JP5683224B2 - Rocket guidance calculation device, rocket guidance system, rocket, rocket guidance calculation program, and rocket guidance calculation method for rocket guidance calculation device - Google Patents

Rocket guidance calculation device, rocket guidance system, rocket, rocket guidance calculation program, and rocket guidance calculation method for rocket guidance calculation device Download PDF

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Description

本発明は、ロケットを誘導するためのロケット誘導計算装置、ロケット誘導システム、ロケット、ロケット誘導計算プログラムおよびロケット誘導計算装置のロケット誘導計算方法に関するものである。   The present invention relates to a rocket guidance calculation apparatus, a rocket guidance system, a rocket, a rocket guidance calculation program, and a rocket guidance calculation method for a rocket guidance calculation apparatus for guiding a rocket.

各国では、飛行機などにロケットを搭載して空中でロケットを発射する「空中発射システム」の開発が進められている。
空中発射システムは、ロケットを地上から発射する「地上発射システム」に比べて発射地点の自由度が高いためである。
In each country, the development of “air launch systems” that launch rockets in the air by mounting rockets on airplanes is underway.
This is because the aerial launch system has a higher degree of freedom at the launch point than the “ground launch system” that launches rockets from the ground.

ロケットの種類には、液体燃料を推進剤として用いる液体ロケット(液体燃料ロケットともいう)や、固体燃料を推進剤として用いる固体ロケット(固体燃料ロケットともいう)が存在する。   As types of rockets, there are liquid rockets using liquid fuel as a propellant (also referred to as liquid fuel rockets) and solid rockets using solid fuel as propellants (also referred to as solid fuel rockets).

液体ロケットは、液体燃料を推進剤として用いるため、燃焼室への液体燃料の流量を調整することにより、液体燃料の燃焼量を調整することができる。つまり、液体ロケットは、推進剤の燃焼を止めて推力をなくす「推力カットオフ機能」を持つ。
しかし、液体燃料を燃焼室へ流すためのポンプや配管などによって液体ロケットの構造は複雑化するため、液体ロケットを小型化することは困難である。
このため、液体ロケットは、空中発射ロケットには不向きである。
Since the liquid rocket uses liquid fuel as a propellant, the amount of combustion of the liquid fuel can be adjusted by adjusting the flow rate of the liquid fuel to the combustion chamber. In other words, the liquid rocket has a “thrust cut-off function” that stops propellant combustion and eliminates thrust.
However, since the structure of the liquid rocket is complicated by pumps and piping for flowing liquid fuel to the combustion chamber, it is difficult to reduce the size of the liquid rocket.
For this reason, liquid rockets are not suitable for air-launched rockets.

一方、固体ロケットは、固体燃料を推進剤として用いるため、ポンプや配管などの複雑な構造を必要とせず、小型化が可能である。
このため、各国では、固体ロケットを空中発射ロケットとして使用することが検討されている。
On the other hand, since solid rockets use solid fuel as a propellant, they do not require complicated structures such as pumps and piping, and can be miniaturized.
For this reason, the use of solid rockets as air-launch rockets is being studied in various countries.

但し、固体ロケットの推力は固体燃料が燃焼し終わるまで停止できない。つまり、固体ロケットは推力カットオフ機能を持たない。
このため、推力カットオフ機能を利用して液体ロケットを誘導する従来の誘導技術では、固体ロケットを高い精度で誘導することができない。
However, the thrust of the solid rocket cannot be stopped until the solid fuel is burned. In other words, solid rockets do not have a thrust cutoff function.
For this reason, the conventional guidance technology for guiding the liquid rocket using the thrust cutoff function cannot guide the solid rocket with high accuracy.

特開昭62−275899号公報JP-A-62-275899 特開平10−267597号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-267597

Arthur E.Bryson,Jr.,Yu−Chi Ho,“Applied Optimal Control OPTIMIZATION,ESTIMATION,AND CONTROL”,Hemisphere Publishing CorporationArthur E.M. Bryson, Jr. , Yu-Chi Ho, “Applied Optimal Control OPTIMIZATION, ESTIMATION, AND CONTROL”, Hemisphere Publishing Corporation

本発明は、例えば、推力カットオフ機能を持たない固体ロケットを高い精度で誘導できるようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to enable, for example, a solid rocket having no thrust cutoff function to be guided with high accuracy.

本発明のロケット誘導計算装置は、
ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式を2次タンジェント則として定義し、2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出するステアリング係数算出部を備える。
The rocket guidance calculation device of the present invention is
A quadratic expression of a time variable for obtaining the pitch angle of the rocket is defined as a second tangent rule, and a steering coefficient calculation unit is provided for calculating a coefficient included in the second tangent rule as a steering coefficient for obtaining the pitch angle of the rocket.

前記ロケット誘導計算装置は、さらに、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す予測プロファイルと、ロケット燃焼終了までの予測時間とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量として算出する予測状態量算出部と、
ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量として記憶する要求状態量記憶部とを備え、
前記ステアリング係数算出部は、前記予測状態量算出部により算出された予測状態量と前記要求状態量記憶部に記憶された要求状態量との差を状態量誤差として算出し、算出した状態量誤差に基づいて前記ステアリング係数の更新量を算出し、算出した更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する。
The rocket guidance calculation device further includes:
The current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, the prediction profile indicating the relationship between the elapsed time since the ignition of the rocket and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket, and the predicted time until the end of rocket combustion A predicted state quantity calculation unit that calculates a predicted value of the rocket speed component at the end of combustion and a predicted value of the position component of the rocket at the end of combustion as a predicted state quantity,
The required value of the target value of the velocity component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory and the target value of the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory A request state quantity storage unit for storing,
The steering coefficient calculation unit calculates a difference between the predicted state quantity calculated by the predicted state quantity calculation unit and the requested state quantity stored in the requested state quantity storage unit as a state quantity error, and calculates the calculated state quantity error. The amount of update of the steering coefficient is calculated based on the above, and a new steering coefficient is calculated based on the calculated amount of update.

本発明のロケット誘導システムは、
前記ロケット誘導計算装置と、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットの現時点の非重力加速度ベクトルとを航法計算によって算出する航法計算装置と、
前記ロケット誘導計算装置により算出されたステアリング係数から計算されるロケットのピッチ角に従ってロケットの推力加速度の向きを制御する機体制御装置とを備える。
The rocket guidance system of the present invention is
The rocket guidance calculation device;
A navigation calculation device that calculates the current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, and the current non-gravity acceleration vector of the rocket by navigation calculation;
A fuselage control device for controlling the direction of thrust acceleration of the rocket according to the pitch angle of the rocket calculated from the steering coefficient calculated by the rocket guidance calculation device.

前記非重力加速度ベクトルは推力加速度ベクトルである。   The non-gravity acceleration vector is a thrust acceleration vector.

本発明のロケットは、前記ロケット誘導システムを搭載する。   The rocket of the present invention is equipped with the rocket guidance system.

本発明のロケット誘導プログラムは、
ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式を2次タンジェント則として定義し、2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出するステアリング係数算出処理
をコンピュータに実行させる。
The rocket guidance program of the present invention is
Define a quadratic expression of the time variable for determining the rocket pitch angle as a second tangent rule, and calculate a steering coefficient calculation process for calculating a coefficient included in the second tangent rule as a steering coefficient for determining the rocket pitch angle. Let it run.

