JP4086384B2 - パラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置 - Google Patents
パラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からパラシュート、ラムエアパラシュート、パラフォイル等の落下傘を用いた物資の投下や気象観測、飛翔型無人機、宇宙機の回収は、滑走路以外の不整地であっても行えることから広く実施されている。
【０００３】
また、このようなパラフォイルを備えた飛行体による物資の投下や回収は風の影響を受けやすく、落下目標位置と落下位置がずれることがあり、このずれを修正する方向にパラフォイルを操縦して誘導することが行われていた。
【０００４】
この誘導するための誘導装置の先行技術としては、例えば特開平５−１８５９９３号公報がある。
【０００５】
この特開平５−１８５９９３号公報に開示の誘導装置は、図１４にブロック図を示すようにＧＰＳ１０１で検出した飛行体の３次元の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と、地磁気センサ１０２で検出した水平方向の向き（Ｂｘ、Ｂｙ）により、制御器１０３で滑空中の飛行体の現在の進行方向を判断し、この進行方向と予め設定された落下目標位置の方向とのずれに応じてＤＣモータ１０４に駆動信号（±Ｖ）を送り、これにより、ずれを修正する方向に該当するパラフォイルの左或いは右の操縦索１０５を操作して進行方向が落下目標位置の方向に一致するように飛行体を旋回させるものである。
【０００６】
この誘導装置によると、例えば図１５に示すようにパラフォイルを備えた飛行体Ｐが落下目標位置０に向かっている際に、横風Ｗを受けたとしても、ＧＰＳ１０１による位置検出、及び地磁気センサ１０２による姿勢検出を常に行い、姿勢及び進路の修正を速やかに行うことにより、図中実線で示す横風時の進路上においても、各矢印Ｅで示すように、進行方向が落下目標位置０の方向となるように制御し続けるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−１８５９９３号公報によると、位置及び姿勢を常に検出して進路を修正することができ、風の影響を受けた場合でも飛行体の姿勢を速やかに修正することができる。
【０００８】
しかし、単に、落下目標位置、換言すると目標接地点の方向に進行方向を修正する誘導を行うのみであることから、パラフォイルを備えた飛行体は高度の回復ができないこと起因して飛行経路の選定が重要であり、強風下等での落下精度の著しい低下が懸念される。
【０００９】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、適切な飛行経路が確保でき、高精度の落下精度が得られるパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、目標接地点の上方所定域で投下された上記飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向推定ステップと、上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体の着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、上記決定された着地飛行経路に上記飛行体を飛行移動する飛行経路誘導ステップと、上記着地飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行する経路飛行ステップとを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によると、目標接地点の上方所定域で投下された飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定し、この推定した風速及び風向に基づいて飛行体の着地飛行経路を決定して、着地飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行することから、推定された風速及び風向に対応した最適な着地飛行経路が確保され、高精度の落下精度が得られる。
【００１２】
請求項２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、目標接地点の風上でかつ上方所定域において投下された飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向ステップと、上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体が風上から風下に降下移動する着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、上記決定された着地飛行経路近傍位置に上記飛行体を飛行移動せしめる飛行経路誘導ステップと、上記着地飛行経路近傍位置で上記飛行体が風下に向かうように姿勢変更する姿勢変針ステップと、上記飛行体の高度を調整する高度調整ステップと、上記高度調整された飛行体を着地飛行経路に従って風上から風下に下降飛行する経路飛行ステップと、上記目標接地点の風下で風上に向かうように飛行体の姿勢を変更して着地する着地ステップとを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明をより具体化したものであって、この請求項２の発明によると、請求項１の発明に加え、飛行体の高度を調整する高度調整ステップを有することから飛行体が過剰に風下に流されることが防止され、かつ目標接地点の風下で風上に向かうように姿勢変更して着地することによって着地速度が抑制されて着地の衝撃が緩和される。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記風速及び風向の推定は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得された飛行体の対地速度ベクトル及び対気速度ベクトルに従って算出されることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明によると、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得された飛行体の対地速度ベクトルによって効率的に風速及び風力が推定される。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記風速及び風向の推測は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得される飛行体の対地速度ベクトル、飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に従って算出されることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明によると、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得される飛行体の対地速度ベクトル、飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に基づいて効率的に風速及び風力が推定される。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記飛行体の高度調整は、上記飛行体の連続旋回によってなされることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明によると、飛行体の高度調整がパラフォイルの特性を有効に活用した連続旋回によって容易に高度調整がなされる。
【００２０】
