JP2018151087A - 飛しょう体誘導装置及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】高速で降下飛行する目標であっても、飛しょう体に対する誘導誤差の悪化を抑制することができる飛しょう体誘導装置を得ること。【解決手段】飛しょう体誘導装置１００は、追尾フィルタ３０が推定した目標位置及び目標速度の情報を基に、将来の目標位置及び将来の目標速度を予測する経路予測部４０を備える。経路予測部４０は、目標の旋回性能を決める目標諸元を逐次推定して更新する目標諸元推定部４８と、目標諸元推定部４８によって更新された目標諸元と、追尾フィルタ３０の出力情報とに基づいて、将来の目標位置及び目標速度を予測するダイブ経路混合処理部４７と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、目標の飛行経路を予測し、予測した目標に対して飛しょう体を誘導する飛しょう体誘導装置及びそのプログラムに関する。

目標の飛行経路の予測手法を開示した文献に下記特許文献１がある。特許文献１では、標的の位置、速度の情報を入力とし、複数の追尾フィルタごとに、目標の将来位置及び将来速度を予測すると共に、予測した複数の予測経路の候補から、１つの予測経路を選択している。

特開２００８−２２４１１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来手法では、予測経路を切り替えた際に、飛しょう体誘導点の急峻な切り替わりが発生し、高速で降下飛行する目標すなわち高速で飛行するダイブ目標に対しては、誘導誤差が大きくなるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速で降下飛行する目標であっても、飛しょう体に対する誘導誤差の悪化を抑制することができる飛しょう体誘導装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る飛しょう体誘導装置は、複数の追尾フィルタが推定した目標位置及び目標速度の情報を基に、将来の目標位置及び将来の目標速度を予測する経路予測部を備える。経路予測部は、目標の旋回性能を決める目標諸元を逐次推定して更新する目標諸元推定部と、目標諸元推定部によって更新された目標諸元と、複数の追尾フィルタの出力情報とに基づいて、将来の目標位置及び目標速度を予測する予測経路算出部と、を備える。

本発明によれば、高速で降下飛行する目標であっても、飛しょう体に対する誘導誤差の悪化を抑制することができる、という効果を奏する。

実施の形態に係る飛しょう体誘導装置を含む飛しょう体システムの機能概念図 図１に示した飛しょう体の典型的な機能構成を示すブロック図 実施の形態に係る追尾フィルタ、経路予測部及び要撃誘導計算部の各機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 図１に示した追尾フィルタの説明に供するブロック図 図１に示した経路予測部の説明に供するブロック図 図５に示したダイブ経路算出部の処理の説明に供する図

以下に、本発明の実施の形態に係る飛しょう体誘導装置及びそのプログラムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る飛しょう体誘導装置を含む飛しょう体システムの機能概念図である。実施の形態に係る飛しょう体誘導装置１００は、図１に示すように、センサ装置２０、追尾フィルタ３０、経路予測部４０、及び要撃誘導計算部６０を含む。飛しょう体誘導装置１００と、飛しょう体７０とによって、飛しょう体誘導システムが構成される。飛しょう体誘導システムは、目標１０を探知及び追尾して、飛しょう体７０を目標１０に指向させるシステムである。

センサ装置２０は、目標１０の位置及び速度を検出する機能を備えており、当該機能によって目標１０を捕捉及び追尾する。センサ装置２０が観測した目標１０の観測情報である観測値２１は、追尾フィルタ３０及び経路予測部４０に入力される。詳細は後述するが、追尾フィルタ３０は、複数の追尾フィルタを有する。

追尾フィルタ３０は、目標１０の観測値２１を基に、目標の位置情報である目標位置、及び目標の速度情報である目標速度を推定する。追尾フィルタ３０によって推定された目標位置及び目標速度３３は、経路予測部４０に入力される。

経路予測部４０は、追尾フィルタ３０が推定した目標位置及び目標速度３３及び目標１０の観測値２１を基に、将来の目標位置、及び将来の目標速度を予測する。以下、適宜、目標位置の予測情報を「予測目標位置」と呼び、目標速度の予測情報を「予測目標速度」と呼ぶ。なお、追尾フィルタ３０によって推定された目標位置及び目標速度３３は、推定した時点すなわち現時点における目標の位置情報及び速度情報であるのに対し、経路予測部４０によって予測された予測目標位置及び予測目標速度５１は、推定した時点よりも先の時刻すなわち将来のある時点における目標位置目標速度の予測情報である。経路予測部４０によって予測された予測目標位置及び予測目標速度５１は、要撃誘導計算部６０に入力される。

