JP3037516B2 - 方位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、センサにより目標物
の方位を検出する際の上記センサが取り付けられた構造
物の変形による誤差を高精度で校正し、目標物の方位を
正確に検出することを可能とする方位測定装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は、財団法人防衛技術協会発行の
「誘導武器概論」に示された従来のストラップダウン方
式の概念を示す概念構成図であり、図９において５３は
図示していない光センサが剛に結合されたテーブル、５
４はテーブル５３に剛に結合されテーブルに加わる加速
度を検出する加速度計、５５は同様にテーブル５３に剛
に結合されテーブル５３の角速度を検出する角速度計で
あり、３個のレートジャイロ５５ａ，５５ｂ，５５ｃを
備えている。

【０００３】５６は前記加速度計５４と角速度計５５の
検出信号を処理するための演算装置である。

【０００４】このストラップダウン方式では、ジンバ
ル，サーボモータによる誤差修正その他全てを電子計算
機により行っている。

【０００５】すなわち、このストラップダウン方式で
は、３個のレートジャイロ５５ａ，５５ｂ，５５ｃと加
速度計５４が直接運動体であるテーブル５３に固定され
ており、前記３個のレートジャイロ５５ａ，５５ｂ，５
５ｃにより検出された運動体の姿勢角により、演算装置
５６が刻々とその時点での安定基準盤を作り上げ、これ
に加速度計５４からの加速度情報を加えて運動体の位置
および姿勢等を計算している。

【０００６】光センサがテーブル５３に取り付けられて
いると、加速度計５４と角速度計５５がテーブル５３に
取り付けられている光センサに加わる加速度データや角
速度データを時々刻々検出することにより、このデータ
に対し演算装置５６が積分・座標変換等の計算を行うこ
とにより、各時刻におけるテーブル５３すなわち光セン
サの変位や回転量を知ることができる。

【０００７】従って、光センサが飛行機における柔軟構
造の翼端などに取り付けられているときに、この翼端が
撓んだり捩れたりしたときには、慣性座標計系における
翼端に取り付けられている光センサの変位や回転量が検
出できることになる。

【０００８】さらに、航空機の胴体に対しても上述した
ストラップダウン方式により慣性座標系における変位・
回転量を算出できるので、翼端における前記変位や回転
量との相対量を計算することにより、胴体に対する翼端
の変位・回転量が求められることになる。

【０００９】そして、光センサによる目標物に対する方
位などの観測値をこの変位・回転量を用いて座標変換
し、光センサの変位・回転による目標物方位検出の際の
誤差の校正を行い、光センサの変位・回転がない状態で
の目標物の方位を正確に計算し、求めることが出来る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の方位測定装置は
以上のように構成されているので、航空機の翼端などに
加速度計５４や角速度計５５などの付属的な精密機器を
取り付ける必要があり、容積，重量，耐久性などの点で
不利であり、コストも高くなってしまう問題点があっ
た。

【００１１】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、この請求項１の発明は、加速度
計や角速度計などの精密機器を用いることなく、航空機
の剛構造部に取り付けられた基準発光器と、航空機にお
ける柔軟構造部に取り付けられたセンサとの関係から、
そのセンサが取り付けられた柔軟構造物についての構造
モデル上での構造変形量を推算することにより、これを
基に目標物の方位測定に伴う誤差を校正し、さらに上記
推算結果や校正した目標物の方位測定結果などを表示す
ることのできる方位測定装置を得ることを目的とする。

【００１２】この請求項２の発明は、剛構造物に取り付
けられた基準点と柔軟構造物に取り付けられたセンサと
の関係から、そのセンサが取り付けられた柔軟構造物に
ついての構造モデル上での構造変形量を推算することに
より、加速度計や角速度計などを用いることなく目標物
の方位測定に伴う誤差を校正することのできる方位測定
装置を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この請求項１の発明に係
る方位測定装置は、航空機における剛構造部に取り付け
られた基準発光器と、航空機における柔軟構造部に取り
付けられ上記基準発光器の方位データと目標物の目標物
方位データを検出するセンサと、そのセンサが検出した
上記基準発光器の方位データとあらかじめ求められてい
る上記基準発光器の基準方位データとの偏差を基にあら
かじめ記憶されている上記航空機の柔軟構造部について
の構造モデル上での構造変形量を推算する構造変形量推
算手段と、その構造変形量推算手段により推算した構造
変形量を基に上記目標物の方位測定に伴う誤差を校正す
る校正手段と、上記構造変形量推算手段による推算結果
や上記校正手段により校正した目標物の方位測定結果な
どを表示する表示手段とを備えたものである。

