JP5295630B2 - 飛しょう体の誘導装置及び飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛しょう体を追跡目標に誘導する誘導装置及びその誘導信号の算出方法に関する。

飛しょう体を誘導する誘導装置は、追跡目標の方向と機体の姿勢を観測し、飛しょう方向を判定する。ここで、誘導装置が飛しょう体の旋回角を指令する信号を誘導信号と呼ぶ。

誘導信号は目視線角の微分値である。目視線角は機体の姿勢角と、ジンバルの傾きであるジンバル角と、観測誤差である誤差角を加算して算出される。誤差角は誤差角検出装置、ジンバル角は角度センサ、姿勢角はレートセンサによって検出される。

これらのセンサはそれぞれ検出特性を持っている。すなわち、実際の誤差角、ジンバル角、姿勢角と、各センサが出力する誤差角、ジンバル角、姿勢角には差があり、単純に加算しただけでは所望の誘導精度が得られないというという問題点があった。

ここで、各センサの応答周波数が検出したい周波数帯に対して十分高い性能を有していれば、ある程度の誘導精度が得られる。しかし、このようなセンサは高価であり、製造コストを上昇させるという問題点があった。

これらの点に関し、各センサのゲインと位相とをそれぞれ個別に補償する調整器を有する誘導装置が提案されている。（例えば、特許文献１）。
特開平８−７５３９６号公報

しかし、一般的にゲインを補償すると位相特性が変化し、また逆に位相を補償するとゲイン特性が変化する。したがって、ゲインの補正値と位相の補正値とを精度よく算出することはきわめて困難であった。

この点、特許文献１に記載の技術においては、ゲインと位相の補正値をどのように算出するかは不明である。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、各センサのゲイン特性と位相特性とを同時に任意の特性に補正する補償要素を判定し、この補償要素によって誘導精度を向上させることが可能な飛しょう体の誘導装置及び飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、飛しょう体の姿勢角を検出するレートセンサと、 ジンバル機構の角度であるジンバル角を検出する角度センサと、追跡目標に対する誤差角を検出する誤差角検出装置と、レートセンサの姿勢角検出特性と角度センサのジンバル角検出特性と誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより補償要素を算出し、この補償要素と伝達関数とを用いてレートセンサが出力する姿勢角と角度センサが出力するジンバル角と誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する誘導制御回路と、を備える飛しょう体の誘導装置を提供する。

また本発明は、レートセンサが飛しょう体の姿勢角を検出し、角度センサがジンバル機構の角度を検出し、誤差角検出装置が追跡目標に対する誤差角を検出し、誘導制御回路がレートセンサの姿勢角検出特性と角度センサのジンバル角検出特性と誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより補償要素を算出し、この補償要素と伝達関数とを用いてレートセンサが出力する姿勢角と角度センサが出力するジンバル角と誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する、ことを特徴とする飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法を提供する。

本発明によれば、ゲインの補正値と位相の補正値とを同時に精度よく補償することが可能となり、飛しょう体を精度良く誘導することができるという効果がある。

以下、本発明による飛しょう体の誘導装置及び飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法の一実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図６は、目視線角の算出方法を示した図である。目視線角σは飛しょう体の記載の傾き具合である姿勢角θ_Ｍとジンバル機構の角度であるジンバル角θ_ｇと目標２１の観測誤差の誤差角εとの和である。姿勢角を検出するレートセンサとジンバル角を検出する角度センサと誤差角を検出する誤差角検出装置とはそれぞれ異なった検出特性を持っている。従って、実際の目視線角σは各センサが出力した姿勢角であるθ_Ｍ＾とジンバル角θ_ｇ＾と誤差角ε＾とを加算した値である推定目視線角σ＾と一致しない。なお、^・は微分、＾は各センサの出力値（検出値）を表す。

図７は、レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性が一致している場合の各検出角と推定目視線角σ＾の関係を示したグラフである。点線３１は出力姿勢角θ_Ｍ＾を、実線３２は出力ジンバル角θ_ｇ＾を、破線３３は出力誤差角ε＾を、実線３４は推定目視線角σ＾を表す。

図７（ａ）に示すように機体の振幅とジンバルは逆方向に振幅する。図７（ｂ）に示すように目標が停止している場合、推定目視線角σ＾は０°となる。

図８は、レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性がゲインにおいて差がある場合の各検出角と推定目視線角σ^・の関係を示したグラフである。点線４１は出力姿勢角θ_Ｍ＾を、実線４２は出力ジンバル角θ_ｇ＾を、破線４３は出力誤差角ε＾を、実線４４は推定目視線角σ＾を表す。

