JP2009068779A

JP2009068779A - 水中航走体誘導方法及び装置

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Publication number: JP2009068779A
Application number: JP2007238234A
Authority: JP
Inventors: Tatsuaki Kikuchi; 龍明菊池; Satoru Miyazaki; 哲宮崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP4966794B2

Abstract

【課題】目標が母船から遠距離にある場合でも、水中航行体を精度良く目標に誘導する、誘導方法を得る。
【解決手段】水中航走体１０２から見た目標(体)１０４の方位情報を観測し、水中航走体１０２の母船１０１から見た目標１０４の方位情報および周波数情報を観測し、観測した方位情報及び周波数情報に基づいて、目標１０４の位置、針路及び速力を推定し、推定した目標１０４の位置、針路及び速力に対応して、水中航走体１０２の針路を決定し、決定した針路に水中航走体１０２を誘導する水中航走体１０２の誘導方法および装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、母船と通信を行い、母船から誘導される水中航走体の制御方法及び装置に関するものである。

移動する目標の方位もしくは方位と周波数のみが観測される状況において、これを利用して水中航走体を目標と会合させるように誘導する手法としては、母船に備えられたセンサで得られた観測情報のみに基づいて誘導諸元を決定する方法が提案されている。

特許文献１は、母船で観測した移動目標の方位に対し、距離を仮定しながら水中航走体を会合点まで誘導する方法であり、特許文献２は、母船で観測した移動目標の方位に対し水中航走体を誘導する上で、水中航走体の航走雑音が母船の観測を妨げないように航走させる方法である。

特開平3-282200公報特開平10-160399公報

特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、母船のセンサによる観測情報のみに基づいて誘導を行うものであるため、特に目標が母船から遠距離にある場合に、誘導に必要な目標の運動諸元を十分な精度で得ることができなかった。それに伴い水中航走体を高い確率で目標と会合させることが困難であった。

本発明の態様の一つは、水中航走体から見た目標(体)のの方位情報を観測し、水中航走体の母船から見た目標の方位情報および周波数情報を観測し、観測した方位情報及び周波数情報に基づいて、目標の位置、針路及び速力を推定し、推定した目標の位置、針路及び速力に対応して、水中航走体の針路を決定し、決定した針路に水中航走体を誘導する水中航走体の誘導方法および装置である。

本発明のさらに具体的な態様は、水中航走体の針路の決定に際し、推定した目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる水中航走体の誘導方法および装置である。

本発明による水中航走体誘導方法及び装置によれば、遠距離の目標に対しても、会合に有効な精度の運動諸元を早期に得ることができる。したがって誘導対象の水中航走体と目標とを高い確率で会合させることが可能となる。

［実施例］
以下、本発明を実施例の水中航走体誘導方法及び装置の形態について図面を参照して説明する。図１に実施例の構成を示す。101は母船であり、102は母船から発進し、母船101からの制御を受けつつ航走する水中航走体である。水中航走体102は音響センサ103を備え、移動する目標である104が発する音響信号を捉える。捉えた信号は通信ワイヤ等105を通じて、母船101に通知される。母船101も音響センサ106を備えており、これら2種の音響センサからの情報は母船101で解析され、目標104の運動諸元を割り出した後、誘導装置107を通して水中航走体102に制御情報が送られる。

図２は水中航走体102の誘導方法を実現するための機能ブロック図である。水中航走体102の音響センサ103は目標104からの音響信号を受信し、目標104の方位情報を母船101の目標運動解析部203に送出する。母船101の音響センサ106は、同様に目標104からの音響信号を受信し、目標104の方位、周波数の情報を目標運動解析部203に送出する。目標運動解析部203は、水中航走体音響センサ103と母船音響センサ106から受信した目標104の方位、周波数の情報から、目標104の位置、針路、速力を計算する。誘導制御部204は、目標運動解析部203から入力した目標104の位置、針路、速力をもとに、水中航走体102の針路を決定する。運動制御部205は誘導制御部204からの指示により水中航走体102の舵、推進器を制御する。

目標運動解析部203及び誘導制御部204は、図示を省略するが、CPU、メモリ、及び音響センサ１0６や水中航走体102との通信のためのインタフェイスを備えた演算装置である。運動制御部205も同様の構成であるが、小型化のために専用装置として構成されることがある。

図３は母船101の目標運動解析部203が、水中航走体102の音響センサ観測情報と母船101の音響センサ観測情報とを利用して実行する処理のフローチャートである。処理301では、水中航走体102の音響センサ103による方位観測情報を読み込む。処理302では、母船101の音響センサ106による方位観測情報を読み込む。

処理303では、目標104の状態ベクトル推定値の初期値を設定する。

処理304では、与えられた目標104の状態ベクトル推定値xと、それまでの観測時刻t_iにおける水中航走体102の位置情報_rmtx_i、rmty_iから、観測時刻t_iでの水中航走体102から見た推定目標方位g_i(x)を計算する。