【００１４】この請求項２の発明に係る方位測定装置
は、剛構造物に配置された基準点の方位データや目標物
の方位データを検出する柔軟構造物に取り付けられたセ
ンサと、そのセンサにより検出した上記基準点の方位デ
ータとあらかじめ求められている上記基準点の基準方位
データとの偏差を基にあらかじめ記憶されている上記柔
軟構造物についての構造モデル上での構造変形量を推算
する構造変形量推算手段と、その構造変形量推算手段に
より推算した構造変形量を基に上記目標物の方位測定に
伴う上記柔軟構造物の変形による方位データの誤差を校
正する校正手段とを備えたものである。

【００１５】

【作用】この請求項１の発明における方位測定装置は、
航空機における剛構造部に取り付けられた基準発光器
と、航空機における柔軟構造部に取り付けられたセンサ
が検出した基準発光器の方位データと、あらかじめ求め
られている上記基準発光器に対する基準方位データとの
偏差を基にあらかじめ記憶されている上記航空機の柔軟
構造部についての構造モデル上での構造変形量を推算
し、その構造変形量を基に上記柔軟構造物の変形により
生ずる目標物方位測定の際の目標物の方位データの誤差
を校正し、目標物の方位測定を正確に行い、さらに上記
推算結果や上記校正した目標物の方位測定結果などを表
示する。

【００１６】この請求項２の発明における方位測定装置
は、柔軟構造物に取り付けられたセンサにより検出した
剛構造物に配置または基準点の方位データと、あらかじ
め求められている上記基準点の基準方位データとの偏差
を基にあらかじめ記憶されている上記柔軟構造物につい
ての構造モデル上での構造変形量を推算し、その構造変
形量を基に上記柔軟構造物の変形により生ずる目標物方
位測定の際の目標物の方位データの誤差を校正し、目標
物の方位測定を正確に行う。

【００１７】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例１を図について説明
する。図１において、１は航空機、２は航空機１の胴体
部に取り付けられた基準発光器である。

【００１８】この場合、基準発光器２が取り付けられて
いる航空機１の胴体部は剛構造部とみなしている。

【００１９】３は航空機１１の翼端に取り付けられた光
センサである。この場合、光センサ３が取り付けられて
いる航空機１の翼は、飛行中に翼面に加わる荷重により
撓んだり捩れたりする柔軟構造部とみなしている。

【００２０】４は光センサ３から出力される信号を処理
するための演算装置（構造変形量推算手段，校正手段）
であり、光センサ３が取り付けられた翼構造の数値モデ
ルが格納されている。５は演算装置４による演算結果な
どを表示するためにコクピットに設けられている表示装
置（表示手段）である。

【００２１】６は方位測定の対象となる目標物であり他
の航空機を示す。

【００２２】図２は、航空機１の翼が撓んだり捩れたり
して柔軟構造部である翼端に取り付けられた光センサ３
に変位・回転が生じているときの翼端の座標系における
アジスマ角ψとエレベーション角θを示す説明図であ
る。

【００２３】図３は、柔軟構造部である翼端に取り付け
られた光センサ３に変位・回転が生じているときと変位
・回転が生じていないときの翼端の座標系の関係を示す
説明図である。

【００２４】図４は、光センサ３が取り付けられた翼端
の撓みと捩れの関係を示す概念図である。

【００２５】航空機１の翼が撓んだり捩れたりすること
による光センサ３に生ずる変位・回転を検討する場合、
変位としてはｚ方向のみを、回転に関してはｘ軸および
ｙ軸回りを考慮すれば充分である。

【００２６】これは、航空機１の翼が概ね長方形の平板
として扱えることに起因する。

【００２７】ここで、航空機１の翼が撓んだり捩れたり
することによるｚ方向の変位をΔｚ、ｘ軸およびｙ軸回
りの回転角を夫々ΔＸ，ΔＹとする。また、座標変換の
順番は変位・回転なしの場合の座標系を基にΔｚを仮定
し、さらにΔＸ，ΔＹの順で推算を行う。