図８（ａ）に示すように機体の振幅とジンバルは逆方向に振幅する。しかし、図８（ｂ）に示すように目標が停止している場合でも、ゲインの差があるため、推定目視線角σ＾は０°とならない。

図９は、レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性が位相において差がある場合の各検出角と推定目視線角σ＾の関係を示したグラフである。点線５１は出力姿勢角θ_Ｍ＾を、実線５２は出力ジンバル角θ_ｇ＾を、破線５３は出力誤差角ε＾を、実線５４は推定目視線角σ＾を表す。

図９（ａ）に示すように機体の振幅とジンバルは逆方向に振幅する。しかし、図９（ｂ）に示すように目標が停止している場合でも、ゲインの差があるため、推定目視線角σ＾は０°とならない。

従って、各センサにおいてゲインと位相の検出特性を同時に補償する必要がある。

図１は、本実施形態の飛しょう体の誘導装置の構成を示した概要図である。図１に示すように、本実施形態の誘導装置は、機体１０に取り付けられ、機体の姿勢角θ_Ｍを検出し、出力姿勢角θ_Ｍ＾を出力するレートセンサ１１と、出力姿勢角θ_Ｍ＾を誘導制御回路１６に出力するレート検出回路１５と、誘導制御回路１６の出力を受け、駆動電圧を生成する駆動回路１７と、駆動電圧に従ってジンバル機構１２を駆動する駆動部２０と、ジンバル角θ_ｇを検出して出力ジンバル角θ_ｇ＾を出力する角度センサ１３と、出力ジンバル角θ_ｇ＾から角度を検出して誘導制御回路１６に出力する角度検出回路１９と、光波または電波により目標の観測誤差である誤差角εを検知して出力誤差角ε＾を出力する誤差角検出装置１４と、出力誤差角ε＾の信号処理を行い、誤差角の検出を行って誘導制御回路１６に出力する信号処理回路１８と、を備える。

ここで、補償要素の定義と算出方法について説明する。説明のための例として、レートセンサ１１のゲインの検出特性を角度センサ１３のゲインの検出特性に合わせて補償するものとする。

レートセンサ１１のゲインの検出特性は、周波数ｆの関数となっているとして、ｆ_１（ｆ）と表す。また、角度センサ１３のゲインの検出特性は、周波数ｆの関数となっているとしてｆ_２（ｆ）と表す。

そして、これらのラプラス変換を以下の（１）式、及び（２）式のようにあらわす。

すると、伝達関数Ｇ（ｓ）は以下の（３）式のように表わされる。

これを次の（４）式のように書き直す。
Ｙ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｕ（ｓ） ・・・（４）
このＧ（ｓ）を補償要素と呼ぶ。つまり、レートセンサ１１のゲインの検出特性を角度センサ１３のゲインの検出特性に合わせて補償するということは、この補償要素を求め、この補償要素と伝達関数とを用いてレートセンサ１１のゲインの検出特性を補償することを意味することとなる。

本実施形態においては、ＡＲＸモデルを用いて補償要素Ｇ（ｓ）を算出する。ＡＲＸモデルにおいては、補償要素Ｇ（ｓ）は次の（５）式のように表わされる。

ａ_ｎ，ｂ_ｎ（ｎは整数）は係数、ｚはシフトオペレータである。
すなわち、補償要素を求めることはＡＲＸモデルにおける係数ａ_ｎ，ｂ_ｎを求めることに帰着する。

ここで、レートセンサ１１のゲインの検出特性と角度センサ１３のゲインの検出特性は実測することによって得ることができる。

レートセンサ１１のゲイン及び位相特性は実測した点に加えて、高周波領域（実測周波数の１０倍から１００倍程度）に拘束条件を加える。これは高周波でのノイズを抑制する、すなわちハイゲインとなることを抑制する効果がある。

そして、この拘束条件を満たすようにＧ（ｓ）の係数ａ_ｎ，ｂ_ｎを定める。係数ａ_ｎ，ｂ_ｎは回帰的方法によって定めることが可能である。
このようにして、補償要素を算出することが可能となる。