前記ロケット誘導計算プログラムは、さらに、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す予測プロファイルと、ロケット燃焼終了までの予測時間とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量として算出する予測状態量算出処理とをコンピュータに実行させ、
前記ステアリング係数算出処理は、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量として記憶する要求状態量記憶部から前記要求状態量を入力し、前記予測状態量算出部により算出された予測状態量と前記要求状態量記憶部から入力した要求状態量との差を状態量誤差として算出し、算出した状態量誤差に基づいて前記ステアリング係数の更新量を算出し、算出した更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する。
The rocket guidance calculation program further includes:
The current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, the prediction profile indicating the relationship between the elapsed time since the ignition of the rocket and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket, and the predicted time until the end of rocket combustion On the basis of the predicted value of the rocket velocity component at the end of combustion and the predicted value of the position component of the rocket at the end of combustion as a predicted state quantity, the computer executes a predicted state quantity calculation process,
The steering coefficient calculation process includes the target value of the rocket speed component at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory, and the target of the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory. The requested state quantity is input from a requested state quantity storage unit that stores a value as a requested state quantity, the predicted state quantity calculated by the predicted state quantity calculation unit, and the requested state quantity input from the requested state quantity storage unit, Is calculated as a state quantity error, an update amount of the steering coefficient is calculated based on the calculated state quantity error, and a new steering coefficient is calculated based on the calculated update quantity.

本発明のロケット誘導計算装置のロケット誘導計算方法は、
ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式を2次タンジェント則として定義し、2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出する。
The rocket guidance calculation method of the rocket guidance calculation device of the present invention is:
A quadratic expression of a time variable for obtaining the rocket pitch angle is defined as a second tangent law, and a coefficient included in the second tangent law is calculated as a steering coefficient for obtaining the rocket pitch angle.

本発明によれば、例えば、推力カットオフ機能を持たない固体ロケットを高い精度で誘導することができる。   According to the present invention, for example, a solid rocket without a thrust cutoff function can be guided with high accuracy.

実施の形態1におけるロケット誘導システム200の構成図。1 is a configuration diagram of a rocket guidance system 200 in Embodiment 1. FIG. 実施の形態1におけるロケット誘導計算装置100のハードウェア資源の一例を示す図。The figure which shows an example of the hardware resource of the rocket guidance calculation apparatus 100 in Embodiment 1. FIG. 実施の形態1におけるノミナルプロファイルと2次多項式近似とのtanθの関係を示すグラフ。6 is a graph showing the relationship of tan θ between the nominal profile and the second-order polynomial approximation in the first embodiment. 実施の形態1における運動方程式の動座標系XYZを示す図。FIG. 3 shows a dynamic coordinate system XYZ of equations of motion in the first embodiment. 実施の形態1における運動方程式の動座標系XYZを示す図。FIG. 3 shows a dynamic coordinate system XYZ of equations of motion in the first embodiment. 実施の形態1におけるロケット誘導方法を示すフローチャート。3 is a flowchart showing a rocket guidance method in the first embodiment. 実施の形態1におけるシミュレーション装置300を示す図。FIG. 3 shows a simulation apparatus 300 according to the first embodiment. 実施の形態1におけるシミュレーション結果(目標軌道:近地点高度)を示すグラフ。6 is a graph showing a simulation result (target trajectory: near point altitude) in the first embodiment. 実施の形態1におけるシミュレーション結果(目標軌道:遠地点高度)を示すグラフ。6 is a graph showing a simulation result (target trajectory: far point altitude) in the first embodiment.

実施の形態1.
ロケットを目標軌道に誘導するロケット誘導システムについて説明する。
このロケット誘導システムは、推力カットオフ機能を持たない固体ロケットに特に有効である。
Embodiment 1 FIG.
A rocket guidance system for guiding a rocket to a target trajectory will be described.
This rocket guidance system is particularly effective for solid rockets that do not have a thrust cutoff function.

図1は、実施の形態1におけるロケット誘導システム200の構成図である。
実施の形態1におけるロケット誘導システム200の構成について、図1に基づいて説明する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a rocket guidance system 200 according to the first embodiment.
The structure of the rocket guidance system 200 in Embodiment 1 is demonstrated based on FIG.

ロケット誘導システム200は、ロケット誘導計算装置100、航法計算装置210および機体制御装置220を備える。   The rocket guidance system 200 includes a rocket guidance calculation device 100, a navigation calculation device 210, and an airframe control device 220.

ロケット誘導システム200は、ロケット(誘導対象の対象ロケット)に搭載され、ロケットを目標軌道に誘導する。   The rocket guidance system 200 is mounted on a rocket (target rocket to be guided) and guides the rocket to a target trajectory.

航法計算装置210は、ロケットの現時点の位置ベクトルRと、ロケットの現時点の速度ベクトルVと、ロケットの現時点の推力加速度ベクトルaとを航法計算によって算出する。 Navigation computing device 210 calculates the position vector R of the rocket the current, the velocity vector V of the rocket the current, the navigation calculating a thrust acceleration vector a T rocket the current.

機体制御装置220は、ロケット誘導計算装置100により決定されたステアリング係数から計算されるロケットのピッチ角θに従ってロケットの推力加速度の向きを制御する。   The airframe control device 220 controls the direction of thrust acceleration of the rocket according to the rocket pitch angle θ calculated from the steering coefficient determined by the rocket guidance calculation device 100.

ロケット誘導計算装置100は、2次タンジェント則に基づいて、ロケットを目標軌道に誘導するためにロケットのピッチ角θを決定する装置である。
2次タンジェント則は、ロケットのピッチ角θを求める式として定義された時間変数tの2次式である。
The rocket guidance calculation device 100 is a device that determines the pitch angle θ of the rocket in order to guide the rocket to the target trajectory based on the second tangent law.
The quadratic tangent rule is a quadratic expression of the time variable t defined as an expression for obtaining the rocket pitch angle θ.

ロケット誘導計算装置100は、推力加速度予測部110、予測状態量算出部120、要求状態量算出部130、推力方向決定部140および誘導計算記憶部190を備える。   The rocket guidance calculation device 100 includes a thrust acceleration prediction unit 110, a predicted state quantity calculation unit 120, a required state quantity calculation unit 130, a thrust direction determination unit 140, and a guidance calculation storage unit 190.

誘導計算記憶部190(要求状態量記憶部の一例)は、ロケット誘導計算装置100で使用される各種データを記憶する。
予測プロファイル191、目標軌道情報192、予測状態量193または要求状態量194は、誘導計算記憶部190に記憶されるデータの一例である。
予測プロファイル191は、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示すデータである。
目標軌道情報192は、目標軌道を示す情報である。
予測状態量193は、予測状態量算出部120により算出されるロケットの状態量の予測値である。
要求状態量194は、要求状態量算出部130により算出されるロケットの状態量の目標値である。
The guidance calculation storage unit 190 (an example of a requested state quantity storage unit) stores various data used in the rocket guidance calculation device 100.
The predicted profile 191, target trajectory information 192, predicted state quantity 193 or requested state quantity 194 is an example of data stored in the guidance calculation storage unit 190.
The prediction profile 191 is data indicating the relationship between the elapsed time since the rocket was ignited and the predicted value of thrust acceleration of the rocket.
The target trajectory information 192 is information indicating the target trajectory.
The predicted state quantity 193 is a predicted value of the rocket state quantity calculated by the predicted state quantity calculation unit 120.
The requested state quantity 194 is a target value of the rocket state quantity calculated by the requested state quantity calculating unit 130.

