JP5605539B2 - 移動体位置推定追尾装置、移動体位置推定追尾方法、及び移動体位置推定追尾プログラム - Google Patents
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アンテナ追尾・移動体位置推定器から前回フィードバックされた位置推定値/誤差共分散値信号を構成するシステム状態量(x k )と誤差共分散行列(P k )を初期値とし、前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号を入力u k として組み合わせて、式(1)として表される線形確率システムに基づいて、式(2)、(3)として与えられる規則に従って、システム状態量予測値(x k+1 − )と誤差共分散行列予測値(P k+1 − )とから構成される位置予測値/誤差共分散値信号を生成する位置伝播器と、
ここで、x k はシステム状態量;P k は誤差共分散行列;Φ k は状態遷移行列;G k は駆動ノイズ行列;D k は駆動入力行列;H k は観測行列;u k は加速度センサ検出信号;y k は観測信号;上付きの「+」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理後の推定値;上付きの「−」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理前の伝播予測値;上付きの「T」は転置行列;下付きの「k」は観測時系列の順序;システムノイズW k と観測ノイズV k は互いに独立した白色ノイズ;Q k は、移動体のダイナミクス特性に応じて設定される設計パラメータとしてのシステムノイズW k の共分散行列;
「前記検出データ平滑化処理器から逐次受信した前記AGCレベル平滑化信号の今回変動値と前記追尾アンテナから逐次受信した前記追尾アンテナ指向角信号の今回変動値との比率」と、追尾アンテナの指向角誤差(ΔΨ j AGC 、Δθ j AGC )との関係を表わし、当該比率がゼロに近づくほど当該指向角誤差もゼロに近づき、かつ、−10度<指向角誤差<10度の範囲では、近似的に直線性の特性を示す式(4)から追尾アンテナの指向角誤差を推定する一方、「AGCレベル平滑化信号と追尾アンテナ指向角信号それぞれの今回変動値の比率」の絶対値が前回取得した値の絶対値よりも減少したときは、指向角誤差を「ゼロ」と設定し、推定又は設定した指向角誤差をAGC補正位置信号として生成するAGC補正値生成器と、
更新位置信号が取得されたときは、前記AGC補正値生成器から受信した前記AGC補正位置信号を式(5)に適用することで得られる式(6)によって、前記AGC補正位置信号に基づく追尾アンテナ位置補正値(Δx n AGC )を導出し、導出された追尾アンテナ位置補正値と、更新位置信号から式(7)、(8)の規則に従って導出される位置更新結果(x n + )とを式(10)の規則に従って組み合わせて、移動体の位置推定補償値を導出し、導出した位置推定補償値を式(11)に適用することで、前記追尾アンテナに対するAZ軸角度指令値(Ψ r(n) )とEL軸角度指令値(θ r(n) )とを算出し、追尾アンテナ指向角指令信号として出力すると共に、前記位置伝播器から受信した前記位置予測値/誤差共分散値信号に対して、前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づくカルマンフィルタ更新処理を式(7)、(8)、(9)を用いて実施して、システム状態量推定値と誤差共分散行列予測値とから構成される前記位置推定値/誤差共分散値信号を生成して前記位置伝播器へ出力する前記アンテナ追尾・移動体位置推定器と、
を備えてなることを特徴としている。
位置伝播器が、アンテナ追尾・移動体位置推定器から前回フィードバックされた位置推定値/誤差共分散値信号を構成するシステム状態量(x k )と誤差共分散行列(P k )を初期値とし、前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号を入力u k として組み合わせて、式(13)として表される線形確率システムに基づいて、式(14)、(15)として与えられる規則に従って、システム状態量予測値(x k+1 − )と誤差共分散行列予測値(P k+1 − )とから構成される位置予測値/誤差共分散値信号を生成する第7のステップと、