以上の例においてはレートセンサ１１のゲインの検出特性を角度センサ１３の検出特性に合わせるための補償要素を求めた。角度センサ１３の検出特性を誤差角検出装置１４の検出特性に合わせるための補償要素Ｇ’（ｓ）も同様に求められる。

そして、検出特性を誤差角検出装置１４の検出特性のラプラス変換をＹ’（ｓ）とすると、次の（６）式のように表わすことができる。

Ｙ’（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｇ’（ｓ）Ｕ（ｓ） ・・・（６）
また、実際には目標となる検出特性がいずれかのセンサの検出特性ではなく、いずれかふたつのセンサの検出特性の差、または比であることがある。この場合にも、上記と同様に補償要素を求めることが可能である。さらに、位相についても上記と同様の手順を用いて補償要素を算出することが可能である。

このように、レートセンサ１１の検出特性と角度センサ１３の検出特性と誤差角検出装置１４の検出特性とをそれぞれ補償することが可能となる。

この補償要素を算出するステップは、誘導制御回路１６が行うように構成することも、予め補償要素を求めて誘導制御回路１６のメモリに格納し、誘導時に読みだして補償するように構成することも可能である。

図２は、補償要素を算出するステップのフローチャートである。ここでは、誘導制御回路１６が補償要素を算出するとして説明する。

ステップＳ１において、誘導制御回路１６は角度センサ１３の検出特性およびレートセンサ１１の検出特性を取得する。取得方法は、メモリに格納してある検出特性を読みだすように構成することも、実測するように構成することも可能である。

ステップＳ２において、誘導制御回路１６は角度センサ１３とレートセンサ１１の検出特性差を算出する。特性差は、比を用いる場合はレートセンサ１１の検出特性を角度センサの検出特性によって除算することにより算出できる。

ステップＳ３において、誘導制御回路１６は例えば４個の座標を拘束条件として設定する。

ステップＳ４において、誘導制御回路１６は同定モデル、例えばＡＲＸモデルを用いて、ステップＳ３において設定した拘束条件に基づいて回帰的に解析を行う。

ステップＳ５において、誘導制御回路１６はステップＳ３において算出した係数を有する補償要素を出力する。

実際の誘導においては、誘導制御回路１６は、算出した補償要素を伝達関数に代入し、各センサが検知した値を同じく伝達関数に代入し、推定目視線角σ＾を算出する。

図３は、本実施形態における誘導制御回路１６の処理ブロック図である。図３に示すように、機体に揺れ、すなわち姿勢角θ_Ｍが生じるとレートセンサ１１はそれを検知して機体レート、すなわち出力姿勢角θ_Ｍ＾を出力する。この際レートセンサ１１の検出特性Ｇｒによって出力値が変化する。

レートセンサ１１の出力値は積分され、姿勢角検出値が算出される。この際にも算出における特性Ｇ_ｓ’が存在する。

ジンバル機構１２を制御する際にはその特性であるジンバル制御特性Ｇ_ｊが存在する。また、角度センサ１３はジンバル角θ_ｇを検出する際に角度の検出特性Ｇ_ｇを有する。

誤差角検出装置１４は誤差角εを検出する際に誤差角検出特性Ｇ_ｓが存在する。また、目視線角σを微分する場合には微分特性Ｇ_ｙが存在する。

図４は、各特性が補償後同一の特性となることを示す図である。図４において、例えばジンバル特性の補償要素Ｇｇ’及び誤差角検出装置特性Ｇｓを１（無視できる特性）とし、誤差角検出装置補償特性Ｇｓ”をジンバル特性Ｇｇとし、レートセンサ特性Ｇｒにレートセンサ補償特性Ｇｒ’で補償し、見掛け上の特性をＧｇに一致させることで、すべての検出特性をＧｇにするものとする。

各特性につき、補償要素が算出され、補償後の誤差角ε＾’、補償後のジンバル角θ_ｇ＾’、補償後の姿勢角θ_Ｍ＾’が算出され、これらを加算して補償後の推定目視線角σ＾’が算出される。
さらに、補償後の推定目視線角σ＾は微分誘導信号σ＾^・が出力される。

図５は、補償時のレートセンサ補償特性Ｇｒ’を表した図である。図５において、グラフ６１は目標とした位相の検出特性であり、グラフ６２は補償後の位相の検出特性である。また、グラフ６３は目標としたゲインの検出特性であり、グラフ６４は補償後のゲインの検出特性である。丸印と三角印はともに拘束条件である。