推力加速度予測部110は、ロケットの現時点の推力加速度ベクトルaなどに基づいて予測プロファイル191を更新する。 Thrust acceleration prediction unit 110 updates the predicted profile 191 based like thrust acceleration vector a T rocket the current.

予測状態量算出部120は、ロケットの現時点の速度ベクトルVと、ロケットの現時点の位置ベクトルRと、予測プロファイル191とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量193として算出する。   The predicted state quantity calculation unit 120 calculates the predicted value of the speed component of the rocket at the end of combustion based on the current speed vector V of the rocket, the current position vector R of the rocket, and the predicted profile 191, and the end of combustion. The predicted value of the position component of the rocket at the time is calculated as a predicted state quantity 193.

要求状態量算出部130は、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量194として予測プロファイル191と目標軌道情報192とに基づいて算出する。   The required state quantity calculation unit 130 calculates the target value of the velocity component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory and the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory. The target value is calculated as the required state quantity 194 based on the prediction profile 191 and the target trajectory information 192.

推力方向決定部140(ステアリング係数算出部の一例)は、2次タンジェント則101に含まれる係数をロケットのピッチ角θを算出するためのステアリング係数として算出する。
2次タンジェント則101は、ピッチ角θのタンジェントが時間変数tの2次式で表される。
ステアリング係数とは、2次タンジェント則101に含まれる係数A、B、Cのことである。
The thrust direction determination unit 140 (an example of a steering coefficient calculation unit) calculates a coefficient included in the second tangent law 101 as a steering coefficient for calculating the pitch angle θ of the rocket.
In the quadratic tangent rule 101, the tangent of the pitch angle θ is expressed by a quadratic expression of a time variable t.
The steering coefficient is a coefficient A, B, or C included in the second order tangent rule 101.

具体的に、推力方向決定部140は、予測状態量193と要求状態量194との差を状態量誤差として算出する。
推力方向決定部140は、状態量誤差に基づいてステアリング係数の更新量を算出する。
推力方向決定部140は、ステアリング係数の更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する。
Specifically, the thrust direction determination unit 140 calculates a difference between the predicted state quantity 193 and the requested state quantity 194 as a state quantity error.
The thrust direction determination unit 140 calculates the update amount of the steering coefficient based on the state quantity error.
The thrust direction determination unit 140 calculates a new steering coefficient based on the update amount of the steering coefficient.

図2は、実施の形態1におけるロケット誘導計算装置100のハードウェア資源の一例を示す図である。
図2において、ロケット誘導計算装置100は、CPU911(Central Processing Unit)を備えている。CPU911は、バス912を介してROM913、RAM914、通信ボード915と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。通信ボード915は、有線または無線でネットワークに接続している。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of hardware resources of the rocket guidance calculation apparatus 100 according to the first embodiment.
In FIG. 2, the rocket guidance calculation apparatus 100 includes a CPU 911 (Central Processing Unit). The CPU 911 is connected to the ROM 913, the RAM 914, and the communication board 915 via the bus 912, and controls these hardware devices. The communication board 915 is connected to the network by wire or wireless.

ROMまたはRAMには、OS(オペレーティングシステム)、プログラム群、ファイル群が記憶されている。   The ROM or RAM stores an OS (Operating System), a program group, and a file group.

プログラム群には、実施の形態において「〜部」として説明する機能を実行するプログラムが含まれる。プログラムは、CPU911により読み出され実行される。すなわち、プログラムは、「〜部」としてコンピュータを機能させるものであり、また「〜部」の手順や方法をコンピュータに実行させるものである。   The program group includes a program that executes a function described as “unit” in the embodiment. The program is read and executed by the CPU 911. That is, the program causes the computer to function as “to part”, and causes the computer to execute the procedures and methods of “to part”.

ファイル群には、実施の形態において説明する「〜部」で使用される各種データ(入力、出力、判定結果、計算結果、処理結果など)が含まれる。   The file group includes various data (input, output, determination result, calculation result, processing result, etc.) used in “˜unit” described in the embodiment.

実施の形態において構成図およびフローチャートに含まれている矢印は主としてデータや信号の入出力を示す。   In the embodiment, arrows included in the configuration diagrams and flowcharts mainly indicate input and output of data and signals.

実施の形態において「〜部」として説明するものは「〜回路」、「〜装置」、「〜機器」であってもよく、また「〜ステップ」、「〜手順」、「〜処理」であってもよい。すなわち、「〜部」として説明するものは、ファームウェア、ソフトウェア、ハードウェアまたはこれらの組み合わせのいずれで実装されても構わない。   In the embodiment, what is described as “to part” may be “to circuit”, “to apparatus”, and “to device”, and “to step”, “to procedure”, and “to processing”. May be. That is, what is described as “to part” may be implemented by any of firmware, software, hardware, or a combination thereof.

航法計算装置210や機体制御装置220は、ロケット誘導計算装置100と同様に、CPUやメモリなどのハードウェアを備え、ハードウェアを用いて動作する。   As with the rocket guidance calculation apparatus 100, the navigation calculation apparatus 210 and the airframe control apparatus 220 include hardware such as a CPU and a memory, and operate using the hardware.

次に、実施の形態1におけるロケットのタンジェント則(2次タンジェント則101)について説明する。   Next, the rocket tangent rule (second-order tangent rule 101) in the first embodiment will be described.

ロケットのタンジェント則とは、ロケットのピッチ角θのタンジェントと時間変数tとの関係式である。   The rocket tangent law is a relational expression between the tangent of the rocket pitch angle θ and the time variable t.

「重力と遠心力との和が一定である」と仮定した場合、以下の双線形タンジェント則(1)が得られる。
双線形タンジェント則の導出方法については、非特許文献1の59−61ページに開示されている。
Assuming that “the sum of gravity and centrifugal force is constant”, the following bilinear tangent rule (1) is obtained.
The method for deriving the bilinear tangent rule is disclosed on pages 59-61 of Non-Patent Document 1.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

双線形タンジェント則(1)から接線方向の距離制約を除くことで線形タンジェント則が導出される。   The linear tangent rule is derived by removing the distance constraint in the tangential direction from the bilinear tangent rule (1).

Figure 0005683224
Figure 0005683224

ここで、推力カットオフ機能を持たないロケットにおいて、制御変数を追加するために時間の2次項を付加する。   Here, a second term of time is added to add a control variable in a rocket that does not have a thrust cutoff function.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

実施の形態1において、上記式(3)を「2次タンジェント則101」と呼ぶ。
また、2次タンジェント則(3)の0次項の係数「A」、1次項の係数「B」および2次項の係数「C」を「ステアリング係数」と呼ぶ。
特に、係数「A」を「0次ステアリング係数」、係数「B」を「1次ステアリング係数」、係数「C」を「2次ステアリング係数」と呼ぶ。
In the first embodiment, the above equation (3) is referred to as “second-order tangent rule 101”.
In addition, the coefficient “A” of the zeroth order term, the coefficient “B” of the first order term, and the coefficient “C” of the second order term of the second order tangent rule (3) are called “steering coefficients”.
In particular, the coefficient “A” is referred to as “0th-order steering coefficient”, the coefficient “B” as “primary steering coefficient”, and the coefficient “C” as “secondary steering coefficient”.

