JPH04240516A - 航空機の航法装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、飛行中に位置と対地速
度を知るための航空機の航法装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空間内に規定された目標飛行経路上を、
自動操縦により航空機を飛行させるためには、航空機の
位置とその位置の変化率に相当する対地速度とを、刻一
刻正確に知る必要がある。一般に用いられている航法装
置には、地上局に対する航空機の距離と方位を計測して
位置を出力するＴＡＣＡＮ（Ｔａｃｔｉｃａｌ　Ａｉｒ
　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　）やＶＯＲ（ＶＨＦ　Ｏｍｎ
ｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｒａｎｇｅ）受信装置、
ＤＭＥ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｅｑ
ｕｉｐｍｅｎｔ）等がある。しかしこれらの装置はいず
れも解像度が粗く、ステップ状に変化する位置情報しか
得られない。ＴＡＣＡＮでは、一般に約０．１海里毎に
ステップ状に変化していく。また、この位置情報を微分
して対地速度を得ようとすると、誤差が大きいものとな
る。さらに、出力されたステップ状の位置情報に対して
は何らかの平滑化処理が必要である。しかし、一般のロ
ーパスフィルタを用いたのでは数秒以上の時定数が発生
し、遅延が新たな誤差を生むことになる。

【０００３】このような問題に対し、性質の異なる複数
の航法装置を併用し、それぞれの出力情報を用いて誤差
の小さい平滑化された位置及び対地速度情報を得る方法
が提案されている。その一例として、特開昭５９−１８
０４２１号公報に開示された、ＴＡＣＡＮやＶＯＲ／Ｄ
ＭＥ装置と慣性航法装置とを組み合わせたハイブリッド
航法が存在する。

【０００４】しかし、ＴＡＣＡＮやＶＯＲ／ＤＭＥ装置
等の無線航法装置では、電波障害により一時的に出力が
寸断することがある。また無線航法装置以外に、慣性航
法装置等を第２の航法装置としてさらに搭載することは
、小型の無人機等ではコストの上昇及び重量の増大を招
く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、ＴＡＣ
ＡＮ等の無線航法装置のみを用いたのでは正確でかつ滑
らかな位置情報及び対地速度を得ることが困難であり、
また情報の出力が寸断されることがある。さらに、慣性
航法装置と組み合わせた場合にはコストの上昇及び重量
の増大を招くという問題があった。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、ＴＡＣＡＮやＶＯＲ／ＤＭＥ装置等の無線航法装
置以外に新たに慣性航法装置を用いることなく、精度の
高い滑らかな位置情報と対地速度を出力し、さらに無線
航法装置の出力が寸断した場合にも位置と対地速度を推
定して航空機を誘導し得る航空機の航法装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の航空機の航法装
置は、航空機と地上局との相対的な距離及び方位を測定
する航法装置より出力された距離測定値及び方位測定値
と、機首の方位を測定する機首方位センサより出力され
た機首方位測定値と、対気速度を測定する対気速度セン
サより出力された対気速度とを与えられ、極座標から水
平面の直交座標系における位置座標値と対気速度成分値
とに変換して出力する座標変換部と、座標変換部より出
力された位置座標値及び対気速度成分値を与えられ、対
気速度成分値に含まれる低周波域の雑音を除去し対地速
度中間推定値を求めて出力する速度定常誤差除去フィル
タ部と、座標変換部から出力された位置座標値と、速度
定常誤差除去フィルタ部より出力された対地速度中間推
定値とを与えられ、位置座標値に含まれる高周波域の雑
音を除去して平滑化された位置座標推定値を出力する位
置平滑化フィルタ部と、速度定常誤差除去フィルタ部か
ら出力された対地速度中間推定値と、座標変換部から出
力された対気速度成分値とを与えられ、対地速度中間推
定値に含まれる高周波域の雑音を除去して平滑化された
対地速度成分推定値を出力する速度平滑化フィルタ部と
、速度平滑化フィルタ部から出力された対地速度成分推
定値を与えられ、高周波域の雑音を除去して速度推定値
を出力する速度ノイズ除去フィルタ部と、座標変換部か
ら出力された対気速度成分値と、速度平滑化フィルタ部
から出力された対地速度成分推定値とを与えられ、対気
速度成分推定値に含まれる高周波域の雑音を除去して風
速成分推定値を出力する風速フィルタ部と、航法装置か
らの出力が寸断された時、風速フィルタ部から出力され
た風速成分推定値を速度定常誤差除去フィルタ部に与え
、対気速度成分値に加算させて加算値を対地速度中間推
定値として継続して出力させる切り替え手段とを備えた
ことを特徴としている。