要撃誘導計算部６０は、経路予測部４０が予測した予測目標位置及び予測目標速度５１を基に、誘導諸元６１を計算する。誘導諸元６１には、少なくとも、飛しょう体７０と目標１０との会合点すなわち会合位置の予測値、及び、飛しょう体７０と目標１０とが会合するときの会合時間の予測値の情報が含まれている。要撃誘導計算部６０が計算した誘導諸元６１は、飛しょう体７０に入力される。

なお、図１は、実施の形態に係る飛しょう体システムを機能単位に区分して示した図であり、機能の分担をシステムの構成に応じて変更してもよいことは言うまでもない。センサ装置２０の機能の一部は、飛しょう体７０に搭載されていてもよい。また、要撃誘導計算部６０の機能の一部は、飛しょう体７０に搭載されていてもよい。

図２は、図１に示した飛しょう体７０の典型的な機能構成を示すブロック図である。飛しょう体７０は、誘導制御部７１、操舵装置７２、推力変更装置７３、推進装置７４及びシーカ装置７５を備える。シーカ装置７５は、終末誘導に使用するセンサ装置である。推力変更装置７３の一例には、図２にも記載したサイドスラスタが挙げられる。

飛しょう体７０は、誘導諸元６１を基に、飛しょう体７０の旋回指令を計算する。飛しょう体７０は、計算した旋回指令に従って物理的な加速度を発生する。飛しょう体７０は、発射後、推進装置７４によって加速する。誘導制御部７１は、誘導諸元６１に基づいて旋回指令を計算する。飛しょう体７０は、操舵装置７２及び推力変更装置７３を使用して、誘導制御部７１が計算した旋回指令に基づく物理的な加速度を発生し、目標１０との会合点に向かって飛しょうする。要撃誘導計算部６０から入力された誘導諸元６１が更新された場合、飛しょう体７０は、誘導諸元６１の更新値に従って飛しょうする。終末期の誘導フェーズでは、飛しょう体７０は、シーカ装置７５によって終末誘導を実施する。

図３は、実施の形態に係る追尾フィルタ３０、経路予測部４０及び要撃誘導計算部６０の各機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

追尾フィルタ３０、経路予測部４０及び要撃誘導計算部６０の各機能を実現する場合には、図３に示すように、各種の演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）８２と、外部の装置又は機能部との間の入出力インタフェースである入出力部８３と、プログラム格納領域及びデータ格納領域を含むＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８４と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８５とを備えたコンピュータ８０を用いることができる。ＣＰＵ８２は、マイクロプロセッサ、マイコン、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。

ＲＯＭ８５には、各種処理のためのプログラム及び各種処理において参照されるデータベースが格納されている。プログラム及びデータベースは、ＲＯＭ８５以外に、読み取り及び書き込みが可能な記録媒体に記録されたものでもよい。記録媒体は、ハードディスク装置、可搬型記録媒体であるＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク、ＵＳＢメモリ、又は、半導体メモリであるフラッシュメモリの何れであってもよい。

プログラムは、ＲＡＭ８４にロードされる。ＣＰＵ８２は、ＲＡＭ８４内のプログラム格納領域にてプログラムを展開し、入出力部８３を介して必要な情報の授受を行うことにより、各種処理を実行する。ＲＡＭ８４内のデータ格納領域は、各種処理の実行における作業領域とされる。上述した機能及び後述する各部の処理機能は、ＣＰＵ８２を使用して実現される。

なお、図３では、追尾フィルタ３０、経路予測部４０及び要撃誘導計算部６０の各機能を個別のコンピュータ８０で実現する例を示しているが、追尾フィルタ３０、経路予測部４０及び要撃誘導計算部６０のうちの幾つかをまとめて、同一のコンピュータで構成してもよい。

図４は、図１に示した追尾フィルタ３０の説明に供するブロック図である。追尾フィルタ３０は、図４に示すように、相対的に感度の低い第１の追尾フィルタである低感度フィルタ３１と、第１の追尾フィルタよりも感度の高い第２の追尾フィルタである高感度フィルタ３２を備えている。

センサ装置２０から出力された目標１０の観測値２１は、低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２に入力される。低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２は共に、目標１０の位置及び速度の推定値を演算する。低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２は、現処理時刻よりも１単位前の処理時刻における目標１０の位置及び速度を推定した推定値と、センサ装置２０から出力される観測値２１、すなわち目標１０の現在の位置及び速度を観測した観測値とに基づき、目標１０の現処理時刻における位置及び速度の推定値を演算する。位置及び速度の推定値は、「平滑値」とも呼ばれる。

