(57)【要約】      （修正有）【課題】ＲＣＳが極端に小さいステルス性の高い目標物に対し、誘導可能な距離が短い場合でも、飛しょう体を目標物に会合させることができる、誘導性能を向上させた誘導装置を提供する。【解決手段】飛しょう体誘導制御装置１０は、最適化計算部１、評価関数計算部２、拘束条件計算部３から構成される。十分な誘導時間が確保できる場合は、ＬＯＳレートに依存した評価関数を設定することで会合を保障する。十分な誘導時間が確保できない場合には、予測会合時間における相対距離を０にする拘束条件を設けることで会合を保障する。また、相対距離の大小によって評価関数と拘束条件を切り替えることにより、計算量の増大や計算精度の劣化、ロバスト性の低下を防止するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛しょう体を目標に向けて誘導する飛しょう体誘導制御装置であって、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を計算する拘束条件計算部と、
前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最少時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部と最適化計算部と、から構成され
前記評価値を算出する評価関数は、所定の時刻における前記飛しょう体と前記目標を結ぶ線の角度の変化率に基づいて定められる関数であることを特徴とする飛しょう体誘導制御装置。
【請求項２】
前記拘束条件計算部は、前記拘束条件を、予測会合時間における前記飛しょう体と前記目標との相対距離を０に設定することを特徴とする請求項１記載の飛しょう体誘導制御装置。
【請求項３】
飛しょう体を目標に向けて誘導する飛しょう体誘導制御装置であって、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を計算する拘束条件計算部と、前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最小時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部とから構成され、前記評価値を算出する評価関数は、所定の時刻における前記飛しょう体と前記目標を結ぶ線の角度の変化率に基づいて定められる関数である第１の飛しょう体誘導制御装置と、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を予測会合時間における前記飛しょう体と前記目標との相対距離を０に設定する拘束条件計算部と、前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最小時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部とから構成される第２の飛しょう体誘導制御装置と、
前記飛しょう体と前記目標の状態量の入力先を、前記第１の飛しょう体誘導制御装置と前記第２の飛しょう体誘導制御装置のいずれかに切り替える入力側スイッチと、
前記旋回加速度指令値を出力する出力元を、前記第１の飛しょう体誘導制御装置と前記第２の飛しょう体誘導制御装置のいずれかに切り替える出力側スイッチと、
から構成され、
前記飛しょう体と前記目標の相対距離が所定の値より大きい場合は、前記入力側スイッチと前記出力側スイッチは前記第１の飛しょう体誘導制御装置に接続され、
前記飛しょう体と前記目標の相対距離が所定の値より小さい場合は、前記入力側スイッチと前記出力側スイッチは前記第２の飛しょう体誘導制御装置に接続されることを特徴とする飛しょう体誘導制御装置。
【請求項４】
飛しょう体を目標に向けて誘導する飛しょう体誘導制御装置であって、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を計算する拘束条件計算部と、前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最小時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部とから構成され、前記評価値を算出する評価関数は、所定の時刻における前記飛しょう体と前記目標を結ぶ線の角度の変化率に基づいて定められる関数である第１の飛しょう体誘導制御装置と、
前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を予測会合時間における前記飛しょう体と前記目標との相対距離を０に設定する拘束条件計算部と、前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最小時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部とから構成される第２の飛しょう体誘導制御装置と、
