JP2002540389A - 高度推定装置 - Google Patents

高度推定装置

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JP2002540389A
JP2002540389A JP2000606957A JP2000606957A JP2002540389A JP 2002540389 A JP2002540389 A JP 2002540389A JP 2000606957 A JP2000606957 A JP 2000606957A JP 2000606957 A JP2000606957 A JP 2000606957A JP 2002540389 A JP2002540389 A JP 2002540389A
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error
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vertical
estimate
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ヘンダーソン、ジョフリー・トーマス
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BAE Systems PLC
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C5/00—Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels
    • G01C5/005—Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels altimeters for aircraft

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Abstract

(57)【要約】 第１の基準表面（３）上のビークル（２）の第１の高度（１）を推定するための装置であって、該ビークルの垂直方向の特定の力を示す出力信号（５）を送出するように動作可能な少くとも１つのセンシング手段（４ｂ）を組込んだ、位置、速度及び姿勢を判断するためのシステム（４）と、入力信号として該ビークル（２）の水平基準速度と位置（４ａ）と、第２の基準表面（８）上の該ビークル（２）の第２の高度（１ｂ）についてのレーダ高度計測定値（７）とを受領して、該センシング手段出力信号（５）と関係した誤差の出力信号推定を送出するための誤差推定手段（６）と、該センシング手段と誤差推定手段との出力信号（５，９）を受領して、垂直方向の特定の力を示す該信号から該誤差推定を減算しながらこの減算の結果の二重積分を実行して、所用の推定された第１の高度（１）を示す出力を送出するための積分手段（１０）とを含む装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高度推定用の装置と方法とに係り、これに限定するのではないがと
くに第１の基準表面の上のビークルの第１の高度を推定するための装置と方法と
に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の装置として航空機航法システムにおいて固定基準表面上の航空機の高度
を推定するために使用されているものは、バロアルチメータ（気圧式高度計）の
ような計器を含んでいて海面上の高度を推定したり、レーダ高度計のような計器
を含んでいて地面上の高さを推定したりしており、また航空機に対する妨害物か
らの高度を推定するためにレーザ及びレーダ装置の各種の構成を含んでいる。バ
ロアルチメータ測定値は航空機の航法システムからの各種の出力と組合されて、
気圧・慣性（バロ・イナーシャル）高度を与え、これが海面上の航空機の高度の
推定値となる。気圧・慣性高度は上述した各種の高度測定値の中で精度の低いも
のであり、その理由は気圧高度計の性能が大気状態と航空機の飛行力学とに依存
していることによる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各種のシステムが海面上の高度を推定するための代替えとして使用可能であり
、これらのシステムは気圧高度計入力の一部もしくは全体に依存してはいない。
こういったものには二次サーベイランス（探査）レーダを使用することを含んで
いて、その場合に航空機外の本体が航空機についての測定した高度を無線により
報告することとしているが、これはその高度をその航空機に向けて誰かもしくは
何かが通信することを必要とし、また関連のサーベイランス計装を航空機上の航
法用計装に加えて測定を実行するために必要としているということの制約を受け
ることになる。別な代替には衛星測距三角測量システムからの高度出力を用いる
ことを含み、このシステムの例にはグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ
）としてＮＡＴＯの無分類報告書であるＳＴＡＮＡＧ ４２９４（Military Age
ncy for Standardisation刊）に記載されたものがあるが、これは利用可能な衛
星信号に依存していたり、レーダ高度計測定を用いたりするものであって、これ
は大地レベル上の高さを測定するものであるから、海から著しい距離に大地レベ
