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JP5127284B2 - Flying object and apparatus for detecting rotational position of flying object - Google Patents

Flying object and apparatus for detecting rotational position of flying object Download PDF

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JP5127284B2
JP5127284B2 JP2007103513A JP2007103513A JP5127284B2 JP 5127284 B2 JP5127284 B2 JP 5127284B2 JP 2007103513 A JP2007103513 A JP 2007103513A JP 2007103513 A JP2007103513 A JP 2007103513A JP 5127284 B2 JP5127284 B2 JP 5127284B2
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Description

本発明は、発射装置から中心軸の回りを回転しながら発射される飛翔体及び飛翔体の回転位置検出装置に関する。   The present invention relates to a flying object that is launched from a launching device while rotating around a central axis, and a rotational position detection device for the flying object.

砲弾などの推進力を有さない飛翔体は、ロケットやミサイルなどの推進力を有する飛翔体と異なり、基本的には砲などの発射装置から発射された時の方向と発射速度により着地点が決定され、発射方向と発射速度の誤差及び風などの飛翔中の外乱により目標地点からのずれが生じる。推進力を有さない飛翔体の着地点と目標地点との誤差を低減する各種の改善が行われているが、これらは主として発射方向及び発射速度の高精度化及び外乱の影響低減を行うものであった。このような飛翔体については、例えば特許文献1に記載されている。   Unlike a projectile with a propulsive force such as a rocket or missile, a projectile that does not have a propelling force such as a cannonball basically has a landing point depending on the direction and launch speed when fired from a launching device such as a gun. As a result, the deviation from the target point is caused by the error in the launch direction and the launch speed and the disturbance during the flight such as wind. Various improvements have been made to reduce the error between the landing point and target point of a projectile that does not have propulsive force, but these mainly improve the accuracy of the launch direction and launch speed and reduce the effects of disturbance. Met. Such a flying object is described in Patent Document 1, for example.

これに対して、近年推進力を有さない飛翔体に飛翔方向の制御機能を持たせて、より正確に目標地点に着地する新しい飛翔体が提案されている。   On the other hand, in recent years, a new flying object that has a flying direction control function for a flying object that does not have a propulsive force to land at a target point more accurately has been proposed.

図1は、この新しい飛翔体1の外観図である。図示のように、飛翔体1は、円筒状で先端が尖った本体部2と、尾翼3と、制御翼4と、を有する。尾翼3及び制御翼4は、発射装置により発射される前には本体部2に収容されており、空中に発射された後本体部2より突出する。各制御翼4は、突出量が独立して変えられるようになっており、突出量を調整して飛翔方向を調整する。飛翔体1は、本体部2内にGPS装置5と、移動制御装置6と、慣性航法装置7と、をさらに有している。慣性航法装置7は、飛翔体1の中心軸(x軸)、x軸に垂直で互いに垂直なy軸及びz軸をそれぞれ中心とする回転を検出するジャイロ装置と、これら3軸方向の加速度を検出する加速度計と、を有しており、ジャイロ装置及び加速度計の出力に基づいて飛翔方向を算出し、GPS装置5の出力で飛翔位置及び方向の誤差を随時補正する。ここでは、x軸、y軸及びz軸を、それぞれ第1軸、第2軸及び第3軸と称する。   FIG. 1 is an external view of the new flying object 1. As shown in the figure, the flying object 1 includes a main body 2 having a cylindrical shape with a sharp tip, a tail 3, and a control wing 4. The tail wing 3 and the control wing 4 are accommodated in the main body 2 before being launched by the launching device, and project from the main body 2 after being launched into the air. Each control wing 4 can change the amount of protrusion independently, and adjusts the amount of protrusion and adjusts a flight direction. The flying object 1 further includes a GPS device 5, a movement control device 6, and an inertial navigation device 7 in the main body 2. The inertial navigation device 7 includes a gyro device that detects rotation about the central axis (x-axis) of the flying object 1, the y-axis and the z-axis that are perpendicular to the x-axis and perpendicular to each other, and acceleration in these three-axis directions. And an accelerometer to be detected. The flight direction is calculated based on the output of the gyro device and the accelerometer, and the error of the flight position and direction is corrected as needed by the output of the GPS device 5. Here, the x axis, the y axis, and the z axis are referred to as a first axis, a second axis, and a third axis, respectively.

図2は、図1の飛翔体1の発射からの弾道及び動作を説明する図である。飛翔体1は、発射装置8により、目標地点に向けて発射される。よく知られているように、推進力を有さない飛翔体は、弾道を安定して飛翔するように、中心軸(x軸)の回りを高速で回転しながら発射装置8から発射される。この飛翔体1は、従来の発射装置をそのまま使用することを前提としており、従来と同様に、高速でx軸の回りを回転しながら発射される。   FIG. 2 is a diagram for explaining the trajectory and operation from the launch of the flying object 1 of FIG. The flying object 1 is launched toward the target point by the launching device 8. As is well known, a flying object having no propulsive force is launched from the launching device 8 while rotating around the central axis (x-axis) at high speed so as to fly stably along the trajectory. The flying object 1 is premised on using a conventional launching device as it is, and is launched while rotating around the x-axis at a high speed as in the prior art.

尾翼3及び制御翼4が突出していると発射できないので、装置により発射される前には本体部2に収容されている。   Since the tail wing 3 and the control wing 4 are projected, they cannot be fired, so they are accommodated in the main body 2 before being fired by the apparatus.

発射された飛翔体1は、図2の弾道9を飛翔し、地点Aで本体部2に搭載されたバッテリィ(図示せず)がオンされ、それに応じてGPS装置5、移動制御装置6及び慣性航法装置7が動作を開始し、x軸回りの回転を減速させるように、移動制御装置6は尾翼3、制御翼4を突出させる。そして、地点Bで回転が停止したことが検出される。   The launched flying object 1 flies on the trajectory 9 of FIG. 2, and a battery (not shown) mounted on the main body 2 is turned on at the point A, and the GPS device 5, the movement control device 6 and the inertia are correspondingly turned on. The movement control device 6 causes the tail blade 3 and the control blade 4 to protrude so that the navigation device 7 starts to operate and decelerates rotation about the x axis. Then, it is detected that the rotation has stopped at point B.

