JP5544838B2

JP5544838B2 - 信号源探索方法及び信号源探索システム

Info

Publication number: JP5544838B2
Application number: JP2009266219A
Authority: JP
Inventors: 英夫安達
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: JP2011112370A

Description

本発明は信号源探索方法及び信号源探索システムに係り、特にペイロードが数百ｇ程度と小さく、バッテリも数百ｇ程度と小さい小型の無人航空機を用いて位置の不明な信号源を探索する信号源探索方法及び信号源探索システムに関する。

例えば違法電波の取り締まりのため、違法電波の信号源を探索したり、或いは遭難信号の信号源を探索して特定することが行われる。位置の不明な信号源（電波源）を探索する方法として、特許文献１には、高々度を飛行あるいは停留する高々度プラットフォームに設置されたアレーアンテナの受信信号を用いて、位置の不明な信号源（電波源）から送信された電波の到来方向を特定する方法が開示されている。

また、特許文献２には、音波及び電磁波を含む波動信号を受信する素子として複数のブランチを配置したアレーアンテナが搭載された移動体の移動を利用した波動信号の信号源を探索する方法が開示されている。この特許文献２記載の探索方法では、移動体の位置に関する位置情報を取得し、取得したその位置に移動体が存在するときに、アレーアンテナに到来した少なくとも一つの波動信号に関する到来方向を推定し、取得した位置を始点とし、推定した到来方向に対応する方向ベクトルを生成することを繰り返し、これにより得られる複数の方向ベクトルの交点の位置に基づいてアレーアンテナに到来した波源の位置を検出する。

特開２００５−２４９６２９号公報特開２００６−１２５９８６号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載された信号源探索方法において用いられる探索装置は、多数のアンテナ素子の集合体であるアレーアンテナと、それらのアンテナ素子を走査する電子装置とから構成されているため、重量数十ｋｇ以上、ペイロード数ｋｇ以上というような大型の構成であり、駆動のための電力消費も大きい。このため、特許文献１記載の高々度プラットフォームが無人操縦ソーラープレーンの場合は、上記の探索装置は、翼長が１０ｍ以上、機体重量が数百ｋｇ、ペイロードが数十ｋｇ程度で、バッテリも数ｋｇ以上のものを搭載できる中型以上の無人操縦ソーラープレーンに搭載される。

従って、特許文献１及び２に記載された信号源探索方法では、翼長１ｍ〜２ｍ程度、機体重量数ｋｇ、ペイロード数百ｇ程度で、バッテリも数百ｇ程度のものしか搭載できず大きな電力消費をまかなえない小型無人航空機には、探索装置を搭載することができず、小型無人航空機を用いた信号探索は不可能である。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、小型無人航空機による信号源探索が可能な信号源探索方法及び信号源探索システムを提供することを目的とする。

本発明の信号源探索方法は上記の目的を達成するため、無人航空機に搭載された単一の指向性アンテナにより、探索する信号源からの信号を逐次受信して信号の受信強度を得る受信ステップと、無人航空機の機首の方位を所望の飛行範囲内で変化させながら、無人航空機の現在位置の緯度及び経度からなる座標と方位とを逐次取得する座標及び方位取得ステップと、無人航空機の飛行範囲を異なる複数の地点を中心とする飛行範囲に設定して、それぞれの飛行範囲内で、受信ステップと座標及び方位取得ステップとを繰り返す繰り返しステップと、受信ステップで得られた信号の受信強度が最大のときの、座標及び方位取得ステップで得られた座標及び方位を、複数の地点を中心とする飛行範囲内の飛行時にそれぞれ取得し、取得されたそれら複数の受信強度が最大のときの、座標及び方位を用いて演算により、信号源の座標を求める演算ステップとを含むことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の信号源探索システムは、単一の指向性アンテナと、指向性アンテナにより受信された探索する信号源からの信号を処理して信号受信強度を逐次出力する受信手段と、機首の方位と現在位置の緯度及び経度からなる座標とを逐次取得する座標及び方位取得手段と、信号源の座標を求める演算手段とを搭載した単一の無人航空機を、異なる複数の地点を中心とする飛行範囲で順次飛行させ、
演算手段が、それぞれの飛行範囲内の飛行時に受信手段によりそれぞれ出力された複数の信号受信強度のうち、最大の信号受信強度が得られるときの、座標及び方位取得手段により取得された方位及び座標を用いて、演算により信号源の座標を求めることを特徴とする。