請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置の発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する航法誘導装置において、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後の風速及び風向を推定する風速及び風向推定手段と、該風速・風向推定手段によって推定された風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段と、該飛行経路決定手段により決定された着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明によると、航法誘導装置が風速及び風向を推定する風速・風向推定手段、風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段、着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備えることから上記請求項１〜５に記載の自動誘導システムを効率的に達成することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルに基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明によると、飛行体の飛行に伴うＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルに基づいてフライトコンピュータによって風速及び風向を推定することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、飛行体の方位角を検出する磁気方位センサと、上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルと、磁気方位センサによって得られた飛行体の方位角と、飛行体の対気速度に基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明によると、飛行体の飛行に伴うＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトル及び磁気方位センサによって得られた飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に基づいてフライトコンピュータによって風速及び風向を推定することができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明は、請求項７または８のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記ＧＰＳ受信装置に加えてＤＧＰＳビーコン受信機を用いることを特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明によると、ＧＰＳ受信装置に加えてＤＧＰＳビーコン受信機を用いることから、より高精度で対地速度ベクトルが得られ、高精度で風速及び風向を推定することができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、請求項７〜９のいずれか１項に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記飛行経路決定手段は、推定された風速及び風力に基づいて着地飛行経路を決定するフライトコンピュータであって、上記飛行制御手段は、上記フライトコンピュータの制御によってパラフォイルの制御索を引くアクチュエータであることを特徴とする。
【００２９】
請求項１０の発明によると、飛行経路決定手段がフライトコンピュータによって、飛行制御手段がフライトコンピュータ及びパラフォイルの制御索を引くアクチュエータによって構成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置の実施の形態について図１乃至図１３によって説明する。
【００３１】
例えば、図１に概要を示すように、パラフォイルを備えた飛行体（以下、機体と称する）１の概要は、翼型のパラフォイル２と、主要機器が搭載されるペイロード搭載フレーム３と、多数の懸吊索４及び左右の制御索５ａ、５ｂ（一方のみ図示）を備え、飛行中パラフォイル２により多数の懸吊索４を介してペイロード搭載フレーム３が懸吊され、ペイロード搭載フレーム３の上部に搭載された航法誘導装置１０によって制御索５ａ、５ｂの引き長さを調整することによって進行方向が制御されるようになっている。
【００３２】
航法誘導装置１０は、図２にブロック図を示すように、ＧＰＳ受信機１１、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、磁気方位センサ１３、電波高度計１４、オーバーライド受信機１５、フライトコンピュータ１６、ジャンクションボックス１７、ＤＣモータ等のアクチュエータ１８ａ、１８ｂ及びバッテリ１９を備え、ＧＰＳ受信機１１とＤＧＰＳビーコン受信機１２には各々アンテナ１１ａ、１２ａが装備されている。
【００３３】
また、機体１に搭載される航法誘導装置１０とは別に、地上にＤＧＰＳ基準局２１及びラジコン送信機２２が準備されている。
【００３４】
ＧＰＳ受信機１５はＤＧＰＳビーコン受信機１２と共に機体１の対地速度及び現在位置を実時間で提供するＤＧＰＳとして作用する。
【００３５】
また、ＤＧＰＳ基準局２１が存在しない場合ＧＰＳは単独で使用することも可能であり、磁気方位センサ１３は機体１の方位角を、電波高度計１４は飛行高度を取得する。これらの情報はフライトコンピュータ１６に入力されて風速・風向推定手段として機能し、自動飛行中のフライトコンピュータ１６は、この情報に基づいて現在とるべき速度、高度、飛行方向等を決定する飛行経路決定手段として機能する。
【００３６】
フライトコンピュータ１６は、アクチュエータ１８ａ、１８ｂに制御指令を出力し、左右の制御索５ａ、５ｂの引き長さを調節することによりパラフォイル２を旋回させて機体１の飛行方位角を調整する飛行制御手段として機能する。また、左右の制御索５ａ、５ｂを同時に引く制御指令により、対気前進速度、降下速度等の飛行経路角の調整も行う。
【００３７】
オーバーライド受信機１５は、例えば地上のラジコン操縦者が操作するラジコン送信機２２からの指令により、緊急事態や着陸の際の詳細な誘導に使用される。このオーバーライド機能が作動している場合には、アクチュエータ５ａ、５ｂの作動指令、機体１の制御指令はラジコン送信機２２から発せられ、機体１に搭載される航法誘導装置１０の制御指令より優先される。
【００３８】
そして、ＤＧＰＳや磁気方位センサ１３等から出力される機体１の状態量を基に、フライトコンピュータ１６によって対地高度がゼロとなった時に目標接地点に着地するために現在とるべき飛行マヌーバーを決定し、アクチュエータ１８ａ、１８ｂにそのマヌーバーを実現するための制御指令を出力する。
【００３９】
この着地にあたり、無風から機体の対気前進速度を上回る強い風の条件下でも、自動定点着陸を行う性能を確保する誘導則の重要な要素として、風の推定、風の影響、高度処理がある。
【００４０】
次に、これら誘導則の要素である上記風の推定、風の影響の考慮、高度調整について順次説明する。
【００４１】
（風の推定）
風の影響を考慮して機体１の誘導を行うためには、可能な限り正確な風速、風向値を実時間で得る必要がり、この風推定法の例としてＤＧＰＳまたはＧＰＳ単独による風推定法１について図３及び図４によって説明する。
【００４２】