位置及び速度の推定値を演算する際、高感度フィルタ３２は、目標１０の観測値に近い値を出力する。すなわち、高感度フィルタ３２の出力は、目標１０の観測値の変動の影響を受けやすい特性を有する。これに対し、低感度フィルタ３１は、経路予測部４０が予測する予測値に近い値を出力する。すなわち、低感度フィルタ３１の出力は、目標１０の観測値の変動の影響を受けにくい特性を有している。なお、上述の通り、低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２の出力は、経路予測部４０に入力される。以下、低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２の出力を識別するため、低感度フィルタ３１の出力を「低感度フィルタ出力３３ａ」と表記し、高感度フィルタ３２の出力を「高感度フィルタ出力３３ｂ」と表記する。

図５は、図１に示した経路予測部４０の説明に供するブロック図である。経路予測部４０は、図５に示すように、運動判別処理部４１、ダイブ経路算出部４３，４４、ダイブ経路混合処理部４７及び目標諸元推定部４８を備えている。

図５に示すように、低感度フィルタ出力３３ａは、運動判別処理部４１とダイブ経路算出部４３と目標諸元推定部４８とに入力され、高感度フィルタ出力３３ｂは、運動判別処理部４１とダイブ経路算出部４４と目標諸元推定部４８とに入力される。すなわち、図５にも括弧書きで示すように、ダイブ経路算出部４３は、低感度フィルタ３１に対応して設けられたダイブ経路の算出部であり、ダイブ経路算出部４４は、高感度フィルタ３２に対応して設けられたダイブ経路の算出部である。

運動判別処理部４１は、低感度フィルタ出力３３ａと、高感度フィルタ出力３３ｂとのうちで、何れのフィルタ出力が実際の目標経路に一致しているかを、観測値２１と、それぞれのフィルタ出力との差分を基に判定する。運動判別処理部４１の判定結果は、ダイブ経路算出部４３及びダイブ経路算出部４４の双方に入力される。

ダイブ経路算出部４３は、低感度フィルタ出力３３ａと、運動判別処理部４１の判定結果とに基づいて、第１の予測経路である予測経路４６ａを算出する。予測経路４６ａには、時間経過によって推移する目標１０の将来位置及び将来速度の情報が含まれている。予測経路４６ａは、経路予測部４０における最終的な予測経路算出部であるダイブ経路混合処理部４７に入力される。

図６は、図５に示したダイブ経路算出部４４の処理の説明に供する図である。図６では、飛しょう体７０の発射装置を座標原点にとり、ダイブ飛行する目標１０の鉛直面内における３つの目標予測経路を示している。

図６において、破線で示す目標予測経路４６ｂ−１は、目標１０において旋回加速度の発生がないと仮定した場合の目標１０の予測飛行経路である。図示のように、目標予測経路４６ｂ−１は、直線経路となる。

太実線で示す目標予測経路４６ｂ−２は、目標１０の機体形状、重量及び容積といったパラメータから推定された旋回加速度を考慮して予測された目標１０の予測飛行経路である。機体パラメータから推定された旋回加速度は、「機体発生可能旋回加速度」と言い換えてもよい。

細実線で示す目標予測経路４６ｂ−３は、機体発生可能旋回加速度と、高感度フィルタ出力３３ｂとを基に加速度の割合を算出し、加速度の発生比が一定と仮定して求めた旋回加速度を使用して予測された目標１０の予測飛行経路である。

具体的に、ダイブ経路算出部４４は、次式を用いて、目標予測位置、目標予測速度及び目標予測加速度を算出する。

ここで、上記（１）式における記号の意味は、以下の通りである。
ｘ_ｔｇｔ：目標予測位置
ｘ^ｔ _ｔｇｔ：時刻ｔにおける目標予測位置
ｖ_ｔｇｔ：目標予測速度
ｖ^ｔ _ｔｇｔ：時刻ｔにおける目標予測速度
ａ_ｔｇｔ：目標予測加速度
ａ_ｆ：目標加速度の平滑値
ａ_ｍａｘ：目標加速度の平滑値ａ_ｆの計算時刻における目標加速度の最大値
ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３：重力補正値
ρ：時刻ｔにおける大気密度
Ｓ：基準面積推定値
Ｃ：空力係数推定値
ｍ：質量推定値

ここで、本明細書では、上記（１）式の右辺に現れる計算諸元のうちで“Ｓ・Ｃ／ｍ”を「目標諸元」と呼ぶ。目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍは、目標１０の旋回性能を決める係数である。なお、目標１０が弾道ミサイルの場合、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍは「弾道係数」と呼ばれることがある。

