構成図である。航法計算モジュール130は、例えば、レベリング部132と、方位角推定部134と、慣性航法測位部136とを備える。
[Navigation calculation module]
FIG. 5 is a configuration diagram of the
レベリング部132は、ロケット1の打ち上げ前の機体静止時に、飛行体用航法装置100の姿勢誤差におけるピッチ角誤差およびヨー角誤差を推定して除去する。レベリング部132は、ロケット1の静止時に、IMU120によって検出された加速度に対する重力加速度による補正の結果に基づいて、IMU120の初期設定姿勢と取付姿勢との誤差を構成する成分(ピッチ、ヨー、ロールの各軸回りの誤差成分)のうち少なくとも一部成分であるピッチ軸およびヨー軸回りの誤差(第1誤差の一例)を推定する。
The leveling
姿勢誤差が生じている場合、重力加速度による補正後に“0”となるべき加速度に補正残差が発生する。これは、姿勢誤差によって、誤ったベクトル方向に重力補正を行うことで、重力補正残差が発生したためである。そこで、レベリング部132は、重力加速度による補正後の加速度の補正残差を積分し、算出された速度が“0”となるような姿勢角度を求めることで、飛行体用航法装置100のピッチ角誤差およびヨー角誤差を推定して除去する。例えば、レベリング部132は、IMU120の座標系(ENU(East North Up)座標系)上で姿勢誤差をパラメータとした線形近似式を構築し、重力加速度による補正の結果に対してカルマンフィルタを適用してピッチ角誤差およびヨー角誤差を推定して除去する。レベリング部132は、「第1推定部」の一例である。
When an attitude error has occurred, a correction residual occurs in the acceleration that should be “0” after correction by gravitational acceleration. This is because a gravity correction residual is generated by performing gravity correction in the wrong vector direction due to the posture error. Therefore, the leveling
方位角推定部134は、ロケット1の打ち上げ後の飛行中に、飛行体用航法装置100の姿勢誤差におけるロール角誤差を推定して除去する。方位角推定部134は、ロケット1の飛行中に、IMU120の検出結果および衛星から受信した電波に基づいて、初期設定姿勢と取付姿勢との誤差を構成する成分のうち少なくとも一部成分であるロール軸回りの誤差(第2誤差の一例)を推定する。方位角推定部134は、打ち上げ後の飛行中にロケット1が姿勢を徐々に水平方向に変えていくタイミングで、機体の進行方向の速度ベクトルに地表面に対する水平成分が生じることを利用する。衛星測位信号に基づいて電波航法測位モジュール110によって導出される速度は方位角誤差(ロール角誤差)の影響を受けない。このため、方位角推定部134は、電波航法測位モジュール110によって導出される速度ベクトルを正のデータとして参照し、この速度ベクトルと、IMU120の検出値に基づいて算出された速度ベクトルとを比較することで、ロール角誤差を推定する。
The azimuth
例えば、方位角推定部134は、IMU120の三軸式加速度センサの検出値を積分することにより得られるロケット1の機体の水平方向の速度ベクトル、および、電波航法測位モジュール110によって導出される速度ベクトルの2つの速度ベクトルを、それぞれ個別に2次のデジタルローパスフィルタを通過させ、それらの内積および外積を求める。そして、方位角推定部134は、内積から誤差角度の大きさを推定し、外積から誤差方向を推定することで姿勢誤差を推定して除去する。方位角推定部134は、「第2推定部」の一例である。
For example, the azimuth
これら2つの速度ベクトルが成す角度は、ロケット1の打ち上げ前にレベリング部132によってピッチ角誤差およびヨー角誤差が除去されている場合、ロール角誤差のみを含む。なお、IMU120は、時間とともにバイアス誤差が蓄積するため、方位角推定部134は、ロケット1の姿勢が徐々に水平方向に変わるタイミングで上記の方位角推定処理を行う。
The angle formed by these two velocity vectors includes only the roll angle error when the pitch angle error and the yaw angle error are removed by the leveling
慣性航法測位部136は、IMU120により検出された検出値、レベリング部132によって推定された姿勢誤差および/または方位角推定部134によって推定された姿勢誤差が除去された初期設定姿勢に基づいて、ロケット1の位置および速度を導出する。慣性航法測位部136は、IMU120の三軸式加速度センサから入力された値を積分することで速度を算出し、更に、速度を積分することで変位(位置)を算出する。また、慣性航法測位部136は、IMU120の三軸式加速度センサと三軸式ジャイロセンサから入力された値に基づいて、変位と方角のベクトルを合成することで、より正確な姿勢を算出する。慣性航法測位部136は、「測位部」の一例である。
The inertial