機体１による定常旋回を行い、ＧＰＳ受信機１５、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、ＤＧＰＳ基準局２１或いはＧＰＳ受信機１５単独からの情報に基づいてフライトコンピュータ１６によって図３（ａ）に示すように２個の対地速度ベクトルＶｇを取得し、図３（ｂ）のように各対地速度ベクトルＶｇの先端を結ぶ直線の垂直二等分線ａと各対地速度ベクトルＶｇの先端間を半径とする│Ｖａ│の円との交点ｃを数学的に求める。この点ｃが大気から見た旋回中心となる。このとき必要となる対気速度ベクトルＶａは、推定値を使用することも、また機体の対気速度ベクトルＶａを測定可能なエアーデータセンサを使った計測値を使用することも可能である。
【００４３】
この場合、演算された円中心ｃは２点あり、２つの対地速度ベクトルデータのみでは、実際の旋回に伴う円中心かの決定は困難であり、いくつかの対地速度ベクトルデータより想定された円中心に統計的な処理を行い決定する。具体的には複数の円中心推定結果の分散の小さい方が実際の円中心となる。このため最低でも半旋回程度の旋回を行い、複数のデータポイントを取得することが好ましい。
【００４４】
推定された円中心は、図４に示すように風ベクトルＶｗを有しており、旋回中の円中心を推定することによって風推定が行える。
【００４５】
また、他の風推定法の例としてＤＧＰＳ及び磁気方位センサ１３による風推定法２について図５によって説明する。
【００４６】
機体１は、直線飛行を行い、その時のＧＰＳ受信機１５、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、ＤＧＰＳ基準局２１或いはＧＰＳ受信機１５単独からの情報に基づいて対地速度ベクトルＶｇを取得すると共に、磁気方位センサ１３による機体１の方位角、換言すると進行方向より風ベクトルＶｗの推定を行い、次に示す式によって推算される。この際に必要とされる対気速度ベクトルＶａは推定値を使用することも、また機体の対気速度ベクトルＶａを測定可能なエアーデータセンサを使った計測値を使用することも可能である。
【００４７】
【数１】
【００４８】
（風の影響の考慮）
機体１の揚抗比Ｌ／Ｄは、基本的に一定であるため、対気速度ベクトルＶａは準平衡滑空状態では一定であり、風の有無に係わらず、その対気的な前進速度や降下速度に大きな変化がなく、本誘導則は機体１を不動な対地的な座標上を誘導するのではなく、移動している対気的な座標上を誘導することにより、無風状態から機体１の前進速度を上回る風の条件下でも同一の誘導則で高い落下精度を実現可能とするものである。
【００４９】
その対気的な座標で重要となる疑似目標接地点について図６によって説明すると、誘導の対地座標及び対気座標は、そのＹ軸の＋方向が風に正対するように設定され、対地座標は目的接地点Ａを原点に固定される一方、対気座標は現在の高度と風速によって常に移動する疑似目標接地点Ｂを原点として、対地座標のＹ軸上を風下（−方向）に向かって移動する。疑似目標接地点Ｂは常に実目標接地点Ａの風上方向にオフセットされるが、これは大気の移動、即ち風の影響を予め考慮するためである。
【００５０】
これにより、仮に風速が機体１の対気前進速度を上回る条件下でも、後述する後ろ向きで飛行して着陸する機体１が目標接地点Ａより風下に流され、目標接地点Ａまで戻ってこられない状態を未然に回避することができる。対地座標に対する疑似目標地点Ｂの関係、即ち距離Ｄは次の式で表される。
【００５１】
【数２】
【００５２】
従って、距離Ｄは高度Ｈが小さくなる程小さくなり、高度Ｈがゼロ、即ち機体１が接地した時点で疑似目標接地点Ｂは実目標と同一になる。従って、常に対気座標の原点である疑似目標接地点Ｂに対して誘導を行うことにより、理論的に風に影響されることなく誘導を行うことが可能となる。
【００５３】
（高度調整）
機体１の高い落下精度を確保する上で重要となるのが、いかに効率よく目的接地点Ａ近傍で高度の処理を行うかであり、この高度処理は、例えば、連続旋回やレーストラック旋回による方法がある。
【００５４】
この連続旋回は、航空機と比較して旋回半径が小さいパラフォイルの特性を生かした最も効率のよい高度処理方法であり、図７に示すように連続して機体１を旋回することにより無風状態であればほぼ定点上で高度を処理することが可能である。
【００５５】
この機体１の旋回は、旋回に要すると予想される時間の間、右または左の制御索５ａ或いは５ｂをアクチュエータ１８ａ或いは１８ｂによって引くことによってなされる。
【００５６】
一方、レーストラック旋回について説明すると、風がある条件下で機体１を連続旋回した場合、旋回中の機体１は風速と同速度で風下に流されることになる。そこで図８のように連続旋回を行いつつも、定期的に風上へ機体１を移動することにより不必要に目標接地点Ａから離れることを防ぐ高度処理方法である。
【００５７】
次に、上記風の推定、風の影響の考慮、高度調整の要素を取り入れた誘導則の実例を図９及び図１０の機体１の作動を示すフローチャートを参照して説明する。
【００５８】
この誘導則は、風を推定するフェーズ１、ノミナル経路即ち着地飛行経路へ移行するフェーズ２、高度調整を行うフェーズ３、ファイナルアプローチであるフェーズ４、ファイナルフレアであるフェーズ５を有しており、機体の作動と共にこれらの各フェーズについても説明する。
【００５９】
開傘ステップＳ１においてパラフォイル２を開傘後、風速・風向推定ステップＳ２におけるフェーズ１、即ち機体１を定常旋回してＤＧＰＳまたはＧＰＳ単独による上記風推定法１、或いは機体１を直線飛行してＤＧＰＳ及び磁気方位センサ１３による上記風推定法２により得た機体の状態量を基に風の初期値を推定する。風の推定はフェーズ１のみに限定されることなく、他のフェーズにおいても機体１が定常旋回或いは直線飛行を行う度に風の推定は行われ、常に最新の推定値が誘導に使用される。この風の推定に従って飛行経路決定ステップＳ３においてフライトコンピュータ１６によって着地飛行経路が決定される。
【００６０】
続いて飛行経路誘導ステップ４におけるフェーズ２によって、対気座標上の風向と同方向に走る経路に向かって移動する。その際機体１の対気座標のＹ軸に対して直角に向かって飛行する。
【００６１】
着地飛行経路経路上に到達した時点で姿勢変針ステップ５において、旋回性能を基に旋回に要すると予想される時間の間、右または左の制御索５ａ或いは５ｂを引いて機体１を旋回させて機体１を風下に向け、着地飛行経路上を飛行する。
【００６２】
無風の場合は機体１が既に着地飛行経路上に到達したものとして着地飛行経路上を飛行する。対気座標において疑似目的地点Ｂより風下に到達した時点で高度調整ステップ６のフェーズ３の高度調整に移行する。着地飛行経路は目標接地点Ａを貫き、風向と同方向に走る風軸と平行で極近い位置に設定される。この着地飛行経路上に素早く移動することにより不必要に風下に流されることを防ぐ。
【００６３】
高度調整ステップ６において、フェーズ３、即ち現在位置と目標接地点Ａの関係から必要に応じて連続旋回及びレーストラック旋回に入ることにより高度を処理し、経路飛行ステップ７で風に乗って降下飛行する。高度調整は基本的に連続旋回により行うが、風のあるときには、連続旋回中に機体１が目標から風下に流されるのでレーストラック旋回を定期的に行い、風上へ機体１を飛行させることにより、不必要に目標から離れることを防ぐ。
【００６４】
このフェーズ３による高度調整は、接地時の対地速度を最小にし、ペイロードへの衝撃を緩和するために、ファイナルアプローチは機体１を風上に向けて行う。機体１の揚抗比（Ｌ／Ｄ）は一定であり、従って、目標への飛行経路は一本であるため、ファイナルアプローチの飛行経路と機体１の現在位置の関係は、図９のようになる。
【００６５】
即ち図９の点線の経路で目標へ到達することは可能であるが必要以上に目標から離れるのは賢明でない。そこで高度調整を行うことにより、図９のファイナルアプローチの開始点ＤＷＰを目標へ接近させ、不必要な風下への移動を減らすことができ、その結果、調整後の飛行経路は実線のようになる。ファイナルアプローチの開始点ＤＷＰが予め設定した閾値以下になった段階で飛行変針ステップ８のフェーズ４に移行する。
【００６６】