図3は、実施の形態1におけるノミナルプロファイルと2次多項式近似とのtanθの関係を示すグラフである。
図3に示すように、2次多項式近似は、ある固体ロケットでのノミナルプロファイルのtanθに十分に近似した値を示す。
FIG. 3 is a graph showing the relationship of tan θ between the nominal profile and the quadratic polynomial approximation in the first embodiment.
As shown in FIG. 3, the second-order polynomial approximation shows a value sufficiently approximated to tan θ of the nominal profile in a certain solid rocket.

次に、ロケット誘導方法の前提条件となる「運動方程式」について説明する。   Next, the “equation of motion” which is a precondition for the rocket guidance method will be described.

図4、5は、実施の形態1における運動方程式の動座標系XYZを示す図である。
実施の形態1における運動方程式の動座標系XYZについて、図4、5に基づいて説明する。
4 and 5 are diagrams showing a dynamic coordinate system XYZ of the equations of motion in the first embodiment.
The dynamic coordinate system XYZ of the equation of motion in the first embodiment will be described based on FIGS.

図4に示すように、運動方程式の動座標系XYZは、ロケットが位置する地点を座標中心(原点)とする座標系である(座標軸Yは図示省略)。
「a」は、ロケットの推力加速度ベクトルを示している。
「θ」は、ロケットのピッチ角を示している。
As shown in FIG. 4, the dynamic coordinate system XYZ of the equation of motion is a coordinate system in which the point where the rocket is located is the coordinate center (origin) (the coordinate axis Y is not shown).
“A T ” indicates the thrust acceleration vector of the rocket.
“Θ” indicates the pitch angle of the rocket.

図5に示すように、X軸は接線方向を示し、Y軸は角運動量方向を示し、Z軸は軌道半径方向を示す。   As shown in FIG. 5, the X axis indicates the tangential direction, the Y axis indicates the angular momentum direction, and the Z axis indicates the trajectory radial direction.

接線方向(X軸)は、「(位置ベクトル×速度ベクトル)×位置ベクトル」(「×」は外積を表す)で定義される方向である。但し、「位置ベクトル」「速度ベクトル」は、地球の中心O(図4参照)を原点にして表したベクトルである。
以下、地球の中心Oを原点とする座標系を「慣性座標系」という。
The tangential direction (X-axis) is a direction defined by “(position vector × velocity vector) × position vector” (“×” represents an outer product). However, the “position vector” and “velocity vector” are vectors expressed with the center O of the earth (see FIG. 4) as the origin.
Hereinafter, a coordinate system having the center O of the earth as the origin is referred to as an “inertial coordinate system”.

軌道半径方向(Z軸)は、慣性座標系の位置ベクトルの向きに相当する。   The trajectory radial direction (Z-axis) corresponds to the direction of the position vector in the inertial coordinate system.

角運動量方向(Y軸)は、接線方向(X軸)と軌道半径方向(Z軸)とに対して垂直な方向であり、「位置ベクトル×速度ベクトル」で定義される。   The angular momentum direction (Y axis) is a direction perpendicular to the tangential direction (X axis) and the orbital radial direction (Z axis), and is defined by “position vector × velocity vector”.

図4、5に示した動座標系XYZにおいて、以下の運動方程式(4)が成り立つ。   In the dynamic coordinate system XYZ shown in FIGS. 4 and 5, the following equation of motion (4) is established.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

また、「重力と遠心力との和が一定である」という上記の双線形タンジェント則(1)と線形タンジェント則(2)の仮定は、以下の関係式(5)で表される。
関係式(5)の左辺において、第1項が重力を表し、第2項が遠心力を表している。
Further, the assumption of the bilinear tangent rule (1) and the linear tangent rule (2) that “the sum of gravity and centrifugal force is constant” is expressed by the following relational expression (5).
On the left side of the relational expression (5), the first term represents gravity and the second term represents centrifugal force.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

図6は、実施の形態1におけるロケット誘導方法を示すフローチャートである。
実施の形態1におけるロケット誘導方法の処理の流れについて、図6に基づいて説明する。
FIG. 6 is a flowchart showing the rocket guidance method in the first embodiment.
A processing flow of the rocket guidance method in the first embodiment will be described with reference to FIG.

まず、ロケット誘導方法の概要について説明する。   First, the outline of the rocket guidance method will be described.

航法計算装置210は、ロケットの推力加速度ベクトルa、速度ベクトルVおよび位置ベクトルRを算出する(S110:航法計算処理)。 The navigation calculation device 210 calculates the rocket thrust acceleration vector a T , velocity vector V, and position vector R (S110: navigation calculation processing).

ロケット誘導計算装置100の各「〜部」は、以下の処理を実行する。
推力加速度予測部110は、ロケットの推力加速度ベクトルaなどに基づいて、推力加速度の予測プロファイル191を更新する(S120:予測プロファイル更新処理)。
予測状態量算出部120は、速度ベクトルV、位置ベクトルRおよび予測プロファイル191に基づいてロケットの予測状態量193を算出する(S130:予測状態量算出処理)。
要求状態量算出部130は、目標軌道情報192と予測プロファイル191とに基づいてロケットの要求状態量194を算出する(S140:要求状態量算出処理)。
推力方向決定部140は、予測状態量193と要求状態量194との状態量誤差に基づいてステアリング係数の更新量を算出する(S150:状態量誤差算出処理、更新量算出処理)。
推力方向決定部140は、ステアリング係数の更新量に基づいてステアリング係数を更新する(S151:ステアリング係数算出処理)。
Each “˜ unit” of the rocket guidance calculation apparatus 100 executes the following processing.
Thrust acceleration prediction unit 110, based on such a thrust acceleration vector a T rocket, updates the prediction profile 191 of thrust acceleration (S120: predicting profile update process).
The predicted state quantity calculation unit 120 calculates the predicted state quantity 193 of the rocket based on the velocity vector V, the position vector R, and the prediction profile 191 (S130: predicted state quantity calculation process).
The requested state quantity calculation unit 130 calculates the requested state quantity 194 of the rocket based on the target trajectory information 192 and the predicted profile 191 (S140: requested state quantity calculation process).
The thrust direction determination unit 140 calculates the update amount of the steering coefficient based on the state amount error between the predicted state amount 193 and the requested state amount 194 (S150: state amount error calculation process, update amount calculation process).
The thrust direction determination unit 140 updates the steering coefficient based on the update amount of the steering coefficient (S151: steering coefficient calculation process).

機体制御装置220は、ロケットの機体を制御して推力加速度の向きをピッチ角θに変更する(S160)。   The airframe controller 220 changes the direction of thrust acceleration to the pitch angle θ by controlling the airframe of the rocket (S160).

ロケット誘導方法の処理(S110−S160)は、周期的に繰り返し実行される。   The rocket guidance method processing (S110 to S160) is repeatedly executed periodically.

次に、ロケット誘導方法の詳細について説明する。   Next, details of the rocket guidance method will be described.

