JP2019070510A - 航空輸送体の撮像及び照準システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年8月25日に出願された「Aerial Vehicle Imaging and Targeting System」と題された米国仮特許出願第62 / 550,331号の35 USC§119(e)に基づく利益を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
「データ」という用語は、異なる物理的形態(複数可)を採る対応する情報の任意の及び全ての表現を包含する、1つの物理的形態を採る所定の情報を表すために使用され得る。
航空防衛システム100は、低費用のモジュール式アビオニクスセット又はキットを、様々なCOTS UAVに適合させて、それらを防衛的UAVに変形することを可能にする。モジュール式の迎撃ドローンのアビオニクスセット(MIDAS)が使用されて、事実上あらゆるCOTS UAVを防衛的UAV102に変形することができる。COTS UAVを防衛的UAV102に変形するために必要とされる修正の費用を低減させることは、高フレーム速度のカメラ(及び関連する埋め込まれたソフトウェア)の使用、及び既存の照準システムと通信するように設計されたより中央集中式でより高価なシステムと通信する非常に低費用の無線機の使用を通じて実現され得る。例えば、航空防衛システム100は、2以上の防衛的UAV102を採用し得る。それらの各々は、改良された飛行制御則、特別な照準カメラ、標的中立化デバイス、及び低遅延(low-latency)の無線機を用いて修正される。防衛的なUAV102は、GPS及び慣性構成要素に対する更新も含み得る。
航空機プロセッサ216は、ナビゲーションシステム224と動作可能に接続され得る。ナビゲーションシステム224は、航空機の位置データ(例えば、その座標、軌跡、姿勢、機首方位など)を提供する、INS224b及び/又は慣性測定ユニット(IMU)224cと通信可能に接続されている、GPS224aを含み得る。航空機は、1以上のジャイロ及び加速度計を含むことができるGPS224aは、INSの解決策を再設定するために使用され得るか又はカルマンフィルタなどの数学アルゴリズムの使用によってINSの解決策とブレンドされ得る、絶対的なドリフトフリー(drift-free)の位置値を与える。システムをテストするために、又は追跡されているデバイスが協働する場合には、RTK衛星ナビゲーションが、信号の情報コンテンツよりもむしろ信号の搬送波のフェーズの測定値を使用して、衛星ベースの測位システム(例えば、GPS/IMU)から導かれた位置データの正確さを高めるために使用される。それは、キャリアフェーズエンハンスメントとしても知られている。RTKは、通常、リアルタイムの補正を提供し、それによって、cmレベルの精度をもたらすために、単一の観測基準点(reference station)又は補間された仮想基準点(virtual station)を拠り所にする。例えば、防衛的UAV102は、センチメートル(cm)レベルの精度を有する絶対位置を提供するためのRTK GPSデバイスが装備されたCOTS UAVであってもよい。標的と防衛的UAV102の両方に取り付けられたRTK GPSモジュールを利用することによって、交戦中に両方の輸送体の位置についての情報が集められ得る。同じRTK GPSアプローチが、目標輸送体(objective vehicle)に対しても使用される。そして、同じ種類の結果が利用可能となる。しかし、更に、衝突コースアプローチ中の並びにトレーリングモード及び/又はチェイスモード中の標的に対して維持され得る輸送体に関する指向精度を決定するために、MIDASカメラシーカーデータを使用することができるだろう。
データを収集し且つ/又は領域をモニタするために、防衛的UAV102は、更に、センサペイロード226が装備され得る。例えば、センサペイロード226は、1以上のカメラ226a(例えば、リーダー(LiDAR)デバイスを含む、画像及び/又は動画を記録又は捕捉するための光学機器)、音響デバイス226b(例えば、マイクロフォン、反響定位センサなど)、光源226c(例えば、レーザーなどの構造化された光源、及びSLM(空間光モジュレータ)又はDMD(デジタルマイクロ鏡デバイス))、並びにセンサデータ(例えば、写真、動画、音響、センサ測定値、レーダー測定値、及びx線測定値など)を提供するための他のセンサ226dを備える。それらのセンサデータは、ナビゲーション、並びに所望の場合には、諜報、監視、及び偵察(ISR)機能を促進するために使用され得る。