回転が停止したことを検出すると、慣性航法装置7及びGPS装置5が飛翔体1の飛翔位置及び飛翔方向の検出を行う。移動制御装置6が飛翔体1の飛翔を制御できるようになるのは地点Cであり、それ以降、移動制御装置6が、慣性航法装置7及びGPS装置5により検出した飛翔体1の飛翔位置及び飛翔方向に基づいて制御翼4を制御して飛翔体1が目標地点に着地するように制御する。   When it is detected that the rotation has stopped, the inertial navigation device 7 and the GPS device 5 detect the flight position and flight direction of the flying object 1. The movement control device 6 can control the flight of the flying object 1 at the point C. Thereafter, the movement control device 6 detects the flying position of the flying object 1 detected by the inertial navigation device 7 and the GPS device 5 and The control wing 4 is controlled based on the flight direction so that the flying object 1 is landed on the target point.

特開2007−24450号公報JP 2007-24450 A

提案されている飛翔体において上記のような制御を行うには、飛翔体1(本体部2)の姿勢角が判明している必要がある。   In order to perform the above-described control in the proposed flying object, the attitude angle of the flying object 1 (main body part 2) needs to be known.

GPS装置5は、飛翔体1の飛翔位置、速度及び飛翔方向を検出することは可能であるが、飛翔体1(本体部2)の姿勢角を決定することはできない。   The GPS device 5 can detect the flight position, speed, and flight direction of the flying object 1, but cannot determine the attitude angle of the flying object 1 (main body 2).

従来の慣性航法装置は、地上に停止している時や空中を水平に飛翔している時にジャイロ装置の加速度計で傾きに比例した地球の重力加速度成分を検出することにより飛翔体自体の姿勢角(ピッチ角および回転(ロール)角)を算出している。しかし、図1に示した飛翔体1は、推進力を有さないため、水平に飛翔することはなく、このような手法で、すなわち慣性航法装置に設けられた加速度計を使用して従来の手法で本体部1の姿勢角を決定することができない。   The conventional inertial navigation system detects the earth's gravitational acceleration component proportional to the inclination with the accelerometer of the gyroscope when it is stopped on the ground or flying horizontally in the air. (Pitch angle and rotation (roll) angle) are calculated. However, since the flying object 1 shown in FIG. 1 does not have a propulsive force, it does not fly horizontally. In this manner, that is, by using an accelerometer provided in an inertial navigation device, The attitude angle of the main body 1 cannot be determined by the technique.

本発明は、図1に示した新しいタイプの飛翔体の姿勢角を検出すること、特に早期に検出できるようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to detect the attitude angle of the new type of flying object shown in FIG. 1, and particularly to detect it at an early stage.

上記目的を実現するため、本発明の飛翔体は、飛翔体が低速で回転している状態で、慣性航法装置のジャイロ装置の出力から飛翔体の中心軸回りの回転位置を検出して、姿勢制御に利用する。   In order to achieve the above object, the flying object of the present invention detects the rotational position around the center axis of the flying object from the output of the gyro device of the inertial navigation device while the flying object is rotating at low speed, Used for control.

すなわち、本発明の飛翔体は、発射装置から回転しながら発射される飛翔体であって、発射後に突出する可変翼と、飛翔位置を検出する慣性航法装置と、前記慣性航法装置により検出された飛翔位置に基づいて、目標に到達するように前記可変翼を制御する移動制御装置と、を備える飛翔体において、前記慣性航法装置は、前記飛翔体の中心軸を第1軸とし、前記第1軸に垂直で互いに垂直な軸を第2及び第3軸とし、前記第1から第3軸を中心とする回転を検出するジャイロ装置を備え、前記慣性航法装置は、前記移動制御装置が前記飛翔体の発射後に前記可変翼を突出させることにより前記飛翔体の前記第1軸回りの回転数が第1所定値より小さくなった時に、前記ジャイロ装置の出力から前記飛翔体の前記第1軸回りの回転位置を検出することを特徴とする。   That is, the flying object of the present invention is a flying object that is launched while rotating from the launching device, and is detected by the variable wing protruding after launching, the inertial navigation device that detects the flight position, and the inertial navigation device. A flying body comprising a movement control device that controls the variable wing so as to reach a target based on a flying position, wherein the inertial navigation device uses the center axis of the flying body as a first axis, and the first An axis perpendicular to each other and perpendicular to each other is used as a second and third axes, and a gyro device that detects rotation about the first to third axes is provided. The inertial navigation device includes the movement control device that performs the flight When the number of rotations of the flying object around the first axis becomes smaller than a first predetermined value by projecting the variable wing after the body is launched, the output of the gyro device is used to rotate around the first axis of the flying object. Detects the rotation position of And wherein the Rukoto.

慣性航法装置は、GPS装置の速度信号からピッチ角を算出し、第1軸回りの回転位置及びピッチ角から、飛翔体の姿勢角を決定する。   The inertial navigation device calculates the pitch angle from the velocity signal of the GPS device, and determines the attitude angle of the flying object from the rotational position and pitch angle around the first axis.

移動制御装置は、検出した前記飛翔体の姿勢角に基づいて、飛翔体が所定の姿勢角になるように可変翼を制御する。   The movement control device controls the variable wing so that the flying object has a predetermined attitude angle based on the detected attitude angle of the flying object.

慣性航法装置は、第1から第3軸の方向の加速度を検出する加速度計と、GPS装置を備え、飛翔体の第1軸回りの回転数が第2所定値より小さくなった後、加速度計及びGPS装置の出力から飛翔体の飛翔位置を検出する。   The inertial navigation device includes an accelerometer that detects acceleration in the directions of the first to third axes, and a GPS device, and after the rotational speed of the flying object around the first axis becomes smaller than a second predetermined value, the accelerometer The flying position of the flying object is detected from the output of the GPS device.