S110において、航法計算装置210は、現時点でのロケットの推力加速度ベクトルa、速度ベクトルVおよび位置ベクトルRを算出する。 In S110, the navigation calculation device 210 calculates the rocket thrust acceleration vector a T , the velocity vector V, and the position vector R at the present time.

例えば、航法計算装置210は、以下のように推力加速度ベクトルa、速度ベクトルVおよび位置ベクトルRを算出する。 For example, the navigation calculation apparatus 210 calculates the thrust acceleration vector a T , the velocity vector V, and the position vector R as follows.

航法計算装置210は、慣性計測装置(IMU)とも呼ばれる。
航法計算装置210はジャイロと加速度計とを備え、ジャイロはロケットの3軸方向(ロール角、ピッチ角、ヨー角)の角速度を動座標系(ロケット中心)で計測し、加速度計はロケットの3軸方向の加速度を動座標系で計測する。
航法計算装置210は、加速度計により計測された加速度を座標変換し、慣性座標系(地球中心)の加速度ベクトルaを算出する。
航法計算装置210は、一般的な慣性航法計算によって慣性座標系の速度ベクトルと位置ベクトルとを算出する。慣性航法計算において、航法計算装置210は、加速度と角速度とを積分して速度ベクトルを算出し、算出した速度ベクトルを積分して移動量ベクトルを算出し、算出した移動量ベクトルを前回の位置ベクトルに加算して現在の位置ベクトルを算出する。
航法計算装置210は、慣性航法計算により算出された速度ベクトルと位置ベクトルとを座標変換し、慣性座標系の速度ベクトルVと位置ベクトルRとを算出する。
The navigation calculation device 210 is also called an inertial measurement unit (IMU).
The navigation calculation device 210 includes a gyro and an accelerometer. The gyro measures the angular velocity of the rocket in three axis directions (roll angle, pitch angle, yaw angle) in a dynamic coordinate system (rocket center), and the accelerometer is a rocket 3 Measure axial acceleration in a dynamic coordinate system.
Navigation computing device 210, the acceleration measured by the accelerometer coordinate conversion, and calculates the acceleration vector a T of the inertial coordinate system (geocentric).
The navigation calculation device 210 calculates a velocity vector and a position vector of the inertial coordinate system by a general inertial navigation calculation. In the inertial navigation calculation, the navigation calculation device 210 calculates a velocity vector by integrating acceleration and angular velocity, calculates a movement vector by integrating the calculated velocity vector, and uses the calculated movement vector as the previous position vector. To calculate the current position vector.
The navigation calculation apparatus 210 performs coordinate conversion of the velocity vector and position vector calculated by inertial navigation calculation, and calculates the velocity vector V and position vector R of the inertial coordinate system.

S110の後、S120に進む。   It progresses to S120 after S110.

S120において、ロケット誘導計算装置100の推力加速度予測部110は、航法計算装置210により算出された推力加速度ベクトルaなどを入力し、入力した推力加速度ベクトルaなどに基づいて推力加速度の予測プロファイル191を更新する。 In S120, the thrust acceleration prediction unit 110 of the rocket induction computing device 100, such as by entering the thrust acceleration vector a T calculated by the navigation computing device 210, the prediction profile of thrust acceleration based like thrust acceleration vector a T input 191 is updated.

予測プロファイル191は、ロケットの推力加速度(大きさ)の予測値を示す履歴データである。
つまり、予測プロファイル191は、ロケットを点火してから経過した経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示すデータである。
例えば、予測プロファイル191は、固体ロケットの固体燃料が燃焼し始めてから固体燃料が燃焼し終わるまでの各時刻とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す。
The prediction profile 191 is history data indicating a predicted value of thrust acceleration (magnitude) of the rocket.
That is, the prediction profile 191 is data indicating the relationship between the elapsed time since the rocket was ignited and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket.
For example, the prediction profile 191 shows the relationship between each time from when the solid fuel of the solid rocket starts to burn until the solid fuel finishes burning and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket.

S120の後、S130に進む。   It progresses to S130 after S120.

S130において、予測状態量算出部120は、航法計算装置210により算出された位置ベクトルRと速度ベクトルVとを入力し、S120で更新された予測プロファイル191を入力する。
予測状態量算出部120は、入力した位置ベクトルRと速度ベクトルVと予測プロファイル191とに基づいて、予測カットオフ時刻でのロケットの予測状態量193を以下のように算出する。
予測カットオフ時刻は、推力加速度がゼロになる時刻として予測プロファイル191に示される時刻である。
In S130, the predicted state quantity calculation unit 120 receives the position vector R and the velocity vector V calculated by the navigation calculation device 210, and inputs the prediction profile 191 updated in S120.
The predicted state quantity calculation unit 120 calculates the predicted state quantity 193 of the rocket at the predicted cutoff time based on the input position vector R, velocity vector V, and prediction profile 191 as follows.
The predicted cutoff time is a time indicated in the predicted profile 191 as a time when the thrust acceleration becomes zero.

予測状態量算出部120は、位置ベクトルRと速度ベクトルVとを動座標系に座標変換する。
予測状態量算出部120は、座標変換して得られた位置ベクトルと速度ベクトルとを初期値として上記の運動方程式(4)を積分する。
上記の運動方程式(4)を積分することにより、燃焼終了時点でのロケットの軌道半径変化率z’(zの上部に1つの点)(以下同様)の予測値と軌道半径zの予測値と接線方向速度x’の予測値とを算出することができる。
The predicted state quantity calculation unit 120 performs coordinate conversion of the position vector R and the velocity vector V into a dynamic coordinate system.
The predicted state quantity calculation unit 120 integrates the above equation of motion (4) using the position vector and velocity vector obtained by coordinate conversion as initial values.
By integrating the above equation of motion (4), the predicted value of the orbital radius change rate z ′ (one point above z) at the end of combustion (the same applies hereinafter) and the predicted value of the orbital radius z A predicted value of the tangential speed x ′ can be calculated.

軌道半径変化率z’はロケットの速度成分(z方向の速度)を示し、軌道半径zはロケットの位置成分(z方向の位置)を示し、接線方向速度x’はロケットの速度成分(x方向の速度)を示す。   The orbital radius change rate z ′ indicates the rocket velocity component (z-direction velocity), the orbit radius z indicates the rocket position component (z-direction position), and the tangential velocity x ′ indicates the rocket velocity component (x-direction). Speed).

以下、軌道半径変化率z’と軌道半径zと接線方向速度x’とを「ロケットの状態量」という。
また、S130で算出された軌道半径変化率z’の予測値と軌道半径zの予測値と接線方向速度x’の予測値とを「予測状態量193」という。
Hereinafter, the orbit radius change rate z ′, the orbit radius z, and the tangential velocity x ′ are referred to as “rocket state quantities”.
In addition, the predicted value of the orbit radius change rate z ′ calculated in S130, the predicted value of the orbit radius z, and the predicted value of the tangential velocity x ′ are referred to as “predicted state quantity 193”.

S130の後、S140に進む。   It progresses to S140 after S130.