処理305では、目標104の状態ベクトル推定値xと、観測時刻t_iにおける母船101の位置情報_shipx_i、shipy_iから、観測時刻t_iでの母船センサ106から見た推定目標方位h _i(x)を計算する。

処理306では、目標104の状態ベクトル推定値xと、観測時刻t_iにおける母船センサ106から見た推定目標方位h_i(x)と、観測時刻t_iにおける母船101の針路_shipc_iと、水中音速Cから、観測時刻t_iでの母船センサ106から見た推定目標周波数k_i(x)を計算する。

ここで、

処理307では、それまでの観測時刻t_iにおける水中航走体音響センサ103の観測方位情報_rmtθ_iと、処理304で求めた観測時刻t_iの推定目標方位g_i(x)との差分jg(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを水中航走体センサ方位残差jg_sum(x)として算出する。

処理308では、観測時刻t_iにおける母船音響センサ106の観測方位情報_shipθ_iと、処理305で求めた観測時刻t_iの推定目標方位h _i(x)との差分jh(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを母船音響センサ方位残差jh_sum(x)として算出する。

処理309では、観測時刻t_iにおける母船音響センサ106の観測周波数情報_shipf_iと、処理306で求めた観測時刻t_iの推定目標周波数k_i(x)との差分jk(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを母船音響センサ周波数残差jk_sum(x)として算出する。

処理310では、処理304で水中航走体音響センサ103からみた推定目標方位g_i(x)を計算するのに使用した式（2）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Gを求める。

処理311では、処理305で母船センサ106からみた推定目標方位h _i(x)を計算するのに使用した式（3）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Hを求める。

処理312では、処理306で母船センサ106からみた推定目標周波数k_i(x)を計算するのに使用した式（4）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Kを求める。

処理313では、処理307で求めた水中航走体センサ方位残差jg(x)、処理310で求めた微係数G、処理308で求めた母船センサ方位残差jh(x)、処理311で求めた微係数H、処理309で求めた母船センサ周波数残差jk(x)、および処理312で求めた微係数Kから、状態ベクトルxの更新量Δxを求める。なお、λは定数、Iは単位行列である。

処理314では、処理313で求めた状態ベクトルの更新量Δxを使用して、状態ベクトルxの値を更新する。

分岐315において、処理313で求めた状態ベクトルの更新量Δxが所定値以下となっていれば、その段階の状態ベクトルxを解として採用し、処理を終了する。状態ベクトルの更新量Δxが所定値より大きければ、処理304以降を状態ベクトルの更新量Δxが所定値以下となるまで繰り返す。これにより、目標104の運動諸元が正確に求められる。

図４は、母船101の誘導制御部204が、目標運動解析部203で求めた目標104の位置、針路、速力をもとに水中航走体102の針路を決定する処理の概念図である。

401は計算実行時点での水中航走体102の位置、402は水中航走体102の針路、403は水中航走体センサ103の覆閾、Φ_beam/2は水中航走体センサ103のビーム幅（半角値）である。405は目標運動解析部203で求めた目標104の位置、406は目標運動解析部203で求めた目標104の針路_tgtcであり、g_i(x)は水中航走体102の現在位置からみた目標104の方位である。

目標104の方位g_i(x)をもとに、水中航走体102への航走指示方位c_cmdを算出する。水中航走体102への指示針路は、水中航走体102の現在位置からみた解析目標の方位g_i(x)を、水中航走体センサ103のビーム内の所定角度Φ_lookに捉えるように決定する。Φ_lookは、水中航走体センサ103によって得られる観測方位が、目標運動解析処理203に対して有効性の大なるものとなるよう、水中航走体センサ103のビーム幅Φ_beam/2に極力近い値とし、かつ目標運動解析処理の結果である、目標運動解析部203で求めた目標104の位置405及び目標運動解析部203で求めた目標104の針路_tgtc406が内包する誤差、及び目標104と水中航走体102の相対運動の影響によって、目標104が水中航走体センサ103の覆閾から外れることを避けるために適切なマージンα（α≦1.0）をとり、Φ_beam/2よりやや小さい角度とする。

なお、目標運動解析処理203に対して有効性の大、すなわち、目標運動解析処理203によって高精度の結果を得るためには、水中航走体102から見た目標の方位変化率が大きいほうが良い。一般に、方位変化率を最大化する運動としては、目標を正横付近に見るように航走するのが理想であるが、一方これと同時に、水中航走体センサ103で目標を捕捉しておく必要がある。これらの条件を同時に満足するためには、センサのビーム幅内で極力正横に近い位置に目標を置くように、水中航走体の針路を決定すればよい。

