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【発明の名称】 電波高度速度測定装置及び電波を用いた高度速度測定方法
【発明者】 【氏名】福田 盛介

【氏名】水野 貴秀

【要約】 【課題】重量リソースの厳しい月惑星ミッションのための宇宙機にも適合し、かつ、高度及び速度の測定精度の高い電波高度速度測定装置及び電波を用いた高度速度測定方法を提供する。

【構成】I/F信号から抽出されたI信号及びQ信号はディジタル化される。この処理は、周期Tで受信されるそれぞれのパルス毎に行われる。各パルスについてn点のレンジビンのデータがメモリ部24に保存される。必要な数のパルスが受信されると、ドップラ周波数推定処理部26において各パルスのn点のレンジビンそれぞれについてドップラ周波数が推定される。n点のドップラ周波数は、視線方向角の違いによってレンジビンに依存して異なる値をとる。この各点についてのレンジ時間t、ドップラ周波数fdからなるn個の組が、フィッティング処理部28に入力される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定装置において、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定部と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出部と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信部と、
電波受信部で受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調部と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換部と、
ディジタル化された前記I信号及びQ信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理部と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理部と、
を具備することを特徴とする電波高度速度測定装置。
【請求項2】
前記フィッティング処理部は、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角を算出し、


に基づいて水平方向速度を算出するとともに、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を所定のステップで刻み、k個の高度値について同様の処理を実行してk個の水平方向速度vを算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数


とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する処理を行うものである、請求項1に記載の電波高度速度測定装置。
【請求項3】
飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向を測定する電波高度速度測定方法であって、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定工程と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出工程と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信工程と、
電波受信工程により受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調工程と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換工程と、
ディジタル化された前記I信号及びQ信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理工程と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理工程と、
を具備することを特徴とする電波高度速度測定方法。
【請求項4】
前記フィッティング処理工程では、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角を算出し、


に基づいて水平方向速度を算出するとともに、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を所定のステップで刻み、k個の高度値について同様の処理を実行してk個の水平方向速度vを算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数


とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する処理を行うものである、請求項3に記載の電波高度速度測定方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、パルス方式の電波高度速度測定装置及びパルス方式の電波を用いた高度速度測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、月や惑星に着陸する宇宙機には、航法誘導に適した電波高度速度測定装置が搭載される。これは、パルス方式の電波を用いて、電波を送出する対象となる地表面(対象表面)の水平方向速度及び高度を高精度に測定することができる。
【0003】
パルス変調された電波(マイクロ波)を用いる航空機用の速度測定方式としては、いわゆるドップラレーダが広く知られている。航空機誘導用のドップラレーダは、比較的高い周波数(Kuバンドなど)を利用することで、アンテナから送出される電波のビーム幅(ビームの拡がり角)を数度程度に絞っている。また、航空機誘導用のドップラレーダでは、電波の反射が発生する対象表面のほとんどが洋上の広く平滑な面である。
【0004】
これに対し、宇宙機の場合、重量リソースが厳しいため、月惑星ミッションでは高度計と速度計をそれぞれ別個に搭載することが難しく、また試験の利便性から、高度計用に帯域が割り当てられているCバンド(4GHz〜8GHz)の電波を用いて高度と速度の両方を測定する構成が採られることが多い。Cバンドの電波を用いた場合、ビームの拡がり角を航空機誘導用のドップラレーダと同じく数度程度に細くしようとすると、そのために必要となるアンテナの重量が増大し、宇宙機全体に与える負荷が大きくなる。そのため、アンテナの重量を必要最小限に抑えなければならない結果、ビーム拡がり角を十数度程度に拡げざるを得ない。また、宇宙機の場合、電波が反射する対象表面となる月面や惑星表面は複雑な地形であり、航空機誘導用のドップラレーダとは様相が異なる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
将来の月惑星探査では、目標地点へのピンポイント着陸が計画されており、上記のように、地表からの高度のみならず対象表面に対する水平方向速度を検出可能な電波センサが必要とされる。前述のように、重量リソースの厳しい月惑星ミッションでは、航空機の誘導システムのように高度計と速度計を各々搭載することは現実的でない。また、航空機誘導用のドップラレーダとは、扱う反射信号の特性が大きく異なる。したがって、宇宙機への搭載に適した、高度計一体型の電波速度計を用いて、水平方向速度の高精度な測定が求められる。
【0006】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、重量リソースの厳しい月惑星ミッションのための宇宙機にも適合し、かつ、高度及び速度の測定程度の高い電波高度速度測定装置及び電波を用いた高度速度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定装置は、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定部と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出部と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信部と、
電波受信部で受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調部と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換部と、
ディジタル化された前記I信号及Q信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理部と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理部と、
を具備することを特徴とする。
【0008】
前記フィッティング処理部は、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角を算出し、


に基づいて水平方向速度を算出するとともに、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を適当なステップで刻み、k個の高度値について同様の処理を実行してk個の水平方向速度vを算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数


とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する処理も行う。
【0009】
本発明に係る飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定方法は、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定工程と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出工程と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信工程と、
電波受信工程により受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調工程と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換工程と、
ディジタル化された前記I信号及Q信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理工程と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理工程と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ドップラ周波数推定処理及びフィッティング処理を行うことにより、飛翔体の水平方向速度を高精度に測定することが可能となる。また、フィッティング処理において回帰残差を与える値により高度測定値の高精度化をも図ることができる。
【0011】
さらに、高度の測定と水平方向速度の測定を一体化された単一の装置として実現することができるので、特に重量や搭載スペースの制約が厳しい月や惑星に着陸する宇宙機の航法誘導用センサへ適用した場合にその効果が大きいが、地上においても、例えば無人ヘリコプターや無人飛行機といった装置の小型化、一体化が要求される諸分野に適用した場合にも大きな効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
上述した電波高度速度装置において、水平方向速度の測定に用いられるパルスは、図1に示すように、鉛直方向から適当な角度だけ傾斜した方向(視線方向)に、一定のビームの拡がり角と持続時間をもって、それぞれのパルスが一定の時間間隔Tを隔てるようにして送出される。このような状況では、受信される反射パルスは時間方向に拡がり、ドップラ周波数は、そのパルス内の時間位置(レンジビン)に応じて、対象表面への入射方向の差に応じて分布する。ここで、単純に、ドップラ周波数を推定するレンジビンと、別途測定される高度情報によって、電波の入射方向を算出し、その値を用いて水平方向速度の導出を行った場合、送信パルス幅によって制約されるレンジ方向分解能に伴うドップラ周波数の不確定性により、速度測定に誤差が生じる。さらには、上記の場合、高度の測定値を電波の入射方向の推定に直接的に用いるため、その測定誤差がそのまま速度測定の精度に影響を及ぼす。
【0013】
本発明では、以下で詳しく説明するように、高度計と速度計とを一体化した電波高度速度測定装置において、レンジ方向分解能によるドップラ周波数の不確定性と高度の測定誤差のそれぞれが水平方向速度の測定精度に及ぼす影響を低減し、高い精度で水平方向速度を求めるとともに、さらに、高度の測定誤差も低減することが可能となる。
【0014】
レンジ−ドップラ周波数平面において、複数の測定点と理論曲線とのフィッティング処理を行うことによって、後述するように、レンジ方向分解能によるドップラ周波数の不確定性が水平方向速度の測定精度に及ぼす影響が低減される。
【0015】
図1は、飛翔体(アンテナ)10、飛翔体から送出される電波のビーム、そして対象表面の間の位置関係を模式的に示している。図1に示すような場合、視線方向のドップラ周波数fdの理論曲線は下記(1)式のように表される。なお、(1)式において、vは表面に対する水平方向速度、λはキャリア電波の波長、hは対地高度、cは光速、tはレンジ方向時間(パルス往復時間)を表す。


【0016】
パルス内で信号対雑音比が比較的良好な(すなわち、波形の切れ込み箇所などでない)複数のサンプル点のそれぞれに対して、高速フーリエ変換(FFT)や離散フーリエ変換(DFT)などの方法を用い、各点におけるドップラ周波数を推定して、サンプル数分の時間tとドップラ周波数fdの組を求める。そして、これらの分布と理論曲線との形状比較から、水平方向速度vを求める。具体的には、理論曲線との形状比較は、最小二乗法による回帰曲線から曲率a=2v/λを解析的に導出し、下記の(2)式によりvを求める。


【0017】
また、(2)式には飛翔体から対象表面を見たときの高度hが含まれている。このhとして、パルス伝搬時間に基づく単純な高度測定機能より得られるhの即値を用いることもできるが、ここではさらに、このhを参考値として用い、有り得べき高度誤差範囲分についてhを掃引するシーケンスとすることで、高度誤差が水平方向速度に与える影響を一定程度吸収し、かつ、より高精度な高度推定値を提供することが可能となる。すなわち、下記の(3)式で与えられるフィッティングの回帰残差を評価関数とし、これを最小にするhと、そのときの水平方向速度vを出力する。