フェーズ４は、接地時の対地速度を最小にし、ペイロードへの衝撃を減らすために、ファイナルアプローチは、機体１を風上に向けて行う。フェーズ４以前で風下方向に飛行していた機体１を１８０°旋回せしめて風に正対させ、目標接地点に対する方位角誤差及び経路角誤差を修正しつつ目標を目指して飛行する。
【００６７】
着地ステップ９において、フェーズ５によって、電波高度計等の高度計により機体１と接地面の相対距離を測定し、その閾値以下になった時点で機体１をフルフレア、即ち制御索５ａ及び５ｂ同時に同一長さで引くことにより機体１を減速させ、飛行経させて軟着陸させる。
【００６８】
従って、飛行前にペイロードをペイロード搭載フレーム３に固定し、航空機に搭載され、上空で風速、風向を考慮して現在位置から確実に目標接地点に到達できるように設定された投下地点で空中投下される。そして空中で風圧により開傘したパラフォイル２は、ペイロードを懸吊して準平衡滑空飛行を行いつつ目標接地点に向かって航法誘導制御装置１０による誘導され、具体的にはアクチュエータ１８ａ、１８ｂによって左右の制御索５ａ、５ｂの一方を引くことにより機体１を旋回させ、機体方位角を任意の方向に変更し、或いは制御索５ａ及び５ｂを同時に引くことにより的確に目的着地点Ａに着地することができる。
【００６９】
また、本発明は図１１に示すようにペイロード搭載フレーム３の代わりに飛翔型無人機５１や図１２のように宇宙機５２をパラフォイル２に懸吊することも可能であり、この場合航法誘導制御装置１０は、専用のもの搭載することも可能であるが、飛翔型無人機５１や宇宙機５２ないに搭載された機器を用いることも可能である。
【００７０】
飛翔無人機５１或いは宇宙機５２は、所定飛行終了後または緊急事態等で予め設定された回収区域に向けて飛行し、回収区域に到達した後、搭載された対気速度センサ等を使用して風向、風速を基に目標回収点に到達できるように開傘地点を設定し、上記実施の形態同様に誘導回収することができる。
【００７１】
更に、図１３に示すようにペイロード搭載フレーム３にプロペラ５６を装着したエンジン５７、燃料タンク５８等を備えたペイロード５５を搭載することにより、離陸の際プロペラ５６の推力によりパラフォイル２が離陸に必要な揚力を発生するまで地上滑走をし、機体１が離陸した後は通常の航空機のように目的地まで巡航する。その際機体１の進行方向を左右の制御索５ａ、５ｂを適宜アクチュエータで引くことによって制御され、目的地到達後は、上記実施の形態と同様の作動により目標接地点に誘導される。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明によると、目標接地点の上方所定域で投下された飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定し、この推定した風速及び風向に基づいて飛行体の着地飛行経路を決定して、飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行することから、推定された風速及び風向に従って最適な着地飛行経路が確保され、高精度の落下精度が得られる。
【００７３】
一方、パラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置の発明によると、航法誘導装置が風速及び風向を推定する風速及び風向推定手段、風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段、着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備えることからパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムを効率的に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するパラフォイルを備えた飛行体の概要説明図である。
【図２】同じく、航法誘導装置を説明するブロック図である。
【図３】同じく、風の推定方法の説明図である。
【図４】同じく、風の推定方法の説明図である。
【図５】同じく、他の風の推定方法の説明図である。
【図６】同じく、風の影響の説明図である。
【図７】同じく、高度調整方法の説明図である。
【図８】同じく、他の高度調整方法の説明図である。
【図９】同じく、飛行体の誘導則の説明図である。
【図１０】同じく、飛行体の作動を説明するフローチャートである。
【図１１】同じく、他の飛行体を示す説明図である。
【図１２】同じく、更に他の飛行体を示す説明図である。
【図１３】同じく、更に他の飛行体を示す説明図である。
【図１４】従来の誘導装置を説明するブロック図である。
【図１５】従来の誘導装置による飛行経路の説明図である。
【符号の説明】
１ パラフォイルを備えた飛行体（機体）
２ パラフォイル
３ ペイロード搭載フレーム
４ 懸吊索
５ａ 制御索
５ｂ 制御索
１０ 航法誘導制御装置
１１ ＧＰＳ受信機
１２ ＤＧＰＳビーコン受信機
１３ 磁気方位センサ
１４ 電波高度計
１６ フライトコンピュータ
１８ａ アクチュエータ
１８ｂ アクチュエータ
２１ ＤＧＰＳ基準局
２２ ラジコン送信機
Ｖｇ 対地速度ベクトル
Ｖａ 対気速度ベクトル
Ｖｗ 風ベクトル
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からパラシュート、ラムエアパラシュート、パラフォイル等の落下傘を用いた物資の投下や気象観測、飛翔型無人機、宇宙機の回収は、滑走路以外の不整地であっても行えることから広く実施されている。
【０００３】
また、このようなパラフォイルを備えた飛行体による物資の投下や回収は風の影響を受けやすく、落下目標位置と落下位置がずれることがあり、このずれを修正する方向にパラフォイルを操縦して誘導することが行われていた。
【０００４】
この誘導するための誘導装置の先行技術としては、例えば特開平５−１８５９９３号公報がある。
【０００５】
この特開平５−１８５９９３号公報に開示の誘導装置は、図１４にブロック図を示すようにＧＰＳ１０１で検出した飛行体の３次元の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と、地磁気センサ１０２で検出した水平方向の向き（Ｂｘ、Ｂｙ）により、制御器１０３で滑空中の飛行体の現在の進行方向を判断し、この進行方向と予め設定された落下目標位置の方向とのずれに応じてＤＣモータ１０４に駆動信号（±Ｖ）を送り、これにより、ずれを修正する方向に該当するパラフォイルの左或いは右の操縦索１０５を操作して進行方向が落下目標位置の方向に一致するように飛行体を旋回させるものである。
【０００６】
この誘導装置によると、例えば図１５に示すようにパラフォイルを備えた飛行体Ｐが落下目標位置０に向かっている際に、横風Ｗを受けたとしても、ＧＰＳ１０１による位置検出、及び地磁気センサ１０２による姿勢検出を常に行い、姿勢及び進路の修正を速やかに行うことにより、図中実線で示す横風時の進路上においても、各矢印Ｅで示すように、進行方向が落下目標位置０の方向となるように制御し続けるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−１８５９９３号公報によると、位置及び姿勢を常に検出して進路を修正することができ、風の影響を受けた場合でも飛行体の姿勢を速やかに修正することができる。
【０００８】
しかし、単に、落下目標位置、換言すると目標接地点の方向に進行方向を修正する誘導を行うのみであることから、パラフォイルを備えた飛行体は高度の回復ができないこと起因して飛行経路の選定が重要であり、強風下等での落下精度の著しい低下が懸念される。
【０００９】