基準面積推定値Ｓ、空力係数推定値Ｃ及び質量推定値ｍは、従来の処理では既知の値として扱われていた。これに対し、実施の形態では、目標諸元推定部４８によって目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍが逐次推定されて更新され、更新された目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍがダイブ経路算出部４４に入力される構成とされている。

ダイブ経路算出部４４は、高感度フィルタ出力３３ｂと、運動判別処理部４１の判定結果と、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍとに基づいて、第２の予測経路である予測経路４６ｂを算出する。算出された予測経路４６ｂは、ダイブ経路混合処理部４７に入力される。

次に、実施の形態における目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍの推定手法について説明する。図５に示すように、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍは、目標諸元推定部４８によって推定される。

（目標諸元の推定手法：第１の手法）
目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを推定する第１の手法は、目標１０の観測値２１に含まれる情報の中から、少なくとも巡航高度、巡航速度及びセンサ受信強度を使用して推定する手法である。目標１０の巡航高度、巡航速度、センサ受信強度に対応した、弾道係数の基準面積推定値Ｓ、空力係数推定値Ｃ及び質量推定値ｍは、データベースに格納されている。目標諸元推定部４８は、低感度フィルタ出力３３ａ及び高感度フィルタ出力３３ｂを基に、目標１０の巡航高度、巡航速度及びセンサ受信強度の情報を逐次更新しつつ、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍの値を演算してダイブ経路算出部４４に付与する。なお、目標１０の空力形状は推定可能であり、目標１０の追随時間が長くなるほど、より確定的となる。すなわち、目標１０の追随時間が長くなるほど、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍの推定精度は高くなる。また、目標１０の着弾までの時間が短くなるにしたがって、直進に近い運動を行うと考えることができる。このため、図５の構成のように、低感度フィルタ出力３３ａ及び高感度フィルタ出力３３ｂの双方を入力する構成としておけば、予測演算に適した何れか一方のフィルタ出力、もしくは、双方のフィルタ出力を使用して予測経路を演算することが可能となる。

（目標諸元の推定手法：第２の手法）
目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを推定する第２の手法は、低感度フィルタ出力３３ａに含まれる位置及び速度の情報と、高感度フィルタ出力３３ｂに含まれる旋回加速度及び加減速加速度の情報とを基に、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを推定する手法である。目標諸元推定部４８は、ダイブ経路算出部４４の算出結果である予測経路４６ｂと高感度フィルタ出力３３ｂとの差異を比較し、当該差異がより小さくなるように、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを逐次変更して行く。

（目標諸元の推定手法：第３の手法）
目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを推定する第３の手法は、外部のシステムから、推定済みの諸元情報を受領して初期値に設定し、その後の演算は、上述した第１の手法又は第２の手法を用いるものである。外部のシステムから目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍの正確な情報を受領して初期値に設定することにより、初期段階での追尾誤差を小さくすることができ、追尾外れが起こる確率を小さくできるという利点がある。

従来手法では、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍは固定値を用いていたため、追尾フィルタに事前設定された諸元と大きく異なる目標に対しては、予測精度が悪く、誘導誤差の拡大を招いていた。これに対し、本実施の形態では、目標諸元Ｓ・Ｃ／ｍを逐次推定して更新しているので、予測精度を高めることができ、誘導誤差の拡大を抑制することが可能となる。

次に、ダイブ経路混合処理部４７について説明する。図５に示すように、ダイブ経路混合処理部４７には、ダイブ経路算出部４３が算出した予測経路４６ａの情報と、ダイブ経路算出部４４が算出した予測経路４６ｂの情報とが入力される。ダイブ経路混合処理部４７は、予測経路４６ａと、予測経路４６ｂとを、それぞれの信頼度に基づいて混合する処理を行う。具体的に、ダイブ経路混合処理部４７は、次式を用いて、予測経路混合結果５２を演算する。

ここで、上記（２）式における記号の意味は、以下の通りである。
ｘ_{ｔｇｔ_ｍ}：予測経路混合結果５２
ｘ_ｔｇｔ：観測値２１
ａ：予測経路４６ａ
ｂ：予測経路４６ｂ
σ_ａ ^２：予測経路４６ａの分散
σ_ｂ ^２：予測経路４６ｂの分散
Ｋ：重み付け係数

