(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中航走体に備えた第１の音響センサにより目標の第１の方位情報を観測し、
前記水中航走体の母船に備えた第２の音響センサにより前記目標の第２の方位情報および周波数情報を観測し、
前記観測した第１の方位情報、第２の方位情報及び周波数情報に基づいて、前記目標の位置、針路及び速力を推定し、
前記推定した前記目標の位置、針路及び速力に対応して、前記水中航走体の針路を決定し、前記決定した針路に前記水中航走体を誘導する水中航走体の誘導方法。
【請求項２】
前記水中航走体の針路の決定に際し、前記推定した前記目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる請求項１記載の水中航走体の誘導方法。
【請求項３】
水中航走体に備え、目標の第１の方位情報を観測する第１の音響センサ、
前記水中航走体の母船に備え、前記目標の第２の方位情報および周波数情報を観測する第２の音響センサ、および
前記第１の音響センサからの前記第１の方位情報、前記第２の音響センサからの前記第２の方位情報及び周波数情報に基づいて、前記目標の位置、針路及び速力を推定し、前記推定した前記目標の位置、針路及び速力に対応して、前記水中航走体の針路を決定し、前記決定した針路に前記水中航走体を誘導する装置を有する水中航走体の誘導装置。
【請求項４】
前記装置は、前記水中航走体の針路の決定に際し、前記推定した前記目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる請求項３記載の水中航走体の誘導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母船と通信を行い、母船から誘導される水中航走体の制御方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
移動する目標の方位もしくは方位と周波数のみが観測される状況において、これを利用して水中航走体を目標と会合させるように誘導する手法としては、母船に備えられたセンサで得られた観測情報のみに基づいて誘導諸元を決定する方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１は、母船で観測した移動目標の方位に対し、距離を仮定しながら水中航走体を会合点まで誘導する方法であり、特許文献２は、母船で観測した移動目標の方位に対し水中航走体を誘導する上で、水中航走体の航走雑音が母船の観測を妨げないように航走させる方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開平3-282200公報
【特許文献２】特開平10-160399公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、母船のセンサによる観測情報のみに基づいて誘導を行うものであるため、特に目標が母船から遠距離にある場合に、誘導に必要な目標の運動諸元を十分な精度で得ることができなかった。それに伴い水中航走体を高い確率で目標と会合させることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様の一つは、水中航走体から見た目標(体)のの方位情報を観測し、水中航走体の母船から見た目標の方位情報および周波数情報を観測し、観測した方位情報及び周波数情報に基づいて、目標の位置、針路及び速力を推定し、推定した目標の位置、針路及び速力に対応して、水中航走体の針路を決定し、決定した針路に水中航走体を誘導する水中航走体の誘導方法および装置である。
【０００７】
本発明のさらに具体的な態様は、水中航走体の針路の決定に際し、推定した目標の位置および針路の推定誤差を許容するマージンをとる水中航走体の誘導方法および装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による水中航走体誘導方法及び装置によれば、遠距離の目標に対しても、会合に有効な精度の運動諸元を早期に得ることができる。したがって誘導対象の水中航走体と目標とを高い確率で会合させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［実施例］
以下、本発明を実施例の水中航走体誘導方法及び装置の形態について図面を参照して説明する。図１に実施例の構成を示す。101は母船であり、102は母船から発進し、母船101からの制御を受けつつ航走する水中航走体である。水中航走体102は音響センサ103を備え、移動する目標である104が発する音響信号を捉える。捉えた信号は通信ワイヤ等105を通じて、母船101に通知される。母船101も音響センサ106を備えており、これら2種の音響センサからの情報は母船101で解析され、目標104の運動諸元を割り出した後、誘導装置107を通して水中航走体102に制御情報が送られる。