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、適切な飛行経路が確保でき、高精度の落下精度が得られるパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、目標接地点の上方所定域で投下された上記飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向推定ステップと、上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体の着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、上記決定された着地飛行経路に上記飛行体を飛行移動する飛行経路誘導ステップと、上記着地飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行する経路飛行ステップとを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明によると、目標接地点の上方所定域で投下された飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定し、この推定した風速及び風向に基づいて飛行体の着地飛行経路を決定して、着地飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行することから、推定された風速及び風向に対応した最適な着地飛行経路が確保され、高精度の落下精度が得られる。
【００１２】
請求項２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、目標接地点の風上でかつ上方所定域において投下された飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向ステップと、上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体が風上から風下に降下移動する着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、上記決定された着地飛行経路近傍位置に上記飛行体を飛行移動せしめる飛行経路誘導ステップと、上記着地飛行経路近傍位置で上記飛行体が風下に向かうように姿勢変更する姿勢変針ステップと、上記飛行体の高度を調整する高度調整ステップと、上記高度調整された飛行体を着地飛行経路に従って風上から風下に下降飛行する経路飛行ステップと、上記目標接地点の風下で風上に向かうように飛行体の姿勢を変更して着地する着地ステップとを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明をより具体化したものであって、この請求項２の発明によると、請求項１の発明に加え、飛行体の高度を調整する高度調整ステップを有することから飛行体が過剰に風下に流されることが防止され、かつ目標接地点の風下で風上に向かうように姿勢変更して着地することによって着地速度が抑制されて着地の衝撃が緩和される。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記風速及び風向の推定は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得された飛行体の対地速度ベクトル及び対気速度ベクトルに従って算出されることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明によると、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得された飛行体の対地速度ベクトルによって効率的に風速及び風力が推定される。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記風速及び風向の推測は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得される飛行体の対地速度ベクトル、飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に従って算出されることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明によると、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得される飛行体の対地速度ベクトル、飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に基づいて効率的に風速及び風力が推定される。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムにおいて、上記飛行体の高度調整は、上記飛行体の連続旋回によってなされることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明によると、飛行体の高度調整がパラフォイルの特性を有効に活用した連続旋回によって容易に高度調整がなされる。
【００２０】
請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置の発明は、パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する航法誘導装置において、上記飛行体のパラフォイルが開傘した後の風速及び風向を推定する風速及び風向推定手段と、該風速・風向推定手段によって推定された風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段と、該飛行経路決定手段により決定された着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備え、上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明によると、航法誘導装置が風速及び風向を推定する風速・風向推定手段、風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段、着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備えることから上記請求項１〜５に記載の自動誘導システムを効率的に達成することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルに基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明によると、飛行体の飛行に伴うＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルに基づいてフライトコンピュータによって風速及び風向を推定することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、飛行体の方位角を検出する磁気方位センサと、上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルと、磁気方位センサによって得られた飛行体の方位角と、飛行体の対気速度に基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明によると、飛行体の飛行に伴うＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトル及び磁気方位センサによって得られた飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に基づいてフライトコンピュータによって風速及び風向を推定することができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明は、請求項７または８のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記ＧＰＳ受信装置に加えてＤＧＰＳビーコン受信機を用いることを特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明によると、ＧＰＳ受信装置に加えてＤＧＰＳビーコン受信機を用いることから、より高精度で対地速度ベクトルが得られ、高精度で風速及び風向を推定することができる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、請求項７〜９のいずれか１項に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置において、上記飛行経路決定手段は、推定された風速及び風力に基づいて着地飛行経路を決定するフライトコンピュータであって、上記飛行制御手段は、上記フライトコンピュータの制御によってパラフォイルの制御索を引くアクチュエータであることを特徴とする。