これより、水中航走体102への航走指示方位c_cmdは、水中航走体102の現在位置からみた目標の方位g_i(x)から角度Φ_lookを減じた方位となる。

ここで、

410は、c_cmdに対応した水中航走体102への指示針路である。これにより、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探する確率を低く押えつつ、目標104の運動諸元を正確に求めるのに適した観測方位情報を得ることができる。
なお、式(19)に示すように、本誘導方式は、解析で求めた目標方位g_i(x)に対して航走指示方位c_cmdを求める方式をとっており、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探した場合でも、外挿計算によって得られるg_i(x)に基づいて誘導を継続することができる。

図５は、母船101の誘導制御部204が出力する指示針路に従って、水中航走体102の運動制御部205が航走を制御した場合の、水中航走体102の航跡の概念図である。501、502及び503は各時刻における水中航走体102からみた目標104の方位、504、505及び506はそれぞれ501、502及び503に対応した水中航走体102への指示針路である。507は水中航走体の航跡である。目標104を自己の針路から一定方向にみるように水中航走体102が運動する結果、航跡507は螺旋形に近い形状となる。これにより、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探する確率を低く押えつつ、得られた観測方位情報を使用して解析を行うことによって、目標104の正確な運動諸元を求めることができる。

図６〜図１３に、特許文献１による誘導法による水中航走体制御の計算機シミュレーションの結果と本実施例による水中航走体制御の計算機シミュレーションの結果を示す。

図６に特許文献１記載の、母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の水中航走体制御の航跡を、図７に本実施例の誘導法によって誘導した場合の水中航走体制御の航跡を示す。601、701は目標104の航跡、602、702は母船101の航跡、603、703は水中航走体102の航跡を示す。

図８に本実施例による目標までの距離の解析状況を示す。図９に同じく目標方位の解析状況を、図10に同じく目標速力の解析状況を、図11に同じく針路の解析状況を示す。いずれの図においても、水中航走体102は600秒の時点で航走を開始しており、この時刻以降の解析結果を比較すると、母船センサ106の観測情報のみを使って解析を行った場合に比べ、母船センサ106と水中航走体センサ103の観測情報を組み合わせて解析した方が、精度が向上していることが分かる。

図12に特許文献１記載の、母船センサ106の観測情報のみを使った誘導法によった場合の会合状況の集計結果を、図13に本実施例の誘導法によった場合の会合状況の集計結果を示す。図12及び図13はいずれも母船センサ106、水中航走体センサ103の観測方位を正規乱数によって変化させ、100回の試行を行った結果である。これと併せて、水中航走体102と目標104の間の距離が100m以下となった場合を会合成功とした場合の、会合成功となった回数の割合を会合成功率として示している。特許文献１記載の誘導法によった場合の会合成功率は24.0%、本実施例の誘導法によった場合の会合成功率は97.0%である。

実施例を構成を示す概念図である。実施例による水中航走体の誘導方法を実現するための機能ブロック図である。母船の目標運動解析部の処理フローチャートである。母船の誘導制御部が水中航走体の針路を決定する処理の概念図である。本実施例により水中航走体を制御した場合の、水中航走体の航跡の概念図である。母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の、水中航走体の航跡を示したグラフである。水中航走体の制御を本実施例によった場合の、水中航走体の航跡を示したグラフである。目標距離の解析状況を示したグラフである。目標方位の解析状況を示したグラフである。目標速力の解析状況を示したグラフである。目標針路の解析状況を示したグラフである。母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の、目標と水中航走体の会合状況を示したグラフである。水中航走体の制御を本実施例によった場合の、目標と水中航走体の会合状況を示したグラフである。

符号の説明

101…母船、102…水中航走体、103、106…音響センサ、104…目標(体)、203…目標運動解析部、204…誘導制御部、205…運動制御部。

Claims

水中航走体に備えた第１の音響センサにより目標の第１の方位情報を観測し、
前記水中航走体の母船に備えた第２の音響センサにより前記目標の第２の方位情報および周波数情報を観測し、
前記観測した第１の方位情報、第２の方位情報及び周波数情報に基づいて、前記目標の位置、針路及び速力を推定し、
前記推定した前記目標の位置、針路及び速力に対応して、前記水中航走体の針路を決定し、前記決定した針路に前記水中航走体を誘導する水中航走体の誘導方法。
前記水中航走体の針路の決定に際し、前記推定した前記目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる請求項１記載の水中航走体の誘導方法。
水中航走体に備え、目標の第１の方位情報を観測する第１の音響センサ、
前記水中航走体の母船に備え、前記目標の第２の方位情報および周波数情報を観測する第２の音響センサ、および
前記第１の音響センサからの前記第１の方位情報、前記第２の音響センサからの前記第２の方位情報及び周波数情報に基づいて、前記目標の位置、針路及び速力を推定し、前記推定した前記目標の位置、針路及び速力に対応して、前記水中航走体の針路を決定し、前記決定した針路に前記水中航走体を誘導する装置を有する水中航走体の誘導装置。
前記装置は、前記水中航走体の針路の決定に際し、前記推定した前記目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる請求項３記載の水中航走体の誘導装置。