JP2020126064A

JP2020126064A - 位置測定システム及び速度測定システム

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Publication number: JP2020126064A
Application number: JP2020076688A
Authority: JP
Inventors: 孝恭中島; Takayasu Nakajima
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: JP7060646B2

Abstract

【課題】飛翔体の鉛直方向における位置測定精度を向上可能な位置測定システム、及び飛翔体の鉛直方向における速度測定精度を向上可能な速度測定システムを提供する。【解決手段】位置測定システム１００は、第１取得部３２と、第２取得部３３と、算出部３４とを備える。第１取得部３２は、第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置座標とを取得する。第２取得部３３は、砲弾１０の見通し距離とレーダ位置情報とを取得する。算出部３４は、第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置座標と見通し距離とレーダ位置情報とに基づいて、砲弾１０の位置を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、飛翔体の位置測定システム及び速度測定システムに関する。

従来、複数のＧＮＳＳ衛星から送信される衛星信号を捕捉することによって飛翔体の位置を算出する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方で、複数のＧＮＳＳ衛星は、通常、水平方向では飛翔体の周りに散在しているものの、鉛直方向では飛翔体の上方に偏在している。そのため、鉛直方向における飛翔体の位置測定精度が、水平方向における飛翔体の位置測定精度よりも低くなりやすいという問題がある（非特許文献１参照）。

特開２０１３-２４７４０１号公報

坂井丈泰著「ＧＮＳＳ技術入門」、東京電機大学出版局、２００３年、３６−４６ページ

上述の問題は、飛翔体の位置を測定する場合のみならず、飛翔体の速度を測定する場合においても同様に生じる。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、飛翔体の鉛直方向における位置測定精度を向上可能な位置測定システム、及び飛翔体の鉛直方向における速度測定精度を向上可能な速度測定システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る位置測定システムは、第１取得部と、第２取得部と、算出部とを備える。第１取得部は、ＧＮＳＳ受信機が受信した複数のＧＮＳＳ信号に基づいて算出される複数の擬似距離と、複数のＧＮＳＳ衛星それぞれの位置を示す複数の衛星位置情報とを取得する。第２取得部は、地上に配置された第１レーダと飛翔体との第１見通し距離と、第１レーダの位置を示す第１レーダ位置情報とを取得する。算出部は、複数の擬似距離、複数の衛星位置情報、第１見通し距離及び第１レーダ位置情報に基づいて、飛翔体の位置を算出する。

本発明の第１の態様に係る位置測定システムにおいて、算出部は、飛翔体の下方に位置するレーダを、飛翔体の上方に位置するＧＮＳＳ衛星と同等に扱うことによって、飛翔体の位置を測定する。従って、鉛直方向における測定誤差が相殺されるため、飛翔体の鉛直方向における位置測定精度を向上させることができる。

本発明の第２の態様に係る位置測定システムは、第１の態様に係り、第２取得部は、地上に配置された第２レーダと飛翔体との第２見通し距離と、第２レーダの位置を示す第２レーダ位置情報とを取得する。算出部は、複数の擬似距離と、複数の衛星位置情報と、第１見通し距離及び第２見通し距離の少なくとも一方と、第１レーダ位置情報及び第２レーダ位置情報の少なくとも一方とに基づいて、飛翔体の位置を算出する。

本発明の第２の態様に係る位置測定システムでは、２つのレーダのうち飛翔体に近いレーダの見通し距離、又は、２つのレーダそれぞれの見通し距離を用いることができるため、位置の測定精度をより向上させることができる。

本発明の第３の態様に係る速度測定システムは、第１取得部と、第２取得部と、算出部とを備える。第１取得部は、ＧＮＳＳ受信機が受信した複数のＧＮＳＳ信号それぞれのドップラー周波数を一定時間積算して得られる複数のデルタレンジを取得する。第２取得部は、地上に配置された第１レーダによって測定される飛翔体の第１見通し速度を取得する。算出部は、複数のデルタレンジ及び第１見通し速度に基づいて、飛翔体の速度を算出する。

本発明の第３の態様に係る速度測定システムにおいて、算出部は、飛翔体の下方に位置するレーダを、飛翔体の上方に位置するＧＮＳＳ衛星と同等に扱うことによって、飛翔体の速度を測定する。従って、鉛直方向における測定誤差が相殺されるため、飛翔体の鉛直方向における速度測定精度を向上させることができる。

本発明の第４の態様に係る速度測定システムは、第３の態様に係り、第２取得部は、地上に配置された第２レーダによって測定される飛翔体の第２見通し速度を取得する。算出部は、複数のデルタレンジと、第１見通し速度及び第２見通し速度の少なくとも一方とに基づいて、飛翔体の速度を算出する。