【００２８】ところで、図３に示す変位・回転なしの場
合の座標系、すなわち座標系ｘｏ−ｙｏ−ｚｏにおける
基準発光器２の座標（ｘｒｏ，ｙｒｏ，ｚｒｏ）と、変
位・回転が生じているときの座標系ｘ−ｙ−ｚにおける
基準発光器２の座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）との間には次
式に示す関係がある。

【００２９】

【数１】

【００３０】ここで変位・回転なしの場合の座標（ｘｒ
ｏ，ｙｒｏ，ｚｒｏ）は既知であり、Δｚ，ΔＸ，ΔＹ
や座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）は未知である。

【００３１】従って、Δｚを最初に仮定し、前記（１）
式と光センサ３により基準発光器２を観測することによ
り得られるアジスマ角ψやエレジーション角θを基にさ
らにΔＸ，ΔＹの順で推算を行い、最適なΔｚ，ΔＸ，
ΔＹを求め、これらにより目標物の方位測定の際の柔軟
構造部である翼端に取り付けられた光センサ３に生ずる
変位・回転に起因する誤差を校正し、目標物の正確な方
位測定を行う。

【００３２】図５を基に上述した最適なΔｚ，ΔＸ，Δ
Ｙを求めるための演算手順を説明する。

【００３３】図５は、Δｚ，ΔＸ，ΔＹの演算手順を説
明するためのフローチャートである。

【００３４】図５において、まずｚ方向の変位Δｚを仮
定する（ステップＳＴ１）。

【００３５】次に、演算装置４にあらかじめ記憶されて
いる翼構造のモデルから、ステップＳＴ１において仮定
したΔｚを用いてｘ軸回りの回転角ΔＸを推算する（ス
テップＳＴ２）。

【００３６】このｘ軸回りの回転角ΔＸの推算は次のよ
うにして行う。

【００３７】すなわち、簡単な翼構造モデルとして図４
に示すように一様荷重ωが負荷された一様梁を考える
と、自由端の変位Δｚと傾きΔＸは下記の式により表さ
れる。

【００３８】

【数２】

【００３９】ここでｌ：梁の長さ，Ｅ：ヤング率，Ｉ：
断面２次モーメントである。

【００４０】従って、自由端の変位Δｚと傾きΔＸの間
には定数αを用いて下記に示す関係が成立している。

【００４１】

【数３】

【００４２】この結果、Δｚを用いてｘ軸回りの回転角
ΔＸを推算可能である。

【００４３】次に、ステップＳＴ３に進み、下記に示す
前記式（１）の２行目の式にΔｚ，ΔＸを代入すること
によりｙｒを求める（ステップＳＴ３）。

【００４４】

【数４】

【００４５】次に、図２に示す座標系ｘ−ｙ−ｚにおい
て光センサ３により基準発光器２を観測して得られるア
ジスマ角ψとエレベーション角θからｘｒとｚｒを求め
る（ステップＳＴ４）。

【００４６】このアジスマ角ψとエレベーション角θか
らｘｒとｚｒは次のようにして求める。

【００４７】すなわち、アジスマ角ψとエレベーション
角θは座標（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）を用いて夫々下記に示
す式により表される。

【００４８】

【数５】

【００４９】

【数６】

【００５０】アジスマ角ψは光センサ３の出力を基に、
またｙｒはステップＳＴ３において明らかになっている
ので、式（５）よりｘｒが計算でき、この計算したｘｒ
と前記ｙｒとエレベーション角θとを用いて式（６）か
らｚｒが計算できる。

【００５１】次に、ステップＳＴ１において仮定したΔ
ｚの最適な値を求める（ステップＳＴ５，ステップＳＴ
６）。

【００５２】このΔｚの最適な値の求め方は次のように
して行う。

【００５３】すなわち、式（１）において未知数ΔＹを
含むのはｘｒに関しての１行目の式とｚｒに関しての３
行目の式であるから、この部分を切り出すと下記に示す
ようになる。