ここで、x k はシステム状態量;P k は誤差共分散行列;Φ k は状態遷移行列;G k は駆動ノイズ行列;D k は駆動入力行列;H k は観測行列;u k は加速度センサ検出信号;y k は観測信号;上付きの「+」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理後の推定値;上付きの「−」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理前の伝播予測値;上付きの「T」は転置行列;下付きの「k」は観測時系列の順序;システムノイズW k と観測ノイズV k は互いに独立した白色ノイズ;Q k は、移動体のダイナミクス特性に応じて設定される設計パラメータとしてのシステムノイズW k の共分散行列;
AGC補正値生成器が、「前記検出データ平滑化処理器から逐次受信した前記AGCレベル平滑化信号の今回変動値と前記追尾アンテナから逐次受信した前記追尾アンテナ指向角信号の今回変動値との比率」と、追尾アンテナの指向角誤差(ΔΨ j AGC 、Δθ j AGC )との関係を表わし、当該比率がゼロに近づくほど当該指向角誤差もゼロに近づき、かつ、−10度<指向角誤差<10度の範囲では、近似的に直線性の特性を示す式(16)から追尾アンテナの指向角誤差を推定する一方、「AGCレベル平滑化信号と追尾アンテナ指向角信号それぞれの今回変動値の比率」の絶対値が前回取得した値の絶対値よりも減少したときは、指向角誤差を「ゼロ」と設定し、推定又は設定した指向角誤差をAGC補正位置信号として生成する第8のステップと、
前記アンテナ追尾・移動体位置推定器が、更新位置信号を取得したときは、前記AGC補正値生成器から受信した前記AGC補正位置信号を式(17)に適用することで得られる式(18)によって、前記AGC補正位置信号に基づく追尾アンテナ位置補正値(Δx n AGC )を導出し、導出された追尾アンテナ位置補正値と、更新位置信号から式(19)、(20)の規則に従って導出される位置更新結果(x n + )とを式(22)の規則に従って組み合わせて、移動体の位置推定補償値を導出し、導出した位置推定補償値を式(23)に適用することで、前記追尾アンテナに対するAZ軸角度指令値(Ψ r(n) )とEL軸角度指令値(θ r(n) )とを算出し、追尾アンテナ指向角指令信号として出力すると共に、前記位置伝播器から受信した前記位置予測値/誤差共分散値信号に対して、前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づくカルマンフィルタ更新処理を式(19)、(20)、(21)を用いて実施して、システム状態量推定値と誤差共分散行列予測値とから構成される前記位置推定値/誤差共分散値信号を生成して前記位置伝播器へ出力する第9のステップと、
を含むことを特徴としている。
この発明の第3の構成は、移動体位置推定追尾プログラムに係り、コンピュータにこの発明の第2の構成を実行させることを特徴としている。
GPSデータ更新時刻検出器4は、GPS受信機1から受信した更新位置信号S1に基づいて、GPS信号に含まれるGPSデータの更新時刻に対応したGPSデータ更新時刻信号S4を発生させる機能を有している。
追尾アンテナ6は、無人移動体を追尾して、その追尾アンテナ6の指向角に対応した追尾アンテナ指向角信号S6を発生させる機能を有している。
AGCレベル受信機3は、追尾アンテナ6の指向角変動に伴って変動する電波強度を検出し、その電波強度に対応したAGCレベル検出信号S3を発生させる機能を有している。
加速度センサ2は、無人移動体に搭載されていて、その無人移動体の加速度に対応した加速度センサ検出信号S2を検出する機能を有している。
位置伝播器7は、加速度センサ2から受信した加速度センサ検出信号S2と追尾アンテナ指向角/無人機位置推定器9から受信した位置推定値/誤差共分散値信号S10とに基づいて位置予測値/誤差共分散値信号S7を発生させる機能を有している。