ルがある山岳地帯用としては不適切なものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで改良された高度推定用装置が必要とされ、この装置は飛行力学と大気状
態とから実質的に独立していて、また海面上の高度を推定できるものである。
【０００５】 この発明の第１の特徴によると、第１の基準表面上のビークルの第１の高度を
推定するための装置が提供されていて、該装置は、該ビークルの垂直方向の特定
の力を示す出力信号を送出するように動作可能な少くとも１つのセンシング手段
を組込んだ、位置、速度及び姿勢を判断するためのシステムと、入力信号として
該ビークルの水平基準速度と位置と、第２の基準表面上の該ビークルの第２の高
度についてのレーダ高度計測定値とを受領して、該センシング手段出力信号と関
係した誤差の出力信号推定を送出するための誤差推定手段と、該センシング手段
と誤差推定手段との出力信号を受領して、垂直方向の特定の力を示す該信号から
該誤差推定を減算しながらこの減算の結果の二重積分を実行して、所用の推定さ
れた第１の高度を示す出力を送出するための積分手段とを含んでいる。
【０００６】 好ましいのは、前記少くとも１つのセンシング手段が、前記ビークルの垂直方
向の特定の力を示す出力信号を送出するように動作可能な慣性垂直方向特定力セ
ンサであることである。
【０００７】 便利なのは、前記第１の基準表面が海面レベルであり、また前記第２の基準表
面は大地レベルであることである。
【０００８】 好都合なのは、前記誤差推定手段がカルマンフィルタと重力補正器とを含んで
いることである。
【０００９】 好ましいのは、第１，第２，及び第３の推定器ステーションを含み、そこには
前記センシング手段出力信号と関係する誤差の出力信号推定が記憶されているこ
とである。
【００１０】 便利なのは、前記積分手段が第１と第２の減算器と第１と第２の積分器とを含
むことである。
【００１１】 好都合なのは、前記カルマンフィルタへの入力を形成するビークルの水平速度
と位置とが前記位置、速度及び姿勢を判断するためのシステムにより与えられて
いることである。
【００１２】 この発明の別な特徴によると、第１の基準表面上のビークルの第１の高度を推
定するための方法が提供されていて、この方法は、該ビークルの垂直方向の特定
の力を示す出力信号を用意するためにビークルの位置と速度と高度とを判断する
ためのシステムの一部を形成している少くとも１つのセンシング手段を動作させ
る段階と、該ビークルの水平速度と位置と第２の基準表面上の該ビークルの第２
の高さについてのレーダ高度計測定値とを誤差推定手段に入力する段階と、該誤
差手段内に該センシング手段出力信号と関係する誤差の推定を設定する段階と、
該センシング手段出力信号から該誤差の推定を減算しながら減算の結果の二重積
分を実行して所要の推定された第１の高度を用意する段階とを含んでいる。
【００１３】 好ましいのは、前記二重積分が第１の積分として垂直方向速度を与えるために
垂直方向の特定の力を積分する第１の積分と、第２の積分として所要の推定され
た第１の高度を用意するために垂直方向の速度を積分する第２の積分とを含んで
いることである。
【００１４】 便利なのは、前記少くとも１つのセンシング手段は垂直方向の特定の力のセン
サであり、カルマンフィルタにより用意される垂直方向の特定の力と関係したバ
イアスの推定値とともに、垂直速度誤差の推定値と、位置、速度及び姿勢を判断
するためのシステムと関係する垂直高度誤差の推定値をも伴うものである。
【００１５】 好都合なのは、前記誤差の推定の減算では、第１の減算が第１の積分を実行し
ながら進められ、かつ特定の力のセンサと関係したバイアスの推定と重力補正器
により供給された重力の補正を前記垂直の特定の力から連続ベースで減算し、併
せて離散的な間隔で垂直方向の速度誤差の減算し、また、第２の減算が離散的な
間隔で第２の積分を進めて垂直の高度誤差推定を減算して所要の推定された第１
の高度を送出することを含むことである。
【００１６】 好ましいのは、前記二重積分は実質的に５０Ｈｚの処理サイクル周波数で進め
られて、所要の推定された第１の高度を実質的に５０Ｈｚの出力レートで出力し
、第２の基準表面上のビークルの第２の高度のレーダ高度計測定値は実質的に１
２．５Ｈｚの入力レートで推定手段に入力され、またここでは垂直方向の特定の
力のセンサのバイアスの推定と、重力の推定と、垂直方向の速度誤差推定と垂直
方向の高さ誤差推定とが２ないし４Ｈｚ範囲の補正サイクル周波数をもって二重
積分を補正するために使用されることである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明をよりよく理解するためにまたどのように実効をあげるかを示すため
に添付の図面を参照して例を挙げて行く。
【００１８】 この発明の装置は図１と２とに示すように第１の基準表面上のビークルの第１
の高度を推定するためのものであり、第１の高度の推定が大気及び力学的条件の
変動と実質的に独立していることを求められる状態で使用することが意図されて
いる。このような装置はしたがって、飛行しているビークルの航法システムでの
使用にとくに適していて、ことに気圧高度計のような標準高度測定装置に対する
置換用として適しており、大気条件と航空機の飛行力学とに感度を有しているも
のに置換される。
【００１９】 添付の図１と２とに示したように、第１の基準面３上のビークル２の第１の高
