JP2011038730A - 飛しょう体誘導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指向誤差による悪影響を効果的に軽減し命中精度を高めることの可能な飛しょう体誘導装置を提供すること。
【解決手段】ビーム指向角（Ｑ）とビーム指示角（λ）との指向誤差Δが極小となるポイントを予め計測する。また、目標との相対距離Ｒに基づく閾値判定により遠方モードと近接モードとの２つのモードに誘導モードを切替える。遠方モードにおいては電子走査型アンテナの全ての送受信モジュールを機能させて受信利得を稼ぐとともに、連続的なビーム指示角λを与えてビームを目標に指向させる。近接モードにおいてはこのモードへの切換の直前までに算出されたビーム指示角λに近いポイントに、ビーム指示角λを固定するとともに、一部の送受信モジュールのみを機能させ、アンテナアレイ面中央のアンテナ素子を用いることでビームを広角化する。
【選択図】 図８

Description

この発明は、移動する目標に向け飛しょう体を誘導する飛しょう体誘導装置に関する。

移動する目標を飛しょう体により追跡するために、誘導装置が用いられる。電子走査型のアンテナを備えて電波により目標を追跡する誘導装置においては、例えば非特許文献１の比例航法を利用できる。すなわち飛しょう体から見た目標の方向（目視線角σ）の時間微分量ｄσ／ｄｔに比例する誘導信号を生成し、この誘導信号により飛しょう体を操舵することで会合点にむけた誘導を実現できる。

電子走査型のアンテナが誘導装置の本体に固定されている場合には、誘導装置の空間内の向き（姿勢角）が飛しょう中に変化すると、目視線角の微分量がその影響を受けて変動する。これを避けるために空間安定化処理、すなわち姿勢角の変動量を打ち消す方向にビームの方向を指示する処理が必要になる。

以上のように飛しょう体の誘導信号を得るためには、ビームの方向を連続的に高い精度で走査することが必要となる。しかしながら現実的には、実際にビームが指向する方向（ビーム指向角）と、指示した方向（ビーム指示角）との間には誤差がある。この誤差（指向誤差）が誘導信号の生成に際して誤差要因となり、会合精度の低下を招くことが指摘されている。

Fundamentals of proportional navigation (Stephen A. Murtaugh, Harry E. Criel ), IEEE spectrum DECEMBER 1966

以上述べたようにビーム指示角と実際のビーム指向角との間にはある程度の誤差が避けられない。電子走査型のアンテナビームの指向誤差はアンテナの素子数に関係するので、飛しょう体への搭載のためアンテナ素子数を少なくせざるを得ないケースでは指向誤差は大きくなる。予めビーム指向特性を計測して補正する手法もあるが、高い精度を追及すればするほど事前の計測に多大な時間と労力を必要とし、誘導装置に記憶させるデータ量も膨大となる。指向誤差による悪影響を軽減し命中精度を高めるための新たな技術の提供が待たれている。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、指向誤差による悪影響を効果的に軽減し命中精度を高めることの可能な飛しょう体誘導装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、操舵装置を備える飛しょう体に搭載されこの飛しょう体を目標に誘導する飛しょう体誘導装置において、ビーム指向角およびビーム幅を可変可能な電子走査型のアンテナ部と、このアンテナ部を介して送受信したレーダ波により前記目標を捕捉する信号処理部とを具備し、この信号処理部は、前記目標から到来するレーダエコーから前記目標の誤差角および相対距離を算出する検出手段と、前記誤差角に基づいて、前記ビーム幅内において前記目標を追跡するためのビーム指示角を前記アンテナ部に与えるビーム方向演算手段と、前記飛しょう体の姿勢角を検出する姿勢角検出手段と、前記誤差角と、前記姿勢角と、前記ビーム指示角とに基づいて前記操舵装置を制御する誘導信号を生成する誘導信号生成手段と、前記相対距離が規定の閾値を超える状態で適用される第１モードと、当該相対距離が前記閾値以下の状態で適用される第２モードとに、前記相対距離に基づいて前記飛しょう体の誘導モードを切換えるモード切換手段とを備える飛しょう体誘導装置が提供される。

