(57)【要約】【課題】シーカの観測値のＳ／Ｎ比が低い状況にあっても、目標の運動を高精度に推定する目標運動量推定装置を提供する。【解決手段】飛しょう体に搭載され目標の観測量とそのＳ／Ｎ比を出力するシーカと、観測ノイズ行列を算出する観測ノイズ行列計算装置と、観測量と観測ノイズ行列と時間外挿計算装置が出力する目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）に基づき観測更新計算を行う観測更新計算装置と、観測更新計算後の目標の状態量（＋）と誤差共分散行列（＋）と、プロセスノイズ行列を用いた時間外挿計算により目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）を算出する時間外挿計算装置と、時間外挿計算装置から目標の状態量（−）を入力する毎に、目標の状態量（−）を用いてプロセスノイズ行列を算出し、時間外挿計算装置に出力するプロセスノイズ行列計算装置とから構成される。【選択図】図１
2016161269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標の状態量をカルマンフィルタにより推定する目標状態量推定装置であって、
飛しょう体に搭載され、目標までの距離と方向を観測した観測量と、前記観測量のＳ／Ｎ比を出力するシーカと、
前記観測量と前記Ｓ／Ｎ比に基づき、前記観測量の誤差の大きさを表す観測ノイズ行列を算出し、前記観測ノイズ行列を観測更新計算装置に出力する観測ノイズ行列計算装置と、
前記観測量と、前記観測ノイズ行列と、時間外挿計算装置が出力する目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）に基づき観測更新計算を行い、観測更新計算後の目標の状態量（＋）と誤差共分散行列（＋）を出力する観測更新計算装置と、
更新計算後の前記目標の状態量（＋）と誤差共分散行列（＋）と、前記目標の運動モデルの誤差の大きさであるプロセスノイズ行列に基づき、時間外挿計算により目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）を算出し、出力する時間外挿計算装置と、
前記時間外挿計算装置が算出した前記目標の状態量（−）に基づき、前記プロセスノイズ行列を算出し、算出した前記プロセスノイズ行列を前記時間外挿計算装置に出力するプロセスノイズ行列計算装置と、
から構成されることを特徴とする目標状態量推定装置。
【請求項２】
前記プロセスノイズ行列計算装置は、前記時間外挿計算装置から前記目標の状態量（−）を入力する毎に前記プロセスノイズ行列を算出し、前記時間外挿計算装置に出力することを特徴とする請求項１記載の目標状態量推定装置。
【請求項３】
前記プロセスノイズ行列は以下の式で示される行列であり、プロセスノイズ行列初期値Ｑ０は、前記目標の最大旋回加速度をもとに予め設定される初期値であることを特徴とする請求項１記載の目標状態量推定装置。
2016161269.tif 000006
ここで
プロセスノイズ行列：Ｑ
プロセスノイズ行列初期値：Ｑ０
ゲイン行列関数：Ｇ
である。
【請求項４】
前記プロセスノイズ行列計算装置は、前記目標の状態量（−）から計算される前記目標と会合するまでの時間である予想会合時間を用いて、前記プロセスノイズ行列を算出することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の目標状態量推定装置。
【請求項５】
前記目標は、レーダー反射断面積（ＲＣＳ）が小さい目標である場合に使用されることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の目標状態量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、飛しょう体を目標に会合させるにあたり、目標の位置・速度・加速度等の状態量を推定するための目標状態量推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、飛しょう体等に搭載されているシーカによって目標の状態量を推定する場合、カルマンフィルタが広く用いられてきた。シーカから得られる目標の観測結果には観測誤差が含まれており、それを取り除く手段として、目標の運動モデルに基づいて状態量を推定するカルマンフィルタは非常に有効である。カルマンフィルタには、線形カルマンフィルタ（例えば、非特許文献１のP.163〜P.184参照）や、非線形カルマンフィルタ(例えば、非特許文献１のP.373〜P.388参照)等の種類がある。また、従来、目標の状態量を推定する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
