JP6393157B2 - 宇宙機の探索回収システム - Google Patents

Description

本発明は、宇宙機を探索回収するシステムに係り、更に詳細には、宇宙空間から大気圏に突入し、地球表面に落下し、帰還した宇宙機を探索回収するシステムに関する。

宇宙から帰還した宇宙機を回収する方法としては、人的被害の虞がない海上や砂漠等、人の生活圏から離れた場所に宇宙機を落下させる。そして、あらかじめ、宇宙機に直接的又は間接的に搭載させた、位置特定用電波を発信する発信機に位置情報を発信させ、この位置情報を受信して宇宙機を探索回収する。

上記位置特定用発信機からの無線信号を地上や海上で受信する場合は、地形や海面などによって、反射・干渉等の影響を受け易く、受信エラーが発生することが多い。したがって、宇宙機の探索は、上空を有人の航空機で飛行しながら位置特定用発信機からの電波を受信して宇宙機に近づき、宇宙機を目視確認して、宇宙機の位置を地上又は海上の回収チームに連絡して回収する手法が採られている。

しかし、民間が利用できるＧｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（以下、ＧＰＳということがある）により測位した位置情報の誤差が大きいため、位置特定用発信機からの位置情報を受信することでは広範囲の探索が要求され、宇宙機を早期に見つけることが困難である。

すなわち、ＧＰＳにより正確な位置を測位するには、頭上にＧＰＳ衛星が４機以上見えていることが理想的であるが、地域・時間によっては利用できる高仰角のＧＰＳ衛星が少ない場合があり誤差が生じ易い。また、宇宙機を落下させる場所は、安全のために人の生活圏から離れたエリアが選択されることから、ＧＰＳの誤差を補正するための電子基準点やモニタ局が設置されていないことが多く、位置情報の補正も困難である。
加えて、宇宙機を落下させる場所は、海上や砂漠上等の周囲に目標物のない場所が多く、地上又は海上からの探索には、さらに時間と手間がかかることになる。

特許文献１の特開２００３−１３７１７９号公報には、探索回収側からの遠隔指令に基づいて作動する、ストロボライトや発煙筒や信号弾などの視覚的位置認識手段を位置特定用発信機に搭載し、宇宙機の探索を容易にすることが開示されている。

特開２００３−１３７１７９号公報

しかし、特許文献１に記載のものにあっては、有人の航空機で飛行探索し、乗員が回収する宇宙機を目視確認するものであるため、宇宙機が大気圏に突入し地上又は海上に落下してから見つけ出すまでに時間がかかり、長時間に亘り、宇宙機の状態を監視できないという問題がある。

すなわち、大気圏に突入した後の宇宙機の飛行経路を操作することが困難であることから、宇宙機が落下すると予測される広大なエリア内への人の立ち入りが制限される。
したがって、宇宙機が地上又は海上に落下するまでは、有人の航空機は当該制限エリア内を飛行することはできない。
加えて、有人の航空機は滑走路等の地上設備を必要とし、離着陸できる場所が限られるため、有人航空機の離陸地点と宇宙機の落下地点とが離れていることが多く、宇宙機を見つけるまでに多くの時間を要する。また逆に、航空機が着陸可能な場所を優先する場合には、宇宙機を落下させる場所に制約が生じ、安全性との両立が困難である。

そして、宇宙機を見つけ出すまでの間に、衝撃等の何らかの原因によって、宇宙機が海中へ沈む等した場合には手がかりとなる情報が残らず、宇宙機の探索が非常に困難になる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、落下した宇宙機を見つけるまでの時間を短縮し、落下した宇宙機の監視を早期に開始可能にすると共に、回収費用を低減できる探索回収するシステムを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、上空からの宇宙機の探索を無人飛行体で行うことにより、航空機の運用に制限がなく、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の宇宙機の探索回収システムは、宇宙機に搭載された宇宙機位置情報発信局と、上空から宇宙機を探索する無人探索局と、宇宙機に到達して宇宙機を回収する回収局とを備える。そして、無人探索局が、上記宇宙機が地上又は海上に落下するよりも前に、宇宙機が落下すると予測される立ち入り制限エリア内の上空で滞空し、宇宙機位置情報発信局が発信した宇宙機位置情報に基づいて宇宙機に近づき、宇宙機の画像及び／又は映像と、無人探索局及び／又は宇宙機の位置情報とを発信する。
回収局は、無人探索局からの、無人探索局及び／又は宇宙機の位置情報に基づいて宇宙機に到達すると共に、宇宙機の画像及び／又は映像を受信することを特徴とする。