そして、モード切換手段により、第１モードにおいてはビーム指示角が連続的な値で前記アンテナ部に与えられる。この状態ではビーム指示角と現実のビーム指向角との間に誤差を生じるものの、遠方の目標に対する追跡が実現される。
またモード切換手段により、第２モードにおいてはビーム幅が第１モードにおけるビーム幅よりも広角に制御される。これにより目標がビーム幅内で移動したとしても目標を継続して追跡できる。さらにこの第２モードにおいては、ビーム指示角と前記アンテナ部の前記目標へのビーム指向角との誤差が極小となる値に、前記ビーム指示角が固定される。このような構成であるから、電子走査型アンテナの指向誤差の影響を最小にすることができ、誘導信号の精度を高められる。従って高い命中精度を実現することが可能になる。

この発明によれば、指向誤差による悪影響を効果的に軽減し命中精度を高めることの可能な飛しょう体誘導装置を提供することができる。

飛しょう体および目標と目視線角との関係につき示す図。 本発明の実施の形態において用いる角度を示す図。 目視線角の微分量を得るための制御系の一例を示す図。 ビーム指向角Ｑとビーム指示角λとの理想特性と実特性とを比較して示す図。 目視線角推定方式において用いられる制御系の一例を示す図。 図５の制御系において利用可能な制御方式の一例を示す図。 この発明に係わる飛しょう体誘導装置を搭載する飛しょう体を示す機能ブロック図。 図７の誘導装置３の実施の形態を示す機能ブロック図。 信号処理部２０における処理手順を示すフローチャート。 信号処理部２０における処理手順を示すフローチャート。 遠方モードと近接モードにおけるビームの差異を示す図。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。これに先立ち電子走査型アンテナにより目標を追跡する誘導装置に関して詳細に説明する。
図１に示すように、飛しょう体から見た目標方向、すなわち目視線角σを一定に保つように飛しょう体を誘導すれば、飛しょう体は最終的に目標に会合する。比例航法においては図１において目視線角の変化率ｄσ／ｄｔに比例する操舵を実施すると飛しょう体と目標は会合する。以下、図２に示す座標系で定められる角度を用いて説明する。図２において基準線に対する目標方向すなわち目視線角をσとし、基準線に対する機軸方向を機体姿勢角θとする。また、機軸方向とビーム方向との差をビーム指向角Ｑとし、ビームの中心（ボアサイト：ビーム方向）からの偏位角度（誤差角）をεとする。

図３は目視線角の微分量を得るための制御系の一例を示す図である。図３において誤差角εを検出し、これを積分することで目視線角の微分量を得ることができる。誘導信号δは次式（１）に示すように誤差角に追随ゲインＫを乗じて得られる。ビーム指向角Ｑの特性はｆ（λ）で表すことができ、目標の方向に連続的にビームを走査する角度追跡ループを構成する。ここでλはビーム指示角である。

図３に示す系により、誤差角εは近似的に目視線角σの微分量となり、ビーム幅内から目標が外れない角度追跡系が実現される。電子走査型のアンテナが誘導装置の本体に固定されている場合には、機体姿勢角θの変動を打ち消す方向にビームの方向を指示するようにする。このように誘導信号δを得るためには、ビームの方向を連続的に高い精度で走査することが必要となる。

しかしながら図４に示すように、ビーム指向角（Ｑ）はビーム指示角（λ）に対する誤差特性を持ち、Ｑ＝λとはならない。この特性を関数ｆ（λ）で表し、ビーム指向角Ｑの実特性はＱ＝ｆ（λ）と表される。Ｑとλとの差すなわち指向誤差Δは、ビーム指示角λに対してほぼランダムに生じ、この指向誤差Δにより誘導の精度が劣化する。つまりビーム指示角を連続的に変化させると指向誤差Δが不連続に変動し、誘導信号に誤差を発生させる。これが誘導精度を劣化させる一因となる。

このような事態への一つの対処として、機体姿勢角θ、ビーム指示角λ、および誤差角εから目視線角を算出し、この算出した目視線角を微分処理することで誘導信号を生成する方式（目視線角推定方式）がある。この方式は例えば図５に示す系を用いて、機体姿勢角θ（レートセンサ出力の積分値）と、誤差角εおよびビーム指示角λの和から推定目視線角を得て、その微分値の一次遅れの値を誘導信号δとするものである。