本発明によれば、発射後、高速で回転する飛翔体を可変翼を突出させることにより低速で回転する状態にし、この状態でジャイロ装置の出力から飛翔体の第1軸回りの回転位置を検出する。これにより飛翔体の回転位置が検出できるようになるだけでなく、飛翔体が低速で回転している時にも回転位置を検出できるので、所望の姿勢で回転を停止するように制御するといったことも可能であり、発射から短時間で飛翔位置及び飛翔方向を検出して目標地点に到達するように制御することが可能になり、その分命中精度を向上させることができる。   According to the present invention, after launching, the flying object that rotates at high speed is made to rotate at a low speed by projecting the variable wing, and in this state, the rotational position around the first axis of the flying object is detected from the output of the gyro device. To do. This makes it possible not only to detect the rotational position of the flying object, but also to detect the rotational position even when the flying object is rotating at a low speed, so that the rotation is controlled to stop in a desired posture. It is possible to detect the flight position and the flight direction in a short time from the launch and control to reach the target point, and the accuracy during the life can be improved.

慣性航法装置は、飛翔体が低速で回転している時に、ジャイロ装置の第2及び第3軸の回転信号が中心レベルを通過する時間から、第1軸回りの回転位置を検出する。具体的には、慣性航法装置は、ジャイロ装置の第2及び第3軸の回転信号の移動平均を算出し、算出した移動平均から近似正弦波を算出し、算出した近似正弦波が中心レベルを通過する時間から、第1軸回りの回転位置を検出する。この方式は、一種のサンプル的検出方法であり、誘導制御をするには誤差が十分に小さくならない。そのため、慣性航法装置は、算出した第1軸回りの回転位置を初期回転位置とし、ジャイロ装置の第2及び第3軸回りの回転レートから弾道ピッチレートを算出し、初期回転位置にジャイロ装置の第1軸回りの回転レートの積分値を加えて擬似回転位置を算出し、擬似回転位置と弾道ピッチレートから擬似ピッチレート(第2軸回りの擬似回転レートに相当)を算出し、擬似ピッチレートとジャイロ装置の第2軸回りの回転レートの差の変化を算出し、算出した差の変化の半周期分の平均からピーク値を算出し、算出したピーク値と弾道ピッチレートから回転位置誤差を算出し、回転位置誤差から新たに初期回転位置を算出し、回転位置誤差が収束するように処理を繰り返す。   The inertial navigation device detects the rotational position around the first axis from the time when the rotation signals of the second and third axes of the gyro device pass through the center level when the flying object rotates at a low speed. Specifically, the inertial navigation device calculates a moving average of the rotation signals of the second and third axes of the gyro device, calculates an approximate sine wave from the calculated moving average, and the calculated approximate sine wave has the center level. The rotational position around the first axis is detected from the passing time. This method is a kind of sample-like detection method, and the error is not sufficiently small for guidance control. Therefore, the inertial navigation device uses the calculated rotation position around the first axis as the initial rotation position, calculates the ballistic pitch rate from the rotation rates around the second and third axes of the gyro device, and sets the gyro device at the initial rotation position. The pseudo rotation position is calculated by adding the integral value of the rotation rate around the first axis, the pseudo pitch rate (corresponding to the pseudo rotation rate around the second axis) is calculated from the pseudo rotation position and the ballistic pitch rate, and the pseudo pitch rate is calculated. The difference in rotation rate around the second axis of the gyro device is calculated, the peak value is calculated from the average of the calculated change in half cycle, and the rotational position error is calculated from the calculated peak value and ballistic pitch rate. The initial rotational position is newly calculated from the rotational position error, and the process is repeated so that the rotational position error converges.

また、本発明の飛翔体の回転位置検出装置は、発射装置から中心軸の回りを回転しながら発射される飛翔体の回転位置検出装置であって、前記飛翔体の前記中心軸を第1軸とし、前記第1軸に垂直で互いに垂直な軸を第2及び第3軸とし、前記第1から第3軸を中心とする回転を検出するジャイロ装置を備え、前記ジャイロ装置の前記第2及び第3軸の回転信号が中心レベルを通過する時間から、前記第1軸回りの回転位置を検出することを特徴とする。   The flying object rotation position detection device of the present invention is a flying object rotation position detection device that is fired while rotating around the central axis from the launching device, wherein the center axis of the flying object is the first axis. An axis perpendicular to the first axis and perpendicular to each other as the second and third axes, and a gyro device that detects rotation about the first to third axes, and the second and third gyro devices The rotation position around the first axis is detected from the time when the rotation signal of the third axis passes the center level.

本発明によれば、これまで難しかった発射装置から回転しながら発射される飛翔体の回転位置及び姿勢角を検出できるようになり、しかも発射後短時間で回転位置及び姿勢角を検出できるようになる。   According to the present invention, it becomes possible to detect the rotational position and posture angle of a flying object launched while rotating from a launching apparatus that has been difficult so far, and to detect the rotational position and posture angle in a short time after launch. Become.

また、飛翔体の回転位置及び姿勢角を発射後短時間で検出できるようになるので、可変翼を有する飛翔体を目標地点に到達させる精度を向上できる。   In addition, since the rotational position and attitude angle of the flying object can be detected in a short time after launching, the accuracy with which the flying object having variable wings reaches the target point can be improved.

本発明の実施例の飛翔体は、図1に示したような構成を有し、慣性航法装置7及び移動制御装置6の構成が異なる。   The flying object of the embodiment of the present invention has a configuration as shown in FIG. 1 and the configurations of the inertial navigation device 7 and the movement control device 6 are different.