S140において、要求状態量算出部130は、目標軌道情報192と予測プロファイル191とに基づいて要求状態量194を算出する。目標軌道と推力加速度とに応じて、ロケットの誘導に要求されるロケットの状態量(要求状態量194)が定まるからである。
例えば、要求状態量算出部130は、目標軌道と推力加速度と状態量との関係を表す所定の関係式を計算して要求状態量194を算出する。
要求状態量194は、軌道半径変化率z’の目標値と、軌道半径zの目標値と、接線方向速度x’の目標値とを含む。
S140の後、S150に進む。
In S <b> 140, the requested state quantity calculation unit 130 calculates the requested state quantity 194 based on the target trajectory information 192 and the predicted profile 191. This is because the rocket state quantity (required state quantity 194) required for guidance of the rocket is determined according to the target trajectory and the thrust acceleration.
For example, the requested state quantity calculation unit 130 calculates the requested state quantity 194 by calculating a predetermined relational expression representing the relationship among the target trajectory, the thrust acceleration, and the state quantity.
The requested state quantity 194 includes a target value for the trajectory radius change rate z ′, a target value for the trajectory radius z, and a target value for the tangential velocity x ′.
After S140, the process proceeds to S150.

S150において、推力方向決定部140は、予測状態量193と要求状態量194との差を状態量誤差として算出する。
推力方向決定部140は、算出した状態量誤差と所定の感度行列とを用いて以下の式(6)を計算し、ステアリング係数の更新量を算出する。
In S150, the thrust direction determination unit 140 calculates a difference between the predicted state quantity 193 and the requested state quantity 194 as a state quantity error.
The thrust direction determination unit 140 calculates the following equation (6) using the calculated state quantity error and a predetermined sensitivity matrix, and calculates the update amount of the steering coefficient.

式(6)の左辺のベクトルは、ステアリング係数の更新量を示すベクトルである。
また、右辺左側の行列は「感度行列」であり、右辺右側のベクトルは「状態量誤差」を示すベクトルである。
感度行列の各要素「∂α/∂β」は、ステアリング係数を含んだ状態量αの関係式をステアリング係数βで偏微分して得られる導関数を意味する。導関数は、現在のステアリング係数A、B、Cが代入され、積分される。
The vector on the left side of Expression (6) is a vector indicating the amount of steering coefficient update.
The matrix on the left side of the right side is a “sensitivity matrix”, and the vector on the right side of the right side is a vector indicating “state quantity error”.
Each element “∂α / ∂β” of the sensitivity matrix means a derivative obtained by partial differentiation of the relational expression of the state quantity α including the steering coefficient with the steering coefficient β. The derivative is integrated by substituting the current steering coefficients A, B, and C.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

S150の後、S151に進む。   After S150, the process proceeds to S151.

S151において、推力方向決定部140は、現在のステアリング係数(前回算出したステアリング係数)にS151で算出したステアリング係数の更新量を加算してステアリング係数を更新する。
つまり、推力方向決定部140は、以下の式(7)を計算して新たなステアリング係数を算出する。
式(7)において、「A」「B」「C」は新たなステアリング係数を示し、「A」「B」「C」は現在のステアリング係数を示し、「δA」「δB」「δC」はステアリング係数の更新量を示す。
In S151, the thrust direction determination unit 140 updates the steering coefficient by adding the update amount of the steering coefficient calculated in S151 to the current steering coefficient (the previously calculated steering coefficient).
That is, the thrust direction determination unit 140 calculates the following formula (7) to calculate a new steering coefficient.
In Expression (7), “A”, “B”, and “C” indicate new steering coefficients, “A 0 ”, “B 0 ”, and “C 0 ” indicate current steering coefficients, and “δA”, “δB”, “ “δC” indicates an update amount of the steering coefficient.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

S160において、機体制御装置220は、S152で算出されたステアリング係数「A」「B」「C」をロケット誘導計算装置100から入力する。
機体制御装置220は、ロケットの推力加速度ベクトルaのピッチ角(ロケットの姿勢)がロケット誘導計算装置100から入力したステアリング係数から計算されるピッチ角θになるようにロケットの機体を制御する。
S160の後、S110に戻る。
In S160, the body control device 220 inputs the steering coefficients “A”, “B”, and “C” calculated in S152 from the rocket guidance calculation device 100.
Aircraft control unit 220, the pitch angle (orientation of the rocket) thrust acceleration vector a T rocket controls the rocket body such that the pitch angle θ calculated from the steering coefficients input from the rocket induced computing device 100.
After S160, the process returns to S110.

次に、実施の形態1におけるロケット誘導方法(図6参照)の効果について説明する。   Next, the effect of the rocket guidance method (see FIG. 6) in the first embodiment will be described.

従来、液体燃料を用いる液体ロケットを誘導するために「線形タンジェント則」または「線形サイン則」が用いられていた。
線形タンジェント則(8−1)、線形サイン則(8−2)を以下に示す。
以下の通り、線形タンジェント則(8−1)および線形サイン則(8−2)は、時間変数tの1次式である。
Conventionally, “linear tangent law” or “linear sine law” has been used to guide liquid rockets using liquid fuel.
The linear tangent rule (8-1) and the linear sine rule (8-2) are shown below.
As described below, the linear tangent rule (8-1) and the linear sine rule (8-2) are linear expressions of the time variable t.

Figure 0005683224
Figure 0005683224

線形タンジェント則(8−1)は、以下のように前述の双線形タンジェント則(1)に基づいた式である。   The linear tangent rule (8-1) is an expression based on the bilinear tangent rule (1) described above.

双線形タンジェント則(1)は、軌道半径zと軌道半径変化率z’と接線方向距離xと接線方向速度x’とを境界条件として、境界条件とステアリング係数Cとの所定の関係に基づいた式である。
ここで、双線形タンジェント則(1)の境界条件から接線方向距離xを除くことにより、線形タンジェント則(8−1)が導出される。
線形タンジェント則(8−1)の導出方法は、非特許文献1の60−61ページに開示されている。
The bilinear tangent rule (1) is based on a predetermined relationship between the boundary condition and the steering coefficient C n with the track radius z, the track radius change rate z ′, the tangential distance x, and the tangential velocity x ′ as boundary conditions. It is a formula.
Here, the linear tangent rule (8-1) is derived by removing the tangential distance x from the boundary condition of the bilinear tangent rule (1).
A method for deriving the linear tangent rule (8-1) is disclosed on pages 60-61 of Non-Patent Document 1.

線形サイン則(8−2)は、「ピッチ角θが微小である」と仮定して線形タンジェント則(8−1)を変形した式である。   The linear sine rule (8-2) is an expression obtained by modifying the linear tangent rule (8-1) on the assumption that “the pitch angle θ is very small”.

液体ロケットは、液体燃料の燃焼を停止することにより、推力加速度がゼロになる「カットオフ時刻」を制御することができる。
また、カットオフ時刻を制御することにより、接線方向速度x’を制御することができる。
そして、残りの境界条件である軌道半径zと軌道半径変化率z’とを制御するためには、2つのステアリング係数C、Cが得られれば十分である。
The liquid rocket can control the “cut-off time” at which the thrust acceleration becomes zero by stopping the combustion of the liquid fuel.
Further, the tangential speed x ′ can be controlled by controlling the cutoff time.
In order to control the trajectory radius z and the trajectory radius change rate z ′, which are the remaining boundary conditions, it is sufficient to obtain two steering coefficients C 4 and C 5 .

しかし、2つのステアリング係数C、Cでは、3つの境界条件「軌道半径z」「軌道半径変化率z’」「接線方向速度x’」を十分に制御することができない。 However, with the two steering coefficients C 4 and C 5 , the three boundary conditions “track radius z”, “track radius change rate z ′”, and “tangential velocity x ′” cannot be sufficiently controlled.