【０００８】

【作用】航法装置より出力された距離測定値と方位測定
値は、解像度が低くしかもステップ状に変化するもので
ある。この測定値と、機首方位センサより出力された機
首方位測定値と、対気速度センサより出力された対気速
度成分値とが座標変換部に与えられ、水平面の直交座標
系に変換された位置座標値と対気速度成分値とが出力さ
れる。速度定常誤差除去フィルタ部により、対気速度成
分値に含まれる低周波域の定常的な風速がもたらす雑音
が除去されて対地速度中間推定値が出力され、速度平滑
化フィルタ部により、この対地速度中間推定値に含まれ
る高周波域の対気擾乱等の雑音が除去されて平滑化され
た対地速度成分推定値として出力される。さらに速度ノ
イズ除去フィルタ部により、対地速度成分推定値に含ま
れる高周波域の雑音が除去されて、速度推定値が出力さ
れる。また、位置平滑化フィルタ部により、位置座標値
に含まれる高周波域の雑音が除去されて、平滑化された
位置座標測定値が出力される。このようにして、高周波
域及び低周波域の雑音が除去され、精度が高く平滑化さ
れた位置座標推定値と対地速度成分推定値とが得られる
。また、航法装置からの出力が寸断されたときには、風
速フィルタ部により求められた対気速度成分推定値に含
まれる高周波域の雑音が除去された風速成分推定値が、
切り替え手段によって速度定常誤差除去フィルタ部に与
えられる。速度定常誤差除去フィルタ部により、この風
速成分推定値が対気速度成分値に加算され、この加算値
が対地速度中間推定値として継続して出力されることに
より、異常時においても航空機の位置と対地速度情報が
得られる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１に本実施例による航空機の航法装置
の構成を示す。このブロック図は、アナログ計算機の回
路イメージで描かれているが、同等の演算内容をデジタ
ル計算機で構成することも可能である。

【００１０】ＴＡＣＡＮ１の他に、機首方位センサ２と
対気速度センサ３の出力を用いる。このＴＡＣＡＮ１、
機首方位センサ２及び対気速度センサ３の出力端は、そ
れぞれ座標変換部４の入力端に接続されている。座標変
換部４の出力端には、推定演算部１０の入力端が接続さ
れている。推定演算部１０は、Ｘ軸に関して速度定常誤
差除去フィルタ部１１，位置平滑化フィルタ部１２，速
度平滑化フィルタ部１３，速度ノイズ除去フィルタ部１
４，風速フィルタ部１５を有し、同様にＹ軸に関して速
度定常誤差除去フィルタ部２１，位置平滑化フィルタ部
２２，速度平滑化フィルタ部２３，速度ノイズ除去フィ
ルタ部２４，風速フィルタ部２５を有している。

【００１１】ＴＡＣＡＮ１は、地上局から見た航空機の
距離ＲＮＧと、方位角ＢＥＡＲとを出力する。

【００１２】この距離ＲＮＧと方位角ＢＥＡＲに対して
、機首方位センサ２と対気速度センサ３からの出力を用
いて、推定演算部１０により精度の向上と滑らかさを達
成する点に本実施例の特徴がある。機首方位センサ２か
らは機首の方位角ψが出力され、対気速度センサ３から
は対気速度ＶＡ　が出力される。

【００１３】距離ＲＮＧ，方位角ＢＥＡＲ，機首方位角
ψ及び対気速度ＶＡ　が座標変換部４に入力されると、
極座標から直交座標への変換が行われる。この直交座標
は、地上局を原点として磁北方向をＸ軸、磁東方向をＹ
軸としている。距離ＲＮＧと高度ＡＬＴより、次の（１
）〜（３）式が用いられて直交座標系におけるＸ軸方向
の座標値ＸＴＣＮ　とＹ軸方向の座標値ＹＴＣＮ　とが
求められる。

【００１４】

【数１】 ここで（１）式は、地上局と上空の航空機との間の直線
距離（斜面レンジ）ＲＮＧを、地上に投影された水平面
内距離（水平面レンジ）ＲＮＧＨに修正するものである
。

【００１５】次に機首方位角ψ及び対気速度ＶＡ　と、
垂直ジャイロが検出するピッチ角θが用いられ、（４）
及び（５）式によってＸ軸方向の対気速度成分ＶＡＸと
、Ｙ軸方向の対気速度成分ＶＡＹとが求められる。ここ
で、ピッチ角θが用いられているのは、航空機が大きい
角度で上昇又は下降を行う場合に、水平面方向への角度
へ修正するためである。