本発明によれば、アレーアンテナの替りに指向性アンテナを使用して方位を変化させることにより、信号源探索装置を小型、軽量、低消費電力の構成とすることができ、これにより小型無人飛行機に搭載して位置が不明な信号源の探索ができる。

本発明の第１の実施形態の構成図である。本発明で用いられる小型無人航空機の一実施の形態のブロック図である。本発明の第１の実施形態の変形例の構成図である。本発明の第２の実施形態の構成図である。本発明の第３の実施形態の構成図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明になる信号源探索システムの第１の実施形態の構成図を示す。同図において、本実施形態の信号源探索システム１は、互いに異なる２つの飛行範囲を順番に旋回飛行をしながら機体の座標と方位を検出すると共に、位置が不明な信号源１００から送信される電波（信号）を受信する小型無人航空機１０により構成される。小型無人航空機１０は、自律飛行能力を持つが、遠隔操作により飛行する構成としてもよい。

小型無人航空機１０は、ある飛行範囲において飛行軌跡２０ａで表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機１５ａは、小型無人航空機１０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡２１ａは飛行軌跡２０ａの地表面への射影を示す。小型無人航空機１０はこのとき地点Ｐを中心として旋回飛行を行っている。

続いて、小型無人航空機１０は、別の飛行範囲４０に移動し、そこで飛行軌跡２０ｂで表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機１５ｂは、飛行範囲４０での小型無人航空機１０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡２１ｂは飛行軌跡２０ｂの地表面への射影を示す。小型無人航空機１０はこのとき地点Ｑを中心として旋回飛行を行っている。なお、点線１０１は信号源１００の地表面への射影を示す。

図２は、小型無人航空機１０の一実施形態のブロック図を示す。同図において、小型無線航空機１０は、単一の指向性アンテナ１１と、単一の受信装置１２と、機体の座標及び方位取得装置１３と、演算装置１４とを搭載している。指向性アンテナ１１は、小型で単純な構成であり、その重量は数十ｇ程度である。受信装置１２は、指向性アンテナ１１で受信された信号に対して所定の受信信号処理を行って、受信信号強度を得る。この受信装置１２の重量は数十ｇ程度である。

また、機体の座標及び方位取得装置１３は、周知の全地球測位システム（ＧＰＳ:Global Positioning System）を構成する人工衛星からのＧＰＳ信号を受信処理して、現在の小型無人航空機１０の機体中心（厳密には指向性アンテナ１１の受信点）の緯度及び経度を示す座標を取得するＧＰＳ受信部と、機首の向きである方位を取得するジャイロ装置又は磁気方位センサとからなる。

演算装置１４は、機体の座標及び方位取得装置１３からの機体の座標及び方位と、受信装置１２からの受信信号強度とに基づいて、受信信号強度が最も強かった時の機体の座標と方位とから信号源１００の座標を算出する。機体の座標及び方位取得装置１３や演算装置１４は、指向性アンテナ１１や受信装置１２と同様に軽量である。これにより、翼長１ｍ〜２ｍ程度、機体重量数ｋｇ、ペイロード数百ｇ程度の小型無人航空機１０でも、指向性アンテナ１１、受信装置１２、機体の座標及び方位取得装置１３及び演算装置１４を搭載することができる。