本発明によれば、上空からの宇宙機の探索を無人飛行体で行うこととしたため、航空機の運用に制限がなく、宇宙機を見つけるまでにかかる時間を短縮でき、宇宙機の監視を早期に開始できると共に、回収費用を削減できる探索回収するシステムを提供することができる。

本発明の探索回収システムの機能の一例を示すブロック図である。 本発明の探索回収システムの通信系統の一例を示す図である。

本発明の宇宙機の探索回収システムについて詳細に説明する。
本発明の宇宙機の探索回収システムは、宇宙機位置情報発信局と、無人探索局と、回収局とを備える。

＜宇宙機位置情報発信局＞
宇宙機位置情報発信局は、宇宙から帰還すると複数のＧＰＳ衛星からの信号を処理し、自らの位置情報を得て送信するものであり、予め、宇宙機に直接的又は間接的に搭載される。
宇宙機位置情報発信局は、所定の間隔で、繰り返し自らの位置情報を取得し送信する。繰り返し位置情報を送信することで、海上等で漂流しても確実に発見される。
宇宙機位置情報発信局には、図１に示すように、ＧＰＳ受信機、データインタフェース、無人探索局への送信機、アンテナ、太陽電池、二次電池及び電源回路等を備える。

＜無人探索局＞
上記無人探索局は、自らの位置情報と宇宙機位置情報発信局からの位置情報とから、自律飛行して宇宙機を探索すると共に、自らの位置情報及び／又は宇宙機の位置情報を逐時発信するものである。

上記無人探索局を、機上のコンピュータの判断のみで飛行する自律飛行する無人飛行体（以下、単に「無人機」ということがある。）とすることにより、地上の遠隔操縦者への機体の状態の送信や、遠隔操縦者からの指令を受信する必要がないため、通信状態が不安定な状況においても確実に宇宙機を見つけ出すことができる。
また、自律飛行は遠隔操縦に比べて正確に飛行経路を辿ることができる。すなわち、ＧＰＳや慣性センサ（姿勢や加速度センサ等）の出力を元に風等の外乱を抑制しながら、計算された最適航路を飛行することができ、宇宙機を見つけるまでの時間を短縮できる。

さらに、上記探索局が無人飛行体であることで小型化でき、船上等からの離着陸が可能となり、離着陸場所の制約が大幅に低減される。加えて、人的被害の虞がないことから、宇宙機が地上又は海上に落下する前から、落下予測地点での待機や落下予測地点を中心に旋回させて待機させることが可能となり、宇宙機の落下地点の近くから探索を開始でき、宇宙機を見つけるまでの時間を大幅に短縮できる。

上記無人飛行体の重量は、１０００ｇ以上５０００ｇ以下であることが好ましい。５０００ｇ以下であることで、万が一宇宙機と衝突したとしても、宇宙機を損傷させることがない。また、１０００ｇ未満では、風による影響が強くなり、安定した飛行を維持できないことがある。
上記無人飛行体は複数用いることが好ましい。複数の無人飛行体で探索することで、宇宙機を見つけるまでの時間をさらに短縮できる。
また、回収局が到着するまで無人飛行体の燃料が持たない場合は、別の無人飛行体を発進させて、これに交代させてもよい。