【００１６】

【数２】 求められた位置ＸＴＣＮ　及びＹＴＣＮ　と、対気速度
成分ＶＡＸ及びＶＡＹは、座標変換部４より推定演算部
１０に出力される。推定演算部１０では、Ｘ軸とＹ軸と
に全く同様の演算が行われるため、Ｘ軸に関してのみ説
明する。

【００１７】入力された位置座標値ＸＴＣＮ　及び対気
速度成分ＶＡＸには、それぞれ誤差が含まれている。そ
こで、これらの誤差成分をＸＮ　及びＶＮ　とし、真の
Ｘ座標値ＸＴ　と、真の対気速度成分、即ちＸＴの変化
率をｄＸＴ　／ｄｔとすると、次の（６）式及び（７）
式のような関係が成り立つ。

【００１８】

【数３】 真の座標値ＸＴ　は、航空機の移動と共に滑らかに変化
する。しかし、ＸＴＣＮ　はＴＡＣＡＮ１の出力の解像
度の粗さの影響を受けて、ステップ状に変化する。この
ため、誤差成分ＸＮ　は鋸切り歯状の雑音となり、山の
間隔は航空機の速度と飛行方向に依存するが、約数秒の
長さである。

【００１９】一方の対気速度の誤差成分ＶＮ　には、対
地速度に対する対気速度の偏差に相当する風速による誤
差と、対気擾乱や対気速度センサ３が発生する雑音によ
る誤差とが含まれる。風速による誤差は、定常的な低周
波雑音であり、対気擾乱や対気速度センサ３がもたらす
雑音は高周波域の雑音である。

【００２０】推定演算部１０は、次のような演算動作を
行うことにより、これらの誤差成分ＸＴ　及びＶＮ　を
除去し、真の値ＸＴ　及びｄＸＴ／ｄｔに限りなく近い
推定値ＸＸＴ　及びｄＸＸＴ　／ｄｔを出力するもので
ある。

【００２１】速度定常誤差除去フィルタ部１１，位置平
滑化フィルタ部１２及び風速フィルタ部１５がそれぞれ
有するスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、ＴＡＣＡＮ１が正常
に動作し距離ＲＮＧ及び方位角ＢＥＡＲを出力している
時にはＶＡＬＩＤ　側に接続され、電波障害等により出
力が寸断している異常時にはＩＮＶＡＬＩＤ　側に接続
される。先ず、正常動作時における推定演算部１０の動
作内容について述べる。

【００２２】座標変換部４より出力された座標値ＸＴＣ
Ｎ　と対気速度ＶＡＸが、速度定常誤差除去フィルタ部
１１に入力される。速度定常誤差除去フィルタ部１１は
、図１に示されたようにゲインＫ１　で比例増幅し、積
分動作を行ってフィードバックをかけており、対地速度
中間推定値Ｖｘ１を出力する。このＶｘ１は、伝達関数
を用いて（８）式のように記述される。

【００２３】

【数４】 そして、ｄＸＴ　／ｄｔ＝ｓ・ＸＴ　という関係を用い
て、（１）及び（２）式を代入すると、（９）式のよう
になる

【００２４】

【数５】 ここで、（９）式の第２項及び第３項はいずれも低周波
成分を除去するフィルタとして作用する伝達関数である
。従って、出力された対地速度中間推定値Ｖｘ１は、誤
差成分ＶＮ　に含まれる風速による定常誤差が除去され
たものとなる。

【００２５】この対地速度中間推定値Ｖｘ１と座標値Ｘ
ＴＣＮ　が、位置平滑化フィルタ部１２に入力される。 この位置平滑化フィルタ部１２では、座標値ＸＴＣＮ　
に対してゲインＫ２　で比例増幅した後、中間推定値Ｖ
ｘ１を加算し、加算した値に積分を行った後フィードバ
ック動作を行い、Ｘ座標に関する推定値ＸＸを出力して
いる。この位置平滑化フィルタ部１２の伝達特性は、（
１０）式のように表される。

【００２６】

【数６】 この式では、第１項及び第２項はいずれも高周波成分を
除去するフィルタとして作用する。従って出力される推
定値ＸＸは、ＸＴＣＮ　及びＶｘ１の高周波成分が除去
されて平滑化されたものとなる。ここで、位置平滑化フ
ィルタ部１２に入力される値Ｖｘ１は、速度定常誤差除
去フィルタ部１１によって風速による低周波成分の誤差
が除去されているため、値ＸＸには当然ながらこの誤差
は含まれていない。