また、慣性航法測位部136は、IMU120により検出された検出値に基づいて導出されたロケット1の位置および速度と、電波航法測位モジュール110により導出されたロケット1の位置および速度とを統合し、ロケット1の位置および速度を導出する。慣性航法測位部136は、例えば、カルマンフィルタを適用することで両者を統合し、ロケット1の位置および速度を導出する。マルチパスの影響などにより、電波航法測位モジュール110がアンテナATで衛星の電波を受信できない状況において、慣性航法測位部136は、直前までの電波航法測位モジュール110により導出されたロケット1の位置および速度を、IMU120により検出された検出値に基づいて導出されたロケット1の位置および速度で補完する。
The inertial
電波航法測位モジュール110および航法計算モジュール130の各々は、例えば、MPU(Micro Processing Unit)で構成される。電波航法測位モジュール110は、例えば、プログラムメモリ(図示しない)に格納されたプログラムを実行することにより、電波航法測位部114を実現する。また、航法計算モジュール130は、例えば、プログラムメモリ(図示しない)に格納されたプログラムを実行することにより、レベリング部132と、方位角推定部134と、慣性航法測位部136とを実現する。なお、これらの機能部のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアが協働することで実現されてもよい。
Each of the radio
[レベリング処理]
以下において、航法計算モジュール130のレベリング部132によって行われるレベリング処理について説明する。ENU座標系のE軸およびN軸に対して、IMU120の取付姿勢と、予め設定された初期設定姿勢との間に姿勢誤差が生じている場合、航法計算モジュール130における計算において、重力補正後に“0”となるべき加速度に補正残差が発生する。この重力補正後の加速度の補正残差の積分によって発生する速度が“0”になるような姿勢角度を求めることで、ENU座標系に対する真の取付姿勢を求めることができる。
[Leveling process]
Hereinafter, the leveling process performed by the leveling
図6は、航法計算モジュール130におけるレベリング処理の一例を示すフローチャートである。まず、レベリング部132は、IMU120により検出された検出値に基づいて、ENU座標系の姿勢誤差に起因する重力補正後の加速度の補正残差を算出する(ステップS101)。例えば、レベリング部132は、ENU座標系の姿勢誤差に起因する重力補正後の加速度の補正残差を以下の式(1)から(3)により算出する。式(1)から(3)において、εaE、εaN、εaUをそれぞれ、ENU座標系の重力補正後の加速度のE軸、N軸、U軸の成分とし、εθP、εθYをそれぞれ、ロケット1の機体軸座標系のピッチ角誤差、ヨー角誤差とする。なお、ロール方向をU軸方向とする。
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of leveling processing in the
図7は、ENU座標系におけるピッチ角誤差εθPを示す図である。また、図8は、ENU座標系におけるヨー角誤差εθYを示す図である。図7および図8では、IMU120の実際の取付姿勢を破線(IMU120A)で示し、IMU120の計算上の初期設定姿勢を実線(IMU120B)で示している。
FIG. 7 is a diagram showing the pitch angle error εθ P in the ENU coordinate system. FIG. 8 is a diagram showing the yaw angle error εθ Y in the ENU coordinate system. 7 and 8, the actual mounting posture of the
ここで、上記式(1)から(3)において、εθPおよびεθYが微小であれば、上記の式(1)および(2)は、以下の式(4)および(5)で近似できる。 Here, in the above formulas (1) to (3), if εθ P and εθ Y are very small, the above formulas (1) and (2) can be approximated by the following formulas (4) and (5). .
次に、εθPおよびεθYがほぼ同じ値であり、かつ、微小であるとすると、上記の式(3)は、以下の式(6)で近似できる。 Next, when εθ P and εθ Y are substantially the same value and are very small, the above equation (3) can be approximated by the following equation (6).
ここで、再度、εθPおよびεθYがほぼ同じ値であるとすれば、上記の式(6)は、以下の式(7)で近似できる。 Here, if εθ P and εθ Y are almost the same value, the above equation (6) can be approximated by the following equation (7).
さらに、αp、αYを姿勢推定係数とすると、上記の式(7)は、以下の式(8)のように表される。αp、αYは、ピッチ軸、ヨー軸の目標姿勢精度(目標姿勢角推定誤差)が設定される。 Furthermore, when α p and α Y are posture estimation coefficients, the above equation (7) is expressed as the following equation (8). For α p and α Y , target posture accuracy (target posture angle estimation error) of the pitch axis and yaw axis is set.