本発明の第４の態様に係る速度測定システムでは、２つのレーダのうち飛翔体に近いレーダの見通し速度、又は、２つのレーダそれぞれの見通し速度を用いることができるため、速度の測定精度をより向上させることができる。

本発明によれば、飛翔体の鉛直方向における位置測定精度を向上可能な位置測定システム、及び飛翔体の鉛直方向における速度測定精度を向上可能な速度測定システムを提供することができる。

第１実施形態に係る位置測定システムの構成を示す概略図第１実施形態に係る解析装置の構成を示すブロック図砲弾の位置測定精度の推移を示すグラフ第２実施形態に係る速度測定システムの構成を示す概略図第２実施形態に係る解析装置の構成を示すブロック図

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る位置測定システム１００の構成を示す概略図である。位置測定システム１００は、砲弾１０と、レーダ２０と、解析装置３０とを備える。

以下の説明では、砲弾１０の飛行中に第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４が地平線上に位置しているものとする。「ＧＮＳＳ」とは、ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍの略であり、ＧＰＳ（米国）、ＧＡＬＩＬＥＯ（欧州）、ＧＬＯＮＡＳＳ（ロシア）、準天頂衛星システム（日本）などの総称である。第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４は、地球を周回する人工衛星である。第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４は、鉛直方向において砲弾１０よりも上方に位置する。第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４は、第１乃至第４衛星信号Ｗ１〜Ｗ４を送信する。

砲弾１０は、飛翔体の一例である。砲弾１０は、火砲から発射されて所定の弾着地点に向かって飛翔する。砲弾１０は、衛星信号受信機１１とテレメトリ送信機１２とを有する。

衛星信号受信機１１は、第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４それぞれから第１乃至第４衛星信号Ｗ１〜Ｗ４を受信する。衛星信号受信機１１は、第１乃至第４衛星信号Ｗ１〜Ｗ４それぞれの送信時刻と受信時刻に基づいて、第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４それぞれと衛星信号受信機１１との第１乃至第４擬似距離を算出する。衛星信号受信機１１は、第１乃至第４衛星信号Ｗ１〜Ｗ４それぞれに含まれる航法メッセージを解読して、第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４それぞれの位置を示す第１乃至第４衛星位置情報を取得する。

テレメトリ送信機１２は、衛星信号受信機１１から第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置情報とを取得する。テレメトリ送信機１２は、第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置情報とを解析装置３０に送信する。

レーダ２０は、地上に配置される。レーダ２０は、鉛直方向において砲弾１０よりも下方に位置する。このように、レーダ２０は、鉛直方向において砲弾１０を基準として第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４の反対側に位置する。レーダ２０は、砲弾１０との見通し距離を測定する。レーダ２０としては、ドップラーレーダを用いることができるが、これに限られるものではない。

レーダ２０は、解析装置３０と有線で接続されている。ただし、レーダ２０は、解析装置３０にデータを送信できればよく、解析装置３０と無線で接続されていてもよい。レーダ２０は、測定した見通し距離と、自機の位置を示すレーダ位置情報とを解析装置３０に送信する。見通し距離とは、レーダ２０から砲弾１０までの距離である。

解析装置３０は、砲弾１０の軌跡を解析するための装置である。図２は、解析装置３０の構成を示す機能ブロック図である。解析装置３０は、テレメトリ受信機３１と、第１取得部３２と、第２取得部３３と、算出部３４とを備える。

テレメトリ受信機３１は、砲弾１０のテレメトリ送信機１２から第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置情報とを受信する。第１取得部３２は、テレメトリ受信機３１から第１乃至第４擬似距離と第１乃至第４衛星位置情報とを取得する。第２取得部３３は、レーダ２０から見通し距離とレーダ位置情報とを取得する。

算出部３４は、第１乃至第４擬似距離と、第１乃至第４衛星位置情報と、見通し距離と、レーダ位置情報とに基づいて、砲弾１０の位置を算出する。具体的には、下記の式（１）〜（５）に基づいて砲弾１０の位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）を算出する。

式（１）〜（５）において、Ｒａｎｇｅ１〜４は第１乃至第４擬似距離であり、Ｒａｎｇｅαは見通し距離である。また、（ｘ１，ｙ１，ｚ１），（ｘ２，ｙ２，ｚ２），（ｘ３，ｙ３，ｚ３）及び（ｘ４，ｙ４，ｚ４）は第１乃至第４衛星位置座標であり、（ｘα，ｙα，ｚα）はレーダ位置座標である。また、ｓは、衛星信号受信機１１の時計の誤差によって生じる距離の誤差である。

このように、算出部３４は、砲弾１０の下方に位置するレーダ２０を、砲弾１０の上方に位置する第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４と同等に扱うことによって、砲弾１０の位置を測定する。すなわち、レーダ２０は砲弾１０の下に位置するＧＮＳＳ衛星として機能しているといってもよい。これにより、鉛直方向における測定誤差が相殺されるため、砲弾１０の鉛直方向における位置測定精度を向上させることができる。また、水平方向における測定誤差もより低減されるため、砲弾１０の水平方向における位置測定精度も向上させることができる。