このように、伝達関数をＡＲＸモデルも用いて解析することにより精度よく検出特性を補償することが可能となる。

以上述べたように、本実施形態の飛しょう体の誘導装置及び飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法は、誘導制御回路１６がレートセンサ１１の姿勢角検出特性と角度センサ１３のジンバル角検出特性と誤差角検出装置１４の誤差角検出特性との伝達関数から補償要素を算出し、この補償要素と伝達関数とを用いてレートセンサ１１が出力する姿勢角と角度センサ１３が出力するジンバル角と誤差角検出装置１４が出力する誤差角を補償して推定目視線角σ＾を算出する。

このため、本実施形態の飛しょう体の誘導装置及び飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法は、各センサのゲイン特性と位相特性とを同時に任意の特性に補正する補償要素を判定し、この補償要素によって誘導精度を向上させることが可能となるという効果がある。

なお、本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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施形態の飛しょう体の誘導装置の構成を示した概要図である。 補償要素を算出するステップのフローチャートである。 本実施形態における誘導制御回路１６の処理ブロック図である。 角特性が補償後同一の特性となることを示す図である。 補償された位相及びゲインの検出特性を表した図である。 目視線角の算出方法を示した図である。 レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性が一致している場合の各検出角と推定目視線角σ^・の関係を示したグラフである。 レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性がゲインにおいて差がある場合の各検出角と推定目視線角σ^・の関係を示したグラフである。 レートセンサの検出特性と角度センサの検出特性と誤差角検出装置の検出特性が位相において差がある場合の各検出角と推定目視線角σ^・の関係を示したグラフである。

符号の説明

１１：レートセンサ、
１２：ジンバル機構、
１３：角度センサ、
１４：誤差角検出装置、
１６：誘導制御回路。

Claims (6)

1. 飛しょう体の姿勢角を検出するレートセンサと、
   ジンバル機構の角度であるジンバル角を検出する角度センサと、
   追跡目標に対する誤差角を検出する誤差角検出装置と、
   前記レートセンサの姿勢角検出特性と前記角度センサのジンバル角検出特性と前記誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより補償要素を算出し、この補償要素と伝達関数とを用いて前記レートセンサが出力する姿勢角と前記角度センサが出力するジンバル角と前記誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する誘導制御回路と、
   を備えることを特徴とする飛しょう体の誘導装置。
2. 飛しょう体の姿勢角を検出するレートセンサと、
   ジンバル機構の角度を検出する角度センサと、
   追跡目標に対する誤差角を検出する誤差角検出装置と、
   前記レートセンサの姿勢角検出特性と前記角度センサのジンバル角検出特性と前記誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより予め算出した補償要素と伝達関数とを用いて、前記レートセンサが出力する姿勢角と前記角度センサが出力するジンバル角と前記誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する誘導制御回路と、
   を備える飛しょう体の誘導装置。
3. 前記補償要素がＡＲＸモデルを用いて算出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の飛しょう体の誘導装置。
4. レートセンサが飛しょう体の姿勢角を検出し、
   角度センサがジンバル機構の角度を検出し、
   誤差角検出装置が追跡目標に対する誤差角を検出し、
   誘導制御回路が前記レートセンサの姿勢角検出特性と前記角度センサのジンバル角検出特性と前記誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより補償要素を算出し、この補償要素と伝達関数とを用いて前記レートセンサが出力する姿勢角と前記角度センサが出力するジンバル角と前記誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する、
   ことを特徴とする飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法。
5. レートセンサが飛しょう体の姿勢角を検出し、
   角度センサがジンバル機構の角度を検出し、
   誤差角検出装置が追跡目標に対する誤差角を検出し、
   誘導制御回路が前記レートセンサの姿勢角検出特性と前記角度センサのジンバル角検出特性と前記誤差角検出装置の誤差角検出特性との伝達関数から拘束条件に基づいて回帰的に解析を行うことにより予め算出した補償要素と伝達関数とを用いて、前記レートセンサが出力する姿勢角と前記角度センサが出力するジンバル角と前記誤差角検出装置が出力する誤差角を補償して推定目視線角を算出する、
   ことを特徴とする飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法。
6. 前記補償要素がＡＲＸモデルを用いて算出されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の飛しょう体の誘導装置の誘導信号算出方法。

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