【００２７】（１０）式に、（６）式及び（９）式を代
入して整理すると、（１１）式のようになる。

【００２８】

【数７】 この（１１）式より、平滑化効果を高めるべくゲインＫ
２　を小さく設定したとしても、真の座標値ＸＴ　が遅
延を伴うことなく値ＸＸとして出力されることがわかる
。

【００２９】このように、速度定常誤差除去フィルタ部
１１と位置平滑化フィルタ部１２とによって、座標値Ｘ
ＴＣＮ　から高周波成分の誤差が、遅延時間が付加され
ることなく除去されて、推定値ＸＸとして出力される。

【００３０】速度定常誤差除去フィルタ部１１から出力
された推定値Ｖｘ１と、座標変換部４から出力された対
気速度ＶＡＸとが、速度平滑化フィルタ部１３に入力さ
れる。推定値Ｖｘ１に対してゲインＫ３　による比例増
幅と積分動作とが行われた後、対地速度ＶＡＸが加算さ
れてフィードバックがかけられ、対地速度中間推定値Ｖ
ｘ２が出力される。この推定値Ｖｘ２は、次の（１２）
式のような伝達関数で記述される。

【００３１】

【数８】 この（１２）式からわかるように、推定値Ｖｘ１からは
高周波成分が除去され、対地速度ＶＡＸからは、含まれ
ていた風速に相当する定常的な低周波成分が除去される
。

【００３２】（１２）式に、（７）式及び（９）式を代
入して整理すると、次の（１３）式のようである。

【００３３】

【数９】 この（１３）式より明らかなように、ゲインの値に影響
されることなく、真の対地速度ｄＸＴ　／ｄｔが遅れを
伴わずに推定値Ｖｘ２として出力される。

【００３４】ここで、推定値Ｖｘ２には対気速度に含ま
れていた高周波成分の雑音だけは除去されずに含まれて
いる。この雑音は、速度ノイズ除去フィルタ部１４によ
って除去され、推定値ｄＸＸ／ｄｔとして出力される。

【００３５】この推定値ｄＸＸ／ｄｔは、次の（１４）
式のような伝達関数で記述される。

【００３６】

【数１０】 ここで、遅延による誤差が航空機の誘導に悪影響を及ぼ
さない程度に時定数を設定することで、高周波成分の雑
音を十分に除去することができる。このようにして、風
速による定常誤差や大きな遅延誤差を含まず、十分に平
滑化された対地速度推定値ｄＸＸ／ｄｔが得られる。

【００３７】風速フィルタ部１５は、Ｘ軸方向の風速推
定値Ｗｘ　の出力を行う。Ｘ軸方向の風速は、推定値Ｖ
ｘ２とＶＡｘとの差に相当する。この値Ｖｘ２及びＶＡ
ｘが風速フィルタ部１５に入力される。そして、（１５
）式で示される伝達関数により、推定値Ｗｘ　が得られ
る。

【００３８】

【数１１】 次に、電波障害等によりＴＡＣＡＮ１からの出力が一時
的に寸断する異常時における動作について説明する。

【００３９】ＴＡＣＡＮ１から、距離ＲＮＧと方位角Ｂ
ＥＡＲが出力されなくなり、異常を知らせる信号が出力
されたときは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は全てＩＮＶＡ
ＬＩＤ　側に接続される。スイッチＳＷ２及びＳＷ３の
ＩＮＶＡＬＩＤ側の信号は０である。風速フィルタ部１
５において、スイッチＳＷ３の切換により積分器への入
力は０となり、入力値ＶＡｘ及びＶｘ２は０になって、
出力値Ｗｘ　はＴＡＣＡＮ１が正常に動作している時の
最終値Ａとして保持される。この最終値Ａが、速度定常
誤差除去フィルタ部１１にＳＷ１を介して入力される。 これにより、最終値Ａが対気速度ＶＡＸに加算され、推
定値Ｖｘ１として出力されて位置平滑化フィルタ部１２
と速度平滑化フィルタ部１３とに与えられる。位置平滑
化フィルタ部１２において、この推定値Ｖｘ１が積分さ
れて推定値ＸＸとして出力される。速度平滑化フィルタ
部１３に推定値Ｖｘ１が入力され、推定値Ｖｘ２として
出力される。推定値Ｖｘ２は、速度ノイズ除去フィルタ
部１４に与えられ、推定値ｄＸＸ／ｄｔとして出力され
る。

【００４０】この結果、ＴＡＣＡＮ１が異常動作をした
場合にも全てのフィルタ部１１〜１５が動作を継続し、
推定値が得られるので、ＴＡＣＡＮ１が正常動作に復帰
したときの推定値の飛びを小さく抑えることができる。