標的航空機104を無効にする可能性を高めるために、防衛的UAV102は、展開可能な網112、発射デバイス230(例えば、銃、発射機など)、ストリーマ、ハイパワーレーザー、指向性エネルギー兵器(DEW)などの、標的航空機104を打撃するための標的中立化デバイスが装備され得る。例えば、防衛的UAV102の前面面積を増加させるための展開可能な網112は、標的航空機104との接触に際して、85%〜95%の中立化成功率をもたらし得る。
UAV保管システム106は、長期間の準備完了状態にある(充電されたバッテリ、定期的に実行される組み込みテスト、ロック状態に維持されているGPS、及び加熱/冷却など)防衛的UAV102を収容し、要素から防衛的UAV102を保護するために清潔で、乾燥した、管理された温度を提供し、オンデマンドでの防衛的UAV102の素早い展開を容易にする。低費用での容易な設置及び携帯性を可能にするために、航空防衛システム100の部分は、野外に設置することが容易で、C-RAM C2 システム110と通信することが可能で、常に準備ができていて、標的航空機104に照準を合わせるために十分な速度及び操作性を有する(例えば、2以上の、より好適には4以上の)複数の防衛的UAV102を含む、自給式保管及び発射システムとして構成され得る。
図4で示されているように、地上保管システム106aは、地上に位置付けられ、防衛的UAV102を発射することを可能にするための後退可能な上端部(又は作動される蓋)を有するように構成され得る。航空防衛システム100の構成要素は、(車輪を有する又は有さない)携帯可能な箱410内に収容され得る。携帯可能な箱410は、Pelican Products, Inc. から購入可能なPelican(米国登録商標)0550などのPelican(米国登録商標)であり得る。それは、47.57×24.07×17.68の内部寸法を有する。理解され得るように、携帯可能な箱は、防衛的UAV102の数に応じてスケールアップ又はダウンされ得る。
地上での設置が非現実的又は望ましくない場合は、図5aから図5cで示されているように、宙吊りの保管システム106bが採用され得る。宙吊りの保管システム106bの全体の構造は、支持ケーブル504によって連結された一連の積み重ねられたプラットフォーム502(例えば、示されているように、4つのプラットフォーム502a、502b、502c、502d)である。プラットフォーム502の組は、取り付けポイント506(例えば、旗ざお、建物の側部など)から吊るされ、プラットフォーム502自身の重量と、底のプラットフォーム502aと固定された表面516(例えば、地上の土台)との間に取り付けられた引張ライン508と、の組み合わせを使用して、プラットフォーム502間の分離を維持する。高いポイントから宙吊りの保管システム106bを吊るすことは、航空機飛行の観点から有益であり、壊される可能性を低減させもする。
図1では、UAVコントローラ108とUAV保管システム106が分離した構成要素として示されているが、図4及び図5cで示されているように、UAVコントローラ108は、UAV保管システム106内に常駐していても/UAV保管システム106と統合されていてもよいし、電力及びデータリンクを通じて防衛的UAV102と接続されていてもよい。上述したように、UAVコントローラ108は、概して、地上基地局コントローラ402、無線機404、及び防衛的UAV102を長期間維持するための充電システム406を備える。
図6aから図6dは、様々な例示的ディスプレイスクリーンを有する例示的なHMIデバイス114を示す。HMIデバイス114は、システムのステータスを、開始し、武装し、更新するための、且つ、発射後のモニタリング及びステータスアラートのための、非搭載型のコンピュータベースのシステムを提供する。HMIデバイス114は、設定、モニタリング、及び発射後の制御を提供する。HMIデバイス114は、ソフトウェアアプリケーション(例えば、ATAK、 KILSWITCHなど)の中へ統合され得る。HMIデバイス114は、防衛的UAV102の効果的なコマンド及び制御を保証する一方で、状況把握及び制御機能を提供する。ソフトウェアアプリケーション内に提供された情報は、健全性、ステータス、及び潜在的なコマンド機能のみならず、現在の脅威と防衛的UAV102の位置を含み得る。インターフェースは、外部の照準、コマンド、及び制御システムとのリンクを確立し、外部の照準、コマンド、及び制御システムと共に動作可能になる、ブートアッププロセスを支援し得る。