【００１０】
図２は水中航走体102の誘導方法を実現するための機能ブロック図である。水中航走体102の音響センサ103は目標104からの音響信号を受信し、目標104の方位情報を母船101の目標運動解析部203に送出する。母船101の音響センサ106は、同様に目標104からの音響信号を受信し、目標104の方位、周波数の情報を目標運動解析部203に送出する。目標運動解析部203は、水中航走体音響センサ103と母船音響センサ106から受信した目標104の方位、周波数の情報から、目標104の位置、針路、速力を計算する。誘導制御部204は、目標運動解析部203から入力した目標104の位置、針路、速力をもとに、水中航走体102の針路を決定する。運動制御部205は誘導制御部204からの指示により水中航走体102の舵、推進器を制御する。
【００１１】
目標運動解析部203及び誘導制御部204は、図示を省略するが、CPU、メモリ、及び音響センサ１0６や水中航走体102との通信のためのインタフェイスを備えた演算装置である。運動制御部205も同様の構成であるが、小型化のために専用装置として構成されることがある。
【００１２】
図３は母船101の目標運動解析部203が、水中航走体102の音響センサ観測情報と母船101の音響センサ観測情報とを利用して実行する処理のフローチャートである。処理301では、水中航走体102の音響センサ103による方位観測情報を読み込む。処理302では、母船101の音響センサ106による方位観測情報を読み込む。
【００１３】
処理303では、目標104の状態ベクトル推定値の初期値を設定する。
【００１４】
【数１】
0004966794.tif 000002
【００１５】
処理304では、与えられた目標104の状態ベクトル推定値xと、それまでの観測時刻tiにおける水中航走体102の位置情報rmtxi、rmtyiから、観測時刻tiでの水中航走体102から見た推定目標方位gi(x)を計算する。
【００１６】
【数２】
0004966794.tif 000003
【００１７】
処理305では、目標104の状態ベクトル推定値xと、観測時刻tiにおける母船101の位置情報shipxi、shipyiから、観測時刻tiでの母船センサ106から見た推定目標方位h i(x)を計算する。
【００１８】
【数３】
0004966794.tif 000004
【００１９】
処理306では、目標104の状態ベクトル推定値xと、観測時刻tiにおける母船センサ106から見た推定目標方位hi(x)と、観測時刻tiにおける母船101の針路shipciと、水中音速Cから、観測時刻tiでの母船センサ106から見た推定目標周波数ki(x)を計算する。
【００２０】
【数４】
0004966794.tif 000005
【００２１】
ここで、
【００２２】
【数５】
0004966794.tif 000006
【００２３】
【数６】
0004966794.tif 000007
【００２４】
処理307では、それまでの観測時刻tiにおける水中航走体音響センサ103の観測方位情報rmtθiと、処理304で求めた観測時刻tiの推定目標方位gi(x)との差分jg(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを水中航走体センサ方位残差jgsum(x)として算出する。
【００２５】
【数７】
0004966794.tif 000008
【００２６】
【数８】
0004966794.tif 000009
【００２７】
処理308では、観測時刻tiにおける母船音響センサ106の観測方位情報shipθiと、処理305で求めた観測時刻tiの推定目標方位h i(x)との差分jh(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを母船音響センサ方位残差jhsum(x)として算出する。
【００２８】
【数９】
0004966794.tif 000010
【００２９】
【数１０】
0004966794.tif 000011
【００３０】
処理309では、観測時刻tiにおける母船音響センサ106の観測周波数情報shipfiと、処理306で求めた観測時刻tiの推定目標周波数ki(x)との差分jk(x)を求め、それまでの観測時刻にわたってこれらの和をとったものを母船音響センサ周波数残差jksum(x)として算出する。
【００３１】
【数１１】
0004966794.tif 000012
【００３２】
【数１２】
0004966794.tif 000013
【００３３】
処理310では、処理304で水中航走体音響センサ103からみた推定目標方位gi(x)を計算するのに使用した式（2）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Gを求める。
【００３４】
【数１３】
0004966794.tif 000014
【００３５】
