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弾道学と飛行力学において、軸規則は、参照フレームとして使用するために座標軸の位置と方向を確立する標準化された方法です。移動物体は通常、固定されているとみなされる外部フレームから追跡されます。他の物体の相対位置を扱うために、移動物体上に他のフレームを定義することができます。最後に、姿勢や方向は、外部フレームと移動物体上に定義されたフレームとの関係によって記述できます。
車両の向きは通常、姿勢と呼ばれます。姿勢は通常、固定された基準フレームに対する車体に固定されたフレームの向きによって記述されます。姿勢は姿勢座標によって記述され、少なくとも3つの座標で構成されます。[1]
幾何学的な観点からは、方向を記述するさまざまな方法がいくつかの参照フレームのみを使用して定義されますが、エンジニアリング アプリケーションでは、これらのフレームがラボや移動中の物体にどのように取り付けられているかを記述することも重要です。
航空機における国際条約の特別な重要性のため、いくつかの組織が従うべき標準規格を発行しています。たとえば、ドイツのDINは航空機用のDIN 9300規格を発行しています[2]（ISOによってISO 1151–2 :1985として採用）。
地球境界軸の慣例
世界基準フレーム: ENU と NED
基本的に、ラボ フレームまたは参照フレームとして、フレームには 2 種類の規則があります。
- 地理で使用される東、北、上（ENU）
- 北、東、下（NED）、特に航空宇宙で使用される
このフレームは、地球中心地球固定 (ECEF) 非慣性システムなどのグローバル参照フレームを基準に参照されます。
姿勢記述のための世界基準フレーム
姿勢を記述する標準的な規則を確立するには、少なくとも参照システムの軸と剛体または車両の軸を確立する必要があります。あいまいな表記システム (オイラー角など) を使用する場合は、使用する規則も明記する必要があります。ただし、使用される表記法 (行列と四元数) のほとんどはあいまいではありません。
テイト・ブライアン角は、選択された基準フレームに対する車両の姿勢を表すためによく使用されますが、他の表記法も使用できます。車両の正のx軸は常に移動方向を指します。正のy軸とz軸については、2 つの異なる規則に従う必要があります。
- ENUシステム（東北上）を外部基準（ワールドフレーム）として使用する自動車や戦車などの陸上車両の場合、車両（車体）の正のy軸（ピッチ軸）は常に左を指し、正のz軸（ヨー軸）は常に上を指します。ワールドフレームの原点は車両の重心に固定されています。[3]
- 対照的に、外部基準 (ワールド フレーム)として NED システム (北東下) を使用する潜水艦、船舶、飛行機などの航空および海上車両の場合、車両 (車体) の正のy軸 (ピッチ軸) は常に右を指し、正のz軸 (ヨー軸) は常に下を指します。ワールド フレームの原点は車両の重心に固定されています。
- 最後に、スペースシャトルなどの宇宙船の場合、後者の慣例の修正版が使用され、船体（機体）の正のy軸またはピッチ軸は常に右を指し、正の z 軸またはヨー軸は常に下を指しますが、ここでの「下」には2つの異なる意味があります。いわゆるローカルフレームを外部基準として使用する場合、その正の z 軸は、前述の NED システムの場合と同様に「下」に地球の中心を指しますが、[4]慣性フレームを基準として使用すると、その正の z 軸は北天の極を指し、正の x 軸は春分点[5]またはその他の基準子午線を指します。
車両に搭載されたフレーム
特に航空機の場合、これらのフレームは、上下ラインで地上のフレームと一致する必要はありません。このコンテキストで ENU と NED が何を意味するかについて合意する必要があります。
陸上車両に関する条約
陸上車両の場合、電子安定制御や衛星ナビゲーションについて話す場合を除いて、車両の完全な方向を説明することはまれです。この場合、規則は通常、隣の図の RPY がロール、ピッチ、ヨーを表します。
海上車両に関する条約
航空機だけでなく、船やボートの運動にも同じ用語が使われている。よく使われる言葉の中には、海上航行で導入されたものがある。例えば、ヨー角や方位は航海用語に由来し、「進路から外れる」という意味である。語源的には、動詞「進む」と関連している。[6]方位の概念と関連している。通常は、略記法ψが割り当てられる。[7]
航空機のローカル基準フレームの規約