宇宙機が地上又は海上に落下するよりも前に、宇宙機が落下すると予測される立ち入り制限エリア内又は制限エリア近傍に無人飛行体を待機させる場合は、高度１０００ｍ以上６０００ｍ以下に滞空させることが好ましい。
滞空高度が１０００ｍ以上であると、地形や海面の干渉を受けずに、直ちに宇宙機の位置情報を受信することができる。６０００ｍを超えると、降下距離が長くなって見つけるまでの時間が長くなるため実用的でない。また、宇宙機位置情報発信局が発信する位置情報信号が弱くなることがある。

また、宇宙機を見つけた無人探索局は、高度を下げ、宇宙機を撮影し、画像及び／又は映像を発信すると共に、回収局が宇宙機付近（直接目視確認できる範囲）に到達するまで宇宙機の上で滞空する。滞空することで無人探索局が目印となり、ＧＰＳにより測位した位置情報の誤差が大きい場合であっても、回収局が宇宙機に到達できる。
また、上記無人探索局は、レーダ電波を反射する反射体を備えることが好ましい。回収局がレーダで無人探索局の位置を捕捉することで、ＧＰＳの位置情報と相俟って確実に宇宙機に到達できる。

上記宇宙機の上で滞空するときの滞空高度は、回収局と無人探索局との無線通信、レーダ見通し距離、撮影画角、及び、回収局からの目視確認の容易性とのバランスから、５０ｍ以上１００ｍ以下であることが好ましい。
５０ｍ未満では地形や海面の干渉を受け、回収局と無人探索局との無線通信にエラーが生じることがあり、またレーダ見通し距離が短くなる。１００ｍを超えると宇宙機を充分な大きさで撮影するには画角が狭くなって、旋回する無人探索局からの宇宙機の撮影が困難になることがあり、また、回収局からの目視確認が困難になることがある。

上記無人飛行体は、図１に示すように、飛行制御装置、カメラ、太陽電池、二次電池及び電源回路を備え、上記飛行制御装置によって飛行が制御される。
上記飛行制御装置は、自律飛行制御用の各種センサ部、データハンドリングプロトコル制御部、誘導制御演算部、航法演算部、宇宙機位置情報受信機、回収局との通信機、ＧＰＳ受信機、アクチュエータ、動翼、及びアンテナ等を備える。

自律飛行制御動作について説明する。
無人飛行体を始動させ、回収局の無人機用コンピュータ（以下、無人機用ＰＣということがある）から探索範囲の地図情報を有線又は無線で伝送する。その後、無人飛行体のＧＰＳ機能を使用して自己の位置（緯度、経度、高度）を認識させ、これと並行して無人飛行体は姿勢センサ等の自律飛行制御用の各種センサの自動キャリブレーションを実施する。

無人飛行体を発進させると、ＧＰＳ受信機から水平面位置情報、対地高度センサから高度、速度センサから速度、地磁気センサから方位情報等、飛行のための情報をそれぞれ取得する。これらの情報に基づいて、設定された待機点までの経路を演算し、飛行するために必要な推力及び操舵量を算出し、飛行用動力への制御指令を出力するとともに、動翼の操舵指令を出力する。
また、飛行制御装置は、自律飛行中に、姿勢センサから姿勢角の情報を取得するとともに、加速度計から、前後、左右、上下の加速度情報を取得し、これら情報に基づいて制御指令や操舵指令の修正信号を生成し、自律飛行中の機体の姿勢を制御する。これにより自律飛行が実現する。

そして、宇宙機位置情報発信局からの位置情報を受信すると、飛行制御装置は宇宙機までの飛行経路を演算し、自律飛行して宇宙機を探索する。
なお、回収局との無線通信を介して回収局から指令信号を受けた場合は、回収局からの指令信号に沿って新たな飛行経路を演算し、変更された経路に沿って自律飛行をすることもできる。

宇宙機位置情報発信局から受信した宇宙機の位置に到達した無人飛行体は、高度を下げ宇宙機の上を旋回しながら滞空すると共に、地上又は海上の宇宙機を撮影して回収局に画像及び／又は映像の送信を継続して行い、回収局の到着を待つ。