ここで、図３は、レーダ２０を用いることで測定誤差が改善されることを示すグラフである。図３では、砲弾の位置測定精度の推移が示されている。２点鎖線は、レーダ２０を用いなかったときの鉛直方向精度（ＶＤＯＰ；ＶｅｒｔｉｃａｌＤｉｌｕｔｉｏｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ）である。１点鎖線は、レーダ２０を用いなかったときの水平方向精度（ＨＤＯＰ；ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｌｕｔｉｏｎｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ）である。破線は、レーダ２０を用いたときのＶＤＯＰである。実線は、レーダ２０を用いたときのＨＤＯＰである。

図３に示すように、レーダ２０を用いることによって、ＶＤＯＰ及びＨＤＯＰともに初期から低減できることが確認できた。特に、レーダ２０を用いることによって初期のＶＤＯＰを３分の１以下に低減させることができた。

なお、上記第１実施形態において、砲弾１０の衛星信号受信機１１は、４つのＧＮＳＳ衛星の衛星信号を受信することとしたが、５つ以上のＧＮＳＳ衛星の衛星信号を受信してもよい。また、第１実施形態では、レーダを１つだけ用いることとしたが、２つ以上のレーダを用いてもよい。この場合、砲弾１０に最も近いレーダ、全てのレーダ、又は、任意の組み合わせのレーダのいずれかの見通し距離を用いることによって、砲弾の位置の測定精度をより向上させることができる。

２．第２実施形態
次に、図面を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態との相違点は、位置測定に代えて速度測定を行う点、テレメトリに代えてメモリを用いる点、及びレーダを２つ用いる点である。以下、これらの相違点について主に説明する。

図４は、第２実施形態に係る速度測定システム１００ａの構成を示す概略図である。速度測定システム１００aは、砲弾１０ａと、第１レーダ２０ａと、第２レーダ２０ｂと、解析装置３０ａとを備える。

砲弾１０ａは、衛星信号受信機１１ａとメモリ１３とを有する。衛星信号受信機１１ａは、第１乃至第４擬似距離に基づいて、衛星信号受信機１１の第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４それぞれに対する速度成分である第１乃至第４デルタレンジを算出する。デルタレンジとは、第１乃至第４衛星信号Ｗ１〜Ｗ４それぞれのドップラー周波数を一定時間積算した量を長さの単位で表わしたものであり、擬似距離の変化率を一定時間積分した量と等価である。メモリ１３は、衛星信号受信機１１が算出した第１乃至第４デルタレンジを記憶する。メモリ１３は、着弾した砲弾１０から回収されて、解析装置３０ａに接続される。

第１レーダ２０ａと第２レーダ２０ｂは、地上に配置されている。第１レーダ２０ａと第２レーダ２０ｂは、鉛直方向において砲弾１０ａより下方に位置する。従って、第１レーダ２０ａと第２レーダ２０ｂは、砲弾１０の下に位置するＧＮＳＳ衛星として機能しうる。

第１レーダ２０ａは、砲弾１０ａまでの第１見通し距離の微分成分に相当する第１見通し速度を算出する。第１レーダ２０ａは、算出した第１見通し速度を解析装置３０ａに送信する。第２レーダ２０ｂは、砲弾１０ａまでの第２見通し距離の微分成分に相当する第２見通し速度を算出する。第２レーダ２０ｂは、算出した第２見通し速度を解析装置３０ａに送信する。

本実施形態において、第１レーダ２０ａは砲弾１０ａの発射点近くに配置され、第２レーダ２０ｂは第１レーダ２０ａよりも砲弾１０ａの弾着点近くに配置されている。第１レーダ２０ａは、発射地点から発射地点と着弾地点の中間地点付近までの間、砲弾１０ａの第１見通し速度を測定する。第２レーダ２０ｂは、中間地点付近から着弾地点までの間、砲弾１０ａの第２見通し速度を測定する。第１レーダ２０ａの測定範囲と第２レーダ２０ｂの測定範囲は、中間地点付近において重複していてもよい。

解析装置３０ａは、図５に示すように、第１取得部３２ａと、第２取得部３３ａと、算出部３４ａとを備える。第１取得部３２ａは、回収されたメモリ１３から第１乃至第４デルタレンジを取得する。第２取得部３３ａは、第１レーダ２０ａからの第１見通し速度と、第２レーダ２０ｂからの第２見通し速度とを取得する。