処理311では、処理305で母船センサ106からみた推定目標方位h i(x)を計算するのに使用した式（3）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Hを求める。
【００３６】
【数１４】
0004966794.tif 000015
【００３７】
処理312では、処理306で母船センサ106からみた推定目標周波数ki(x)を計算するのに使用した式（4）を、状態ベクトル推定値xのそれぞれの要素で偏微分した式から微係数Kを求める。
【００３８】
【数１５】
0004966794.tif 000016
【００３９】
処理313では、処理307で求めた水中航走体センサ方位残差jg(x)、処理310で求めた微係数G、処理308で求めた母船センサ方位残差jh(x)、処理311で求めた微係数H、処理309で求めた母船センサ周波数残差jk(x)、および処理312で求めた微係数Kから、状態ベクトルxの更新量Δxを求める。なお、λは定数、Iは単位行列である。
【００４０】
【数１６】
0004966794.tif 000017
【００４１】
処理314では、処理313で求めた状態ベクトルの更新量Δxを使用して、状態ベクトルxの値を更新する。
【００４２】
【数１７】
0004966794.tif 000018
【００４３】
分岐315において、処理313で求めた状態ベクトルの更新量Δxが所定値以下となっていれば、その段階の状態ベクトルxを解として採用し、処理を終了する。状態ベクトルの更新量Δxが所定値より大きければ、処理304以降を状態ベクトルの更新量Δxが所定値以下となるまで繰り返す。これにより、目標104の運動諸元が正確に求められる。
【００４４】
図４は、母船101の誘導制御部204が、目標運動解析部203で求めた目標104の位置、針路、速力をもとに水中航走体102の針路を決定する処理の概念図である。
【００４５】
401は計算実行時点での水中航走体102の位置、402は水中航走体102の針路、403は水中航走体センサ103の覆閾、Φbeam/2は水中航走体センサ103のビーム幅（半角値）である。405は目標運動解析部203で求めた目標104の位置、406は目標運動解析部203で求めた目標104の針路tgtcであり、gi(x)は水中航走体102の現在位置からみた目標104の方位である。
【００４６】
目標104の方位gi(x)をもとに、水中航走体102への航走指示方位ccmdを算出する。水中航走体102への指示針路は、水中航走体102の現在位置からみた解析目標の方位gi(x)を、水中航走体センサ103のビーム内の所定角度Φlookに捉えるように決定する。Φlookは、水中航走体センサ103によって得られる観測方位が、目標運動解析処理203に対して有効性の大なるものとなるよう、水中航走体センサ103のビーム幅Φbeam/2に極力近い値とし、かつ目標運動解析処理の結果である、目標運動解析部203で求めた目標104の位置405及び目標運動解析部203で求めた目標104の針路tgtc406が内包する誤差、及び目標104と水中航走体102の相対運動の影響によって、目標104が水中航走体センサ103の覆閾から外れることを避けるために適切なマージンα（α≦1.0）をとり、Φbeam/2よりやや小さい角度とする。
【００４７】
なお、目標運動解析処理203に対して有効性の大、すなわち、目標運動解析処理203によって高精度の結果を得るためには、水中航走体102から見た目標の方位変化率が大きいほうが良い。一般に、方位変化率を最大化する運動としては、目標を正横付近に見るように航走するのが理想であるが、一方これと同時に、水中航走体センサ103で目標を捕捉しておく必要がある。これらの条件を同時に満足するためには、センサのビーム幅内で極力正横に近い位置に目標を置くように、水中航走体の針路を決定すればよい。
【００４８】
【数１８】
0004966794.tif 000019
【００４９】
これより、水中航走体102への航走指示方位ccmdは、水中航走体102の現在位置からみた目標の方位gi(x)から角度Φlookを減じた方位となる。
【００５０】
【数１９】
0004966794.tif 000020
【００５１】
ここで、
【００５２】
【数２０】
0004966794.tif 000021
【００５３】
410は、ccmdに対応した水中航走体102への指示針路である。これにより、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探する確率を低く押えつつ、目標104の運動諸元を正確に求めるのに適した観測方位情報を得ることができる。
なお、式(19)に示すように、本誘導方式は、解析で求めた目標方位gi(x)に対して航走指示方位ccmdを求める方式をとっており、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探した場合でも、外挿計算によって得られるgi(x)に基づいて誘導を継続することができる。
