JP6805073B2

JP6805073B2 - 座標系同期システムおよび座標系同期方法

Info

Publication number: JP6805073B2
Application number: JP2017093803A
Authority: JP
Inventors: 俊行井梅
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: JP2018189577A

Description

本発明の実施形態は、座標系同期システムおよび座標系同期方法に関する。

各種の飛翔体の中には、高速で長距離を飛ぶ飛翔体がある。このような高速飛翔体は、従来の単独のセンサでは追跡等の対応が困難である。このため、各センサをネットワーク化して、相互に連携することで対処する方策が取られている。

ここで、ネットワーク化された各センサにおいてそれぞれ使用されている座標系を精度よく一致させること、すなわち、座標系の同期を行うことが必要となる。

例えば、あるセンサ単体では、非常に精度良く目標を観測したとしても、座標系の同期の誤差が大きい場合、同じネットワーク上の別のセンサにとっては誤差の大きい情報となってしまう。微小な角度誤差であっても、遠距離の高速飛翔体を観測する場合、位置誤差に換算すると大きくなってしまう。

高速飛翔体を追跡するような状況を想定すると、各センサは、長距離で離隔した位置に配置される必要がある。特に移動型のセンサをネットワーク化する場合は、配備の都度、即座に、座標系の同期を行う必要がある。しかし、長距離で離隔した器材において、座標系の基準となる方向、時間を共通に認識して設定することは難しい。

近年では、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の衛星測位システムの実用化により、絶対的な位置、時間を測定でき、位置及び時間に関しては、精度良く同期を取ることが可能となってきた。しかしながら、離隔した複数器材の方位、方向を同期させる有効な方法は少なく、地球磁場、重力を利用したセンサによって絶対的な方向を算出する他、各器材で同一物体（天体等）の方向を観測して、同期させる方法などが挙げられる程度である。

特開平１１−２０１７７３号公報

各器材の方向を同期させる方法として、地球磁場、重力を利用したものは、そもそも地球の位置によって磁場・重力の大きさが変化するため、誤差が大きいという問題がある。

また、同一の物体の方向を観測する方法では、ネットワーク上の全ての器材が観測できる同一の物体が必要となり、例えば、天体などが挙げられる。レーダ装置においては、太陽（サンノイズなど）を利用する方法などが取られているが、昼間に限定されるなど、運用の制約が発生する。また、夜間に、恒星を利用する場合、レーダ装置での観測は困難となり、別途、天体観測用の器材が必要となる欠点がある。

天体以外でも、ネットワーク上の全ての器材が同一物体の方向を観測できれば同期は可能であるが、広域にネットワークを広げるようなシステムの場合、実現が困難となる。

このように、遠距離に離隔しつつ、ネットワークによって連接されたセンサ同士が、方位・方向の基準を同期し、高速飛翔体に対応可能なレベルまで座標系の同期の誤差を少なくすることは、従来の技術では困難となっている。

もし座標系の同期の誤差の低減が実現できれば、各センサの器材への要求性能が緩和され、低コスト化、小型化が実現できる他、同規模のシステムで、より高性能な高速飛翔体に対応することができる、等の効果が期待できる。

発明が解決しようとする課題は、広域に離隔したセンサ同士の座標系の同期を精度良く行うことが可能な座標系同期システムおよび座標系同期方法を提供することにある。

実施形態の座標系同期システムは、目標物を観測するための複数の離隔したセンサがそれぞれ使用する座標系の同期を行う座標系同期システムであって、前記複数のセンサの各々は、自センサの座標系の調整を行う座標系調整手段を含み、各センサに含まれる前記座標系調整手段は、自センサと共に同一の物体を観測可能な他センサが存在するときに、当該他センサとの間で、前記物体の観測結果から得られる前記物体の座標位置を示す情報を交換することにより座標系の同期を実施する。

実施形態に係る座標系同期システムの概略構成の一例を示す図。各センサの機能構成の一例を示す図。図２に示される自センサＳａおよび近傍センサＳｂの動作の一例を示す図。図３中のステップＳ１３ａおよびＳ１４ａの処理の具体例の一部を示す図。図３中のステップＳ１３ａおよびＳ１４ａの処理の具体例の一部を示す図。オイラー角を使用する場合の数式の例を示す図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