標的中立化プロセスは、概して、3つのフェーズに分割され得る。すなわち、交戦前、交戦中、及び交戦後のフェーズである。照準は、幾つかのやり方で実行され得るが、1つの具体化は、視覚ベースの誘導システムを使用するターミナル誘導の前に、(輸送体に直接的にか又は迎撃機管理及び通信システムによって低費用の無線機のペアを通じて中継されるかの何れかで経路指定される)外部の照準システムからのアップリンクされたコマンドを使用して、標的に向けて予備的な誘導を行うことである。
航空防衛システム100の目的は、標的航空機104と交戦することである。すなわち、一旦、航空防衛システム100が、標的航空機104の捜索、航行位置決定、追跡、及び照準を実行したら、航空防衛システム100は、インターフェースの詳細を用いて、C-RAM C2 システム110などの一般的なデータフォーマットを使用して、外部システムから遠隔発射コマンド、ナビゲーション情報、追跡、及びメタデータを受信する。航空防衛システム100の前方砲座は、1以上のUAV保管システム106に通信可能に接続されたUAVコントローラ108を含む。1以上のUAV保管システム106の各々は、多数の防衛的UAV102を収容している。UAV保管システム106は、野営地などの関心領域を取り囲んだ高いポイントに位置付けられ得る。UAVコントローラ108と1以上のUAV保管システム106は、同じ場所に配置されるか又は遠隔に配置され、無線で又はケーブルを介して通信可能に接続され得る。
交戦中に、1以上の防衛的UAV102は、そのGPS位置をC-RAM C2 システム110に放送することができる。C-RAM C2 システム110は、それらの位置を使用して、どの(1以上の)防衛的UAV102を発射して、標的航空機104を迎撃するために誘導するかを選択する。防衛的UAV102は、標的航空機104を発見し、その軌跡を規定するために、外部のC-RAM C2 システム110に頼る。C-RAM C2 システム110は、様々なセンサから標的航空機104に関する情報を受信する。武装したシステムによって通信された情報に基づいて、C-RAM C2 システム110は、利用可能な防衛的UAV102を決定する。
標的航空機104が生き残ったならば(例えば、ニアミス)、更なる防衛的UAV102が、それに続き、標的航空機104が中立化される可能性を高めることができる。特定の態様では、標的航空機104が、標的航空機104が中立化される可能性を高めるために、多数のパスを行い得る。防衛的UAV102が、交戦に成功した後で生き残ったならば、その防衛的UAV102は、あらかじめ規定された回収ポイントへ自律的に戻り得る。加速及びバッテリ放電のために、防衛的UAV102は、再使用の前に再充電を必要とし得る。
仮想現実(VR)又は拡張現実(AR)シミュレーションシステムは、高い忠実度と高い写実性を有する、ナビゲーション自律アルゴリズムが開発され得る航空シミュレーション環境と、より少ない実験飛行時間で群1から群5までのうちからのUASのシミュレートされた環境に飛行特性を結合するアビオニクスキットと、の両方を生成するために使用され得る。VR及びARシミュレーションシステムは、概して、航空防衛システム100及び防衛的UAV102に関するものとして説明されることとなるが、VRシミュレーションシステムは、(空中であれ、地上であれ、又は海上であれ)事実上あらゆる輸送体に適用され得る。例えば、この種類のシステムは、自動車又は船のために使用され得る。それらは、2Dに限定され得るが、一方、航空システムは、3Dの解決策を必要とし得る。光学的なシミュレーションに加えて、レーダー、リーダー、感熱、又は他の感知モダリティーを使用するシミュレーションが考慮されている。VR又はARシミュレーションシステムは、航空操縦又は航空アクロバットを実行するときにも非常に都合よく働き得る。航空操縦に対して、人工的制約(隠れた狭い通路など)をシミュレートする能力は、システムテストのロバスト性を有効にすることができる。航空アクロバットに対して、この精密な位置付け能力は、飛行動力学における非線形性のより優れたモデル化を可能にすることとなる。
Claims (15)
- 輸送体に取り付けられ且つ物体を撮像及び追跡する追跡システムであって、