度を推定するための装置は、位置、速度及び姿勢を判断するためのシステムを含
み、そこにはビークル２の垂直方向の特定の力を示す出力信号５を送出するよう
に動作する少くとも１つのセンシング手段４ｂが組込まれている。この装置はま
た誤差推定用の手段として、好ましいのは重力補正器１９とカルマンフィルタ６
とを含んでいる。カルマンフィルタ６は入力信号として第２の基準表面８上のビ
ークル２の第２の高度１ｂのレーダ高度測定値７を受入れ、またシステム４によ
って与えることができる水平面内の基準速度と位置とを受入れて、出力信号とし
てセンシング手段出力信号５と関係した誤差の推定を送出するようにしている。
出力信号９の誤差の推定は第１，第２，及び第３の推定器ステーション１５，１
６，１７で記憶される。
【００２０】 積分用手段１０はこの装置の別の部分を形成していて、この積分用手段は前記
センシング手段と誤差推定手段の出力信号５，９を受領して処理するものである
。この処理は第１と第２の減算器２０，２１における垂直方向の特定の力を示す
信号５から誤差の推定を減算しながら、減算の結果について第１と第２の積分器
１１，１２において二重積分を実行することを含んでいて、それにより所要の推
定された第１の高度１を示す出力を送出する。
【００２１】 少くとも１つのセンシング手段４ｂは慣性垂直方向特定力センサであるのがよ
く、それがビークルに働く垂直方向の特定の力を示す出力信号５を送出するよう
に動作するものとする。図１に示すように、第１の基準表面３は海面レベルであ
り、第２の基準表面は大地レベル８であって、第１の高度推定１はそこで海面レ
ベル上のビークルの高度の推定を与えている。
【００２２】 この発明の装置で上記したものはこの発明の方法を実施することによって、第
１の基準表面３の上のビークル２の第１の高度１を推定するように動作する。こ
の発明の方法は少くとも１つのセンシング手段４ｂを動作してビークル２の垂直
方向の特定の力を示す出力信号を送出するようにする段階と、レーダ高度計測定
値７を誤差推定用手段６に入力する段階とを含んでいる。誤差推定用手段への別
の入力は水平位置と速度４ａを含んでいて、それがシステム４によって位置と速
度と姿勢とを判断するために用意されるのが好ましい。
【００２３】 この方法では、積分用手段１０が誤差の推定値をセンシング手段出力信号５か
ら減算をしながらこの減算結果を二重積分する段階を結合している。二重積分は
第１の積分器１１による第１の積分を含み、この第１の積分は垂直方向の特定の
力を積分して垂直方向速度を与えるようにし、また第２の積分器１２による第２
の積分を含み、この第２の積分は所要の第１の高度１の推定値を与えるために垂
直方向の速度を積分する。誤差の推定は、垂直方向（の）特定（の）力（の）セ
ンサと関係したバイアスの推定を含んでいて、これは推定器ステーション１５に
記憶されており、また垂直方向の速度誤差の推定を含んでいて、これは推定器ス
テーション１６に記憶されていて、さらに垂直の高度誤差を含んでいてこれが推
定器ステーション１７に記憶されていて、こういったもののすべてが図２に示し
たカルマンフィルタ６によって与えられている。
【００２４】 推定器ステーション１５，１６，１７に記憶された誤差の推定についての減算
は第１の減算器２０における第１の減算と、第２の減算器２１における第２の減
算を含んでいる。第１の減算は連続ベースで実行され、またその間に第１の積分
が実行され、さらに特定の力センサと関係したバイアスの推定と、重力補正器１
９により供給された重力に対する補正とが前記垂直方向の特定の力から減算され
る。第１の減算はまた垂直方向の速度誤差を離散的な間隔で第１の積分から減算
することを含み、これが模式的に図２の第１のスイッチ１３によって示されてい
て、それ故に垂直方向の速度誤差の減算は減算器２０に間欠的に影響を与えてい
る。こういった誤差の推定で推定器ステーション１５，１６と重力補正器１９か
ら出力されたものは、減算器２０への総合的入力１８ａとして示されていて、収
集ステーション１８ｂで先ず同期がとられている。第２の減算は第２の積分とし
て離散的な間隔で実行され、それが図２の第２のスイッチ１４により示されてい
る。重力１９に対する補正は地球表面上の赤道における重力に関して緯度と高度
について補正をし、別なセンシング手段（図示せず）からの出力を第１の高度１
についての推定値と一緒に使用して推定されるのがよい。
【００２５】 上記の方法が成功する動作は積分用手段１０への各種入力の同期にかかってお
り、好ましいタイミング計画は次のようなものである。積分用手段１０が実質的
に５０Ｈｚの処理サイクル周波数で行なわれて、実質的に５０Ｈｚで第１の高度
の推定を出力する。第２の高度１ｂの推定が誤差推定用手段６に約１２．５Ｈｚ
のレートで入力されて、誤差推定出力で推定器ステーション１５，１６，１７か
らのものが２ないし４Ｈｚの間のレートで積分用手段を更新するために送られる
。更新が一旦行なわれると、推定器ステーション１５，１６，１７からの積分用
手段に向けた入力が零にリセットされて、誤差推定は更新サイクルについて一度
限り適用されるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 飛行しているビークルの典型的な軌跡に対する第１と第２の基準表面の斜視図
。
【図２】 図１の２つの基準表面のうちの第１のものの上でのビークルの第１の高度を推