前記第１の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値と前記第２の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値とを所定の比率で加算して出力する誘導ゲイン部と、から構成され、
前記飛しょう体と前記目標の相対距離が所定の値より大きい場合は、前記第１の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値の比率が前記第２の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値の比率より大であり、
前記飛しょう体と前記目標の相対距離が所定の値より小さい場合は、前記第２の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値の比率が前記第１の飛しょう体誘導制御装置が出力する旋回加速度指令値の比率より大であることを特徴とする飛しょう体誘導制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、飛しょう体を目標物に会合させるための飛しょう体誘導制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、飛しょう体を目標物に会合させるために誘導を行う場合、比例航法則を用いた飛しょう体誘導制御装置が用いられてきた(例えば、非特許文献１の１１頁〜３０頁)。
ここで比例航法則とは、シーカで検出される目視線角変化率と相対運動計算により推定される相対接近速度に比例した加速度指令による誘導則のことである。
【０００３】
しかし、目標物のＲＣＳ（Ｒａｄｅｒ  Ｃｒｏｓｓ  Ｓｅｃｔｉｏｎ）が極端に小さいステルス目標物に飛しょう体を会合させようとする場合、目標物のステルス性によって目標物をロックオンする距離が短くなり、誘導時間も小さくなる。その結果、上記の飛しょう体誘導制御装置等では、誘導時間が十分でなく、飛しょう体を目標物に会合させることが難しいという問題があった。
【０００４】
一方、化学プラントなどの線形性を有していてサンプリング周期も遅いシステムにおいて、オンラインでの最適制御が行われてきた。オンラインでの最適制御とは、運用の制限等の拘束条件のもとで、特定の時間先までのプラントの状態の予測を行い、その予測結果と前述の拘束条件から計算される評価関数を最小化するような制御入力をリアルタイムで求める制御手法のことである（例えば、特許文献１）。同様に飛しょう体会合問題においても、飛しょう体の運動等の拘束条件のもとで、特定の時間先までの状態の予測を行い、その予測結果と拘束条件を用いて計算される評価関数を最小化するような、オンラインで最適制御を行うことで誘導性能の向上が見込める。この手法を用いることで、誘導時間が小さい場合でも、飛しょう体を目標物に会合させることができる。しかし、従来の飛しょう体の誘導制御システムでは、飛しょう体の運動モデルの非線形性やサンプリング周期の短さから、サンプリング周期に対して計算負荷が大きく、オンラインでの最適制御計算は実現されていなかった。
【０００５】
従来の最適化計算では、その解法として反復法が多く用いられている。反復法では、初期解を元に評価関数を評価し、その評価値が向上する方向に解を変化させ、評価関数を再度評価する。この反復を繰り返し、解の変化量が閾値以下になった場合に、最適化計算が収束したとみなして計算を打ち切る。解の変化量が閾値以下にならない場合には、最適化計算が収束しないこととなる。このように反復法では、サンプリング周期内に計算が完了しない場合があり、前述のとおり、飛しょう体誘導制御装置においては実現を難しくする原因となっていた。
【０００６】
近年、計算機技術の発達と最適化計算に関する研究の進展により、飛しょう体システムのような非線形性が高くサンプリング周期も小さいシステムにおいても、オンラインで最適化計算が可能となるアルゴリズムが開発されてきた（例えば、特許文献２）。この手法では、前述の反復法とは異なり、最適化の実時間方向への変化を追跡することで効率的な数値解法を構成している。各サンプリング周期で最適制御問題を解くという計算負荷が高い問題に対し、小さいサンプリング周期の間に微小変化する解を追跡して最適解を探索する手法をとることで正確に計算することができる利点があり、飛しょう体誘導制御装置への実装が期待できる。しかし、飛しょう体と目標物との相対的関係（相対位置、相対速度、相対加速度）、拘束条件、評価関数の設定によって、計算精度の劣化や、ロバスト性の低下の可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９９８２５号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９５７０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Tactical and Strategic Missile Guidance Fourth Edition”, Paul Zarchan,ISBN:1-56347-497-2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