追尾アンテナ指向角/無人機位置推定器9は、GPS受信機1から受信した更新位置信号S1とAGC補正値生成器8から受信したAGC補正位置信号S8と位置伝播器7から受信した位置予測値/誤差共分散値信号S7とに基づいて、追尾アンテナに対する追尾アンテナ指向角指令信号S9と位置伝播器へフィードバックさせる位置推定値/誤差共分散値信号S10とを発生する機能を有している。
但し、xkはシステム状態量、Φkは状態遷移行列、Gkは駆動ノイズ行列、Dkは駆動入力行列、Hkは観測行列、ukは加速度センサ検出信号S2、ykは観測信号とする。
2 加速度センサ
3 AGCレベル受信機
4 GPSデータ更新時刻検出器
5 検出データ平滑化処理器
6 追尾アンテナ
7 位置伝播器
8 AGC補正値生成器
9 追尾アンテナ指向角/無人機位置推定器(位置推定・追尾手段、アンテナ追尾・移動体位置推定器)
21 GPS受信機
22 加速度センサ
23 測位演算器(カルマンフィルタ)
S1 更新位置信号
S2 加速度センサ検出信号
S3 AGCレベル検出信号
S4 GPSデータ更新時刻信号
S5 AGCレベル平滑化信号
S6 追尾アンテナ指向角信号
S7 位置予測値/誤差共分散値信号
S8 AGC補正位置信号
S9 追尾アンテナ指向角指令信号
S10 位置推定値/誤差共分散値信号
S21 位置更新信号
S22 加速度検出信号
Claims (8)
- 空間又は地上を移動する移動体の位置を推定しながらその移動体を追尾する移動体位置推定追尾装置であって、
前記移動体に搭載され、GPS衛星から得られたGPS信号に基づいて、その移動体の最新の位置に対応した更新位置信号を検出するGPS受信機と、
前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づいて、前記GPS信号に含まれるGPSデータの更新時刻に対応したGPSデータ更新時刻信号を発生させるGPSデータ更新時刻検出器と、
前記移動体を追尾して、指向角に対応した追尾アンテナ指向角信号を発生させる追尾アンテナと、
前記追尾アンテナの指向角の変動に伴って変化する電波強度を検出し、その電波強度に対応したAGCレベル検出信号を生成するAGCレベル受信機と、
前記AGCレベル受信機から受信した前記AGCレベル検出信号を、前記GPSデータ更新時刻検出器が逐次受信した前記GPSデータ更新時刻信号から導出されたGPS更新間隔に基づいて平滑化することで、AGCレベル平滑化信号を生成する検出データ平滑化処理器と、
前記移動体に搭載され、その移動体の加速度に対応した加速度センサ検出信号を検出する加速度センサと、
アンテナ追尾・移動体位置推定器から前回フィードバックされた位置推定値/誤差共分散値信号を構成するシステム状態量(x k )と誤差共分散行列(P k )を初期値とし、前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号を入力u k として組み合わせて、式(1)として表される線形確率システムに基づいて、式(2)、(3)として与えられる規則に従って、システム状態量予測値(x k+1 − )と誤差共分散行列予測値(P k+1 − )とから構成される位置予測値/誤差共分散値信号を生成する位置伝播器と、
ここで、x k はシステム状態量;P k は誤差共分散行列;Φ k は状態遷移行列;G k は駆動ノイズ行列;D k は駆動入力行列;H k は観測行列;u k は加速度センサ検出信号;y k は観測信号;上付きの「+」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理後の推定値;上付きの「−」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理前の伝播予測値;上付きの「T」は転置行列;下付きの「k」は観測時系列の順序;システムノイズW k と観測ノイズV k は互いに独立した白色ノイズ;Q k は、移動体のダイナミクス特性に応じて設定される設計パラメータとしてのシステムノイズW k の共分散行列;