図５の処理系において、図２からも参照されるように推定目視線角は式（２）により表現される。

式（２）の推定目視線角の時間微分は式（３）により表される。

図６は、目視線角推定方式において利用可能な制御方式の一例を示す図である。例えば図中Ａ，Ｂ，Ｃの３点に示されるように指向誤差Δの小さいビーム方向、つまり一点差線で示される理想特性と実線で示される実特性とがほぼ一致するポイントがある。これは運用前の事前計測により求めることが可能である。そこでこれらのポイントをメモリしておき、ビームの指示方向をこれらのポイントに限定することで指向誤差Δの影響を最小にすることができる。また、目視線角推定方式ではビームの指示方向を限定しても、そのビーム指示間隔を、計測される誤差角εで補間することができるので、結果として、指向誤差Δが低減したことになる。よって誘導信号の精度を高めることができる。

しかしながら目標方向の変化や飛しょう中の姿勢角が大きく変化すると、ビーム幅から目標が外れないようにビーム指示方向を変更しなくてはならず、上記高精度を得られるポイントを外れて指向誤差の影響を受けることになる。以下ではこのような事態に対処可能な実施形態につき説明する。

図７は、この発明に係わる飛しょう体誘導装置を搭載する飛しょう体を示す機能ブロック図である。すなわちこの実施形態における飛しょう体誘導装置は、飛しょう体に搭載して使用される。
図７において、飛しょう体２は例えばその先端に誘導装置３を、後端に操舵装置４を搭載する。誘導装置３は目標１に向けレーダ波（送信波）を送信し、この送信波が目標１に反射されて戻るエコー（受信波）を受信し信号処理して、目標１の方向を検出する。この検出した方向から、誘導装置３は飛しょう体２が目標１を追跡するための操舵指令信号を生成して操舵装置４に出力する。

図８は、図７の誘導装置３の実施の形態を示す機能ブロック図である。誘導装置３の構成は、大きくアンテナ部５、励振受信器９、および信号処理部２０の各ブロックに分けられる。アンテナ部５は複数のアンテナ素子６１〜６ｎと、アンテナ素子毎に接続される送受信モジュール７１〜７ｎとを備え、ビーム指向角およびビーム幅を可変可能な電子走査型アンテナとして構成される。送受信モジュール７１〜７ｎは高周波信号分配合成器８に接続され、アンテナ制御器１９により送信波、受信波の移相量および振幅が制御される。

信号処理部２０は、目標検出器１０、距離検出器１１、角度検出器１２、ビーム方向演算器１３、姿勢角検出器１４、誘導信号生成器１５、操舵信号生成器１６、及びモード判定器１７を備える。

図８において、送受信モジュール７１〜７ｎの全てに、目標１の方向にビームを形成すべく移相量データが設定される。この実施形態では、目標１が遠方にあれば全ての送受信モジュールを機能させて狭角ビームを形成する。この状態で電波が目標１に向けて送信され、反射された電波がアンテナ部５において受信される。

アンテナ部５に到達した反射波は高周波信号分配合成器８に入力され、和信号（Σ信号）および差信号（Δ信号）が生成される。Σ信号、Δ信号ともに励振受信器９に入力され、周波数変換などの処理を経て目標検出器１０に入力される。目標検出器１０はΣ信号から目標信号の有無を判定する。目標信号有りと判定すると、距離検出器１１に与えられたΣ信号に基づいて誘導装置３と目標１との相対距離Ｒが算出される。

一方、Δ信号は目標検出器１１を経て角度検出器１２に与えられ、Δ信号に基づく誤差角εが算出される。この誤差角εはビーム方向演算器１３に与えられ、ビーム指示角λが計算される。このとき上記算出された相対距離Ｒが規定の閾値よりも大きければ、つまり目標１が遠方にあれば、計算結果はそのままビーム指示角λとして連続的な数値として出力される。

ビーム指示角λはアンテナ制御器１９に出力されて、アンテナ制御器１９において全ての送受信モジュール７への移相量データが算出される。目標１が遠方である場合には、全ての送受信モジュール７が駆動され、移相量データが与えられる。

また姿勢角検出器１４において飛しょう中の機体姿勢角θが検出され、誤差角ε、ビーム指示角λとともに誘導信号生成器１５に入力される。誘導信号生成器１５は図５の系統図に示す目視線角推定方式に従って誘導信号δを算出する。この誘導信号δは操舵信号生成器１６に入力され、飛しょう体２を操舵するための操舵指令信号が操舵装置４に出力される。

この間、モード判定器１７は距離検出器１１にて検出された相対距離Ｒと上記閾値とを比較し、両者の大小関係を常時判定している。相対距離Ｒが閾値以下であると判定すると、モード判定器１７はビーム方向演算器１３に「離散指定」を指示し、同時にアンテナ制御器１９に「広角指定」を指示する。