図3は、実施例の飛翔体の慣性航法装置7の構成を示す図であり、GPS装置5、移動制御装置6及び可変翼駆動部9を合わせて示している。移動制御装置6は、可変翼駆動部9を介して制御翼4だけでなく、尾翼3の突出動作を行うように制御する。慣性航法装置7は、図示のように、飛翔体1の中心軸(x軸)回りの回転レート(角速度)を検出するx軸ジャイロ11と、x軸に垂直で互いに垂直なy軸及びz軸回りの回転レートをそれぞれ検出するy軸ジャイロ12及びz軸ジャイロ13と、x軸方向の加速度を検出するx軸加速度計14と、y軸方向の加速度を検出するy軸加速度計15と、z軸方向の加速度を検出するz軸加速度計16と、x軸乃至z軸ジャイロ11〜13、x軸乃至z軸加速度計14〜16及びGPS装置5の出力から飛翔体の姿勢角、飛翔位置及び飛翔方向を算出する慣性航法演算装置17と、を有する。x軸乃至z軸ジャイロ11〜13及びx軸乃至z軸加速度計14〜16は、広く知られているので詳しい説明は省略するが、発射時に非常に大きな加速重がかかるので、それに耐えられる半導体型のものであることが望ましい。慣性航法演算装置17はコンピュータにより実現される。可変翼駆動部9は、可変翼(尾翼および制御翼)を突出させ、突出量を可変できるアクチュエータである。発射後尾翼3を突出させるアクチュエータなども設けられているが、ここでは図示を省略している。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the flying object inertial navigation device 7 of the embodiment, and shows the GPS device 5, the movement control device 6, and the variable wing drive unit 9 together. The movement control device 6 performs control so that not only the control blade 4 but also the tail blade 3 protrudes through the variable blade drive unit 9. As shown in the figure, the inertial navigation device 7 includes an x-axis gyro 11 that detects a rotation rate (angular velocity) around the central axis (x-axis) of the flying object 1, and a y-axis and a z-axis that are perpendicular to the x-axis and perpendicular to each other. A y-axis gyro 12 and a z-axis gyro 13 for detecting the rotational rate of rotation, an x-axis accelerometer 14 for detecting acceleration in the x-axis direction, a y-axis accelerometer 15 for detecting acceleration in the y-axis direction, and z The z-axis accelerometer 16 for detecting the acceleration in the axial direction, the x-axis to z-axis gyros 11 to 13, the x-axis to z-axis accelerometers 14 to 16 and the output of the GPS device 5 and the attitude angle of the flying object, the flight position, and And an inertial navigation calculation device 17 for calculating the flight direction. The x-axis to z-axis gyros 11 to 13 and the x-axis to z-axis accelerometers 14 to 16 are well known and will not be described in detail. It is desirable to be of a mold type. The inertial navigation calculation device 17 is realized by a computer. The variable blade drive unit 9 is an actuator that allows the variable blades (tail and control blades) to protrude and the amount of protrusion to be varied. An actuator for projecting the tail 3 after launch is also provided, but the illustration is omitted here.

なお、ここでは、x軸ジャイロ11の検出するx軸回りの回転レートをpレート、y軸ジャイロ12の検出するy軸回りの回転レートをqレート、z軸ジャイロ13の検出するz軸回りの回転レートをrレートと称する。   Here, the rotation rate around the x axis detected by the x axis gyro 11 is the p rate, the rotation rate around the y axis detected by the y axis gyro 12 is the q rate, and the rotation rate around the z axis detected by the z axis gyro 13 is here. The rotation rate is called r rate.

図4は、地球に対する飛翔体の飛翔を表す座標系を示す図であり、発射地点を原点として、東方向をVEG軸、北方向をVNG軸、重力と逆方向をVZG軸として表す。弾道のVEG軸とVNG軸のなる平面への投影成分が方位角であり、弾道のこの平面となす角度をピッチ角θで表す。ピッチ角θは初期発射角から着地まで変化し、ピッチ角θの変化率を弾道ピッチ・レートと呼ぶ。弾道ピッチ・レートはθの微分で表され、逆に弾道ピッチ・レートを積分して初期検出角に加えるとピッチ角θが得られる。発射装置から発射された飛翔体は、x軸を中心として高速に回転している。 FIG. 4 is a diagram showing a coordinate system representing the flight of a flying object with respect to the earth, with the launch point as the origin, the east direction as the VEG axis, the north direction as the VNG axis, and the reverse direction of gravity as the VZG axis. . The component projected onto the plane formed by the VEG axis and the VNG axis of the trajectory is the azimuth angle, and the angle formed by this plane of the trajectory is represented by the pitch angle θ. The pitch angle θ changes from the initial launch angle to the landing, and the rate of change of the pitch angle θ is called the ballistic pitch rate. The trajectory pitch rate is expressed by a derivative of θ. Conversely, when the trajectory pitch rate is integrated and added to the initial detection angle, the pitch angle θ is obtained. The flying object launched from the launching device rotates at high speed around the x axis.

図5は、移動制御装置6及び慣性航法装置7の発射後の処理動作を示すフローチャートである。以下、フローチャートを参照して処理動作を説明する。   FIG. 5 is a flowchart showing processing operations after launch of the movement control device 6 and the inertial navigation device 7. The processing operation will be described below with reference to the flowchart.

飛翔体は、例えば50km飛翔して着地するように、発射装置から非常な高速で発射される。発射された時には、飛翔体はx軸の回りを高速に回転している。   The flying object is launched at a very high speed from the launching device so as to fly, for example, 50 km. When launched, the projectile is rotating around the x axis at high speed.

ステップ101で、移動制御装置6は発射直後に尾翼3及び制御翼4を突出させるように制御する。尾翼3及び制御翼4が突出することにより、飛翔体のx軸回りの回転は減速され、x軸乃至z軸ジャイロ11〜13で回転レートを測定可能な領域まで減速される。x軸乃至z軸ジャイロ11〜13の出力信号はコンピュータで構成される慣性航法演算装置17で処理される。飛翔体が高速で回転している時には、x軸ジャイロ11の出力信号は高速で変化しており、慣性航法演算装置17では処理することができないので、処理可能な領域になるまで減速する必要がある。後述するように、測定可能な回転速度領域は、例えば100deg/sec〜200deg/secである。回転レートが測定可能な領域まで減速されたことは、x軸乃至z軸ジャイロ11〜13の出力信号から判定可能であるが、他の方法で判定してもよい。   In step 101, the movement control device 6 controls the tail blade 3 and the control blade 4 to protrude immediately after launch. By projecting the tail wing 3 and the control wing 4, the rotation of the flying object around the x-axis is decelerated, and is decelerated to a region where the rotation rate can be measured by the x-axis to z-axis gyros 11 to 13. The output signals of the x-axis to z-axis gyros 11 to 13 are processed by an inertial navigation calculation device 17 constituted by a computer. When the flying object is rotating at a high speed, the output signal of the x-axis gyro 11 changes at a high speed and cannot be processed by the inertial navigation calculation device 17, so it is necessary to decelerate until the processing area is reached. is there. As will be described later, the measurable rotational speed region is, for example, 100 deg / sec to 200 deg / sec. Although it can be determined from the output signals of the x-axis to z-axis gyros 11 to 13 that the rotation rate has been reduced to a measurable region, it may be determined by other methods.