算出部３４ａは、第１乃至第４デルタレンジと、第１見通し速度と、第２見通し速度とに基づいて、砲弾１０ａの速度を算出する。具体的に、算出部３４ａは、まず衛星信号受信機１１ａと第１ＧＮＳＳ衛星２０１とのベクトル｛ａ_ｘ１，ａ_ｙ１，ａ_ｚ１｝を算出する。同様に、算出部３４ａは、衛星信号受信機１１ａと第２乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０２〜２０４それぞれとのベクトル｛ａ_ｘ２，ａ_ｙ２，ａ_ｚ２｝，｛ａ_ｘ３，ａ_ｙ３，ａ_ｚ３｝，｛ａ_ｘ４，ａ_ｙ４，ａ_ｚ４｝を算出する。次に、算出部３４ａは、下記の式（６）〜（１０）に基づいて砲弾１０ａの速度

を算出する。

式（６）〜（１０）において、ｄ１〜ｄ４は第１乃至第４デルタレンジである。ｄ５は、第１見通し速度又は第２見通し速度である。発射地点から中間地点の間は第１見通し速度が用いられ、中間地点から着弾地点までの間は第２見通し速度が用いられる。｛ａ_ｘ５，ａ_ｙ５，ａ_ｚ５｝は、砲弾１０ａと第１レーダ２０ａとのベクトル、又は、砲弾１０ａと第２レーダ２０ｂとのベクトルである。ｃは光速であり、

は衛星信号受信機１１ａの時計の誤差によって生じる誤差（時間の変化量）である。

このように、算出部３４ａは、砲弾１０ａの下方に位置する第１レーダ２０ａと第２レーダ２０ｂのそれぞれを、砲弾１０ａの上方に位置する第１乃至第４ＧＮＳＳ衛星２０１〜２０４と同等に扱うことによって、砲弾１０ａの速度を測定する。これにより、鉛直方向における測定誤差が相殺されるため、砲弾１０ａの鉛直方向における速度測定精度を向上させることができる。また、水平方向における測定誤差も低減されるため、砲弾１０ａの水平方向における速度測定精度も向上させることができる。

また、算出部３４ａは、第１レーダ２０ａと第２レーダ２０ｂのうち砲弾１０に近い方のデータを用いるため、レーダを１つだけ用いる場合に比べて速度測定精度を向上させることができる。

なお、第２実施形態において、算出部３４ａは、速度を測定することとしたが、上記第１実施形態と同様に位置を測定してもよい。

また、第２実施形態において、砲弾１０ａは、メモリ１３を有することとしたが、上記第１実施形態と同様にテレメトリ受信機１２を有していてもよい。

また、第２実施形態では、２つのレーダのうち砲弾に近い方のデータだけを用いることとしたが、上記式（１０）と同様の式を１つ追加して両方のレーダのデータを用いることとしてもよい。

また、第２実施形態では、レーダを２つ用いることとしたが、上記第１実施形態と同様にレーダを１つだけ用いてもよいし、３つ以上のレーダを用いてもよい。３つ以上のレーダを用いる場合、砲弾１０に最も近いレーダ、全てのレーダ、又は、任意の組み合わせのレーダのいずれかの見通し速度を用いることによって、砲弾の速度測定精度をより向上させることができる。

１０砲弾
１１衛星信号受信機
１２テレメトリ送信機
１３メモリ
２０レーダ
３０解析装置
３１テレメトリ受信機
３２第１取得部
３３第２取得部
３４算出部
１００位置測定システム
２０１〜２０４ＧＮＳＳ衛星

Claims

ＧＮＳＳ受信機が搭載された飛翔体の位置測定システムであって、
前記ＧＮＳＳ受信機が受信した複数のＧＮＳＳ信号に基づいて算出される複数の擬似距離と、複数のＧＮＳＳ衛星それぞれの位置を示す複数の衛星位置情報とを取得する第１取得部と、
地上に配置された複数のレーダのうち前記飛翔体に最も近いレーダと前記飛翔体との距離である見通し距離と、前記複数のレーダうち前記飛翔体に最も近い前記レーダの位置を示すレーダ位置情報とを取得する第２取得部と、
前記複数の擬似距離と、前記複数の衛星位置情報と、前記見通し距離と、前記レーダ位置情報とに基づいて、前記飛翔体の位置を算出する算出部と、
を備える位置測定システム。
前記第１取得部と、前記第２取得部と、前記算出部と、テレメトリ受信機とを有する解析装置を備え、
前記飛翔体は、前記複数の擬似距離と、前記複数の衛星位置情報とを前記テレメトリ受信機に送信するテレメトリ送信機を有し、
前記第１取得部は、前記テレメトリ受信機を介して、前記複数の擬似距離と、前記複数の衛星位置情報とを前記テレメトリ送信機から取得する、
請求項１に記載の位置測定システム。
前記飛翔体は砲弾である、
請求項１又は２に記載の位置測定システム。