これ以降、アンテナ制御器１９は例えばアンテナ部５の中心付近に位置する一部の送受信モジュール７のみを機能させ、他の送受信モジュール７を機能停止させることでビーム幅を広角化する。また、ビーム方向演算器１３では、それまでに計算した直前のビーム指示角λに近い特定のビーム指示角λに固定する。この指示角λは予め計測されたデータに基づき、ビーム指向角Ｑとビーム指示角λとの差（指向誤差Δ）が極小となるポイントである。なお極小とは最小値とは限らず、要するに指向誤差Δが一定値以下であればよい。また極小ポイントは図６のポイントＡ，Ｂ，Ｃに示すように、広間隔の複数の点を採用するのが好ましい。

以上の処理は信号処理部２０により実施される。図９および図１０は、信号処理部２０における処理手順を示すフローチャートである。
図９において、励振受信器９からΣ信号（Σ系高周波信号）およびΔ信号（Δ系高周波信号）が信号処理部２０に入力されると（ステップＳ１）、まず目標の有無が検出される（ステップＳ２）。目標が検出されれば（ステップＳ３で有）、目標までの相対距離Ｒの検出処理（ステップＳ４）、誤差角εの検出処理（ステップＳ５）が実施される。この誤差角と、飛しょう体の機体姿勢角θ、およびその時点のビーム指示角λとともに誘導信号が算出され（ステップＳ６）、さらに操舵指令信号が算出されて（ステップＳ７）この操舵指令信号が操舵装置４に出力される（ステップＳ８）。

次に、飛しょう体２の誘導モードを切換えるためのモード判定処理が実施される（ステップＳ９）。モード判定処理においてはまず、目標までの相対距離Ｒと規定の閾値との大小比較により、誘導モードを遠方モード、あるいは近接モードのいずれに切換えるかが判定される（ステップＳ９１）。例えば追跡の初期段階など、目標が遠方にあるケースでは遠方モードへの切換がなされる。

遠方モードにおいては送受信モジュール７１〜７ｎの全てに対して（有効）のフラグが立てられ（ステップＳ９２）、また、連続的な値のビーム指示角を与えることを示す（連続）がビーム指示方向フラグに設定される（ステップＳ９３）。近接モードにおいては送受信モジュール７１〜７ｎのうち中央付近に位置するモジュールのみに（有効）のフラグが立てられ（ステップＳ９４）、また、離散的な値のビーム指示角を与えることを示す（離散広間隔）がビーム指示方向フラグに設定される（ステップＳ９５）。各フラグに基づいて送受信モジュールおよびビーム指示方向が制御される。

次に、処理手順は図１０のビーム方向計算処理に移る（ステップＳ１０）。図１０において、まず角度検出器１３から誤差角εが入力され（ステップＳ１１）、ビーム指示角が計算される（ステップＳ１２）。そののちビーム指示方向に設定されているフラグが（連続）あるいは（離散）のいずれであるかがチェックされる（ステップＳ１３）。フラグが（連続）であれば連続的なビーム指示方向に基づく制御が行われ、処理手順は図９のステップＳ１から再び繰り替えされる。
フラグが（離散）であれば、図６のいずれかのポイントＡ，Ｂ，Ｃのうち、算出されたビーム指示方向に近いポイントにビーム指示角λが固定される。このときビーム幅は広角化されており、ビーム指示角を固定しつつも目標は継続的に捕捉される。

図１１に示すように、目標が遠距離に位置する遠方モードにおいてはアンテナ面の全てのアンテナ素子を機能させ、受信利得を最大にしつつ狭角ビームによる追跡処理が行われる。このモードではビーム指示角λが連続的に可変され、目標の移動につれビームを振る必要がある。この状態から飛しょう体と目標とが接近してゆくと近接モードに移行し、アンテナ面の中央に位置するアンテナ素子を機能させることで広角ビームを形成し、目標が移動してもビーム角を固定したままの状態を保つことができる。

以上説明したようにこの実施形態では、ビーム指向角（Ｑ）とビーム指示角（λ）との指向誤差Δが極小となるポイントを予め計測する。また、目標との相対距離Ｒに基づく閾値判定により遠方モードと近接モードとの２つのモードに誘導モードを切替える。遠方モードにおいては電子走査型アンテナの全ての送受信モジュールを機能させて受信利得を稼ぐとともに、連続的なビーム指示角λを与えてビームを目標に指向させる。近接モードにおいてはこのモードへの切換の直前までに算出されたビーム指示角λに近いポイントに、ビーム指示角λを固定するとともに、一部の送受信モジュールのみを機能させ、アンテナアレイ面中央のアンテナ素子を用いることでビームを広角化するようにする。