プロセッサ(308、402a、802)に動作可能に接続された構造化された光源(304)、
前記プロセッサ(308、402a、802)に動作可能に接続された慣性測定ユニット(IMU)(224c)であって、前記輸送体の位置を表す位置データを生成するように構成された、IMU(224c)、
前記光源から前記物体に向けて光を誘導する鏡(306)、並びに
第1のカメラ及び第2のカメラを有する立体視システムであって、前記プロセッサ(308、402a、802)に動作可能に接続され、前記位置データに応じて前記物体の三次元位置を決定するように構成された、立体視システムを備える、追跡システム。 - 前記鏡(306)が、前記鏡(306)の位置に応じて前記光源から前記物体に向けて前記光を誘導するように構成されており、前記プロセッサ(308、402a、802)が、前記鏡(306)の位置を調整するように構成されている、請求項1に記載の追跡システム。
- 前記構造化された光源(304)が、450〜495nmの光スペクトルの波長を有する光を生成するように構成された、レーザー光源である、請求項1又は2に記載の追跡システム。
- 前記構造化された光源(304)が、青い光スペクトルの波長を有する光を生成するように構成された、レーザー光源である、請求項1から3のいずれか一項に記載の追跡システム。
- 前記立体視システムが、帯域通過フィルタを含む、請求項4に記載の追跡システム。
- 前記鏡(306)が、電気機械システム(MEMS)鏡(306)である、請求項1から5のいずれか一項に記載の追跡システム。
- 前記第1のカメラが第1の視野(FOV)を提供し、前記第2のカメラが第2のFOVを提供する、請求項1から6のいずれか一項に記載の追跡システム。
- 前記プロセッサ(308、402a、802)が、少なくとも部分的に前記IMU(224c)からの前記位置データに基づいて、前記鏡(306)、前記第1のカメラ、及び前記第2のカメラの各々の位置を制御するように構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の追跡システム。
- 輸送体に取り付けられたセンサペイロードを使用して物体を撮像及び追跡する方法であって、
プロセッサ(308、402a、802)に動作可能に接続された慣性測定ユニット(IMU)(224c)によって、前記輸送体の位置を反映した位置データを生成するステップ、
前記プロセッサ(308、402a、802)に動作可能に接続された構造化された光源(304)によって、光を生成するステップ、
鏡(306)であって、前記プロセッサ(308、402a、802)が前記鏡(306)の位置を調整するように構成された、鏡(306)の位置に応じて、前記鏡(306)を介して前記構造化された光源(304)から前記物体に向けて前記光を誘導するステップ、並びに
前記プロセッサ(308、402a、802)に接続された立体視システムであって、第1のカメラ及び第2のカメラを備えた、立体視システムによって、前記位置データに応じて前記物体の三次元位置を決定するステップを含む、方法。 - 前記構造化された光源(304)が、450〜495nmの光スペクトルの波長を有する光を生成するように構成された、レーザー光源である、請求項9に記載の方法。
- 前記構造化された光源(304)が、青い光スペクトルの波長を有する光を生成するように構成された、レーザー光源である、請求項9又は10に記載の方法。
- 前記鏡(306)が、電気機械システム(MEMS)鏡(306)である、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1のカメラが第1の視野(FOV)を提供し、前記第2のカメラが第2のFOVを提供し、前記光が、前記第1のFOVと前記第2のFOVの各々の少なくとも一部分に重なる領域を照らす、請求項9から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1のFOVの少なくとも一部分が、前記第2のFOVの一部分と重なる、請求項13に記載の方法。
- 前記プロセッサ(308、402a、802)が、少なくとも部分的に前記IMU(224c)からの前記位置データに基づいて、前記鏡(306)、前記第1のカメラ、及び前記第2のカメラの各々の位置を制御するように構成されている、請求項9から14のいずれか一項に記載の方法。
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