航空機の姿勢 (機首方位、仰角、バンク角) を表す座標は、通常、管制塔にある基準制御フレームを基準として与えられ、したがって、地球表面上の管制塔の位置を基準とした ENU になります。
航空機からの観測結果を表す座標は、通常、航空機の固有軸を基準として与えられますが、通常は、注目点が位置する下向きの座標を正として使用します。したがって、通常は NED です。
これらの軸は通常、X 軸が前方を指す縦軸、Z 軸が下を指す垂直軸、Y 軸がフレームが右回りになるように指す横軸として取られます。
航空機の動きは、多くの場合、これらの軸の周りの回転で説明されるため、X軸の周りの回転はローリング、Y軸の周りの回転はピッチング、Z軸の周りの回転はヨーイングと呼ばれます。
宇宙航行用フレーム
地球を周回する衛星では、赤道座標系を使用するのが一般的です。地球の赤道を天球に投影したものを天の赤道と呼びます。同様に、地球の北極と南極を投影したものが、それぞれ北天極と南天極になります。
深宇宙衛星は、黄道座標系のような他の天体座標系を使用します。
宇宙船を衛星として利用する地方大会
スペース シャトルやその他の宇宙船の RPY 角度。最初はローカル フレームを基準として使用し、次に慣性フレームを基準として使用します。
例えば、特定の天文観測を行うため、軌道上でシャトルを空に対して一定の姿勢に保つことが目的である場合、推奨される基準は慣性系であり、RPY角度ベクトル（0|0|0）は、シャトルの翼が地球の赤道と常に平行に保たれ、機首が常に春分点 を指し、腹部が北極星に向く姿勢を表します（図を参照）。（ロケットやミサイルは、航空機の慣例に従って、RPY角度ベクトル（0|0|0）が春分点ではなく北を指すのが一般的であることに注意してください）。
一方、シャトルを軌道上で地球の表面に対して一定の姿勢に保つことが目的である場合、推奨される基準はローカル フレームであり、RPY 角度ベクトル (0|0|0) は、シャトルの翼が地球の表面と平行になり、機首が機首方向を指し、腹部が地球の中心に向かって下を向く姿勢を表します (図を参照)。
態度を説明するために使用されるフレーム
通常、車両のローカル観測を記述するために使用されるフレームは、地上追跡ステーションに対する車両の姿勢を記述するために使用されるフレームと同じです。つまり、追跡ステーションで ENU フレームが使用されている場合、機上でも ENU フレームが使用され、これらのフレームはローカル観測の参照にも使用されます。
これが当てはまらない重要なケースは航空機です。航空機の観測は下向きに行われるため、通常は NED 軸規則が適用されます。ただし、地上局に対する姿勢が指定されている場合は、ローカル地球境界フレームと機内 ENU フレームの関係が使用されます。
参照
参考文献
- ^ Hanspeter Schaub ; John L. Junkins (2003). 「剛体運動学」。宇宙システムの解析力学。アメリカ航空宇宙学会。p. 71。ISBN 1-56347-563-4。
- ^ ルフトとラウムファルト; Begriffe、Größen und Formelzeichen der Flugmechanik。空軍飛行と大気圏の観察 [1]
- ^ NavCommand。iMAR 慣性測定および測量システムの操作と構成を行うソフトウェア。操作およびユーザー マニュアル。St.Ingbert 2007、str.11–12。http: //www.imar-navigation.de/download/nav_command_en.pdf 2006 年 9 月 23 日にWayback Machineにアーカイブされました。
- ^ 探査: ローカル・リファレンス・オービター姿勢(1995年9月18日) 「LVLH姿勢」。2007年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月8日閲覧。(2007 年以降記事は入手できなくなりました)
- ^ 探査:慣性基準軌道船姿勢(1995年10月3日) 「慣性姿勢」。2007年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月8日閲覧。(2007 年以降記事は入手できなくなりました)
- ^ 語源オンライン辞書 2010年11月15日アーカイブ、Wayback Machine
- ^ Hurt, HH Jr. (1965年1月) [1960].海軍飛行士のための空気力学. 米国政府印刷局、ワシントンDC：米国海軍、航空訓練部。p. 284。NAVWEPS 00-80T-80。