次に、本実施形態の動作について説明する。

いま、小型無人航空機１０が図１に飛行軌跡２０ａで示すように、或る地点Ｐを中心とした飛行範囲内を旋回飛行する。このとき、指向性アンテナ１１で受信された信号源１００からの信号に対して受信装置１２が所定の受信処理を行い受信信号強度Ａi（ｉは時系列番号で１〜ｎ；以下同様）を順次出力する。また、このとき、機体の座標及び方位取得装置１３は、そのＧＰＳ受信部で逐次取得した現在の小型無人航空機１０の機体中心（厳密には指向性アンテナ１１の受信点）の緯度λi及び経度μiを示す座標と、そのジャイロ装置又は磁気方位センサで逐次取得した現在の機首の向きである方位ψiとを順次出力する。

演算装置１４は、これらを記録してテーブルを作成する。続いて、演算装置１４は、このテーブルを検索し、最も強い受信信号強度のときの機体の座標と方位を求める。このときの小型無人航空機１０の機体の緯度をλp、経度をμp、方位をψpとする。

続いて、小型無人航空機１０が信号探索する位置を変え（別の飛行範囲４０に移動し）、飛行軌跡２０ｂで示すように、或る地点Ｑを中心とした旋回飛行をする。このとき、指向性アンテナ１１で受信された信号源１００からの信号に対して受信装置１２が所定の受信処理を行い受信信号強度Ａiを順次出力する。また、このとき、機体の座標及び方位取得装置１３は、そのＧＰＳ受信部で逐次取得した現在の小型無人航空機１０の機体中心（厳密には指向性アンテナ１１の受信点）の緯度λi及び経度μiを示す座標と、そのジャイロ装置又は磁気方位センサで逐次取得した現在の機首の向きである方位ψiとを順次出力する。

演算装置１４は、これらを記録して上記と同様にテーブルを作成する。続いて、演算装置１４は、このテーブルを検索し、最も強い受信信号強度のときの機体の座標と方位を求める。このときの小型無人航空機１０の機体の緯度をλq、経度をμq、方位をψqとする。

次に、演算装置１４は、上記の各データから、三角測量を応用して信号源１００の座標を以下のようにして求める。すなわち、演算装置１４は、まず、地点Ｐと地点Ｑのそれぞれの緯度、経度を次式でベクトル座標に変換する。

続いて、演算装置１４は、地点Ｐと地点Ｑのそれぞれについて、北を指すベクトルを（２）式で、東を指すベクトルを（３）式でそれぞれ計算する。ただし、（２）式及び（３）式において×は外積を示す。

続いて、演算装置１４は、地点Ｐと地点Ｑのそれぞれについて、機体の方位を表すベクトルを次式により計算する。

続いて、演算装置１４は、信号源１００の座標を表すベクトルを次式により求める。

そして、演算装置１４は、信号源１００の座標（緯度λs及び経度μs）を上記の信号源１００の座標を表すベクトルを用いて次式により計算して、信号源１００の位置を特定する。

このように、本実施形態によれば、アレーアンテナを使用せず、軽量小型な指向性アンテナ１１を用いて機体の方位を変えることにより、探索のための装置を小型、軽量、低消費電力の構成とすることができ、これにより小型無人航空機１０に搭載して信号源１００を探索し、信号源１００の座標を特定することができる。

なお、図１の実施形態では、小型無人航空機１０を異なる２つの地点を中心とする飛行範囲（信号探索する位置）でそれぞれ旋回飛行して得た２つの機体の座標と方位とに基づいて、信号源１００を探索したが、小型無人航空機１０を異なる３以上の地点を中心とする飛行範囲（信号探索する位置）でそれぞれ旋回飛行し、それぞれの位置で機体の座標と方位とを記録し、それらに基づいて信号源１００を探索するようにしてもよい。