カルマンフィルタの特性は、目標の運動モデルに加えて、シーカによる観測誤差の大きさを表す観測ノイズ行列と、モデル誤差の大きさを表すプロセスノイズ行列の値によって決定される。このうち観測ノイズ行列については、シーカのＳ／Ｎ比や観測誤差モデルなどによって一意に決定される。それに対してプロセスノイズ行列は、目標の運動が予測できないことから一意に決定することができず、一般的に設計パラメータとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−９６６４７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】"Tactical and Strategic Missile Guidance Fifth Edition", Paul Zarchan, ISBN-10:1-56347-874-9
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カルマンフィルタに求められる応答特性は、シーカの観測値に基づいて誘導を開始してから会合に至るまでの間に変化する。誘導の開始直後においては、フィルタの推定誤差による誘導弾の余分な機動が会合の妨げとなるため、定常特性が重視される。一方で会合直前においては、フィルタの時間遅れが誘導時間の不足に直結するため、過渡特性が重視される。
定常特性と過渡特性はトレードオフの関係にある。プロセスノイズ行列を設定するにあたっては、その点を考慮する必要がある。
【０００７】
レーダー反射断面積（ＲＣＳ）が大きく、観測値のＳ／Ｎ比が高い目標の場合は、観測誤差が小さいため、プロセスノイズ行列の値がある一種類に固定されていても、定常特性と過渡特性に関する性能指標を両方満たすことができる。
しかし、ステルス機のようにＲＣＳが小さく、観測値のＳ／Ｎ比が低い目標の場合は、観測誤差が大きいために、定常特性と過渡特性は大きく劣化する。この場合、プロセスノイズ行列の値がある一種類に固定されている状態では、定常特性と過渡特性に関する性能指標を同時に満たすことが難しいという課題があった。
【０００８】
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、シーカの観測値のＳ／Ｎ比が低い状況にあっても、目標の運動を高精度に推定する目標運動量推定装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る目標状態量推定装置は、目標の状態量をカルマンフィルタにより推定する目標状態量推定装置であって、飛しょう体に搭載され、目標までの距離と方向を観測した観測量と、前記観測量のＳ／Ｎ比を出力するシーカと、前記観測量と前記Ｓ／Ｎ比に基づき、前記観測量の誤差の大きさを表す観測ノイズ行列を算出し、前記観測ノイズ行列を観測更新計算装置に出力する観測ノイズ行列計算装置と、前記観測量と、前記観測ノイズ行列と、時間外挿計算装置が出力する目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）に基づき観測更新計算を行い、観測更新計算後の目標の状態量（＋）と誤差共分散行列（＋）を出力する観測更新計算装置と、更新計算後の前記目標の状態量（＋）と誤差共分散行列（＋）と、前記目標の運動モデルの誤差の大きさであるプロセスノイズ行列に基づき、時間外挿計算により目標の状態量（−）と誤差共分散行列（−）を算出し、出力する時間外挿計算装置と、前記時間外挿計算装置が算出した前記目標の状態量（−）に基づき、前記プロセスノイズ行列を算出し、算出した前記プロセスノイズ行列を前記時間外挿計算装置に出力するプロセスノイズ行列計算装置とから構成される。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る目標状態量推定装置によれば、シーカの観測値のＳ／Ｎ比が低い状況にあっても目標の運動を高精度に推定することができ、目標を高精度に追尾することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る目標状態量推定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る目標状態量推定装置１００の構成を示す図である。
目標状態量推定装置１００は、飛しょう体に搭載され、目標の距離・方向等を観測するためのシーカ１と、観測更新計算装置２と、時間外挿計算装置３と、観測ノイズ行列計算装置４と、プロセスノイズ行列計算装置５から構成される。
以下、図１を参照しながら、実施の形態１における目標状態量推定装置の動作を詳しく説明する。
【００１３】
シーカ１は、目標が反射する電波を受信、あるいは目標が放射する赤外線を受信すること等により、目標の運動を観測する。
シーカ１は、観測された目標の観測量６を観測更新計算装置２へ出力する。
【００１４】
観測更新計算装置２は、シーカ１から得られる観測量６と、時間外挿計算装置３から得られる「状態量（−）・誤差共分散行列（−）」８を用い、観測ノイズ行列計算装置４から得られる観測ノイズ行列９の値に基づいて観測更新計算を行う。
【００１５】
観測更新計算の処理を下記の式（１）に示す。