図１は、実施形態に係る座標系同期システムの概略構成の一例を示す図である。

座標系同期システムは、無線あるいは有線のネットワークＮを通じて接続される複数の離隔したｍ個のセンサ１，２，…，ｍがそれぞれ目標物（飛翔体など）を観測するために使用する座標系の同期を実現するものである。

各センサは、他のセンサと相互に情報交換を行って協調しつつも自律的に動作する自律分散協調処理を実施する。より具体的には、各センサは、自センサの座標系の調整を行う座標系調整機能を有し、自センサと共に同一の物体を観測可能な他センサが存在するときに、当該他センサとの間で、同一物体の観測結果から得られる同一物体の座標位置を示す情報を交換しつつ、自センサの座標系の同期を実施する。例えば、各センサの座標系調整機能は、自センサにより得られる同一物体の座標位置と、他センサから得られる同一物体の座標位置とを用いて、自センサの座標系における座標軸のずれを補正する。この時の同一物体は、例えば飛行機、飛行船、ヘリコプターなどの飛行物とする。

離隔して配置されるセンサ１，２，…，ｍのすべてが同時に同一の物体の方向を観測することは困難であるが、互いにある近傍の範囲に位置するセンサ同士であれば、同一の物体を観測できるようなケースがあり得る。

そこで、本実施形態の座標系同期システムでは、２つ以上のセンサが同一物体を観測できる範囲（以降、「ローカルエリア」と呼ぶ。）にあるとき、当該ローカルエリアに属するセンサ同士で、個別に同一物体の方向を観測しつつ、相互に観測結果に基づく目標の座標位置の情報を交換することにより座標系を同期させる。また、他のローカルエリアにおいても同様の処理によって座標系の同期が行われる。

図１の例に示す状況においては、センサ１とセンサ２とは、１つのあるローカルエリアに属しており、同一の物体Ｐ_１，２を観測の目標とし、当該目標の方向を観測し、当該目標の座標位置の情報を交換することにより相互に座標系の同期を取る。同様に、センサ２とセンサ３とは、１つのあるローカルエリアに属しており、同一の物体Ｐ_２，３を観測の目標とし、当該目標の方向を観測し、当該目標の座標位置の情報を交換することにより相互に座標系の同期を取る。他のローカルエリアに属しているセンサ群も同様な処理を行う。センサｍ−１とセンサｍとは、１つのあるローカルエリアに属しており、同一の物体Ｐ_{ｍ−１，ｍ}を観測の目標とし、当該目標の方向を観測し、当該目標の座標位置の情報を交換することにより相互に座標系の同期を取る。例えば、各センサは、自センサと共に同一の物体の方向を観測可能な別の他センサが新たに同じローカルエリア内に現れたときには、当該別の他センサとの間で物体の座標位置を示す情報を交換することにより座標系の同期を実施する。

各センサは、移動可能な装備を有しており、状況に応じて場所を移動する場合がある。そのため、その時々で、各ローカルエリアに属するセンサの入れ替わりや、新たなローカルエリアの発生、ローカルエリアの統合・分離、ローカルエリアの消滅などが生じる。その結果、時間の経過とともに個々のセンサが同期を行う相手先のセンサが動的に変化し、一定の時間が経過すれば、システム全体としてセンサ１，２，…，ｍのすべての同期が自然に達成、維持されることになる。

図２は、各センサの機能構成の一例を示す図である。
ここでは、ある１つのローカルエリアに属する２つのセンサを対象に、片方を自センサＳａとし、もう片方を近傍センサＳｂとして説明する。

自センサＳａは、位置測定部１１、センサ部１２、および座標系調整部１３の各機能を備えている。なお、自センサＳａに限らず、別のセンサＳｂも含め、各センサは、共通して同じ機能を備えている。

自センサＳａの位置測定部１１は、ＧＰＳなどの等の衛星測位システムを用いて自センサＳａの位置を測位するものである。

自センサＳａのセンサ部１２は、例えばレーダあるいは光学系を含むカメラを用いて実現されるものであり、物体Ｐが存在する方向の仰角（elevation angle）および方位角（azimuthal angle）を測角、測距離するものである。

自センサＳａの座標系調整部１３は、同じローカルエリアに属する近傍センサＳｂとの間で、同一の物体Ｐの観測結果から得られる当該物体Ｐの座標位置を示す情報を交換しつつ、自センサＳａの座標系の同期を実施することにより、自センサＳａの座標系の調整を行うものである。