ステップ102および103では、擬似ロール角を算出する。以下、擬似ロール角を算出する処理を説明する。   In steps 102 and 103, a pseudo roll angle is calculated. Hereinafter, processing for calculating the pseudo roll angle will be described.

飛翔体はx軸回りにロール回転(スピン)しているため、直交したy軸ジャイロ12およびz軸ジャイロ13は、弾道飛翔のピッチ角θの変化に比例した弾道ピッチ・レートとヨー方向のヨー・レートを検出する。次の式(1)で表すように、qレートおよびrレートは、弾道ピッチ・レート、弾道ヨー・レートおよびロール角により表される。   Since the flying object rolls (spins) around the x-axis, the orthogonal y-axis gyro 12 and z-axis gyro 13 have a ballistic pitch rate proportional to the change in the pitch angle θ of the ballistic flight and a yaw in the yaw direction.・ Detect the rate. As represented by the following equation (1), the q rate and the r rate are represented by a ballistic pitch rate, a ballistic yaw rate, and a roll angle.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

式(1)から分かるように、ロール角がゼロ度でy軸ジャイロ12が弾道ピッチ・レートを、ロール角が90度でz軸ジャイロ13が逆極性の弾道ピッチ・レートを検出することになる。   As can be seen from equation (1), the y-axis gyro 12 detects the ballistic pitch rate when the roll angle is zero degrees, and the z-axis gyro 13 detects the ballistic pitch rate of the reverse polarity when the roll angle is 90 degrees. .

発射された飛翔体は、ほぼ直進弾道を飛翔するため、ヨー方向のレートはほぼゼロであるといえる。従って、式(1)は次の式(2)および(3)のように簡略化することができる。   Since the launched projectile almost flies along a straight trajectory, it can be said that the rate in the yaw direction is almost zero. Therefore, the equation (1) can be simplified as the following equations (2) and (3).

Figure 0005127284
Figure 0005127284

この結果として、y軸ジャイロ12およびz軸ジャイロ13の出力信号(qレートおよびrレート)は、図6に示すように正弦波状に変化し、その最大値(振幅)が弾道ピッチ・レートであり、qレートがゼロになる位置が、ロール角がゼロ度の回転位置である。なお、図6における横軸は任意の時間であり、正弦波の周期は回転速度により決定される。   As a result, the output signals (q rate and r rate) of the y-axis gyro 12 and the z-axis gyro 13 change sinusoidally as shown in FIG. 6, and the maximum value (amplitude) is the ballistic pitch rate. The position where the q rate becomes zero is the rotational position where the roll angle is zero degrees. The horizontal axis in FIG. 6 is an arbitrary time, and the cycle of the sine wave is determined by the rotational speed.

しかし、y軸ジャイロ12およびz軸ジャイロ13の出力信号(qレートおよびrレート)は、回転のふらつきやジャイロセンサ自体のノイズを有しており、実際には図7に示すようなノイズの非常に多い信号になる。この状態では振幅及びゼロレベルを通過する位置を検出できない。   However, the output signals (q rate and r rate) of the y-axis gyro 12 and the z-axis gyro 13 have fluctuations in rotation and noise of the gyro sensor itself. There are many signals. In this state, the position that passes through the amplitude and zero level cannot be detected.

そこで、ステップ102で、慣性航法演算装置17は、y軸ジャイロ12の出力信号をA/D変換したデジタル信号の移動平均を算出し、移動平均のサンプルポイントを用いて最小二乗演算で、図7に示すような最適な正弦波状エンベロープを算出する。   Therefore, in step 102, the inertial navigation calculation unit 17 calculates the moving average of the digital signal obtained by A / D converting the output signal of the y-axis gyro 12, and uses the moving average sample points to perform the least-squares calculation. The optimal sinusoidal envelope as shown in FIG.

ステップ103では、このエンベロープがゼロになる位置を求める。この位置がロール角90度に相当する角度であり、ロール角が求まる。ここで、y軸ジャイロ12の出力信号のエンベロープは正弦波状であり、ピーク付近は変化が少なく、フラット状であり、頂点を判定すると誤差が大きくなるので、ここではピーク付近より急峻で変化が大きいゼロクロス点でロール角を決定する。これによりロール角を小さな誤差で決定できる。   In step 103, a position where this envelope becomes zero is obtained. This position is an angle corresponding to a roll angle of 90 degrees, and the roll angle is obtained. Here, the envelope of the output signal of the y-axis gyro 12 is sinusoidal, has little change near the peak, is flat, and has a large error when judging the apex. Determine the roll angle at the zero cross point. Thereby, the roll angle can be determined with a small error.

しかし、上記のようなノイズを含んだ信号から算出したサンプル値であり、精度が不十分である。本実施例ではこのロール角を擬似ロール角として、飛翔体の誘導制御を確実かつ円滑にできるように精度を向上する処理を行う。   However, it is a sample value calculated from a signal including noise as described above, and the accuracy is insufficient. In this embodiment, the roll angle is set as a pseudo roll angle, and processing for improving accuracy is performed so that the guidance control of the flying object can be performed reliably and smoothly.

ステップ104から108は、上記のロール角を擬似ロール角としてさらに精度を向上する処理である。ここでは、擬似ロール角は、真のロール角にロール角誤差を加えた角度であり、真のロール角をφ、ロール角誤差をΔφとした時に、擬似ロール角をφ+Δφで表すものとする。   Steps 104 to 108 are processes for further improving the accuracy by using the roll angle as a pseudo roll angle. Here, the pseudo roll angle is an angle obtained by adding a roll angle error to the true roll angle. When the true roll angle is φ and the roll angle error is Δφ, the pseudo roll angle is represented by φ + Δφ.

ステップ104では、y軸ジャイロ12およびz軸ジャイロ13の出力信号(qレートおよびrレート)から、弾道ピッチ・レートを算出する。   In step 104, the ballistic pitch rate is calculated from the output signals (q rate and r rate) of the y-axis gyro 12 and the z-axis gyro 13.

qレートおよびrレートは式(2)および(3)のように表されるので、次の式(4)のようにこれらの二乗和の平方根を算出すると平均的な弾道ピッチ・レートを算出することができる。   Since the q rate and the r rate are expressed as in equations (2) and (3), the average ballistic pitch rate is calculated when the square root of these square sums is calculated as in the following equation (4). be able to.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

ステップ105では、擬似ロール角の余弦に弾道ピッチ・レートを乗算して擬似ピッチ・レート(擬似qレート)を算出する。   In step 105, a pseudo pitch rate (pseudo q rate) is calculated by multiplying the cosine of the pseudo roll angle by the ballistic pitch rate.