上記（２）式において、Ｋ＝０の場合は、予測経路４６ａの出力が予測経路混合結果５２となり、Ｋ＝１の場合は、予測経路４６ｂの出力が予測経路混合結果５２となる。また、重み付け係数Ｋは、上記（１）式における第２式によって計算されるので、予測経路４６ａ及び予測経路４６ｂが出力されているときには、第２式によって計算された０＜Ｋ＜１の範囲の値をとる重み付け係数Ｋによって重み付けされた値が出力される。これにより、要撃誘導計算部６０に付与する予測経路の精度が向上し、飛しょう体７０を誘導する際の誘導誤差を低減することが可能となる。

なお、上記(２)式は、追尾フィルタの数が２つの場合を例示したが、追尾フィルタの数が３つ以上の出力に拡張して適用することも可能である。

また、上記実施の形態では、低感度フィルタ３１及び高感度フィルタ３２という２種類の追尾フィルタを例示したが、３種類以上に区分された追尾フィルタを有していてもよい。

また、上記実施の形態では、高速で降下飛行する目標について説明したが、あらゆる飛行目標に適用可能であることは言うまでもない。

以上説明したように、本実施の形態に係る飛しょう体誘導装置によれば、目標の旋回性能を決める目標諸元を逐次推定して更新し、更新した目標諸元と、追尾フィルタが推定した目標位置及び目標速度の情報を基に、将来の目標位置及び将来の目標速度を予測するようにしているので、高速で降下飛行する目標であっても、飛しょう体に対する誘導誤差の悪化を抑制することが可能となる。

また、実施の形態に係る飛しょう体誘導装置の機能をコンピュータ又はプロセッサにて実現させるプログラムは、ＣＰＵがＲＡＭをワーキングメモリとして使用しながら上述の処理を行うことで、高速で降下飛行する目標に関する予測経路の精度を向上させることができ、飛しょう体を誘導する際の誘導誤差を低減することができる。これにより、高速で降下飛行する目標であっても、飛しょう体に対する誘導誤差の悪化を抑制することができる飛しょう体誘導装置の機能をコンピュータ又はプロセッサにて実現することができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ 目標、２０ センサ装置、２１ 観測値、３０ 追尾フィルタ、３１ 低感度フィルタ、３２ 高感度フィルタ、３３ 目標位置及び目標速度、３３ａ 低感度フィルタ出力、３３ｂ 高感度フィルタ出力、４０ 経路予測部、４１ 運動判別処理部、４３，４４ ダイブ経路算出部、４６ａ，４６ｂ 予測経路、４７ ダイブ経路混合処理部、４８ 目標諸元推定部、５１ 予測目標位置及び予測目標速度、５２ 予測経路混合結果、６０ 要撃誘導計算部、６１ 誘導諸元、７０ 飛しょう体、７１ 誘導制御部、７２ 操舵装置、７３ 推力変更装置、７４ 推進装置、７５ シーカ装置、８２ ＣＰＵ、８３ 入出力部、８４ ＲＡＭ、８５ ＲＯＭ、１００ 飛しょう体誘導装置。

Claims (6)

1. 飛行経路を予測した目標に対して飛しょう体を誘導する飛しょう体誘導装置であって、
   複数の追尾フィルタが推定した目標位置及び目標速度の情報を基に、将来の目標位置及び将来の目標速度を予測する経路予測部を備え、
   前記経路予測部は、
   前記目標の旋回性能を決める目標諸元を逐次推定して更新する目標諸元推定部と、
   前記目標諸元推定部によって更新された前記目標諸元と、複数の前記追尾フィルタの出力情報とに基づいて将来の目標位置及び目標速度を予測する予測経路算出部と、
   を備えたことを特徴とする飛しょう体誘導装置。
2. 前記予測経路算出部は、第１の追尾フィルタの出力を基に予測した第１の予測経路と、前記第１の追尾フィルタよりも感度の高い第２の追尾フィルタの出力を基に予測した第２の予測経路とのそれぞれの信頼度を用いて重み付け係数を算出し、算出した前記重み付け係数を用いて前記第１の予測経路及び前記第２の予測経路に対して重み付け処理を行った値を出力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. 前記目標諸元推定部は、前記目標の観測値に含まれる情報の中から、少なくとも巡航高度、巡航速度及びセンサ受信強度を使用して前記目標諸元を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の飛しょう体誘導装置。
4. 前記目標諸元推定部は、前記第１の追尾フィルタから出力された位置及び速度の情報と、前記第２の追尾フィルタから出力された旋回加速度及び加減速加速度の情報とを基に、前記目標諸元を推定することを特徴とする請求項２に記載の飛しょう体誘導装置。
5. 前記目標諸元推定部は、外部のシステムから、推定済みの諸元情報を受領して初期値に設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の飛しょう体誘導装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載された飛しょう体誘導装置の機能をコンピュータにて実現させるプログラム。

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