「前記検出データ平滑化処理器から逐次受信した前記AGCレベル平滑化信号の今回変動値と前記追尾アンテナから逐次受信した前記追尾アンテナ指向角信号の今回変動値との比率」と、追尾アンテナの指向角誤差(ΔΨ j AGC 、Δθ j AGC )との関係を表わし、当該比率がゼロに近づくほど当該指向角誤差もゼロに近づき、かつ、−10度<指向角誤差<10度の範囲では、近似的に直線性の特性を示す式(4)から追尾アンテナの指向角誤差を推定する一方、「AGCレベル平滑化信号と追尾アンテナ指向角信号それぞれの今回変動値の比率」の絶対値が前回取得した値の絶対値よりも減少したときは、指向角誤差を「ゼロ」と設定し、推定又は設定した指向角誤差をAGC補正位置信号として生成するAGC補正値生成器と、
更新位置信号が取得されたときは、前記AGC補正値生成器から受信した前記AGC補正位置信号を式(5)に適用することで得られる式(6)によって、前記AGC補正位置信号に基づく追尾アンテナ位置補正値(Δx n AGC )を導出し、導出された追尾アンテナ位置補正値と、更新位置信号から式(7)、(8)の規則に従って導出される位置更新結果(x n + )とを式(10)の規則に従って組み合わせて、移動体の位置推定補償値を導出し、導出した位置推定補償値を式(11)に適用することで、前記追尾アンテナに対するAZ軸角度指令値(Ψ r(n) )とEL軸角度指令値(θ r(n) )とを算出し、追尾アンテナ指向角指令信号として出力すると共に、前記位置伝播器から受信した前記位置予測値/誤差共分散値信号に対して、前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づくカルマンフィルタ更新処理を式(7)、(8)、(9)を用いて実施して、システム状態量推定値と誤差共分散行列予測値とから構成される前記位置推定値/誤差共分散値信号を生成して前記位置伝播器へ出力する前記アンテナ追尾・移動体位置推定器と、
を備えてなることを特徴とする移動体位置推定追尾装置。 - 前記アンテナ追尾・移動体位置推定器は、前記位置推定値/誤差共分散値信号に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記追尾アンテナ指向角指令信号に基づいて追尾アンテナの指向角を制御し、その追尾アンテナによって前記移動体を追尾させることを特徴とする請求項1記載の移動体位置推定追尾装置。
- 前記位置伝播器は、前記アンテナ追尾・移動体位置推定器が直前に発生させた前記位置推定値/誤差共分散値信号と前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号とに基づいて、現在時刻における位置予測値/誤差共分散値信号を発生させることを特徴とする請求項1又は2記載の移動体位置推定追尾装置。
- 空間又は地上を移動する移動体の位置を推定しながらその移動体を追尾する移動体位置推定追尾方法であって、
前記移動体に搭載されたGPS受信機が、GPS衛星から得られたGPS信号に基づいて、その移動体の最新の位置に対応した更新位置信号を検出する第1のステップと、
GPSデータ更新時刻検出器が、前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づいて、前記GPS信号に含まれるGPSデータの更新時刻に対応したGPSデータ更新時刻信号を発生させる第2のステップと、
追尾アンテナが、前記移動体を追尾しながら指向角に対応した追尾アンテナ指向角信号を発生させる第3のステップと、
AGCレベル受信機が、前記追尾アンテナの指向角の変動に伴って変化する電波強度を検出し、その電波強度に対応したAGCレベル検出信号を生成する第4のステップと、
検出データ平滑化処理器が、前記AGCレベル受信機から受信した前記AGCレベル検出信号を、前記GPSデータ更新時刻検出器が逐次受信した前記GPSデータ更新時刻信号から導出されたGPS更新間隔に基づいて平滑化することで、AGCレベル平滑化信号を生成する第5のステップと、
前記移動体に搭載された加速度センサが、その移動体の加速度に対応した加速度センサ検出信号を検出する第6のステップと、