ステップ106では、擬似ピッチ・レート(擬似qレート)と実際にy軸ジャイロ12が検出した生のqレートの差Δρを算出する。擬似qレートが、y軸ジャイロ12で発生される生のqレートと一致している時が、ロール角誤差が最小の時である。このロール角誤差を求めるために、次の式(5)に示すように、演算した擬似qレートと実際にy軸ジャイロ12が検出した生qレートの差Δρを算出する。   In step 106, a difference Δρ between the pseudo pitch rate (pseudo q rate) and the raw q rate actually detected by the y-axis gyro 12 is calculated. The time when the pseudo q rate matches the raw q rate generated by the y-axis gyro 12 is the minimum roll angle error. In order to obtain this roll angle error, as shown in the following equation (5), a difference Δρ between the calculated pseudo q rate and the actual q rate actually detected by the y-axis gyro 12 is calculated.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

擬似ロール角φ+Δφは、前述の最小二乗演算で算出したエンベロープのゼロクロス点における初期ロール角φ90に、時間経過によるx軸回りの変化角度を加えた角度で表され、x軸回りの変化角度はx軸ジャイロ11の出力信号(pレート)を積分した値であり、次の式で表される。 The pseudo roll angle φ + Δφ is expressed as an angle obtained by adding a change angle around the x axis over time to the initial roll angle φ 90 at the zero cross point of the envelope calculated by the above least square calculation, and the change angle around the x axis is This is a value obtained by integrating the output signal (p rate) of the x-axis gyro 11 and is expressed by the following equation.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

上記の差Δρは、図8に示すように、ロール角φの変化に従って変化するが、正方向(位相進み方向)に誤差がある場合、生のrレートと同相の正弦波Δρ1になりqレートはq1になり、負方向(位相遅れ方向)に誤差がある場合、rレートと逆相の正弦波Δρ2になりqレートはq2になる。   As shown in FIG. 8, the difference Δρ changes according to the change in the roll angle φ. However, if there is an error in the positive direction (phase advance direction), the q-rate becomes a sine wave Δρ1 in phase with the raw r rate. Becomes q1, and when there is an error in the negative direction (phase lag direction), it becomes a sine wave Δρ2 opposite in phase to the r rate and the q rate becomes q2.

Δθを小さい角度とすれば、cosΔθはほぼ1であるから、Δρは次の式のように近似できる。   If Δθ is a small angle, cos Δθ is approximately 1, so Δρ can be approximated by the following equation.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

さらに、ピーク値をとるとすれば、φはほぼ90度であり、sinφはほぼ1となるから、Δρは次の式のように近似できる。   Furthermore, if the peak value is taken, φ is approximately 90 degrees and sin φ is approximately 1, so Δρ can be approximated as the following equation.

Figure 0005127284
Figure 0005127284

これから、ロール誤差角Δφは次の式(6)で求めることができる。   From this, the roll error angle Δφ can be obtained by the following equation (6).

Figure 0005127284
Figure 0005127284

ステップ107では、ロール誤差角Δφを求める。具体的には、ロール誤差角Δφによるレート成分Δρを得るために、rレート位相に同期して演算したΔρ信号を検波し、ノイズ低減のために半周期(180°)分の平均を求める。正弦波状の信号であるので、この平均値からピーク値ΔPPEAKを得ることができる。このピーク値と弾道ピッチ・レートの比の逆正弦(arcsin)からロール誤差角Δφを求める。このように、Δφは簡潔な演算式により求めることができる。 In step 107, a roll error angle Δφ is obtained. Specifically, in order to obtain a rate component Δρ based on the roll error angle Δφ, a Δρ signal calculated in synchronization with the r rate phase is detected, and an average for a half cycle (180 °) is obtained for noise reduction. Since it is a sinusoidal signal, the peak value ΔP PEAK can be obtained from this average value. The roll error angle Δφ is obtained from the arc sine of the ratio between the peak value and the ballistic pitch rate. Thus, Δφ can be obtained by a simple arithmetic expression.

ステップ108では、ロール誤差角Δφが所定の閾値より小さいかを判定する。   In step 108, it is determined whether the roll error angle Δφ is smaller than a predetermined threshold value.

ロール誤差角Δφが所定の閾値より大きい場合には、ステップ109に進み、ロール誤差角Δφが小さくなるように、擬似ロール角を決定し、ステップ104に戻り、ロール誤差角Δφが所定の閾値より小さくなるまで上記の処理を繰り返す。新しい擬似ロール角の決定は、例えばカルマンフィルタを利用した推定により行う。なお、閾値はカルマンフィルタの分散値収束性で決定できる。   If the roll error angle Δφ is larger than the predetermined threshold value, the process proceeds to step 109, the pseudo roll angle is determined so that the roll error angle Δφ becomes smaller, and the process returns to step 104, where the roll error angle Δφ is larger than the predetermined threshold value. The above processing is repeated until it becomes smaller. The new pseudo roll angle is determined by estimation using, for example, a Kalman filter. Note that the threshold value can be determined by the dispersion value convergence of the Kalman filter.

ロール誤差角Δφが所定の閾値より小さくなったら、ステップ110に進み、慣性航法演算装置17に姿勢を設定する。ピッチ角θは、仰角にほぼ相関すると推定されるので、GPS装置5の検出する飛翔体の速度(VNG,VEG,VZG)からアタック角を算出することにより推定可能であり、次の式(7)で算出することができる。 When the roll error angle Δφ becomes smaller than a predetermined threshold value, the routine proceeds to step 110 where the attitude is set in the inertial navigation calculation device 17. Since the pitch angle θ is estimated to be substantially correlated with the elevation angle, the pitch angle θ can be estimated by calculating the attack angle from the velocity (V NG , V EG , V ZG ) of the flying object detected by the GPS device 5. It can be calculated by equation (7).