図３は、第１の実施形態の変形例の信号源探索システムの構成を示す。同図中、図１と同一部分には同一符号を付してある。図３において、小型無人航空機１０は飛行範囲４０とは更に別の飛行範囲５０に移動し、そこで飛行軌跡２０ｎで表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機１５ｎは、飛行範囲５０での小型無人航空機１０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡２１ｎは飛行軌跡２０ｎの地表面への射影を示す。この場合は、信号源１００の座標特定精度を図１の場合よりも向上させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明になる信号源探索システムの第２の実施形態の構成図を示す。同図において、本実施形態の信号源探索システム２は、互いに異なる飛行範囲を同時に旋回飛行をしながら機体の座標と方位を検出すると共に、位置が不明な信号源１００から送信される電波（信号）を受信する２機の小型無人航空機６０及び７０により構成される。

小型無人航空機６０及び７０は、それぞれ図２に示したブロック図の小型無人航空機１０の構成に、演算装置１４で得られたデータの送受信部を更に有する。なお、小型無人航空機６０及び７０は、自律飛行能力を持つが、遠隔操作により飛行する構成としてもよい。

小型無人航空機６０は、ある飛行範囲において飛行軌跡６１で表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機６２は、小型無人航空機６０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡６３は飛行軌跡６１の地表面への射影を示す。

また、小型無人航空機６０の旋回飛行に並行して、小型無人航空機７０は、別の飛行範囲において飛行軌跡７１で表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機７２は、小型無人航空機７０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡７３は飛行軌跡７１の地表面への射影を示す。

本実施形態では、小型無人航空機６０（又は７０）が旋回飛行しているときに指向性アンテナにより受信する、信号源１００からの信号の最も強い受信信号強度のときの機体の第１の座標と第１の方位を求め、それらをもう一方の小型無人航空機７０（又は６０）へ図４に８０で示すようにデータ送信する。小型無人航空機７０（又は６０）は、小型無人航空機６０（又は７０）からデータ送信された機体の第１の座標と第１の方位を受信してそれらを記録する。

また、小型無人航空機７０（又は６０）は、自身が旋回飛行しているときに指向性アンテナにより受信する、信号源１００からの信号の最も強い受信信号強度のときの機体の第２の座標と第２の方位を求める。そして、小型無人航空機７０（又は６０）の演算装置は、これら機体の第２の座標と第２の方位と、記録しておいた上記の第１の座標と第１の方位とを用いて、第１の実施形態で説明した演算方法と同様の演算方法を行い、信号源１００の位置（座標）を特定する。

本実施形態によれば、第１の実施形態のように、１機の小型無人航空機１０で信号源１００の位置（座標）を特定する場合に比べて、より短時間で信号源１００の位置（座標）を特定することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明になる信号源探索システムの第３の実施形態の構成図を示す。図５において、本実施形態の信号源探索システム３は、互いに異なる飛行範囲を同時に旋回飛行をしながら機体の座標と方位を検出すると共に、位置が不明な信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナを用いて受信する２機の小型無人航空機１１０及び１２０と、機外の演算装置１３０とにより構成される。

小型無人航空機１１０及び１２０は、それぞれ図２に示したブロック図の小型無人航空機１０の構成のうち、演算装置１４の替りに受信装置１２と機体の座標及び方位取得装置１３でそれぞれ得られたデータの送受信部を有する構成である。なお、小型無人航空機１１０及び１２０は、自律飛行能力を持つが、遠隔操作により飛行する構成としてもよい。

小型無人航空機１１０は、ある飛行範囲において飛行軌跡１１１で表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機１１２は、小型無人航空機１１０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡１１３は飛行軌跡１１１１の地表面への射影を示す。

また、小型無人航空機１１０の旋回飛行に並行して、小型無人航空機１２０は、別の飛行範囲において飛行軌跡１２１で表されるように旋回飛行することで、機体の座標と方位を検出すると共に、信号源１００から送信される電波（信号）を指向性アンテナにより受信する。ここで、点線で示した小型無人航空機１２２は、小型無人航空機１２０の地表面への射影を示し、また、点線で示した軌跡１２３は飛行軌跡１２１の地表面への射影を示す。