【００２９】
請求項１０の発明によると、飛行経路決定手段がフライトコンピュータによって、飛行制御手段がフライトコンピュータ及びパラフォイルの制御索を引くアクチュエータによって構成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム及びその航法誘導装置の実施の形態について図１乃至図１３によって説明する。
【００３１】
例えば、図１に概要を示すように、パラフォイルを備えた飛行体（以下、機体と称する）１の概要は、翼型のパラフォイル２と、主要機器が搭載されるペイロード搭載フレーム３と、多数の懸吊索４及び左右の制御索５ａ、５ｂ（一方のみ図示）を備え、飛行中パラフォイル２により多数の懸吊索４を介してペイロード搭載フレーム３が懸吊され、ペイロード搭載フレーム３の上部に搭載された航法誘導装置１０によって制御索５ａ、５ｂの引き長さを調整することによって進行方向が制御されるようになっている。
【００３２】
航法誘導装置１０は、図２にブロック図を示すように、ＧＰＳ受信機１１、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、磁気方位センサ１３、電波高度計１４、オーバーライド受信機１５、フライトコンピュータ１６、ジャンクションボックス１７、ＤＣモータ等のアクチュエータ１８ａ、１８ｂ及びバッテリ１９を備え、ＧＰＳ受信機１１とＤＧＰＳビーコン受信機１２には各々アンテナ１１ａ、１２ａが装備されている。
【００３３】
また、機体１に搭載される航法誘導装置１０とは別に、地上にＤＧＰＳ基準局２１及びラジコン送信機２２が準備されている。
【００３４】
ＧＰＳ受信機１５はＤＧＰＳビーコン受信機１２と共に機体１の対地速度及び現在位置を実時間で提供するＤＧＰＳとして作用する。
【００３５】
また、ＤＧＰＳ基準局２１が存在しない場合ＧＰＳは単独で使用することも可能であり、磁気方位センサ１３は機体１の方位角を、電波高度計１４は飛行高度を取得する。これらの情報はフライトコンピュータ１６に入力されて風速・風向推定手段として機能し、自動飛行中のフライトコンピュータ１６は、この情報に基づいて現在とるべき速度、高度、飛行方向等を決定する飛行経路決定手段として機能する。
【００３６】
フライトコンピュータ１６は、アクチュエータ１８ａ、１８ｂに制御指令を出力し、左右の制御索５ａ、５ｂの引き長さを調節することによりパラフォイル２を旋回させて機体１の飛行方位角を調整する飛行制御手段として機能する。また、左右の制御索５ａ、５ｂを同時に引く制御指令により、対気前進速度、降下速度等の飛行経路角の調整も行う。
【００３７】
オーバーライド受信機１５は、例えば地上のラジコン操縦者が操作するラジコン送信機２２からの指令により、緊急事態や着陸の際の詳細な誘導に使用される。このオーバーライド機能が作動している場合には、アクチュエータ５ａ、５ｂの作動指令、機体１の制御指令はラジコン送信機２２から発せられ、機体１に搭載される航法誘導装置１０の制御指令より優先される。
【００３８】
そして、ＤＧＰＳや磁気方位センサ１３等から出力される機体１の状態量を基に、フライトコンピュータ１６によって対地高度がゼロとなった時に目標接地点に着地するために現在とるべき飛行マヌーバーを決定し、アクチュエータ１８ａ、１８ｂにそのマヌーバーを実現するための制御指令を出力する。
【００３９】
この着地にあたり、無風から機体の対気前進速度を上回る強い風の条件下でも、自動定点着陸を行う性能を確保する誘導則の重要な要素として、風の推定、風の影響、高度処理がある。
【００４０】
次に、これら誘導則の要素である上記風の推定、風の影響の考慮、高度調整について順次説明する。
【００４１】
（風の推定）
風の影響を考慮して機体１の誘導を行うためには、可能な限り正確な風速、風向値を実時間で得る必要がり、この風推定法の例としてＤＧＰＳまたはＧＰＳ単独による風推定法１について図３及び図４によって説明する。
【００４２】
機体１による定常旋回を行い、ＧＰＳ受信機１５、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、ＤＧＰＳ基準局２１或いはＧＰＳ受信機１５単独からの情報に基づいてフライトコンピュータ１６によって図３（ａ）に示すように２個の対地速度ベクトルＶｇを取得し、図３（ｂ）のように各対地速度ベクトルＶｇの先端を結ぶ直線の垂直二等分線ａと各対地速度ベクトルＶｇの先端間を半径とする│Ｖａ│の円との交点ｃを数学的に求める。この点ｃが大気から見た旋回中心となる。このとき必要となる対気速度ベクトルＶａは、推定値を使用することも、また機体の対気速度ベクトルＶａを測定可能なエアーデータセンサを使った計測値を使用することも可能である。
【００４３】
この場合、演算された円中心ｃは２点あり、２つの対地速度ベクトルデータのみでは、実際の旋回に伴う円中心かの決定は困難であり、いくつかの対地速度ベクトルデータより想定された円中心に統計的な処理を行い決定する。具体的には複数の円中心推定結果の分散の小さい方が実際の円中心となる。このため最低でも半旋回程度の旋回を行い、複数のデータポイントを取得することが好ましい。
【００４４】
推定された円中心は、図４に示すように風ベクトルＶｗを有しており、旋回中の円中心を推定することによって風推定が行える。
【００４５】
また、他の風推定法の例としてＤＧＰＳ及び磁気方位センサ１３による風推定法２について図５によって説明する。
【００４６】
機体１は、直線飛行を行い、その時のＧＰＳ受信機１５、ＤＧＰＳビーコン受信機１２、ＤＧＰＳ基準局２１或いはＧＰＳ受信機１５単独からの情報に基づいて対地速度ベクトルＶｇを取得すると共に、磁気方位センサ１３による機体１の方位角、換言すると進行方向より風ベクトルＶｗの推定を行い、次に示す式によって推算される。この際に必要とされる対気速度ベクトルＶａは推定値を使用することも、また機体の対気速度ベクトルＶａを測定可能なエアーデータセンサを使った計測値を使用することも可能である。
【００４７】
【数１】
（風の影響の考慮）
機体１の揚抗比Ｌ／Ｄは、基本的に一定であるため、対気速度ベクトルＶａは準平衡滑空状態では一定であり、風の有無に係わらず、その対気的な前進速度や降下速度に大きな変化がなく、本誘導則は機体１を不動な対地的な座標上を誘導するのではなく、移動している対気的な座標上を誘導することにより、無風状態から機体１の前進速度を上回る風の条件下でも同一の誘導則で高い落下精度を実現可能とするものである。
【００４９】
その対気的な座標で重要となる疑似目標接地点について図６によって説明すると、誘導の対地座標及び対気座標は、そのＹ軸の＋方向が風に正対するように設定され、対地座標は目的接地点Ａを原点に固定される一方、対気座標は現在の高度と風速によって常に移動する疑似目標接地点Ｂを原点として、対地座標のＹ軸上を風下（−方向）に向かって移動する。疑似目標接地点Ｂは常に実目標接地点Ａの風上方向にオフセットされるが、これは大気の移動、即ち風の影響を予め考慮するためである。
【００５０】
これにより、仮に風速が機体１の対気前進速度を上回る条件下でも、後述する後ろ向きで飛行して着陸する機体１が目標接地点Ａより風下に流され、目標接地点Ａまで戻ってこられない状態を未然に回避することができる。対地座標に対する疑似目標地点Ｂの関係、即ち距離Ｄは次の式で表される。