オンライン最適制御とは、運用の制限等の拘束条件のもとで、特定の時間先（以後ホライズンと呼ぶ）までのプラントの状態の予測を行い、その予測結果と前述の拘束条件から計算される評価関数を最小化するような制御入力をリアルタイムで求める制御手法のことであるが、飛しょう体の誘導制御装置に用いる場合には、評価関数と拘束条件の設定やホライズンの長さによって会合を保障することができないという課題がある。
【００１０】
また、オンライン最適制御における最適化計算において、前述のサンプリング間で微小に変化する解を追跡することで最適解を探索する最適化計算手法を用いて、ＲＣＳが極端に小さい目標物に飛しょう体を会合させることを目的とした場合、飛しょう体と目標物との相対的関係、拘束条件、評価関数の設定によって、計算量の増大や計算精度の劣化、計算のロバスト性の低下が生じるという課題がある。
【００１１】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ＲＣＳが小さい目標物であっても、確実に会合可能な飛しょう体誘導制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る飛しょう体誘導制御装置は、飛しょう体を目標に向けて誘導する飛しょう体誘導制御装置であって、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、特定の時刻までの前記飛しょう体と前記目標の状態の予測を行い、前記予測の結果に基づいて評価値を計算する評価関数計算部と、前記飛しょう体と前記目標の状態量を入力し、最適化計算を行う際の拘束条件を計算する拘束条件計算部と、前記拘束条件と前記評価値を入力し、前記拘束条件を満たした状態において前記評価値を最小化する最適化計算を行い、前記評価値が最少時の旋回加速度指令値を出力する最適化計算部と最適化計算部と、から構成され
前記評価値を算出する評価関数は、所定の時刻における前記飛しょう体と前記目標を結ぶ線の角度の変化率に基づいて定められる関数とした。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る誘導装置によれば、従来よりも誘導性能を向上させることができ、ＲＣＳが極端に小さいステルス性の高い目標物に対し、誘導可能な距離が短い場合でも、飛しょう体を目標物に会合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１、２の飛しょう体誘導制御装置において、飛しょう体に搭載された誘導装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態３の飛しょう体誘導制御装置において、飛しょう体に搭載された誘導装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態４の飛しょう体誘導制御装置において、飛しょう体に搭載された誘導装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１、２に係る飛しょう体誘導制御装置１０の構成を示す図である。飛しょう体誘導制御装置１０は、最適化計算部１、評価関数計算部２、拘束条件計算部３から構成される。
最適化計算部１は、飛しょう体誘導制御装置が搭載される飛しょう体と目標物の諸元（位置、速度、加速度等）を入力とし、拘束条件計算部３から得られる拘束条件のもと、特定の時刻（以後ではホライズンと呼ぶ）までの状態の予測を行い、その予測結果を用いて評価関数計算部２から得られる評価値を最小化するように、最適化計算を実施し、最適な旋回加速度指令値を出力する。目標物の諸元（位置、速度、加速度等）は例えば飛しょう体に搭載されるレーダ装置により取得してもよいし、飛しょう体の外部から無線で取得するものであってもよい。
実施の形態１に係る飛しょう体誘導制御装置では、ホライズンに有限の適当な時間を設定し、評価関数計算部２における評価関数に、ホライズンでのＬＯＳレート（Ｌｉｎｅ  ｏｆ  Ｓｉｇｈｔの変化率（飛しょう体と目標物を結ぶ線の角度の変化率））を設定する。
評価関数にＬＯＳレートを設定し、最適化計算でその評価値を最小化することで、予測している最も将来の点（ホライズン）において、飛しょう体は、目標物と飛しょう体自身の運動から計算される会合三角形上に漸近していく。その結果、十分時間が経過した際、飛しょう体は会合三角形上に位置することとなり、飛しょう体を目標物に会合させることができる。ホライズンは任意に設定することができ、目標までの距離が遠距離の場合であっても評価関数のＬＯＳレートを正確に算出することが可能である。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態２に係る飛しょう体誘導制御装置は、実施の形態１に係る飛しょう体誘導制御装置と構成は同じである。ただし、実施の形態２では拘束条件計算部３において、ホライズンを予測会合時間に設定し、予測会合時間における相対距離が０となるような拘束条件を設定する。評価関数計算部２には、飛しょう時間や入力の積分値等の和をもって構成する。