本実施形態では、小型無人航空機１１０及び１２０がそれぞれ旋回飛行しているときに受信した信号源１００からの信号の受信信号強度のデータと、取得した機体の座標と方位のデータとを、図５に９１、９２で示すように、機外の演算装置１３０へデータ送信する。

機外の演算装置１３０は、小型無人航空機１１０から受信したデータのうち、最も強い受信信号強度のときの機体の第１の座標及び第１の方位と、小型無人航空機１２０から受信したデータのうち、最も強い受信信号強度のときの機体の第２の座標及び第２の方位とを用いて、第１の実施形態で説明した演算方法と同様の演算方法を行い、信号源１００の位置（座標）を特定する。

第２及び第３の実施形態によれば、自律飛行能力を持つ複数の小型無人航空機を利用し、探索飛行アルゴリズムを用いることにより、複数の小型無人航空機の協調動作により、能動的に、信号源の探索及び特定を行うことができる。

本発明は、小型無人航空機を利用した信号源（電波源）を探索して特定するのに利用できる。特に、装置として小型、軽量が求められる場合に適用できる。無人航空機は、気象条件等の理由により有人航空機の飛行が困難な状況でも飛行できる場合がある。無人航空機による信号源探索は、緊急を要する遭難の場合で、有人航空機が飛行できない場合に、その遭難信号の信号源の特定に有効である。

１、２、３信号源探索システム
１０、６０、７０、１１０、１２０小型無人航空機
１１指向性アンテナ
１２受信装置
１３機体の座標及び方位取得装置
１４演算装置
１００信号源