より具体的には、自センサＳａの座標系調整部１３は、位置測定部１１の測位結果とセンサ部１２の測角・測距離結果とから、自センサＳａの３次元座標系上にて物体Ｐの位置（目標の座標位置）を決定し、決定した目標の座標位置を同じローカルエリアに属する近傍センサＳｂにネットワークＮを通じて送信すると共に、近傍センサＳｂから当該近傍センサＳｂの３次元座標系上にて決定した物体Ｐの位置（同一目標の座標位置）をネットワークＮを通じて受信する機能を有する。さらに、自センサＳａの座標系調整部１３は、自センサＳａにより得られる目標の座標位置と、近傍センサＳｂから得られる目標の座標位置とに基づき、自センサＳａの座標系における座標軸のずれを補正する機能を有する。

次に、図３を参照して、図２に示される自センサＳａおよび近傍センサＳｂの動作の一例を説明する。

図３の左側は自センサＳａの動作を示しており、図３の右側は近傍センサＳｂの動作を示している。

まず、自センサＳａ側において、位置測定部１１が測位を行い、自センサＳａの座標位置を求め（ステップＳ１１ａ）、また、センサ部１２が測角・測距離を行い、物体Ｐの方向と距離を求める（ステップＳ１２ａ）。同様の処理が近傍センサＳｂ側においても行われる（ステップＳ１１ｂ，Ｓ１２ｂ）。

次に、自センサＳａ側において、座標系調整部１３は、位置測定部１１の測位結果とセンサ部１２の測角・測距離結果とから、自センサＳａの３次元座標系上における物体Ｐの座標位置（目標座標）を算出し、算出した物体Ｐの座標位置を示す情報を、近傍センサＳｂ側にネットワークＮを通じて送信する（ステップＳ１３ａ）。同様の処理が近傍センサＳｂ側においても行われる（ステップＳ１３ｂ）。

また、自センサＳａ側において、座標系調整部１３は、近傍センサＳａから、当該近傍センサＳａの３次元座標系上における物体Ｐの座標位置（目標位置）を示す情報をネットワークＮを通じて受信し、自センサＳａで求めた物体Ｐの座標位置と、近傍センサＳｂから受信した物体Ｐの座標位置とに基づき、自センサＳａの座標系における座標軸の誤差を算出し、算出した誤差に応じた補正量をステップ１３ａの処理にフィードバックさせる（ステップＳ１４ａ）。同様の処理が近傍センサＳｂ側においても行われる（ステップＳ１４ｂ）。

このような処理を繰り返すことにより、自センサＳａと近傍センサＳｂとは、座標系の座標軸が同期され、それぞれにおける物体Ｐの座標位置が同じ位置を示すようになる。

次に、図４〜図６を参照して、図３中のステップＳ１３ａおよびＳ１４ａの処理の具体例について説明する。

図４に示すように、自センサＳａ側の座標系調整部１３は、位置測定部１１の測位結果として自センサＳａの座標位置Ｐ_ｉ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ，ｚ_ｐ）^Ｔを取得するとともに、センサ部１２の測角結果として物体Ｐの方向（仰角θ_ＥＬおよび方位角θ_ＡＺ）および測距離結果として距離ｒを取得し、これらの情報に基づき、統一された３次元座標系での目標位置（観測結果）Ｔ_ｉ＝（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）^Ｔを生成する（ステップＳ２１）。なお、ｉは自センサを指す。

ここで、例えばオイラー角を用いて座標系の方向の補正量を表現する場合、今回（ｋ番目）の処理で求める補正量ｅ_ｉ，ｋおよびこの補正量を含む補正用の関数Ｍ（ｅ_ｉ，ｋ）は、図６中に示す式で表すことができる。

次に、自センサＳａ側の座標系調整部１３は、ステップＳ２２中に示す式を用いて、前回（ｋ−１回目）の処理で生成した補正量ｅ_{ｉ，ｋ−１}を目標位置（観測結果）Ｔ_ｉに反映させ、Ｔ_ｉ，ｋ-1を算出する処理を行う（ステップＳ２２）。目標位置観測の補正結果Ｔ_ｉ，ｋ-1は、近傍センサＳｂ側にネットワークＮを通じて送信される。近傍センサＳｂ側では、これを処理ｋ回目で受信するものとする。