この拘束条件と評価関数を用いることで、飛しょう時間を短くすることができ、最小のエネルギ消費で誘導することができるという利点がある。また、予測会合時間における相対距離を０にする拘束から、飛しょう体を目標物に会合させることができる。
【００１７】
実施の形態３．
前述の実施の形態１では、ＬＯＳレートの最小化により飛しょう体を会合三角形に漸近させることによって会合の保障を行っているが、会合三角形に漸近して会合するまでには十分な時間が必要となる。
会合に向けて漸近していく時間がない場合には、会合三角形上に飛しょう体を位置させることができなくなり、会合を保障することが難しいという問題がある。すなわち、飛しょう体と目標物間の相対距離が大きく、会合までに十分な時間がある場合には有効な手段であるが、相対距離が小さい場合には有効でないという特徴がある。
【００１８】
前述の実施の形態２では、予測会合時間での相対距離を０にするという拘束条件を用いて会合を保障しているが、以下に記すように予測時間のとり方によって問題が生じる。
制御開始時点で目標物と飛しょう体間の相対距離が大きい場合、会合までの予測時間も大きくなる。予測時間は予測点間隔と予測点数の積で表すことができるが、予測点間隔を固定した場合、予測時間が大きくなると予測点数も多くなる。最適化計算の計算負荷はこの予測点数に比例するので、予測点数が増大することにより最適化計算の計算量が増大するという問題がある。
また、逆に予測点数を固定して予測点間隔を大きくすることで計算負荷の増大を防ぐ方法が考えられる。しかし、最適化計算の計算精度は予測点間隔が小さいほど改善するので、予測点間隔の増大により最適化計算の計算精度が劣化するという問題がある。
すなわち、飛しょう体と目標物間の相対距離が小さい場合には有効であるが、
大きい場合には、計算量が増大するという問題もしくは計算精度が劣化するという問題がある。
【００１９】
そこで実施の形態３では、飛しょう体と目標物間の相対距離に応じて、飛しょう体誘導制御装置を切り替える構成とする。
図２は、本実施の形態に係る飛しょう体誘導制御装置１００の構成を示す図である。
図２において、第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａは、実施の形態１で説明した飛しょう体誘導装置であり、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂは、実施の形態２で説明した飛しょう体誘導装置である。このように  実施の形態３に係る飛しょう体誘導制御装置１００は、第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａと、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂと、入出力を切り替える出力側スイッチ６と入力側スイッチ７で構成される。
【００２０】
前述の実施の形態１の飛しょう体誘導制御装置と実施の形態２の飛しょう体誘導制御装置は、相対距離の大小によってメリット・デメリットが相反している。
本実施の形態では、相対距離が小さい場合には最適誘導計算装置１を用いて計算し、相対距離が大きい場合には最適誘導計算装置２を用いて計算を行うように、入力側スイッチと出力側スイッチを切り替える。相対距離は、最適化計算部１に入力される飛しょう体と目標物の諸元（位置、速度、加速度等）に基づき算出される。
【００２１】
図２において、相対距離が設定値より大きい場合、入力側スイッチ７と出力側スイッチ６は最適誘導計算装置１側に接続され、最適誘導計算装置１は飛しょう体／目標物状態量、すなわち飛しょう体誘導制御装置が搭載される飛しょう体と目標物の諸元（位置、速度、加速度等）を入力する。そして、拘束条件計算部３から得られる拘束条件のもと、特定の時刻（ホライズン）までの状態の予測を行い、その予測結果を用いて評価関数計算部２から得られる評価値を最小化するように、最適化計算を実施し、最適な旋回加速度指令値を出力する。
実施の形態１と同様に、ホライズンには有限の適当な時間を設定し、評価関数計算部２における評価関数に、ホライズンでのＬＯＳレート（Ｌｉｎｅ  ｏｆ  Ｓｉｇｈｔの変化率（飛しょう体と目標物を結ぶ線の角度の変化率））を設定する。
評価関数にＬＯＳレートを設定し、最適化計算でその評価値を最小化することで、予測している最も将来の点（ホライズン）において、飛しょう体は、目標物と飛しょう体自身の運動から計算される会合三角形上に漸近していく。
【００２２】