一方、固体ロケットは、固体燃料が燃焼し終わるまで推力加速度がゼロにならないため、「カットオフ時刻」を制御することができない。
つまり、カットオフ時刻を制御して接線方向速度x’を制御することができず、ステアリング係数を2つしか持たない線形タンジェント則(8−1)では、固体ロケットを高い精度で誘導することができない。
On the other hand, the solid rocket cannot control the “cut-off time” because the thrust acceleration does not become zero until the solid fuel is combusted.
That is, the tangential speed x ′ cannot be controlled by controlling the cut-off time, and the linear tangent rule (8-1) having only two steering coefficients can guide the solid rocket with high accuracy. Can not.

そこで、実施の形態1では、3つのステアリング係数A、B、Cを持つ2次タンジェント則101(式(3)参照)を用いることにより、固体ロケットを高い精度で誘導する。   Therefore, in the first embodiment, the solid rocket is guided with high accuracy by using the second-order tangent law 101 (see Expression (3)) having three steering coefficients A, B, and C.

図7は、実施の形態1におけるシミュレーション装置300を示す図である。
図8は、実施の形態1におけるシミュレーション結果(目標軌道:近地点高度)を示すグラフである。
図9は、実施の形態1におけるシミュレーション結果(目標軌道:遠地点高度)を示すグラフである。
FIG. 7 is a diagram showing a simulation apparatus 300 in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing a simulation result (target trajectory: near altitude) in the first embodiment.
FIG. 9 is a graph showing a simulation result (target trajectory: far-point altitude) in the first embodiment.

図7に示すシミュレーション装置300を用いて実施の形態1のロケット誘導方法(図6参照)をシミュレーションした結果について、図8、9に示す。   8 and 9 show the results of simulating the rocket guidance method of the first embodiment (see FIG. 6) using the simulation apparatus 300 shown in FIG.

図7に示すように、シミュレーション装置300は、簡易ダイナミクスモデル演算部310と誘導ロジック演算部320とシミュレーション結果出力部330とを備える。
簡易ダイナミクスモデル演算部310は、航法計算装置210と機体制御装置220とをシミュレーションする(図1参照)。
誘導ロジック演算部320は、2次タンジェント則101(式(3)参照)を用いるロケット誘導計算装置100(図1参照)をシミュレーションする。
また、誘導ロジック演算部320は、線形タンジェント則(8−1)を用いる従来のロケット誘導計算装置をシミュレーションする。
シミュレーション結果出力部330は、簡易ダイナミクスモデル演算部310や誘導ロジック演算部320のシミュレーション結果を出力する。
As shown in FIG. 7, the simulation apparatus 300 includes a simple dynamics model calculation unit 310, a guidance logic calculation unit 320, and a simulation result output unit 330.
The simple dynamics model calculation unit 310 simulates the navigation calculation device 210 and the airframe control device 220 (see FIG. 1).
The guidance logic calculation unit 320 simulates the rocket guidance calculation device 100 (see FIG. 1) using the second-order tangent rule 101 (see equation (3)).
In addition, the guidance logic calculation unit 320 simulates a conventional rocket guidance calculation apparatus that uses the linear tangent rule (8-1).
The simulation result output unit 330 outputs the simulation results of the simple dynamics model calculation unit 310 and the guidance logic calculation unit 320.

例えば、簡易ダイナミクスモデル演算部310、誘導ロジック演算部320およびシミュレーション結果出力部330は「Matlab/Simulinkプログラム」で実装することができる。   For example, the simple dynamics model calculation unit 310, the guidance logic calculation unit 320, and the simulation result output unit 330 can be implemented by a “Matlab / Simlink program”.

シミュレーション装置300はロケット誘導計算装置100(図2参照)と同様にCPUやメモリなどのハードウェアを備え、シミュレーション装置300の各「〜部」はハードウェアによって動作する。
例えば、シミュレーション結果出力部330は、シミュレーション結果をグラフ化(図8、図9)して表示装置に表示する。
Similar to the rocket guidance calculation apparatus 100 (see FIG. 2), the simulation apparatus 300 includes hardware such as a CPU and a memory, and each “˜ unit” of the simulation apparatus 300 operates by hardware.
For example, the simulation result output unit 330 graphs the simulation result (FIGS. 8 and 9) and displays it on the display device.

図8は、目標軌道の近地点高度に対するシミュレーション結果の相対誤差(目標軌道からのずれ量)を示し、図9は、目標軌道の遠地点高度に対するシミュレーション結果の相対誤差を示している。棒グラフが低いほど、目標軌道からのずれは小さい。   FIG. 8 shows the relative error (shift amount from the target trajectory) of the simulation result with respect to the near-point altitude of the target trajectory, and FIG. 9 shows the relative error of the simulation result with respect to the far-point altitude of the target trajectory. The lower the bar graph, the smaller the deviation from the target trajectory.

図8、9において、「ノミナル」は想定した推力および比推力に誤差を与えない場合のシミュレーション結果を示し、「推力誤差」は推力に3%アップの誤差を与えた場合のシミュレーション結果を示し、「比推力誤差」は比推力に1%アップの誤差を与えた場合のシミュレーション結果を示す。
(L)は従来の線形タンジェント則を用いた場合のシミュレーション結果を示し、(Q)は実施の形態1の2次タンジェント則を用いた場合のシミュレーション結果を示す。
また、(Q’)は推力加速度を7%アップさせて2次タンジェント則を用いた場合のシミュレーション結果を示す。
8 and 9, “Nominal” indicates the simulation result when no error is given to the assumed thrust and specific thrust, and “Thrust error” indicates the simulation result when the error is increased by 3% to the thrust, “Specific thrust error” indicates a simulation result when an error of 1% up is given to the specific thrust.
(L) shows a simulation result when the conventional linear tangent rule is used, and (Q) shows a simulation result when the second-order tangent rule of the first embodiment is used.
Further, (Q ′) shows a simulation result when the second tangent law is used with the thrust acceleration increased by 7%.

図8、9に示すように、2次タンジェント則を用いた場合(Q、Q’)、従来の線形タンジェント則を用いた場合(L)に比べて、固体ロケットを高い精度で誘導することができる。   As shown in FIGS. 8 and 9, the solid rocket can be guided with higher accuracy than when the second-order tangent rule is used (Q, Q ′) and when the conventional linear tangent rule is used (L). it can.

100 ロケット誘導計算装置、101 2次タンジェント則、110 推力加速度予測部、120 予測状態量算出部、130 要求状態量算出部、140 推力方向決定部、190 誘導計算記憶部、191 予測プロファイル、192 目標軌道情報、193 予測状態量、194 要求状態量、200 ロケット誘導システム、210 航法計算装置、220 機体制御装置、300 シミュレーション装置、310 簡易ダイナミクスモデル演算部、320 誘導ロジック演算部、330 シミュレーション結果出力部、911 CPU、912 バス、913 ROM、914 RAM、915 通信ボード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Rocket guidance calculation apparatus, 101 Secondary tangent rule, 110 Thrust acceleration prediction part, 120 Predicted state quantity calculation part, 130 Required state quantity calculation part, 140 Thrust direction determination part, 190 Guidance calculation memory part, 191 Prediction profile, 192 Target Trajectory information, 193 predicted state quantity, 194 required state quantity, 200 rocket guidance system, 210 navigation calculation device, 220 airframe control device, 300 simulation device, 310 simple dynamics model computation unit, 320 guidance logic computation unit, 330 simulation result output unit 911 CPU, 912 bus, 913 ROM, 914 RAM, 915 communication board.