【００５１】
【数２】
従って、距離Ｄは高度Ｈが小さくなる程小さくなり、高度Ｈがゼロ、即ち機体１が接地した時点で疑似目標接地点Ｂは実目標と同一になる。従って、常に対気座標の原点である疑似目標接地点Ｂに対して誘導を行うことにより、理論的に風に影響されることなく誘導を行うことが可能となる。
【００５３】
（高度調整）
機体１の高い落下精度を確保する上で重要となるのが、いかに効率よく目的接地点Ａ近傍で高度の処理を行うかであり、この高度処理は、例えば、連続旋回やレーストラック旋回による方法がある。
【００５４】
この連続旋回は、航空機と比較して旋回半径が小さいパラフォイルの特性を生かした最も効率のよい高度処理方法であり、図７に示すように連続して機体１を旋回することにより無風状態であればほぼ定点上で高度を処理することが可能である。
【００５５】
この機体１の旋回は、旋回に要すると予想される時間の間、右または左の制御索５ａ或いは５ｂをアクチュエータ１８ａ或いは１８ｂによって引くことによってなされる。
【００５６】
一方、レーストラック旋回について説明すると、風がある条件下で機体１を連続旋回した場合、旋回中の機体１は風速と同速度で風下に流されることになる。そこで図８のように連続旋回を行いつつも、定期的に風上へ機体１を移動することにより不必要に目標接地点Ａから離れることを防ぐ高度処理方法である。
【００５７】
次に、上記風の推定、風の影響の考慮、高度調整の要素を取り入れた誘導則の実例を図９及び図１０の機体１の作動を示すフローチャートを参照して説明する。
【００５８】
この誘導則は、風を推定するフェーズ１、ノミナル経路即ち着地飛行経路へ移行するフェーズ２、高度調整を行うフェーズ３、ファイナルアプローチであるフェーズ４、ファイナルフレアであるフェーズ５を有しており、機体の作動と共にこれらの各フェーズについても説明する。
【００５９】
開傘ステップＳ１においてパラフォイル２を開傘後、風速・風向推定ステップＳ２におけるフェーズ１、即ち機体１を定常旋回してＤＧＰＳまたはＧＰＳ単独による上記風推定法１、或いは機体１を直線飛行してＤＧＰＳ及び磁気方位センサ１３による上記風推定法２により得た機体の状態量を基に風の初期値を推定する。風の推定はフェーズ１のみに限定されることなく、他のフェーズにおいても機体１が定常旋回或いは直線飛行を行う度に風の推定は行われ、常に最新の推定値が誘導に使用される。この風の推定に従って飛行経路決定ステップＳ３においてフライトコンピュータ１６によって着地飛行経路が決定される。
【００６０】
続いて飛行経路誘導ステップ４におけるフェーズ２によって、対気座標上の風向と同方向に走る経路に向かって移動する。その際機体１の対気座標のＹ軸に対して直角に向かって飛行する。
【００６１】
着地飛行経路経路上に到達した時点で姿勢変針ステップ５において、旋回性能を基に旋回に要すると予想される時間の間、右または左の制御索５ａ或いは５ｂを引いて機体１を旋回させて機体１を風下に向け、着地飛行経路上を飛行する。
【００６２】
無風の場合は機体１が既に着地飛行経路上に到達したものとして着地飛行経路上を飛行する。対気座標において疑似目的地点Ｂより風下に到達した時点で高度調整ステップ６のフェーズ３の高度調整に移行する。着地飛行経路は目標接地点Ａを貫き、風向と同方向に走る風軸と平行で極近い位置に設定される。この着地飛行経路上に素早く移動することにより不必要に風下に流されることを防ぐ。
【００６３】
高度調整ステップ６において、フェーズ３、即ち現在位置と目標接地点Ａの関係から必要に応じて連続旋回及びレーストラック旋回に入ることにより高度を処理し、経路飛行ステップ７で風に乗って降下飛行する。高度調整は基本的に連続旋回により行うが、風のあるときには、連続旋回中に機体１が目標から風下に流されるのでレーストラック旋回を定期的に行い、風上へ機体１を飛行させることにより、不必要に目標から離れることを防ぐ。
【００６４】
このフェーズ３による高度調整は、接地時の対地速度を最小にし、ペイロードへの衝撃を緩和するために、ファイナルアプローチは機体１を風上に向けて行う。機体１の揚抗比（Ｌ／Ｄ）は一定であり、従って、目標への飛行経路は一本であるため、ファイナルアプローチの飛行経路と機体１の現在位置の関係は、図９のようになる。
【００６５】
即ち図９の点線の経路で目標へ到達することは可能であるが必要以上に目標から離れるのは賢明でない。そこで高度調整を行うことにより、図９のファイナルアプローチの開始点ＤＷＰを目標へ接近させ、不必要な風下への移動を減らすことができ、その結果、調整後の飛行経路は実線のようになる。ファイナルアプローチの開始点ＤＷＰが予め設定した閾値以下になった段階で飛行変針ステップ８のフェーズ４に移行する。
【００６６】
フェーズ４は、接地時の対地速度を最小にし、ペイロードへの衝撃を減らすために、ファイナルアプローチは、機体１を風上に向けて行う。フェーズ４以前で風下方向に飛行していた機体１を１８０°旋回せしめて風に正対させ、目標接地点に対する方位角誤差及び経路角誤差を修正しつつ目標を目指して飛行する。
【００６７】
着地ステップ９において、フェーズ５によって、電波高度計等の高度計により機体１と接地面の相対距離を測定し、その閾値以下になった時点で機体１をフルフレア、即ち制御索５ａ及び５ｂ同時に同一長さで引くことにより機体１を減速させ、飛行経させて軟着陸させる。
【００６８】
従って、飛行前にペイロードをペイロード搭載フレーム３に固定し、航空機に搭載され、上空で風速、風向を考慮して現在位置から確実に目標接地点に到達できるように設定された投下地点で空中投下される。そして空中で風圧により開傘したパラフォイル２は、ペイロードを懸吊して準平衡滑空飛行を行いつつ目標接地点に向かって航法誘導制御装置１０による誘導され、具体的にはアクチュエータ１８ａ、１８ｂによって左右の制御索５ａ、５ｂの一方を引くことにより機体１を旋回させ、機体方位角を任意の方向に変更し、或いは制御索５ａ及び５ｂを同時に引くことにより的確に目的着地点Ａに着地することができる。
【００６９】
また、本発明は図１１に示すようにペイロード搭載フレーム３の代わりに飛翔型無人機５１や図１２のように宇宙機５２をパラフォイル２に懸吊することも可能であり、この場合航法誘導制御装置１０は、専用のもの搭載することも可能であるが、飛翔型無人機５１や宇宙機５２ないに搭載された機器を用いることも可能である。
【００７０】
飛翔無人機５１或いは宇宙機５２は、所定飛行終了後または緊急事態等で予め設定された回収区域に向けて飛行し、回収区域に到達した後、搭載された対気速度センサ等を使用して風向、風速を基に目標回収点に到達できるように開傘地点を設定し、上記実施の形態同様に誘導回収することができる。
【００７１】
更に、図１３に示すようにペイロード搭載フレーム３にプロペラ５６を装着したエンジン５７、燃料タンク５８等を備えたペイロード５５を搭載することにより、離陸の際プロペラ５６の推力によりパラフォイル２が離陸に必要な揚力を発生するまで地上滑走をし、機体１が離陸した後は通常の航空機のように目的地まで巡航する。その際機体１の進行方向を左右の制御索５ａ、５ｂを適宜アクチュエータで引くことによって制御され、目的地到達後は、上記実施の形態と同様の作動により目標接地点に誘導される。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムの発明によると、目標接地点の上方所定域で投下された飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定し、この推定した風速及び風向に基づいて飛行体の着地飛行経路を決定して、飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行することから、推定された風速及び風向に従って最適な着地飛行経路が確保され、高精度の落下精度が得られる。
【００７３】