このようにしたので、目標が遠方にある段階では狭角のビーム幅で連続的なビーム走査により目標の追跡が実施される。その後、目標に接近した段階でビーム指向方向を固定するとともにビーム幅を広角にし、特定方向にビームを指向させつつも目標を見失うこと無く追跡処理を継続することができる。このとき、固定されたビーム位置は指向誤差が極小の位置であることから誘導信号の精度を高めることができ、ひいては飛しょう体の目標への命中精度を高めることが可能になる。これらのことから、指向誤差による悪影響を効果的に軽減することが可能になり、命中精度を高めた飛しょう体誘導装置を提供することが可能となる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

１…目標、２…飛しょう体、３…誘導装置、４…操舵装置、５…アンテナ部、９…励振受信器、２０…信号処理部、１０…目標検出器、１１…距離検出器、１２…角度検出器、１３…ビーム方向演算器、１４…姿勢角検出器、１５…誘導信号生成器、１６…操舵信号生成器、１７…モード判定器、６１〜６ｎ…アンテナ素子、７１〜７ｎ…送受信モジュール、８…高周波信号分配合成器、１８…アンテナ制御装置

Claims (3)

1. 操舵装置を備える飛しょう体に搭載されこの飛しょう体を目標に誘導する飛しょう体誘導装置において、
   ビーム指向角およびビーム幅を可変可能な電子走査型のアンテナ部と、
   このアンテナ部を介して送受信したレーダ波により前記目標を捕捉する信号処理部とを具備し、
   この信号処理部は、
   前記目標から到来するレーダエコーから前記目標の誤差角および相対距離を算出する検出手段と、
   前記誤差角に基づいて、前記ビーム幅内において前記目標を追跡するためのビーム指示角を前記アンテナ部に与えるビーム方向演算手段と、
   前記飛しょう体の姿勢角を検出する姿勢角検出手段と、
   前記誤差角と、前記姿勢角と、前記ビーム指示角とに基づいて前記操舵装置を制御する誘導信号を生成する誘導信号生成手段と、
   前記相対距離が規定の閾値を超える状態で適用される第１モードと、当該相対距離が前記閾値以下の状態で適用される第２モードとに、前記相対距離に基づいて前記飛しょう体の誘導モードを切換えるモード切換手段とを備え、
   このモード切換手段は、
   前記第１モードにおいては前記ビーム指示角を連続的な値で前記アンテナ部に与える手段と、
   前記第２モードにおいては前記ビーム幅を前記第１モードにおけるビーム幅よりも広角とするビーム幅可変手段と、
   前記第２モードにおいては、前記アンテナ部に与えられるビーム指示角と前記アンテナ部の前記目標へのビーム指向角との誤差が極小となる値に、前記ビーム指示角を固定する手段とを備えることを特徴とする飛しょう体誘導装置。
2. 前記アンテナ部は、複数のアンテナ素子と、これらのアンテナ素子ごとに設けられる送受信モジュールとを備え、
   前記ビーム幅可変手段は、前記第１モードにおいては全ての送受信モジュールを機能させ、前記第２モードにおいては一部の送受信モジュールを機能させることで前記ビーム幅を可変することを特徴とする請求項１に記載の飛しょう体誘導装置。
3. 操舵装置を備える飛しょう体に搭載されこの飛しょう体を目標に誘導する飛しょう体誘導装置において、
   与えられるビーム指示角によりアンテナビーム方向を可変可能なアンテナと、
   前記飛しょう体の機体姿勢角と、前記目標への誤差角と、前記ビーム指示角とから算出される推定目視線角の微分値により前記操舵装置を制御するための誘導信号を生成する誘導信号生成手段と、
   前記ビーム指示角と前記アンテナビームの指向角との誤差が極小となるポイントを予め計測する計測手段と、
   前記飛しょう体と前記目標との相対距離が規定の閾値以下のモードで、前記アンテナビームのビーム幅を広角化するビーム制御手段と、
   前記モードにおいて、前記計測されたポイントに前記ビーム指示角を固定する手段とを具備することを特徴とする飛しょう体誘導装置。

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