Claims (6)

ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式である2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出するステアリング係数算出部と、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す予測プロファイルと、ロケット燃焼終了までの予測時間とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量として算出する予測状態量算出部と、
ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量として記憶する要求状態量記憶部とを備え、
前記ステアリング係数算出部は、前記予測状態量算出部により算出された予測状態量と前記要求状態量記憶部に記憶された要求状態量との差を状態量誤差として算出し、算出した状態量誤差に基づいて前記ステアリング係数の更新量を算出し、算出した更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する
ことを特徴とするロケット誘導計算装置。
A steering coefficient calculation unit for calculating a coefficient included in a second tangent law, which is a quadratic expression of a time variable for obtaining a rocket pitch angle, as a steering coefficient for obtaining a rocket pitch angle ;
The current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, the prediction profile indicating the relationship between the elapsed time since the ignition of the rocket and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket, and the predicted time until the end of rocket combustion A predicted state quantity calculation unit that calculates a predicted value of the rocket speed component at the end of combustion and a predicted value of the position component of the rocket at the end of combustion as a predicted state quantity,
The required value of the target value of the velocity component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory and the target value of the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies in the target trajectory A request state quantity storage unit for storing,
The steering coefficient calculation unit calculates a difference between the predicted state quantity calculated by the predicted state quantity calculation unit and the requested state quantity stored in the requested state quantity storage unit as a state quantity error, and calculates the calculated state quantity error. A rocket guidance calculation device, wherein an update amount of the steering coefficient is calculated based on the calculation amount, and a new steering coefficient is calculated based on the calculated update amount.
請求項1記載のロケット誘導計算装置と、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットの現時点の非重力加速度ベクトルとを航法計算によって算出する航法計算装置と、
前記ロケット誘導計算装置により算出されたステアリング係数から計算されるロケットのピッチ角に従ってロケットの推力加速度の向きを制御する機体制御装置と
を備えたことを特徴とするロケット誘導システム。
Rocket induction computing device of claim 1 Symbol placement,
A navigation calculation device that calculates the current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, and the current non-gravity acceleration vector of the rocket by navigation calculation;
A rocket guidance system comprising: a body control device for controlling the direction of thrust acceleration of a rocket according to a pitch angle of the rocket calculated from a steering coefficient calculated by the rocket guidance calculation device.
前記非重力加速度ベクトルは推力加速度ベクトルであることを特徴とする請求項記載のロケット誘導システム。 The rocket guidance system according to claim 2, wherein the non-gravity acceleration vector is a thrust acceleration vector. 請求項または請求項記載のロケット誘導システムを搭載したロケット。 Claim 2 or claim 3 rocket equipped with rocket guidance system according. ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式である2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出するステアリング係数算出処理と、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す予測プロファイルと、ロケット燃焼終了までの予測時間とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量として算出する予測状態量算出処理と
をコンピュータに実行させるロケット誘導計算プログラムであって
前記ステアリング係数算出処理は、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量として記憶する要求状態量記憶部から前記要求状態量を入力し、前記予測状態量算出処理により算出された予測状態量と前記要求状態量記憶部から入力した要求状態量との差を状態量誤差として算出し、算出した状態量誤差に基づいて前記ステアリング係数の更新量を算出し、算出した更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する処理である
ことを特徴とするロケット誘導計算プログラム。
A steering coefficient calculation process for calculating a coefficient included in a second tangent law, which is a quadratic expression of a time variable for obtaining a rocket pitch angle, as a steering coefficient for obtaining a rocket pitch angle ;
The current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, the prediction profile indicating the relationship between the elapsed time since the ignition of the rocket and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket, and the predicted time until the end of rocket combustion based on the prediction value of the velocity component of the rocket combustion end, Ru to execute the predicted state quantity calculating process to calculate a predicted state amount and a predicted value of the position components of the rocket combustion end to the computer A rocket guidance calculation program ,
The steering coefficient calculation process includes the target value of the rocket speed component at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory, and the target of the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory. The requested state quantity is input from a requested state quantity storage unit that stores a value as a requested state quantity, the predicted state quantity calculated by the predicted state quantity calculation process, and the requested state quantity input from the requested state quantity storage unit, Is calculated as a state quantity error, an update amount of the steering coefficient is calculated based on the calculated state quantity error, and a new steering coefficient is calculated based on the calculated update quantity. Rocket guidance calculation program.
ロケットのピッチ角を求める時間変数の2次式である2次タンジェント則に含まれる係数をロケットのピッチ角を求めるためのステアリング係数として算出するステアリング係数算出処理と、
ロケットの現時点の速度ベクトルと、ロケットの現時点の位置ベクトルと、ロケットを点火してからの経過時間とロケットの推力加速度の予測値との関係を示す予測プロファイルと、ロケット燃焼終了までの予測時間とに基づいて、燃焼終了時点でのロケットの速度成分の予測値と、燃焼終了時点でのロケットの位置成分の予測値とを予測状態量として算出する予測状態量算出処理と
を備えるロケット誘導計算方法であって、
前記ステアリング係数算出処理は、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの速度成分の目標値と、ロケットが目標軌道を飛行した場合の燃焼終了時点でのロケットの位置成分の目標値とを要求状態量として記憶する要求状態量記憶部から前記要求状態量を入力し、前記予測状態量算出処理により算出された予測状態量と前記要求状態量記憶部から入力した要求状態量との差を状態量誤差として算出し、算出した状態量誤差に基づいて前記ステアリング係数の更新量を算出し、算出した更新量に基づいて新たなステアリング係数を算出する処理である
ことを特徴とするロケット誘導計算装置のロケット誘導計算方法。
A steering coefficient calculation process for calculating a coefficient included in a second tangent law, which is a quadratic expression of a time variable for obtaining a rocket pitch angle, as a steering coefficient for obtaining a rocket pitch angle ;
The current velocity vector of the rocket, the current position vector of the rocket, the prediction profile indicating the relationship between the elapsed time since the ignition of the rocket and the predicted value of the thrust acceleration of the rocket, and the predicted time until the end of rocket combustion A predicted state quantity calculation process for calculating a predicted value of the velocity component of the rocket at the end of combustion and a predicted value of the position component of the rocket at the end of combustion as a predicted state quantity based on
A rocket guidance calculation method comprising:
The steering coefficient calculation process includes the target value of the rocket speed component at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory, and the target of the position component of the rocket at the end of combustion when the rocket flies on the target trajectory. The requested state quantity is input from a requested state quantity storage unit that stores a value as a requested state quantity, the predicted state quantity calculated by the predicted state quantity calculation process, and the requested state quantity input from the requested state quantity storage unit, The difference between the two is calculated as a state quantity error, an update amount of the steering coefficient is calculated based on the calculated state quantity error, and a new steering coefficient is calculated based on the calculated update amount. A rocket guidance calculation method for a rocket guidance calculation device.
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