＜回収局＞
上記回収局（以下、「回収用船舶」ということがある。）は、無人探索局及び／又は宇宙機の位置情報と、宇宙機の画像及び／又は映像とを受信し、上記位置情報に基づいて宇宙機に到達し回収する。回収局は宇宙機を見つけ又は回収すると、上記無人探索局に帰還指令を送信し無人探索局をも回収する。

上記回収局は、図１に示すように、無人探索局との通信機及びハードワイヤインターフェース、無人機用コンピュータ、通信衛星との送受信機、ＧＰＳ受信機、レーダ装置、及びアンテナ等を有する。上記レーダ装置は、自ら電波（例えばマイクロ波）を発射し、その反射波を捕らえることにより、物標をとらえるものである。
上記回収局としては、例えば、船舶、自動車、ヘリコプタ等が挙げられる。

＜通信系統＞
次に、本発明の探索回収システムの通信系統について説明する。図２に通信系統の概略図を示す。宇宙機位置情報発信局１、無人探索局２、及び、回収局３は、それぞれ、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信し、自らの位置を特定する。

宇宙機に搭載された宇宙機位置情報発信局１は、宇宙機の位置情報を発信し、この位置情報から無人探索局２が宇宙機を探索する。宇宙機を見つけ出した無人探索局２は、自らの位置情報及び／又は受信した宇宙機の位置情報と、宇宙機の画像及び／又は映像とを送信する。

回収局３は、宇宙機の画像及び／又は映像を受信し、宇宙機を監視すると共に、無人探索局２からの、無人探索局２及び／又は宇宙機の位置情報から、宇宙機に到達し回収する。
また、回収局３は、通信衛星を介して地図情報を取得し、自ら利用すると共に、無人探索局２の有線又は無線通信で地図情報を送信してもよく、無人探索局２は該地図情報を利用して宇宙機探索のルート演算を行ってもよい。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

回収用船舶（回収局）に搭載した無人機（探索局）用コンピュータから、通信衛星経由でインターネットに接続し、探索範囲の地図情報をダウンロードし、該地図情報を、ハードワイヤインターフェースを通して無人機に送信する。

無人機のＧＰＳ機能により、無人機に自己の位置（緯度、経度、高度）を認識させると共に、姿勢センサ等の自律飛行制御用の各種センサの自動キャリブレーションを実施させる。その後、回収用船舶から無人機を発進させ、宇宙機の着水予想時刻に合わせて、立ち入り制限エリア内の高度１０００ｍ〜１２００ｍに待機滞空させる。

この間、無人機は無人機のＧＰＳ機能により測位を行って自己の位置を逐次更新すると共に、回収用船舶に搭載された無人探索局用コンピュータに自己の位置情報を、無線通信によりリアルタイムに送信する。

無人機用コンピュータは、画面に表示した地図上に、無人探索局からの無人探索局の位置情報を元に無人機の位置をプロットし、軌跡を描く。これにより、無人機を監視する人員は無人機の動きを把握する。

宇宙機位置情報発信局は、洋上に宇宙機が軟着陸したら、直ちに自己のＧＰＳ機能を使用して自己の位置を測位し、宇宙機の位置情報を電波に畳み込んで送信する。

無人機は、宇宙機位置情報発信局からの電波を受信し、この電波に畳み込まれた宇宙機の位置情報を復調し、宇宙機の位置を認識する。宇宙機の位置を認識した無人機は、予め入力されている地図情報上に、無人機位置、宇宙機位置、回収用船舶位置をプロットし、障害物を避けた最短飛行ルートを演算し、飛行ルート情報を回収用船舶の無人機用コンピュータに送信する。無人機用コンピュータは、無人機の飛行ルート情報を地図画面に表示する。