位置伝播器が、アンテナ追尾・移動体位置推定器から前回フィードバックされた位置推定値/誤差共分散値信号を構成するシステム状態量(x k )と誤差共分散行列(P k )を初期値とし、前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号を入力u k として組み合わせて、式(13)として表される線形確率システムに基づいて、式(14)、(15)として与えられる規則に従って、システム状態量予測値(x k+1 − )と誤差共分散行列予測値(P k+1 − )とから構成される位置予測値/誤差共分散値信号を生成する第7のステップと、
ここで、x k はシステム状態量;P k は誤差共分散行列;Φ k は状態遷移行列;G k は駆動ノイズ行列;D k は駆動入力行列;H k は観測行列;u k は加速度センサ検出信号;y k は観測信号;上付きの「+」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理後の推定値;上付きの「−」は追尾アンテナ指向角/移動体位置推定器による処理前の伝播予測値;上付きの「T」は転置行列;下付きの「k」は観測時系列の順序;システムノイズW k と観測ノイズV k は互いに独立した白色ノイズ;Q k は、移動体のダイナミクス特性に応じて設定される設計パラメータとしてのシステムノイズW k の共分散行列;
AGC補正値生成器が、「前記検出データ平滑化処理器から逐次受信した前記AGCレベル平滑化信号の今回変動値と前記追尾アンテナから逐次受信した前記追尾アンテナ指向角信号の今回変動値との比率」と、追尾アンテナの指向角誤差(ΔΨ j AGC 、Δθ j AGC )との関係を表わし、当該比率がゼロに近づくほど当該指向角誤差もゼロに近づき、かつ、−10度<指向角誤差<10度の範囲では、近似的に直線性の特性を示す式(16)から追尾アンテナの指向角誤差を推定する一方、「AGCレベル平滑化信号と追尾アンテナ指向角信号それぞれの今回変動値の比率」の絶対値が前回取得した値の絶対値よりも減少したときは、指向角誤差を「ゼロ」と設定し、推定又は設定した指向角誤差をAGC補正位置信号として生成する第8のステップと、
前記アンテナ追尾・移動体位置推定器が、
更新位置信号を取得したときは、前記AGC補正値生成器から受信した前記AGC補正位置信号を式(17)に適用することで得られる式(18)によって、前記AGC補正位置信号に基づく追尾アンテナ位置補正値(Δx n AGC )を導出し、導出された追尾アンテナ位置補正値と、更新位置信号から式(19)、(20)の規則に従って導出される位置更新結果(x n + )とを式(22)の規則に従って組み合わせて、移動体の位置推定補償値を導出し、導出した位置推定補償値を式(23)に適用することで、前記追尾アンテナに対するAZ軸角度指令値(Ψ r(n) )とEL軸角度指令値(θ r(n) )とを算出し、追尾アンテナ指向角指令信号として出力すると共に、前記位置伝播器から受信した前記位置予測値/誤差共分散値信号に対して、前記GPS受信機から受信した前記更新位置信号に基づくカルマンフィルタ更新処理を式(19)、(20)、(21)を用いて実施して、システム状態量推定値と誤差共分散行列予測値とから構成される前記位置推定値/誤差共分散値信号を生成して前記位置伝播器へ出力する第9のステップと、
を含むことを特徴とする移動体位置推定追尾方法。 - 前記第9のステップにおいて、前記アンテナ追尾・移動体位置推定器は、前記位置推定値/誤差共分散値信号に基づいて前記移動体の位置を推定し、前記追尾アンテナ指向角指令信号に基づいて前記追尾アンテナの指向角を制御し、その追尾アンテナによって前記移動体を追尾させることを特徴とする請求項4記載の移動体位置推定追尾方法。
- 前記第7のステップにおいて、前記位置伝播器は、前記アンテナ追尾・移動体位置推定器が直前に発生させた前記位置推定値/誤差共分散値信号と前記加速度センサから受信した前記加速度センサ検出信号とに基づいて、現在時刻における位置推定値/誤差共分散値信号を発生させることを特徴とする請求項4又は5記載の移動体位置推定追尾方法。
- コンピュータを、請求項1、2又は3記載の移動体位置推定追尾装置として機能させることを特徴とする移動体位置推定追尾プログラム。
- コンピュータに請求項4、5又は6記載の移動体位置推定追尾方法を実行させる移動体位置推定追尾プログラム。
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