【００４１】以上、Ｘ軸に関する動作手順を説明したが
、Ｙ軸に関しても全く同様に、位置推定値ＹＹ，速度推
定値ｄＹＹ／ｄｔ，及び風速推定値Ｗｙ　が出力される
。

【００４２】このように本実施例によれば、ＴＡＣＡＮ
から出力された精度の低いステップ状の情報に対し、機
首方位センサと対気速度センサからの出力を用いて、遅
延を伴うことなく精度の高い平滑化された情報を得るこ
とができる。この場合に、ＴＡＣＡＮ等の航法装置以外
に慣性航法装置等を第２の航法装置として搭載する必要
がないため、小型の無人機等にも適用が可能である。ま
た、ＴＡＣＡＮからの出力が寸断した時にも、位置推定
値ＸＸ及び対地速度推定値ｄＸＸ／ｄｔを得ることがで
きる。

【００４３】上述した実施例は一例であり、本発明を限
定するものではない。例えば、本実施例では航法装置と
してＴＡＣＡＮを用いているが、地上局と航空機との相
対的な距離及び方位角を出力するものであれば、例えば
ＶＯＲ／ＤＭＥ装置等の他の航法装置を用いてもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の航空機の航
法装置は、ＴＡＣＡＮ等の無線航法装置からの情報に対
し、機首方位角情報及び対気速度情報を用いて、高周波
及び低周波成分の雑音を遅延を伴うことなく除去し、精
度が高く滑らかな位置及び対地速度情報を得ることがで
き、また無線航法装置からの出力が寸断した場合にも出
力の継続が可能であり、さらに慣性航法装置等の第２の
航法装置を必要としないため無人機等の誘導にも適用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による航空機の航法装置の構
成を示したブロック図。

【符号の説明】

１　　ＴＡＣＡＮ ２　　機首方位センサ ３　　対気速度センサ ４　　座標変換部 １０　　推定演算部 １１　　速度定常誤差除去フィルタ部 １２　　位置平滑化フィルタ部 １３　　速度平滑化フィルタ部 １４　　速度ノイズ除去フィルタ部 １５　　風速フィルタ部 ２１　　速度定常誤差除去フィルタ部 ２２　　位置平滑化フィルタ部 ２３　　速度平滑化フィルタ部 ２４　　速度ノイズ除去フィルタ部 ２５　　風速フィルタ部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】航空機と地上局との相対的な距離及び方位
   を測定する航法装置より出力された距離測定値及び方位
   測定値と、機首の方位を測定する機首方位センサより出
   力された機首方位測定値と、対気速度を測定する対気速
   度センサより出力された対気速度とを与えられ、極座標
   から水平面の直交座標系における位置座標値と対気速度
   成分値とに変換して出力する座標変換部と、前記座標変
   換部より出力された前記位置座標値及び前記対気速度成
   分値を与えられ、前記対気速度成分値に含まれる低周波
   域の雑音を除去し対地速度中間推定値を求めて出力する
   速度定常誤差除去フィルタ部と、前記座標変換部から出
   力された前記位置座標値と、前記速度定常誤差除去フィ
   ルタ部より出力された前記対地速度中間推定値とを与え
   られ、前記位置座標値に含まれる高周波域の雑音を除去
   して平滑化された位置座標推定値を出力する位置平滑化
   フィルタ部と、前記速度定常誤差除去フィルタ部から出
   力された前記対地速度中間推定値と、前記座標変換部か
   ら出力された前記対気速度成分値とを与えられ、前記対
   地速度中間推定値に含まれる高周波域の雑音を除去して
   平滑化された対地速度成分推定値を出力する速度平滑化
   フィルタ部と、前記速度平滑化フィルタ部から出力され
   た前記対地速度成分推定値を与えられ、高周波域の雑音
   を除去して速度推定値を出力する速度ノイズ除去フィル
   タ部と、　　前記座標変換部から出力された前記対気速
   度成分値と、前記速度平滑化フィルタ部から出力された
   前記対地速度成分推定値とを与えられ、前記対気速度成
   分推定値に含まれる高周波域の雑音を除去して風速成分
   推定値を出力する風速フィルタ部と、前記航法装置から
   の出力が寸断された時、前記風速フィルタ部から出力さ
   れた前記風速成分推定値を前記速度定常誤差除去フィル
   タ部に与え、前記対気速度成分値に加算させてこの加算
   値を前記対地速度中間推定値として継続して出力させる
   切り替え手段とを備えたことを特徴とする航空機の航法
   装置。