次に、レベリング部132は、算出した加速度の補正残差を用いて、速度誤差εvLを算出する(ステップS103)。速度誤差εvLは、以下の式(9)によって表される。
Next, the leveling
次に、レベリング部132は、算出した速度誤差に対してカルマンフィルタを適用し、姿勢誤差を推定して除去する(ステップS105)。レベリング部132は、上記の式(9)と、ロケット1の打ち上げ前の機体静止時のENU座標系速度が“0”という条件を用いて、速度増分を観測値として、姿勢誤差をカルマンフィルタにより推定する。カルマンフィルタの更新周期は、例えば、飛行体用航法装置100の更新周期100Hzとする。状態量xL、遷移行列AL、観測行列CLは以下の式(10)によって表される。
Next, the leveling
プロセスノイズQLについては、IMU120の加速度ノイズの分散、観測ノイズRLはIMU120によって検出されたロケット1の静止時の機体搖動による加速度の変動値により決定されてよい。また、共分散値PLの初期値については、想定される姿勢誤差等から決定されてよい。推定したピッチ角誤差εθP、ヨー角誤差εθYで機体軸姿勢のクォータニオン(Quaternion)を更新していくことで、時間の経過とともに、姿勢が補正されていき、最終的に一定値に収束する。これにより、レベリング部132は、ピッチ角誤差およびヨー角誤差を推定して除去する。
Regarding the process noise Q L , the dispersion of the acceleration noise of the
次に、レベリング部132は、ピッチ角誤差およびヨー角誤差を除去したデータを真の取付姿勢のデータとして記憶部150に記憶させる(ステップS107)。以上により、本フローチャートの処理を終了する。
Next, the leveling
[方位角推定処理]
以下において、航法計算モジュール130の方位角推定部134によって行われる方位角推定処理について説明する。方位角推定は、ベロシティーマッチングを用いており、ロケット1の射点を原点としたENU座標系において、電波航法測位モジュール110により導出されたロケット1の速度ベクトルと、IMU120により検出された検出値に基づいて導出されたロケット1の速度ベクトルとの内積および外積により、これらの2つのベクトルの成す角を方位角誤差として算出する。これら2つのベクトルの成す角度は、ロケット1の打ち上げ前にレベリング部132によってピッチ角誤差およびヨー角誤差が除去されている場合、ロール角誤差のみを含む。
[Azimuth estimation processing]
Hereinafter, the azimuth angle estimation process performed by the azimuth
図9は、航法計算モジュール130における方位角推定処理の一例を示すフローチャートである。まず、方位角推定部134は、ロケット1の打ち上げ後の飛行中にIMU120により検出された検出値に基づいて、ロケット1の速度ベクトルに地表面に対する水平成分が生じているか否かを判定する(ステップS201)。方位角推定部134は、速度ベクトルに地表面に対する水平成分が生じていないと判定した場合、速度ベクトルの監視を継続する。
FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of the azimuth angle estimation process in the
一方、方位角推定部134は、速度ベクトルに地表面に対する水平成分が生じていると判定した場合、すなわち、ロケット1の姿勢が徐々に水平方向に変えていくタイミングであると判定した場合、IMU120の三軸式加速度計の出力を積分することにより得られるロケット1の機体の水平方向の速度ベクトル(以下、「第1速度ベクトル」という)と、電波航法測位モジュール110により導出されたロケット1の機体の水平方向の速度ベクトル(以下、「第2速度ベクトル」という)との2つの速度ベクトルを、それぞれ個別に2次のデジタルローパスフィルタによってフィルタリングしてノイズ除去を行う(ステップS203)。これにより、IMU120の検出値に含まれるランダムノイズおよび衛星測位信号に含まれる熱雑音などを除去することができる。
On the other hand, when the azimuth
図10は、ENU座標系におけるロール角誤差εθRを示す図である。図10では、IMU120の実際の取付姿勢を破線(IMU120A)で示し、IMU120の計算上の初期設定姿勢を実線(IMU120B)で示している。
FIG. 10 is a diagram showing the roll angle error εθ R in the ENU coordinate system. In FIG. 10, the actual mounting posture of the
次に、方位角推定部134は、ノイズ除去を行った第1速度ベクトルと第2速度ベクトルとの内積を算出する(ステップS205)。方位角推定部134は、算出した内積に基づいて、第1速度ベクトルと第2速度ベクトルとの成す角度、すなわち、誤差角度の大きさを推定する。
Next, the azimuth
次に、方位角推定部134は、ノイズ除去を行った第1速度ベクトルと第2速度ベクトルとの外積を算出する(ステップS207)。方位角推定部134は、算出した外積に基づいて、第1速度ベクトルと第2速度ベクトルとの誤差方向、すなわち、どの方向にロール角誤差が生じているかを推定する。
Next, the azimuth
図11は、ENU座標系における方位角誤差θDを示す図である。図11に示すように、第1速度ベクトルと、第2速度ベクトルとの成す角度が方位角誤差θDとなる。 Figure 11 is a diagram showing an azimuth angle error theta D in ENU coordinate system. As shown in FIG. 11, a first velocity vector, the angle formed between the second velocity vector becomes azimuth error theta D.