シーカ１はその装置の特性上、観測量６を離散的に出力するため、観測更新計算装置２は、シーカ１から観測量６が入力されるたびに計算されるものとする。
【００１６】
【数１】
2016161269.tif 000003
ここで
観測方程式：ｈ
観測量：ｚ
観測ノイズ行列：Ｒ
状態量（観測更新計算前）：ｘ−
状態量（観測更新計算後）：ｘ＋
誤差共分散行列（観測更新計算前）：Ｐ−
誤差共分散行列（観測更新計算後）：Ｐ＋
とする。
【００１７】
観測方程式ｈは、シーカの特性をあらかじめ適切に同定した数式モデルから構成される。観測ノイズ行列は、シーカから得られる観測値のＳ／Ｎ比７や観測誤差モデルなどをもとに、適切に設定されるものとする。誤差共分散行列の初期値は、あらかじめ想定される誤差共分散に応じて適切に設定されるものとする。
【００１８】
以上の計算で得られた状態量（観測更新計算後）と誤差共分散行列（観測更新計算後）を「状態量（＋）・誤差共分散行列（＋）」１０として時間外挿計算装置３へ出力する。
【００１９】
時間外挿計算装置３は、観測更新計算装置２からの入力「状態量（＋）・誤差共分散行列（＋）」１０と、プロセスノイズ行列計算装置５からの入力「プロセスノイズ行列」１１を用いて、時間外挿計算を行う。
【００２０】
下記の式（２）に時間外挿計算の処理を示す。
【００２１】
【数２】
2016161269.tif 000004
ここで
運動方程式：ｆ
プロセスノイズ行列：Ｑ
現在時間：ｔｋ
とする。
【００２２】
運動方程式ｆは、対象をあらかじめ適切に同定した数式モデルから構成される。  
【００２３】
時間外挿計算の結果として得られる状態量（時間外挿計算後）・誤差共分散行列（時間外挿計算後）を「状態量（−）・誤差共分散行列（−）」８として、観測更新計算装置２とプロセスノイズ行列計算装置５へ出力する。
【００２４】
本実施の形態に係るプロセスノイズ行列計算装置５は、時間外挿計算装置３から得られた「状態量（−）・誤差共分散行列（−）」８を用いて、プロセスノイズ行列１１の値を計算する。
プロセスノイズ行列１１の値は、下記の式（３）に示す処理で計算される。
【００２５】
【数３】
2016161269.tif 000005
ここで
プロセスノイズ行列：Ｑ
プロセスノイズ行列初期値：Ｑ０
ゲイン行列関数：Ｇ
とする。
【００２６】
Ｇは、状態量に基づいてプロセスノイズ行列の各行のゲインを算出する関数である。
各時刻において、状態量（−）を基にゲイン行列を算出し、プロセスノイズ行列初期値に乗じる。このように、状態量を反映したプロセスノイズ行列Ｑを算出することで、その場に適したフィルタ特性を得ることが可能になる。
【００２７】
一例として、状態量から計算される「予想会合時間」を用いて、プロセスノイズ行列の算出を行う場合を説明する。
予想会合時間は飛しょう体が目標に会合するまでにかかると予想される時間を表し、誘導開始時点で最も大きく、誘導中は単調減少し、会合時に０となる。
そのため、ゲイン行列Ｇを予想会合時間に基づいて算出することで、（１）誘導開始直後では定常特性を重視した特性、（２）会合直前では過渡特性を重視した特性というように、その場で求められる性能指標を満足したフィルタ特性を得ることができる。
【００２８】
なお、プロセスノイズ行列初期値Ｑ０は、目標の最大旋回加速度などをもとにあらかじめ設定される初期値である。
この計算は時間外挿計算装置３から新たな値が送信される毎に行われ、式（３）により計算されたプロセスノイズ行列Ｑは、プロセスノイズ行列１１として時間外挿計算装置３に送信される。
【００２９】
以上の数式１〜数式３の処理を繰り返し計算し、「状態量（−）・誤差共分散行列（−）」８を毎サンプリング計算する。サンプリング毎に、「状態量（−）・誤差共分散行列（−）」８を目標状態量推定装置の最終的な出力とする。
【００３０】
このように、本実施の形態に係る目標状態量推定装置によれば、ＲＣＳが小さく、観測値のＳ／Ｎ比が低い目標の運動を推定する状況にあっても、フィルタ特性をその場に応じて変化させることができる。
その結果、例えば、誘導開始直後では定常特性を重視した特性、会合直前では過渡特性を重視した特性というように、その場で求められる性能指標を満足したフィルタ特性を得ることができる。これにより、目標の位置や速度、旋回加速度等の状態量を高精度に推定することができ、ひいてはその推定された状態量を用いて、目標を高精度に追尾することができる。
【００３１】
なお、この目標状態量推定装置を用いて、目標追尾装置を構成することが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１  シーカ、２  観測更新計算装置、３  時間外挿計算装置、４  観測ノイズ行列計算装置、５  プロセスノイズ行列計算装置、６  観測量、７  Ｓ／Ｎ比、８  状態量（−）・誤差共分散行列（−）、９  観測ノイズ行列、１０  状態量（＋）・誤差共分散行列（＋）、１１  プロセスノイズ行列、１００  目標状態量推定装置
【図１】
2016161269.tif 000007