次に、相対距離が設定値より小さくなった時点で、入力側スイッチ７と出力側スイッチ６は最適誘導計算装置２側に接続される。
拘束条件計算部３では、ホライズンを予測会合時間に設定し、予測会合時間における相対距離が０となるような拘束条件を設定する。
評価関数計算部２には、飛しょう時間や入力の積分値等の和をもって構成する。
【００２３】
このように実施の形態３では、飛しょう体と目標物間の相対距離に応じて飛しょう体誘導制御装置を切り替える構成とすることで、飛しょう体と目標物間の相対距離が大きく、会合までに時間的に余裕がある場合には、評価関数であるＬＯＳレートを最小化していくことで、安定して飛しょう体を会合三角形上に漸近していくことができ、飛しょう体と目標物間の相対距離が小さくなった時点で予測会合時間における相対距離が０となるような拘束条件を設定することで、計算負荷の増大を抑えつつ会合位置と時間の精度を向上させることが可能となる。
【００２４】
実施の形態４．
実施の形態３に係る飛しょう体誘導制御装置１００は入力側と出力側にスイッチを有して、適用する飛しょう体誘導制御装置（１）、（２）を切り替えて旋回加速度指令値を出力するようにした。この場合、評価関数の切り替えが不連続となり、切り替えのタイミングで計算負荷が増大するという課題が生じる。
図３は、実施の形態４に係る飛しょう体誘導制御装置１０１の構成を示す図である。図３において、第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａは実施の形態１で説明した飛しょう体誘導装置であり、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂは実施の形態２で説明した飛しょう体誘導装置である。
第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａと第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂは共に、飛しょう体誘導制御装置１０１が搭載される飛しょう体と目標物の諸元（位置、速度、加速度等）を入力する。
第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａには誘導ゲイン（Ｇ１）８が接続され、第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａが出力する旋回加速度指令値１を所定の増減比で増減する。また、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂには誘導ゲイン（Ｇ２）９が接続され、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂが出力する旋回加速度指令値２を所定の増減比で増減する。
このように飛しょう体誘導制御装置１０１は、各々増減された後の旋回加速度指令値１と旋回加速度指令値２を加算して、加算後の値を旋回加速度指令値として出力する。
【００２５】
ここで、誘導ゲイン（Ｇ１）８と誘導ゲイン（Ｇ２）９における旋回加速度指令値の増減比は、飛しょう体と目標物間の相対距離の関数であり、相対距離が予め設定した距離より大きい場合、誘導ゲイン（Ｇ１）８における増減比は大きくなり、誘導ゲイン（Ｇ２）９における増減比は小さくなるように設定される。一方、相対距離が設定距離より小さい場合には、誘導ゲイン（Ｇ１）８における増減比は小さくなり、誘導ゲイン（Ｇ２）９における増減比は大きくなるように設定される。誘導ゲイン（Ｇ１）８の増減比と誘導ゲイン（Ｇ２）の増減比は、その和が１となるように飛しょう体誘導制御装置１０１内の制御部（図示せず）において制御される。
【００２６】
このように実施の形態４に係る飛しょう体誘導制御装置１０１は、第１の飛しょう体誘導制御装置１０Ａ、第２の飛しょう体誘導制御装置１０Ｂが各々出力する旋回加速度指令値を所定の増減比で増減する誘導ゲイン（Ｇ１）８と誘導ゲイン（Ｇ２）９を備え、誘導ゲイン（Ｇ１）８と誘導ゲイン（Ｇ２）９からの出力を加算した加算後の値を旋回加速度指令値として出力するようにした。
これにより、切り替えの際に発生していた評価関数の不連続性が無くなり、計算負荷の増大を解消できる。なお、誘導ゲイン（Ｇ１）８、誘導ゲイン（Ｇ２）９で使用される関数形は、その和が１となる関係を満たすように任意に選ぶことができる。
【符号の説明】
【００２７】
１ 最適化計算部、２ 評価関数計算部、３ 拘束条件計算部、６ 出力側スイッチ、７ 入力側スイッチ、８ 誘導ゲイン１、９ 誘導ゲイン２、１０  飛しょう体誘導制御装置、１０Ａ  第１の飛しょう体誘導制御装置、１０Ｂ  第２の飛しょう体誘導制御装置、１００、１０１ 飛しょう体誘導制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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