次に、方位角推定部134は、推定した誤差角度の大きさおよび誤差方向に基づいて、ロール角誤差を推定する(ステップS209)。
Next, the azimuth
次に、レベリング部132は、記憶部150に記憶された計算上の初期設定姿勢のデータ(レベリング部132によってピッチ角誤差およびヨー角誤差が除去された取付姿勢のデータ)からロール角誤差を除去し、除去後のデータを真の取付姿勢のデータとして記憶部150に記憶させる(ステップS211)。以上により、本フローチャートの処理を終了する。
Next, the leveling
[シミュレーション試験]
本出願の出願人は、以下に説明するシミュレーション試験を実施した。図12は、機体のピッチ角方向およびヨー角方向にそれぞれ10度の誤差角度を与えた際のレベリング処理のシミュレーション結果を示す。シミュレーション結果より、20秒以内に誤差角度が0度に収束していることが分かった。
[Simulation test]
The applicant of the present application conducted a simulation test described below. FIG. 12 shows a simulation result of the leveling process when an error angle of 10 degrees is given to each of the pitch angle direction and the yaw angle direction of the airframe. From the simulation results, it was found that the error angle converged to 0 degrees within 20 seconds.
なお、姿勢誤差が想定値よりも大きい場合、その収束に時間を要する場合がある。この場合、αP、αYを含むカルマンフィルタのパラメータを可変とし、姿勢推定時の初期には、収束に要する時間を短縮するために粗い姿勢推定を行うように、パラメータを設定する。そして、その収束状況を確認しつつ、推定精度を向上させるようにカルマンフィルタのパラメータを段階的に変動させることで、姿勢推定の精度を保ちつつ収束に要する時間を短縮させることができる。 If the posture error is larger than the assumed value, it may take time to converge. In this case, the parameters of the Kalman filter including α P and α Y are made variable, and the parameters are set so that rough posture estimation is performed at the initial stage of posture estimation in order to shorten the time required for convergence. Then, by confirming the convergence state and changing the parameters of the Kalman filter step by step so as to improve the estimation accuracy, the time required for convergence can be shortened while maintaining the accuracy of posture estimation.
以上説明した実施形態の飛行体用航法装置100および飛行体用航法によれば、上記のようなレベリング処理を行うことで、汎用の比較的低精度な慣性計測装置を用いた場合であっても、ピッチ角誤差およびヨー角誤差を適切に除去することができる。これにより、飛行体用航法装置100は、ロケット1の飛行安全管制で要求される高精度の位置および速度を計測することができる。さらに、ロケット1の起立時の機体搖動による加速度変動、慣性計測装置の加速度ノイズもあわせて低減することができ、位置および速度の計測値の精度をより向上させることができる。
According to the flying
また、上記のような方位角推定処理を行うことで、アースレートを検出できない汎用の比較的低精度な慣性計測装置を用いた場合であっても、ロール角誤差を適切に除去することができる。さらに、慣性計測装置により検出された検出値に基づいて導出されたロケット1の速度ベクトルおよび電波航法測位モジュール110により導出されたロケット1の速度ベクトルは、それぞれ個別に2次のデジタルローパスフィルタによりフィルタリングされているため、慣性計測装置の検出値に含まれるランダムノイズに起因する速度誤差および衛星測位信号に含まれる熱雑音に起因する速度誤差を防ぐことができる。
Further, by performing the azimuth angle estimation process as described above, it is possible to appropriately remove the roll angle error even when a general-purpose relatively low-precision inertial measurement device that cannot detect the earth rate is used. . Furthermore, the velocity vector of the
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated using embodiment, this invention is not limited to such embodiment at all, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various deformation | transformation and substitution Can be added.