Figure 0005127284
Figure 0005127284

以上のようにして、ピッチ角θと中心軸(x軸)回りの回転位置(ロール角)φが算出できるので、慣性航法演算装置17にこれらを設定する。これにより、飛翔体の姿勢が設定されたので、ジャイロ装置による慣性航法を開始できる。   As described above, since the pitch angle θ and the rotational position (roll angle) φ around the central axis (x axis) can be calculated, these are set in the inertial navigation calculation device 17. Thereby, since the attitude | position of the flying body was set, the inertial navigation by a gyro apparatus can be started.

飛翔方向を制御するために、飛翔体がほぼ所定の姿勢であることが必要であれば、ステップ111で、移動制御装置6が制御翼4を制御して姿勢制御を行う。   If it is necessary for the flying object to have a substantially predetermined posture in order to control the flight direction, the movement control device 6 controls the control wing 4 to perform posture control in step 111.

この後、慣性航法演算装置17は、GPS装置5により検出した地球座標における飛翔位置及び方向に基づいて飛翔位置及び方向の初期化を行い、以後ジャイロ装置の出力信号に基づいて飛翔位置及び方向を算出し、算出した飛翔情報を移動制御装置6に出力する。なお、慣性航法演算装置17は、ジャイロ装置の出力信号に基づいて飛翔位置及び方向を算出するが、GPS装置5により検出した地球座標における飛翔位置及び方向に基づいて随時累積誤差を補正する。   Thereafter, the inertial navigation calculation device 17 initializes the flight position and direction based on the flight position and direction in the earth coordinates detected by the GPS device 5, and thereafter determines the flight position and direction based on the output signal of the gyro device. The calculated flight information is output to the movement control device 6. The inertial navigation calculation device 17 calculates the flight position and direction based on the output signal of the gyro device, but corrects the accumulated error as needed based on the flight position and direction in the earth coordinates detected by the GPS device 5.

移動制御装置6は、慣性航法演算装置17からの飛翔情報に基づいて、飛翔体が目標地点に到達するように制御翼4の制御を行う。   The movement control device 6 controls the control wing 4 based on the flight information from the inertial navigation calculation device 17 so that the flying object reaches the target point.

上記のロール誤差角Δφが小さくなるように擬似ロール角を推定する処理にカルマンフィルタを利用したフィードバック処理の誤差シミュレーションを行った結果によれば、処理を5回程度繰り返せばロール角誤差を1°以下にできるという結果が得られた。   According to the result of the error simulation of the feedback process using the Kalman filter for the process of estimating the pseudo roll angle so that the roll error angle Δφ is small, the roll angle error is 1 ° or less if the process is repeated about 5 times. The result that can be made.

また、慣性航法演算装置17を構成するコンピュータの能力から、演算サイクルが200Hz(5msec)であり、0.5度の分解能でサンプリングするとした場合、0.5×200=100deg/secとなり、1回転で3.6秒、半回転で1.8秒となるので、演算を行える回転速度は100deg/sec〜200deg/sec程度である。従って、ステップ101では、この程度の回転速度まで下げるように制御を行う。もちろん、高速の演算が可能なコンピュータを使用すれば、より速い回転速度でも演算が行える。   Further, because of the ability of the computer constituting the inertial navigation calculation device 17, when the calculation cycle is 200 Hz (5 msec) and sampling is performed with a resolution of 0.5 degrees, 0.5 × 200 = 100 deg / sec, and one rotation 3.6 seconds and half rotation is 1.8 seconds, so that the rotation speed at which the calculation can be performed is about 100 deg / sec to 200 deg / sec. Therefore, in step 101, control is performed so that the rotational speed is reduced to this level. Of course, if a computer capable of high-speed calculation is used, the calculation can be performed even at a higher rotational speed.

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、中心軸の回りを回転していれば、どのような形状や構成の飛翔体でもよい。   As mentioned above, although the Example of this invention was described, it cannot be overemphasized that various modifications are possible. For example, a flying object of any shape and configuration may be used as long as it rotates around the central axis.

本発明は、推進力を有さずに、発射された時の直進弾道に従って飛翔する飛翔体で、発射時に回転して発射される飛翔体であればどのようなものにも適用可能である。   The present invention is applicable to any flying object that does not have a propulsive force and flies according to a straight trajectory when it is launched, and that is rotated and launched at the time of launch.

本発明が適用される飛翔体の形状と構成を示す図である。It is a figure which shows the shape and structure of a flying body to which this invention is applied. 図1の飛翔体の弾道と弾道上の各地点での動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement in each point on the trajectory and the trajectory of the flying body of FIG. 本発明の実施例の飛翔体の慣性航法装置の構成を、GPS装置、移動制御装置及び可変翼駆動部を合わせて示す図である。It is a figure which shows the structure of the inertial navigation apparatus of the flying body of the Example of this invention combining a GPS apparatus, a movement control apparatus, and a variable wing drive part. 地形に対する飛翔体の飛翔を表す座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system showing the flight of the flying body with respect to the topography. 移動制御装置及び慣性航法装置の発射後の処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing operation after discharge of a movement control apparatus and an inertial navigation apparatus. 飛翔体が回転しながら飛翔する時のy軸及びz軸ジャイロの出力信号の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the output signal of a y-axis and a z-axis gyro when a flying body flies while rotating. 飛翔体が回転しながら飛翔する時のy軸及びz軸ジャイロのノイズを含んだ実際の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the actual output signal containing the noise of the y-axis and z-axis gyro when a flying body flies while rotating. ロール角誤差がある場合のy軸及びz軸ジャイロの出力信号及び誤差信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal and error signal of a y-axis and z-axis gyro in case there exists a roll angle error.