定する本発明の方法を実行する本発明の装置を示すブロック図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の基準表面上のビークルの第１の高度を推定するための
    装置であって、 該ビークルの垂直方向の特定の力を示す出力信号を送出するように動作可能な少
    くとも１つのセンシング手段を組込んだ、位置、速度及び姿勢を判断するための
    システムと、 入力信号として該ビークルの水平基準速度と位置と、第２の基準表面上の該ビー
    クルの第２の高度についてのレーダ高度計測定値とを受領して、該センシング手
    段出力信号と関係した誤差の出力信号推定を送出するための誤差推定手段と、 該センシング手段と誤差推定手段との出力信号を受領して、垂直方向の特定の力
    を示す該信号から該誤差推定を減算しながらこの減算の結果の二重積分を実行し
    て、所用の推定された第１の高度を示す出力を送出するための積分手段とを含む
    装置。
  2. 【請求項２】 前記少くとも１つのセンシング手段は、前記ビークルの垂直
    方向の特定の力を示す出力信号を送出するように動作可能な慣性垂直方向特定力
    センサである請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記第１の基準表面は海面レベルであり、また前記第２の基
    準表面は大地レベルである請求項１又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記誤差推定手段はカルマンフィルタと重力補正器とを含む
    請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 第１，第２，及び第３の推定器ステーションを含み、そこに
    は前記センシング手段出力信号と関係する誤差の出力信号推定が記憶されている
    請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記積分手段は第１と第２の減算器と第１と第２の積分器と
    を含む請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記カルマンフィルタへの入力を形成するビークルの水平速
    度と位置とが前記位置、速度及び姿勢を判断するためのシステムにより与えられ
    ている請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 第１の基準表面上のビークルの第１の高度を推定するための
    方法であって、 該ビークルの垂直方向の特定の力を示す出力信号を用意するためにビークルの位
    置と速度と高度とを判断するためのシステムの一部を形成している少くとも１つ
    のセンシング手段を動作させる段階と、 該ビークルの水平速度と位置と第２の基準表面上の該ビークルの第２の高さにつ
    いてのレーダ高度計測定値とを誤差推定手段に入力する段階と、 該誤差推定手段内に該センシング手段出力信号と関係する誤差の推定を設定する
    段階と、 該センシング手段出力信号から該誤差の推定を減算しながら減算の結果の二重積
    分を実行して所要の推定された第１の高度を用意する段階とを含む方法。
  9. 【請求項９】 前記二重積分は第１の積分として垂直方向速度を与えるため
    に垂直方向の特定の力を積分する第１の積分と、第２の積分として所要の推定さ
    れた第１の高度を用意するために垂直方向の速度を積分する第２の積分とを含む
    請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記少くとも１つのセンシング手段は垂直方向の特定の力
    のセンサであり、カルマンフィルタにより用意される垂直方向の特定の力と関係
    したバイアスの推定値とともに、垂直速度誤差の推定値と、位置、速度及び姿勢
    を判断するためのシステムと関係する垂直高度誤差の推定値をも伴うものである
    請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記誤差の推定の減算では、第１の減算が第１の積分を実
    行しながら進められ、かつ特定の力のセンサと関係したバイアスの推定と重力補
    正器により供給された重力の補正を前記垂直の特定の力から連続ベースで減算し
    、併せて離散的な間隔で垂直方向の速度誤差の減算し、また、第２の減算が離散
    的な間隔で第２の積分を進めて垂直の高度誤差推定を減算して所要の推定された
    第１の高度を送出することを含む請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記二重積分は実質的に５０Ｈｚの処理サイクル周波数で
    進められて、所要の推定された第１の高度を実質的に５０Ｈｚの出力レートで出
    力し、第２の基準表面上のビークルの第２の高度のレーダ高度計測定値は実質的
    に１２．５Ｈｚの入力レートで推定手段に入力され、またここでは垂直方向の特
    定の力のセンサのバイアスの推定と、重力の推定と、垂直方向の速度誤差推定と
    垂直方向の高さ誤差推定とが２ないし４Ｈｚ範囲の補正サイクル周波数をもって
    二重積分を補正するために使用される請求項１１記載の方法。
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