【００５４】

【数７】

【００５５】式（７）の左辺のベクトルと右辺右端のベ
クトルの間には本来ｙ軸回りの回転角ΔＹの回転変換の
違いしか存在しない。すなわち両ベクトルの長さは同じ
にならなければならない。

【００５６】しかし、ステップＳＴ１においてΔｚを適
当に仮定して計算を進めてきたので通常両ベクトルの長
さは一致しない。

【００５７】図６に、ステップＳＴ１において仮定した
Δｚと前記両ベクトル間の長さの違いの関係を示す。

【００５８】図６において、縦軸は両ベクトル間の長さ
誤差（％）、横軸は仮定されたΔｚの値である。

【００５９】図６から明らかなように、Δｚが０．５の
とき両ベクトルの長さ誤差（％）はゼロであり、このと
きの値がΔｚの最適な仮定値となる。従って、この最適
な仮定値Δｚを求めるためには、仮定したΔｚにより繰
り返し計算を行い、両ベクトル間の長さ誤差（％）を求
め、両ベクトル間の長さ誤差（％）が充分に小さくなる
ようなΔｚをみつければよく、このようにして求めたΔ
ｚを真値として用いるのが妥当である。

【００６０】ΔＹは、このΔｚにより式（７）を用いて
計算して求める。

【００６１】この結果、ｚ軸方向の変位Δｚ，ｘ軸方向
の回転角ΔＸ，ｙ軸方向の回転角ΔＹが求められること
になる（ステップＳＴ７）。

【００６２】このようにして求められたｚ軸方向の変位
Δｚ，ｘ軸方向の回転角ΔＸ，ｙ軸方向の回転角ΔＹ
は、目標物の方位を測定する際の校正データであるか
ら、この校正データを用いて目標物の方位を測定する際
に光センサが取り付けられている翼における撓みや捩れ
などにより光センサ３が目標物を観測したときに生ずる
変位・回転などによる誤差を校正し、目標物の方位を正
確に測定する。

【００６３】また、このようにして求められたｚ軸方向
の変位Δｚ，ｘ軸方向の回転角ΔＸ，ｙ軸方向の回転角
ΔＹやこれらの構成データを用いて校正された目標物の
正確な方位を表示器５に表示する。

【００６４】実施例２．上記実施例１では航空機の場合
について説明したが、基準点が取り付けられた基準とな
る剛構造物の本体に柔軟なブームが結合され、上記基準
点の方位データや目標物の方位データを検出するセンサ
が前記ブーム先端部に取り付けられた人工衛星などにも
適用することが出来る。

【００６５】図７は、この実施例２の説明図であり、１
１は剛構造物の人工衛星本体１４に取り付けられた基準
点である。この基準点１１は、可視光線発光器あるいは
赤外線発光器あるいは紫外線発光器などであってもよ
い。

【００６６】１２は柔軟なブーム１５先端部に取り付け
られたセンサであり、可視光線あるいは赤外線あるいは
紫外線などの検出器などが考えられる。

【００６７】１３は人工衛星本体１４に取り付けられた
演算装置（構造変形量推算手段，校正手段）である。

【００６８】このように構成された方位測定装置の動作
は、すでに実施例１で説明したのと同様であるから説明
を省略する。

【００６９】実施例３．上記実施例１および実施例２で
は、剛構造物に基準発光器あるいは基準点を取り付ける
ものであったが、図８に示すようにこれらに代替する発
光源２１があるときにはこれを基準発光器あるいは基準
点として用いることも可能である。

【００７０】実施例４．また、実施例１ではｚ軸方向の
変位Δｚ，ｘ軸方向の回転角ΔＸ，ｙ軸方向の回転角Δ
Ｙやこれらの校正データを用いて校正された目標物の正
確な方位を表示器５に表示するように構成したが、ｚ軸
方向の変位Δｚ，ｘ軸方向の回転角ΔＸ，ｙ軸方向の回
転角ΔＹなどは表示器５に表示することなく、次の処理
装置へ入力するように構成してもよい。