符号の説明Explanation of symbols

1 飛翔体
2 本体部
3 尾翼
4 制御翼
5 GPS装置
6 移動制御装置
7 慣性航法装置
11 x軸ジャイロ
12 y軸ジャイロ
13 z軸ジャイロ
14 x軸加速度計
15 y軸加速度計
16 z軸加速度計
17 慣性航法演算装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flying object 2 Main part 3 Tail 4 Control wing 5 GPS device 6 Movement control device 7 Inertial navigation device 11 X-axis gyro 12 Y-axis gyro 13 Z-axis gyro 14 X-axis accelerometer 15 Y-axis accelerometer 16 z-axis accelerometer 17 Inertial navigation arithmetic unit

Claims (7)

推進力を有さずに、発射装置から回転しながら発射され、発射された時の方向と発射速度による弾道に従って飛翔する飛翔体であって、
発射後に突出する可変翼と、
GPS装置と、
飛翔位置を検出する慣性航法装置と、
前記GPS装置および前記慣性航法装置により検出された飛翔位置に基づいて、目標に到達するように前記可変翼を制御する移動制御装置と、を備える飛翔体において、
前記慣性航法装置は、前記飛翔体の中心軸を第1軸とし、前記第1軸に垂直で互いに垂直な軸を第2及び第3軸とし、前記第1から第3軸を中心とする回転を検出するジャイロ装置を備え、
前記慣性航法装置は、前記移動制御装置が前記飛翔体の発射後に前記可変翼を突出させることにより前記飛翔体の前記第1軸回りの回転数が第1所定値より小さくなった時に、前記ジャイロ装置の出力から前記飛翔体の前記第1軸回りの回転位置であるロール角を検出し、前記GPS装置の速度信号からピッチ角を算出し、前記第1軸回りの回転位置である前記ロール角及び前記ピッチ角から、前記飛翔体の姿勢角を決定することを特徴とする飛翔体。
Without a propulsion fired while rotating from the launcher, a projectile you flying accordance trajectory by direction and rate of fire when it is fired,
Variable wings protruding after launch,
A GPS device;
An inertial navigation device for detecting the flight position;
In a flying object comprising a movement control device that controls the variable wing so as to reach a target based on a flight position detected by the GPS device and the inertial navigation device,
The inertial navigation device has a center axis of the flying object as a first axis, axes perpendicular to the first axis and perpendicular to each other as second and third axes, and rotation about the first to third axes. Equipped with a gyro device for detecting
The inertial navigation device is configured such that when the movement control device causes the variable wing to project after the flying object is launched, the rotational speed of the flying object around the first axis becomes smaller than a first predetermined value. The roll angle which is the rotational position around the first axis of the flying object is detected from the output of the device, the pitch angle is calculated from the speed signal of the GPS device, and the roll angle which is the rotational position around the first axis And a posture angle of the flying object from the pitch angle .
前記移動制御装置は、検出した前記飛翔体の姿勢角に基づいて、前記飛翔体が所定の姿勢角になるように前記可変翼を制御することを特徴とする請求項に記載の飛翔体。 The flying object according to claim 1 , wherein the movement control device controls the variable wing so that the flying object has a predetermined attitude angle based on the detected attitude angle of the flying object. 前記慣性航法装置は、前記第1から第3軸の方向の加速度を検出する加速度計を備え、前記飛翔体の前記第1軸回りの回転数が第2所定値より小さくなった後、前記加速度計及び前記GPS装置の出力から前記飛翔体の飛翔位置を検出する請求項1に記載の飛翔体。 The inertial navigation system includes an accelerometer for detecting acceleration in the direction of the third axis from said first, after the rotational speed of the first axis of the flying object is smaller than a second predetermined value, the acceleration The flying object according to claim 1, wherein a flying position of the flying object is detected from a total and an output of the GPS device. 前記慣性航法装置は、振動波である前記ジャイロ装置の前記第2及び第3軸の回転信号が、前記回転信号の中心レベルを通過する位置から、前記第1軸回りの回転位置を検出する請求項1に記載の飛翔体。 The inertial navigation device detects a rotational position around the first axis from a position where a rotational signal of the second and third axes of the gyro device that is a vibration wave passes a center level of the rotational signal. Item 1. A flying object according to item 1. 前記慣性航法装置は、前記ジャイロ装置の前記第2及び第3軸の回転信号の移動平均を算出し、算出した移動平均から近似正弦波を算出し、算出した近似正弦波が前記中心レベルを通過する位置から、前記第1軸回りの回転位置を検出する請求項に記載の飛翔体。 The inertial navigation system, the moving average of the second and the rotation signal of the third shaft to calculate the gyro device, and calculates an approximate sine wave from the moving average calculated, passes the calculated approximate sine wave with said center level The flying object according to claim 4 , wherein a rotational position around the first axis is detected from a position to be operated. 前記慣性航法装置は、
算出した前記第1軸回りの回転位置を初期回転位置とし、
前記ジャイロ装置の前記第2及び第3軸回りの回転レートから弾道ピッチレートを算出し、
前記初期回転位置に前記ジャイロ装置の前記第1軸回りの回転レートの積分値を加えて擬似回転位置を算出し、
前記擬似回転位置と前記弾道ピッチレートから擬似ピッチレートを算出し、
前記擬似ピッチレートと前記ジャイロ装置の前記第2軸回りの回転レートの差の変化を算出し、
算出した差の変化の半周期分の平均からピーク値を算出し、
算出したピーク値と前記弾道ピッチレートから回転位置誤差を算出し、
前記回転位置誤差を小さくするように新たに前記初期回転位置を設定し、
新たな前記初期回転位置を使用して、前記回転位置誤差が収束するように処理を繰り返す請求項に記載の飛翔体。
The inertial navigation device
The calculated rotational position around the first axis is the initial rotational position,
Calculating a ballistic pitch rate from the rotation rates of the gyro device around the second and third axes;
A pseudo rotation position is calculated by adding an integral value of a rotation rate around the first axis of the gyro device to the initial rotation position;
Calculate the pseudo pitch rate from the pseudo rotation position and the ballistic pitch rate,
Calculating a change in the difference between the pseudo pitch rate and the rotation rate of the gyro device around the second axis;
Calculate the peak value from the average of the calculated change in half cycle,
Calculate the rotational position error from the calculated peak value and the trajectory pitch rate,
The initial rotation position is newly set to reduce the rotation position error,
The flying object according to claim 4 , wherein the process is repeated using the new initial rotational position so that the rotational position error converges.
前記慣性航法装置は、カルマンフィルタ処理により、前記回転位置誤差を小さくするように新たに前記初期回転位置を設定する請求項に記載の飛翔体。 The flying object according to claim 6 , wherein the inertial navigation device newly sets the initial rotational position so as to reduce the rotational position error by Kalman filter processing.
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