AT…アンテナ、1…ロケット、100…飛行体用航法装置、110…電波航法測位モジュール、112…測位側インターフェース、114…電波航法測位部、120…IMU、130…航法計算モジュール、132…レベリング部、134…方位角推定部、136…慣性航法測位部、140…電源モジュール、150…記憶部、TM…通信装置 AT ... Antenna, 1 ... Rocket, 100 ... Aircraft navigation device, 110 ... Radio navigation positioning module, 112 ... Positioning side interface, 114 ... Radio navigation positioning unit, 120 ... IMU, 130 ... Navigation calculation module, 132 ... Leveling unit , 134 ... azimuth angle estimation unit, 136 ... inertial navigation positioning unit, 140 ... power supply module, 150 ... storage unit, TM ... communication device
Claims (9)
前記飛行体に働く慣性力を検出する検出装置と、
前記飛行体の静止時に、前記検出装置によって検出された加速度に対する重力加速度による補正の結果に基づいて、前記飛行体に対する前記検出装置の初期設定姿勢と取付姿勢との誤差成分のうち少なくとも一部である第1誤差を推定する第1推定部と、
前記第1推定部によって推定された前記第1誤差が除去された前記初期設定姿勢に基づいて、前記飛行体の位置および速度を導出する測位部と
を備える飛行体用航法装置。 A navigation device for an aircraft mounted on an aircraft,
A detection device for detecting an inertial force acting on the flying object;
Based on the result of correction by gravitational acceleration with respect to the acceleration detected by the detection device when the flying object is stationary, at least a part of error components between the initial setting posture and the mounting posture of the detection device with respect to the flying object. A first estimation unit for estimating a certain first error;
A flying object navigation apparatus comprising: a positioning unit that derives a position and a velocity of the flying object based on the initial setting posture from which the first error estimated by the first estimating unit is removed.
前記測位部は、前記第1推定部によって推定された前記第1誤差および前記第2推定部によって推定された前記第2誤差が除去された前記初期設定姿勢に基づいて、前記飛行体の位置および速度を導出する、
請求項1に記載の飛行体用航法装置。 A second error that is at least a part of an error component between the initial setting posture and the mounting posture is estimated based on a detection result of the detection device and a radio wave received from a satellite during the flight of the flying object. 2 further includes an estimation unit,
The positioning unit is configured to determine the position of the flying object based on the initial setting posture from which the first error estimated by the first estimation unit and the second error estimated by the second estimation unit are removed, and Deriving speed,
The aircraft navigation apparatus according to claim 1.
請求項1または2に記載の飛行体用航法装置。 The first error is an error around the pitch axis and the yaw axis of the aircraft.
The aircraft navigation system according to claim 1 or 2.
請求項1から3のうちいずれか一項に記載の飛行体用航法装置。 The first estimation unit estimates the first error by applying a Kalman filter to the correction result by the gravitational acceleration,
The flying object navigation apparatus according to any one of claims 1 to 3.
請求項2に記載の飛行体用航法装置。 The second error is an error around the roll axis of the aircraft.
The navigation apparatus for an aircraft according to claim 2.
請求項5に記載の飛行体用航法装置。 The second estimation unit includes an inner product and an outer product of a first velocity vector of the flying object calculated from a detection result of the detection device and a second velocity vector of the flying object calculated from a radio wave received from the satellite. Estimating the second error based on:
The navigation apparatus for an aircraft according to claim 5.
請求項6に記載の飛行体用航法装置。 The first velocity vector and the second velocity vector are velocity vectors in the horizontal direction with respect to the ground surface.
The aircraft navigation apparatus according to claim 6.
前記検出装置によって検出された加速度に対する重力加速度による補正の結果に基づいて、前記飛行体に対する前記検出装置初期設定姿勢と取付姿勢との誤差成分のうち少なくとも一部である第1誤差を推定する工程と、
前記推定された前記第1誤差が除去された前記初期設定姿勢に基づいて、前記飛行体の位置および速度を導出する工程と、
を備える、飛行体用航法。 A vehicle navigation system using a vehicle navigation system equipped with a detection device that is mounted on a vehicle and that detects an inertial force acting on the vehicle.
Estimating a first error which is at least a part of an error component between the detection device initial setting posture and the mounting posture with respect to the flying object based on a result of correction by gravitational acceleration with respect to the acceleration detected by the detection device. When,
Deriving the position and velocity of the flying object based on the initial setting posture from which the estimated first error is removed;
Aircraft navigation.
前記推定された前記第1誤差および前記第2誤差が除去された前記初期設定姿勢に基づいて、前記飛行体の位置および速度を導出する工程と、
をさらに備える、請求項8に記載の飛行体用航法。 Estimating a second error that is at least a part of an error component between the initial setting posture and the mounting posture based on a detection result of the detection device and a radio wave received from a satellite during the flight of the flying object. When,
Deriving the position and velocity of the flying object based on the initial setting posture from which the estimated first error and the second error are removed;
The vehicle navigation according to claim 8, further comprising:
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