【００５４】
図５は、母船101の誘導制御部204が出力する指示針路に従って、水中航走体102の運動制御部205が航走を制御した場合の、水中航走体102の航跡の概念図である。501、502及び503は各時刻における水中航走体102からみた目標104の方位、504、505及び506はそれぞれ501、502及び503に対応した水中航走体102への指示針路である。507は水中航走体の航跡である。目標104を自己の針路から一定方向にみるように水中航走体102が運動する結果、航跡507は螺旋形に近い形状となる。これにより、水中航走体102のセンサ103が目標104を失探する確率を低く押えつつ、得られた観測方位情報を使用して解析を行うことによって、目標104の正確な運動諸元を求めることができる。
【００５５】
図６〜図１３に、特許文献１による誘導法による水中航走体制御の計算機シミュレーションの結果と本実施例による水中航走体制御の計算機シミュレーションの結果を示す。
【００５６】
図６に特許文献１記載の、母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の水中航走体制御の航跡を、図７に本実施例の誘導法によって誘導した場合の水中航走体制御の航跡を示す。601、701は目標104の航跡、602、702は母船101の航跡、603、703は水中航走体102の航跡を示す。
【００５７】
図８に本実施例による目標までの距離の解析状況を示す。図９に同じく目標方位の解析状況を、図10に同じく目標速力の解析状況を、図11に同じく針路の解析状況を示す。いずれの図においても、水中航走体102は600秒の時点で航走を開始しており、この時刻以降の解析結果を比較すると、母船センサ106の観測情報のみを使って解析を行った場合に比べ、母船センサ106と水中航走体センサ103の観測情報を組み合わせて解析した方が、精度が向上していることが分かる。
【００５８】
図12に特許文献１記載の、母船センサ106の観測情報のみを使った誘導法によった場合の会合状況の集計結果を、図13に本実施例の誘導法によった場合の会合状況の集計結果を示す。図12及び図13はいずれも母船センサ106、水中航走体センサ103の観測方位を正規乱数によって変化させ、100回の試行を行った結果である。これと併せて、水中航走体102と目標104の間の距離が100m以下となった場合を会合成功とした場合の、会合成功となった回数の割合を会合成功率として示している。特許文献１記載の誘導法によった場合の会合成功率は24.0%、本実施例の誘導法によった場合の会合成功率は97.0%である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例を構成を示す概念図である。
【図２】実施例による水中航走体の誘導方法を実現するための機能ブロック図である。
【図３】母船の目標運動解析部の処理フローチャートである。
【図４】母船の誘導制御部が水中航走体の針路を決定する処理の概念図である。
【図５】本実施例により水中航走体を制御した場合の、水中航走体の航跡の概念図である。
【図６】母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の、水中航走体の航跡を示したグラフである。
【図７】水中航走体の制御を本実施例によった場合の、水中航走体の航跡を示したグラフである。
【図８】目標距離の解析状況を示したグラフである。
【図９】目標方位の解析状況を示したグラフである。
【図１０】目標速力の解析状況を示したグラフである。
【図１１】目標針路の解析状況を示したグラフである。
【図１２】母船センサの観測情報のみを使った誘導法によって誘導した場合の、目標と水中航走体の会合状況を示したグラフである。
【図１３】水中航走体の制御を本実施例によった場合の、目標と水中航走体の会合状況を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
101…母船、102…水中航走体、103、106…音響センサ、104…目標(体)、203…目標運動解析部、204…誘導制御部、205…運動制御部。
【図１】
0004966794.tif 000022
【図２】
0004966794.tif 000023
【図３】
0004966794.tif 000024
【図４】
0004966794.tif 000025
【図５】
0004966794.tif 000026
【図６】
0004966794.tif 000027
【図７】
0004966794.tif 000028
【図８】
0004966794.tif 000029
【図９】
0004966794.tif 000030
【図１０】
0004966794.tif 000031
【図１１】
0004966794.tif 000032
【図１２】
0004966794.tif 000033
【図１３】
0004966794.tif 000034