そして、無人機は演算した飛行経路に基づいて宇宙機のところまで自律飛行する。このとき、飛行中の位置情報を回収用船舶の無人機用コンピュータにリアルタイムで送信する。また、洋上に着水した宇宙機は海流や風の影響を受けて移動するので、宇宙機位置情報発信局から所定の間隔で送られてくる宇宙機の位置情報を更新し、飛行ルートの演算を行って更新する。この更新結果は回収用船舶の無人機用コンピュータにリアルタイムで送信され、無人機用コンピュータは、これらの情報を地図画面に表示する。

宇宙機の付近に到達し、宇宙機を見つけ出した無人機は、宇宙機の上空で高度を１００ｍ以下に降下させて旋回し、上空からカメラで静止画及び／又は動画を撮影し、回収用船舶の無人機用コンピュータにリアルタイム送信する。無人機用コンピュータは地図情報と共に画像及び／又は映像を表示し、無人機を監視する人員に宇宙機の状況を監視させる。

回収用船舶は、無人機からの位置情報に基づいて宇宙機のところに回航する。無人機用コンピュータは、船舶回航に伴って回収用船舶に搭載されたＧＰＳ受信機で得た情報から船舶の位置をリアルタイムに更新し、無人機用コンピュータの地図画面に表示する。また、無人機にも回収用船舶の位置情報をリアルタイムに送信し更新させる。

無人機は、回収用船舶が到達するまでの間、宇宙機の移動に合わせて移動し、常に宇宙機の上空を高度１００ｍ以下で旋回し、撮影した画像及び／又は映像の送信を継続する。

無人機には、回収用船舶に搭載した船舶航行用レーダあるいは気象用レーダの電波を反射する反射体を予め取り付けておき、無人機の確認を目視だけでなく、レーダによる確認もできるようにする。

回収用船舶は、宇宙機に到達したら宇宙機を確保し船舶に係留する。無人機は、係留後に回収用船舶の無人機用コンピュータから着艦指令、風向き、侵入方向や着艦方法（リニア、スパイラル）等の指示を受信し、前記指示に従って着艦アプローチを開始する。

回収用船舶は、着艦エリア確保と回収用キャッチネット等を準備して無人機を着艦あるいはキャッチネットで捕獲して無人機を回収する。

以上、洋上回収の場合を例に、本発明の探索回収するシステムを説明したが、本発明は洋上での回収だけでなく、陸上の回収にも適用できる。

１ 宇宙機位置情報発信局
２ 無人探索局
３ 回収局
４ ＧＰＳ衛星

Claims (4)

1. 宇宙空間から地球に帰還した宇宙機を探索回収するシステムであって、
   上記宇宙機に搭載された宇宙機位置情報発信局と、上空から上記宇宙機を探索する無人探索局と、宇宙機に到達して宇宙機を回収する回収局とを備え、
   上記宇宙機位置情報発信局が、ＧＰＳ衛星からの信号を受信して得た宇宙機の位置情報を発信するものであり、
   上記無人探索局が、上記宇宙機が地上又は海上に落下するよりも前に、宇宙機が落下すると予測される立ち入り制限エリア内の上空で滞空し、受信した宇宙機の位置情報及びＧＰＳ衛星からの信号を受信して得た無人探索局の位置情報に基づいて上記宇宙機に近づき、宇宙機の画像及び／又は映像と、無人探索局及び／又は宇宙機の位置情報と、を発信する飛行体であり、
   上記回収局が、宇宙機の画像及び／又は映像と、無人探索局及び／又は宇宙機の位置情報とを受信し、上記受信した位置情報に基づいて宇宙機に到達することを特徴とする探索回収システム。
2. 宇宙機位置情報発信局から受信した宇宙機の位置に到達した無人探索局が、上記回収局が宇宙機付近に到達するまで宇宙機の上で滞空することを特徴とする請求項１に記載の探索回収システム。
3. 滞空高度が５０ｍ〜１００ｍであることを特徴とする請求項２に記載の探索回収システム。
4. 上記回収局が、レーダを用いて無人探索局の位置を捕捉するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の探索回収システム。

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