次に、図５に示すように、自センサＳａ側の座標系調整部１３は、自センサＳａ側で算出した目標位置（観測結果）Ｔ_ｉと、１つ又は複数の近傍センサＳｂ側でそれぞれ算出したｎ個の目標位置（観測結果）Ｔ_１，ｋ、Ｔ_２，ｋ、…、Ｔ_ｎ，ｋを用いて、座標系補正量の更新（補正量ｅ_{ｉ，ｋ＋１}の算出）を行う（ステップＳ２３）。ここでは、ステップＳ２３中に示す式を用いて、評価関数Ｊ_ｉ，ｋ（ｅ_ｉ，ｋ）を算出し、最適化問題の手法を用いてこの評価関数Ｊ_ｉ，ｋ（ｅ_ｉ，ｋ）を最小とするｅ_ｉ，ｋを求め、求めたｅ_ｉ，ｋを補正量として次回（Ｋ＋１回目）の処理に反映させる。

最後に、自センサＳａ側の座標系調整部１３は、ステップＳ２４中に示す式を用いて、最新の座標系補正量による目標位置Ｔ_ｉ，ｋの算出を行う（ステップＳ２４）。ここで、最新の目標位置観測の補正結果Ｔ_ｉ，ｋを、近傍センサＳｂ側にネットワークＮを通じて送信しても良い。

本実施形態によれば、遠距離に離隔しつつ、ネットワークによって連接されたセンサ同士が、方位・方向の基準を同期し、高速飛翔体に対応可能なレベルまで座標系の同期の誤差を少なくすることが可能となる。また、座標系の同期の誤差の低減を実現できるため、各センサの器材への要求性能が緩和され、低コスト化、小型化が実現できる他、同規模のシステムで、より高性能な高速飛翔体に対応することができる。

なお、本実施形態では、オイラー角を用いて座標系の方向の補正量を表現する場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、クォーターニオンを用いて座標系の方向の補正量を表現するようにしてもよい。
なお、本実施形態では、最適化問題を解くことで補正量を算出する場合を例示したが、これに限定されるものではない。
なお、本実施形態では、最適化問題の評価関数も、非常に単純な場合を例示したが、これに限定されるものではない。各センサの性能、精度等を重みづけとして考慮し、評価関数を設定するようにしてもよい。
なお、本実施形態では、説明を容易にするため、自センサＳａと、他センサＳｂが時間的に同期して処理を行うことを想定した場合を例示したが、これに限定されるものではない。各々のセンサが時間的に非同期で処理を行うことも可能である。

以上詳述したように、実施形態によれば、広域に離隔したセンサ同士の座標系の同期を精度良く行うことが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２，・・・，ｍ１…センサ、１１…位置測定部、１２…センサ部、１３…座標系調整部、Ｐ_１，２，Ｐ_２，３，・・・，Ｐ_{ｍ−１，ｍ}…同期が可能なローカルエリア、Ｓａ…自センサ、Ｓｂ…近傍センサ、Ｎ…ネットワーク。

Claims

目標物を観測するための複数の離隔したセンサがそれぞれ使用する座標系の同期を行う座標系同期システムであって、
前記複数のセンサの各々は、自センサの座標系の調整を行う座標系調整手段を含み、
各センサに含まれる前記座標系調整手段は、自センサと共に同一の物体を観測可能な他センサが存在するときに、当該他センサとの間で、前記物体の観測結果から得られる前記物体の座標位置を示す情報を交換することにより座標系の同期を実施する、座標系同期システム。
前記座標系調整手段は、さらに、自センサと共に同一の物体の方向を観測可能な別の他センサが新たに現れたときには、当該別の他センサとの間で物体の座標位置を示す情報を交換することにより座標系の同期を実施する、請求項１に記載の座標系同期システム。
前記座標系調整手段は、
自センサにより得られる前記物体の座標位置と、他センサから得られる前記物体の座標位置とを用いて、自センサの座標系における座標軸のずれを補正する、請求項１又は２に記載の座標系同期システム。
前記観測可能な物体は飛行物である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の座標系同期システム。
目標物を観測する複数の離隔したセンサがそれぞれ使用する座標系の同期を行う座標系同期方法であって、
前記複数のセンサの各々に、自センサの座標系の調整を行う座標系調整手段が含まれるようにし、
各センサに含まれる前記座標系調整手段により、自センサと共に同一の物体を観測可能な他センサが存在するときに、当該他センサとの間で、前記物体の観測結果から得られる前記物体の座標位置を示す情報を交換することにより座標系の同期を実施する、座標系同期方法。