【００７１】

【発明の効果】以上のように、この請求項１の発明によ
れば航空機における柔軟構造部にセンサが取り付けられ
ており、この柔軟構造部の撓みや捩れによる上記センサ
位置の変位により目標物の方位測定を正確に行うことが
できない状態であっても、上記センサが検出した基準発
光器の方位データと、あらかじめ求められている上記基
準発光器に対する基準方位データとの偏差を基にあらか
じめ記憶されている上記航空機の柔軟構造部についての
構造モデル上での構造変形量を推算し、その構造変形量
を基に上記柔軟構造物の変形により生ずる目標物方位測
定の際の目標物の方位データの誤差を校正することがで
きるので、目標物の方位測定を正確に行うことができ、
さらに上記推算結果や上記校正した目標物の方位測定結
果などを表示することができる効果がある。また加速度
計や角速度計などの精密機器を用いる必要がないので容
積，重量，耐久性などの点で有利となる効果がある。

【００７２】この請求項２の発明によれば、柔軟構造部
にセンサが取り付けられており、この柔軟構造部の撓み
や捩れによる上記センサ位置の変位により目標物の方位
測定を正確に行うことができない状態であっても、上記
柔軟構造物に取り付けられたセンサにより検出した剛構
造物に配置された基準点の方位データと、あらかじめ求
められている上記基準点の基準方位データとの偏差を基
にあらかじめ記憶されている上記柔軟構造物についての
構造モデル上での構造変形量を推算し、その構造変形量
を基に上記柔軟構造物の変形により生ずる目標物方位測
定の際の目標物の方位データの誤差を校正し、目標物の
方位測定を正確に行うことができる効果がある。また加
速度計や角速度計などの精密機器を用いる必要がないの
で容積，重量，耐久性などの点で有利となる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による方位測定装置を示す
概念図である。

【図２】航空機の翼が撓んだり捩れたりして柔軟構造部
である翼端に取り付けられた光センサに変位・回転が生
じているときの翼端の座標系におけるアジスマ角ψとエ
レベーション角θを示す説明図である。

【図３】柔軟構造部である翼端に取り付けられた光セン
サに変位・回転が生じているときと変位・回転が生じて
いないときの翼端の座標系の関係を示す説明図である。

【図４】光センサが取り付けられた翼端の撓みと捩れの
関係を示す概念図である。

【図５】Δｚ，ΔＸ，ΔＹの演算手順を説明するための
フローチャートである

【図６】式（４）の左辺のベクトルと右辺右端のベクト
ル間の長さ誤差（％）と、仮定されたΔｚの値との関係
を示す特性図である。

【図７】この発明の実施例２による方位測定装置を示す
概念図である。

【図８】この発明の実施例３による方位測定装置を示す
概念図である。

【図９】財団法人防衛技術協会発行の「誘導武器概論」
に示された従来のストラップダウン方式の概念を示す概
念構成図である。

【符号の説明】

１ 航空機 ２ 基準発光器 ３ 光センサ（センサ） ４，１３ 演算装置（構造変形量推算手段，校正手段） ５ 表示装置（表示手段） １１ 基準点 １２ センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 21/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 航空機における剛構造部に取り付けられ
   た基準発光器と、航空機における柔軟構造部に取り付け
   られ上記基準発光器の方位データと目標物の目標物方位
   データを検出するセンサと、そのセンサが検出した上記
   基準発光器の方位データとあらかじめ求められている上
   記基準発光器の基準方位データとの偏差を基にあらかじ
   め記憶されている上記航空機の柔軟構造部についての構
   造モデル上での構造変形量を推算する構造変形量推算手
   段と、その構造変形量推算手段により推算した構造変形
   量を基に上記目標物の方位測定に伴う誤差を校正する校
   正手段と、上記構造変形量推算手段による推算結果や上
   記校正手段により校正した目標物の方位測定結果などを
   表示する表示手段とを備えた方位測定装置。
2. 【請求項２】 剛構造物に配置された基準点の方位デー
   タや目標物の方位データを検出する柔軟構造物上に配置
   されたセンサと、そのセンサにより検出した上記基準点
   の方位データとあらかじめ求められている上記基準点の
   基準方位データとの偏差を基にあらかじめ記憶されてい
   る上記柔軟構造物についての構造モデル上での構造変形
   量を推算する構造変形量推算手段と、その構造変形量推
   算手段により推算した構造変形量を基に上記目標物の方
   位測定に伴う誤差を校正する校正手段とを備えた方位測
   定装置。