【0018】
レンジ−ドップラ周波数平面における複数の測定サンプルと理論曲線とのフィッティング処理を行うことにより、各サンプル点でのドップラ周波数が送信パルス幅に起因する不確定性を有するシステムにおいても、実際の飛翔体の水平方向速度を高精度に測定することができる。また、後に具体的に説明するように、理論曲線に使用する飛翔体の高度の値を誤差範囲分について掃引することにより、高度誤差による影響を低減した水平方向速度の測定が実現される。さらに、フィッティング処理において最小の回帰残差を与える値により、高度測定値の高精度化を図ることもできる。
【実施例】
【0019】
次に、本発明の実施例について説明する。図1に示すように、飛翔体10の下部に設けられた電波送出部(不図示)からは、所定のパルス幅を有する電波の送信パルスが地表に向けて送出される場合を想定する。この送信パルスは周期Tで繰り返し送出される。周期Tは、パルス繰り返し周波数(PRF)の逆数で、例えば100ミリ秒(ms)といった時間間隔である。各送信パルスは、図1に示すように、所定角度の拡がりをもって送出され、地表面に到達すると、そのうちの一部が反射(後方散乱)されて飛翔体10に戻り、電波受信部(不図示)によって受信される。
【0020】
図2は、一つのパルスの反射強度が、時間とともにどのように変化するかを概略的に示したグラフである。送信パルスが図1に示すような拡がり角を有していることから、飛翔体10から見て近い地点に到達した電波(視線方向角θが小さい電波)は戻ってくるまでの時間は短く、遠い地点に到達した電波(視線方向角θが大きい電波)が戻ってくるまでの時間は長い。地点jで反射されて戻ってくる電波の視線方向角をθjとする。図2において、レンジ方向時間の時刻tjでは図2の縦軸の強度の反射波があり、この反射波のドップラ周波数はfjである。
【0021】
図3は、電波受信部によって受信された受信パルスを処理して飛翔体10の水平方向速度を算出する部分のブロック図である。なお、図3では、受信信号が中間周波数(I/F)にダウンコンバートされた後の処理を示している。
【0022】
図3において、直交復調部20は、I/F信号からI(Inphase)信号及びQ(Quadrature)信号を抽出する。このI信号及びQ信号は、A/D変換部22においてディジタル化される。これらの処理は、周期Tで受信されるそれぞれのパルス毎に行われる。そして、各パルスについてn点のレンジビン(1パルス内の時間位置)のデータがメモリ部24に保存される。
【0023】
必要な数のパルスが受信されると(例えば512パルス)、ドップラ周波数推定処理部26において、各パルスのn点のレンジビンそれぞれについてドップラ周波数が推定される。ドップラ周波数の推定処理には、FFTあるいはDFTなどの方法が用いられる。図4は、図2に示したグラフを、連続する4つのパルスについて示したものであり、各パルスの白丸で示した値は、n点の各レンジビンにおける受信信号振幅の値を示している。
【0024】
n点のドップラ周波数は、視線方向角の違いによって、レンジビン(レンジ方向時間)に依存して異なる値をとる。この各点についてのレンジ時間t、ドップラ周波数fdからなるn個の組が、フィッティング処理部28に入力される。一方、理論上のドップラ周波数は、(1)式に高度測定値h、キャリア周波数λ、光速cを代入することによって計算することができる。図5の実線は、この理論式(1)に基づいて計算された理論曲線を示している。フィッティング処理部28は、この理論曲線と、ドップラ周波数推定処理部26によって推定されたn個のレンジビンのドップラ周波数とのフィッティング処理を行う。図5は、このフィッティング処理の概念的な様子を示している。
【0025】
図6は、フィッティング処理部28における処理手順を示したフローチャートである。上記のように、ドップラ周波数推定処理部26から、レンジ時間t、ドップラ周波数fdのn個の組がフィッティング処理部28に入力されると、まず、n個の各点について対象表面への電波の入射角度を算出する。これは、(1)式の sin 関数の引数、すなわち cos-1 部分を計算することに他ならない。これにより、(2)式の最小二乗法の計算により、水平方向速度vを求める。
【0026】
この最初の処理に使用される高度hは、パルス伝搬時間に基づく単純な高度測定機能から参照値として与えられるものである。そして、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を適当なステップで刻み、都合k個の高度値について上記の処理をループする。その結果、k個の水平方向速度vが得られ、フィッティングの回帰残差を評価関数とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する。評価関数は(3)式に示したものである。また、評価関数を最小にする最適な水平方向速度vを出力した高度は、パルス伝搬時間に基づく単純な高度参照値をリファインした値として出力される。
【0027】
以上のようにして、水平方向速度vと高度値hの両方が求められたこととなり、しかもそれぞれが上で述べた処理を経て得られることにより、より精度の高い値として得られる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】飛翔体、飛翔体から送出されるビーム、そして対象表面の位置関係を概略的に示した図である。
【図2】一つのパルスの反射強度が、時間とともにどのように変化するか概略的に示したグラフである。
【図3】電波受信部によって受信された受信パルスを処理して飛翔体の水平方向速度を算出する部分のブロック図である。
【図4】図2に対応するグラフを、連続する4つのパルスについて示したグラフである。
【図5】フィッティング処理の概念的な様子を示した図である。
【図6】フィッティング処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【0029】
10 飛翔体
20 直交復調部
22 A/D変換部
24 メモリ部
26 ドップラ周波数推定処理部
28 フィッティング処理部
【出願人】 【識別番号】503361400
【氏名又は名称】独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
【出願日】 平成18年6月30日(2006.6.30)
【代理人】 【識別番号】100082005
【弁理士】
【氏名又は名称】熊倉 禎男

【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭

【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜

【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之

【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩


【公開番号】 特開2008−8843(P2008−8843A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−181636(P2006−181636)