一方、パラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置の発明によると、航法誘導装置が風速及び風向を推定する風速及び風向推定手段、風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段、着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備えることからパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システムを効率的に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するパラフォイルを備えた飛行体の概要説明図である。
【図２】同じく、航法誘導装置を説明するブロック図である。
【図３】同じく、風の推定方法の説明図である。
【図４】同じく、風の推定方法の説明図である。
【図５】同じく、他の風の推定方法の説明図である。
【図６】同じく、風の影響の説明図である。
【図７】同じく、高度調整方法の説明図である。
【図８】同じく、他の高度調整方法の説明図である。
【図９】同じく、飛行体の誘導則の説明図である。
【図１０】同じく、飛行体の作動を説明するフローチャートである。
【図１１】同じく、他の飛行体を示す説明図である。
【図１２】同じく、更に他の飛行体を示す説明図である。
【図１３】同じく、更に他の飛行体を示す説明図である。
【図１４】従来の誘導装置を説明するブロック図である。
【図１５】従来の誘導装置による飛行経路の説明図である。
【符号の説明】
１ パラフォイルを備えた飛行体（機体）
２ パラフォイル
３ ペイロード搭載フレーム
４ 懸吊索
５ａ 制御索
５ｂ 制御索
１０ 航法誘導制御装置
１１ ＧＰＳ受信機
１２ ＤＧＰＳビーコン受信機
１３ 磁気方位センサ
１４ 電波高度計
１６ フライトコンピュータ
１８ａ アクチュエータ
１８ｂ アクチュエータ
２１ ＤＧＰＳ基準局
２２ ラジコン送信機
Ｖｇ 対地速度ベクトル
Ｖａ 対気速度ベクトル
Ｖｗ 風ベクトル
Claims (10)
- パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、
目標接地点の上方所定域で投下された上記飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、
上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向推定ステップと、
上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体の着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、
上記決定された着地飛行経路に上記飛行体を飛行移動する飛行経路誘導ステップと、
上記着地飛行経路に従って上記飛行体が下降飛行する経路飛行ステップとを備え、
上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、
上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となる
ことを特徴とするパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム。 - パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する自動誘導システムにおいて、
目標接地点の風上でかつ上方所定域において投下された飛行体のパラフォイルを開傘する開傘ステップと、
上記飛行体のパラフォイルが開傘した後、風速及び風向を推定する風速・風向ステップと、
上記推定した風速及び風向に基づいて上記飛行体が風上から風下に降下移動する着地飛行経路を決定する飛行経路決定ステップと、
上記決定された着地飛行経路近傍位置に上記飛行体を飛行移動せしめる飛行経路誘導ステップと、
上記着地飛行経路近傍位置で上記飛行体が風下に向かうように姿勢変更する姿勢変針ステップと、
上記飛行体の高度を調整する高度調整ステップと、
上記高度調整された飛行体を着地飛行経路に従って風上から風下に下降飛行する経路飛行ステップと、
上記目標接地点の風下で風上に向かうように飛行体の姿勢を変更して着地する着地ステップとを備え、
上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、
上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となる
ことを特徴とするパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム。 - 上記風速及び風向の推定は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得された飛行体の対地速度ベクトル従って算出されることを特徴とする請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム。
- 上記風速及び風向の推測は、ＧＰＳ乃至ＤＧＰＳに基づいて取得される飛行体の対地速度ベクトル、飛行体の方位角及び飛行体の対気速度に従って算出されることを特徴とする請求項１または２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム。
- 上記飛行体の高度調整は、上記飛行体の連続旋回によってなされることを特徴とする請求項２に記載のパラフォイルを備えた飛行体の自動誘導システム。
- パラフォイルを備えた飛行体を目標接地点に誘導する航法誘導装置において、
上記飛行体のパラフォイルが開傘した後の風速及び風向を推定する風速及び風向推定手段と、
該風速・風向推定手段によって推定された風速及び風向に基づいて着地飛行経路を決定する飛行経路決定手段と、
該飛行経路決定手段により決定された着地飛行経路に従って下降飛行するようにパラフォイルを制御する飛行制御手段とを備え、
上記着地飛行経路は、対気座標において疑似目標接地点に向かうように決定され、
上記疑似目標接地点は、現在の高度から接地するまでの所要時間と風速とに応じて上記目標接地点の風上にオフセットされ、接地時に目標接地点と同一となる
ことを特徴とするパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置。 - 上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルに基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置。
- 上記風速・風向推定手段は、ＧＰＳ受信機と、飛行体の進行飛行体の方位角を検出する磁気方位センサと上記ＧＰＳ受信機によって得られた対地速度ベクトルと、磁気センサによって得られた飛行体の方位角と、飛行体の対気速度に基づいて風速及び風向を推定するフライトコンピュータとを備えたことを特徴とする請求項６に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置。
- 上記ＧＰＳ受信装置に加えてＤＧＰＳビーコン受信機を用いることを特徴とする請求項７または８に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置。
- 上記飛行経路決定手段は、推定された風速及び風力に基づいて飛行経路を決定するフライトコンピュータであって、上記飛行制御手段は、上記フライトコンピュータの制御によってパラフォイルの制御索を引くアクチュエータであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のパラフォイルを備えた飛行体の航法誘導装置。
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