Claims

無人航空機に搭載された単一の指向性アンテナにより、探索する信号源からの信号を逐次受信して信号の受信強度を得る受信ステップと、
前記無人航空機の機首の方位を所望の地点を中心とする飛行範囲内で変化させながら、前記無人航空機の現在位置の緯度及び経度からなる座標と前記方位とを逐次取得する座標及び方位取得ステップと、
前記無人航空機の前記飛行範囲を異なる複数の地点を中心とする飛行範囲に設定して、それぞれの飛行範囲内で、前記受信ステップと前記座標及び方位取得ステップとを繰り返す繰り返しステップと、
前記受信ステップで得られた信号の受信強度が最大のときの、前記座標及び方位取得ステップで得られた前記座標及び方位を、前記複数の地点を中心とする飛行範囲内の飛行時にそれぞれ取得し、取得されたそれら複数の受信強度が最大のときの、前記座標及び方位を用いて演算により、前記信号源の座標を求める演算ステップと
を含むことを特徴とする信号源探索方法。
互いに異なる地点を中心とする飛行範囲を同時に飛行する複数の無人航空機にそれぞれ搭載された単一の指向性アンテナにより、探索する信号源からの信号を別々に逐次受信して信号の受信強度を得る受信ステップと、
前記複数の無人航空機の機首の方位をそれぞれの飛行範囲内で変化させながら、前記複数の無人航空機の現在位置の緯度及び経度からなる座標と前記方位とを逐次取得する座標及び方位取得ステップと、
前記複数の無人航空機のうち、所定の一の無人航空機に対して、他の無人航空機が前記受信ステップで得た前記信号の受信強度と、前記座標及び方位取得ステップで取得した前記座標及び方位との組のデータをそれぞれ送信する送信ステップと、
前記所定の一の無人航空機が、前記他の無人航空機から送信された前記信号の受信強度と前記座標及び方位との組のデータを受信し、それら受信した組のデータ毎に得られる信号の受信強度のうち最大のときの受信した前記座標及び方位と、前記所定の一の無人航空機自身が前記受信ステップで得た前記信号の受信強度と、前記座標及び方位取得ステップで取得した自身の前記座標及び方位との組のデータとを用いて、演算により、前記信号源の座標を求める演算ステップと
を含むことを特徴とする信号源探索方法。
互いに異なる地点を中心とする飛行範囲を同時に飛行する複数の無人航空機にそれぞれ搭載された単一の指向性アンテナにより、探索する信号源からの信号を別々に逐次受信して信号の受信強度を得る受信ステップと、
前記複数の無人航空機の機首の方位をそれぞれの飛行範囲内で変化させながら、前記複数の無人航空機の現在位置の緯度及び経度からなる座標と前記方位とを逐次取得する座標及び方位取得ステップと、
前記複数の無人航空機が前記受信ステップで得た前記信号の受信強度と、前記座標及び方位取得ステップで取得した前記座標及び方位との組のデータをそれぞれ機外の演算装置へ送信する送信ステップと、
前記機外の演算装置が受信した複数の前記組のデータのうち、各組の信号の受信強度が最大のときの前記座標及び方位を用いて、演算により、前記信号源の座標を求める演算ステップと
を含むことを特徴とする信号源探索方法。
単一の指向性アンテナと、
前記指向性アンテナにより受信された探索する信号源からの信号を処理して信号受信強度を逐次出力する受信手段と、
機首の方位と現在位置の緯度及び経度からなる座標とを逐次取得する座標及び方位取得手段と、
前記信号源の座標を求める演算手段と
を搭載した単一の無人航空機を、異なる複数の地点を中心とする飛行範囲で順次飛行させ、
前記演算手段が、それぞれの前記飛行範囲内の飛行時に前記受信手段によりそれぞれ出力された複数の信号受信強度のうち、最大の信号受信強度が得られるときの、前記座標及び方位取得手段により取得された前記方位及び座標を用いて、演算により前記信号源の座標を求めることを特徴とする信号源探索システム。
単一の指向性アンテナと、
前記指向性アンテナにより受信された探索する信号源からの信号を処理して信号受信強度を逐次出力する受信手段と、
機首の方位と現在位置の緯度及び経度からなる座標とを逐次取得する座標及び方位取得手段と、
前記信号源の座標を求める演算手段と、
前記信号受信強度と前記座標及び方位を送受信する送受信手段と
をそれぞれ搭載した複数の無人航空機を、異なる複数の地点を中心とする飛行範囲で同時に飛行させ、
前記複数の無人航空機のうち、所定の一の無人航空機に対して、他の無人航空機が前記信号受信強度と前記座標及び方位との組のデータを前記送受信手段によりそれぞれ送信させ、前記所定の一の無人航空機が、前記他の無人航空機から送信された前記信号受信強度と前記座標及び方位との組のデータを前記送受信手段により受信し、それら受信した組のデータ毎に得られる信号受信強度のうち最大のときの受信した前記座標及び方位と、前記所定の一の無人航空機自身が前記受信手段で得た前記信号受信強度と、前記座標及び方位取得手段で取得した自身の前記座標及び方位との組のデータとを用いて、前記演算手段により、前記信号源の座標を求めることを特徴とする信号源探索システム。
単一の指向性アンテナと、
前記指向性アンテナにより受信された探索する信号源からの信号を処理して信号受信強度を逐次出力する受信手段と、
機首の方位と現在位置の緯度及び経度からなる座標とを逐次取得する座標及び方位取得手段と、
前記信号受信強度と前記座標及び方位とからなる組のデータを送信する送信手段と
をそれぞれ搭載した複数の無人航空機と、
前記複数の無人航空機からそれぞれ送信された前記信号受信強度と前記座標及び方位を受信する機外の演算装置とよりなり、
前記演算装置は、互いに異なる地点を中心とする複数の飛行範囲内を飛行する前記複数の無人航空機からそれぞれ受信した複数の前記信号受信強度と前記座標及び方位の組のデータのうち、各組の信号受信強度が最大のときの前記座標及び方位を用いて、演算により、前記信号源の座標を求めることを特徴とする信号源探索システム。