ソフトウェアと動作ロジック(8)艦載センサーにまつわるいろいろ

前回は、ルックダウン、シュートダウン、対砲兵レーダーといった、レーダーのシグナル処理に関わる部分の話を主体として取り上げた。続いて今回は、艦載センサー機材に特有の事情について、いろいろ考えてみた。

アンテナが安定していなかったら?

苦しまぎれのダジャレではない。真面目な話である。

陸上に設置したレーダーなら、車載式のレーダーを載せた車両が走りながらレーダーを作動させるか、あるいは地震でも起こらない限り、安定している。だから、レーダーが何かを探知して「方位○○○、距離△△でコンタクト」という情報は、そのまま真に受けてよい。

ところが、航空機や艦船に搭載したレーダーでは話が違う。レーダーが載っているプラットフォームが動いている上に、揺れて姿勢が変わる。時には、機首や舳先の向きと進行方向が一致しないこともある。

そこで、土台が安定している陸上設置のレーダーと同じ調子で探知情報を真に受けると、大間違いということになりかねない。だから、例えばAWACS機のパイロットは、機体をできるだけ安定させて飛ばすように訓練を受けるそうである。背中に背負ったレーダーが、安定してくれるほうがいいからだ。

では、プラットフォームの姿勢変化という問題をどう解決するか。

1つの方法は、アンテナに機械的な制御を組み込んで、プラットフォームの姿勢変化に関係なく、レーダーのアンテナだけを安定させる方法だ。艦載用レーダーでは、実際にこれをやっている事例がある。

しかし、実際にこれを実現しようとすると、「姿勢変化の検出」に続いて「遅滞なくアンテナの向きを補正する」という制御が必要になる。例えば、艦が左舷側に5度傾いたら、それに合わせて直ちにアンテナ回転面を右に5度傾ける。これでアンテナ回転面は水平を保てる。

制御の迅速さが求められるだけでなく、アンテナの構造が複雑になり、製作・保守・整備に人手と時間と費用がかかってしまう問題がある。それに、機械的に動かそうとすると可動範囲に限度があるので、それを越えたらどうするかという問題もある。

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  海が荒れれば、艦船は前後方向にも左右方向にも揺れる。それに合わせてレーダーを制御しないと、正しい探知にならない

受信データを補正する方法と送信ビームを補正する方法

そこでコンピュータが登場する。アンテナが傾くのは仕方ないとして、そのアンテナが出してきた探知情報について、コンピュータを使って補正をかけるわけだ。

例えば、前後方向の傾きが発生した場合、それは高度のズレという形で現れる。艦が艦首側に5度傾いた状態で、対空三次元レーダーが真正面に何かを探知したとする。すると、目標の仰角は実際より5度増えるから、本来より高い高度だと誤探知する。

そこで「艦首側に5度傾いた時に発生する、距離に応じた誤差」(これは幾何学的に計算できる)を加味する形で補正をかける。左右方向の傾斜についても、考え方は同じ。

もちろん、傾斜などの誤差要因について、遅滞なく精確なデータをとれないと意味がない。それでも、レーダー・アンテナを機械的に動かして安定化させるよりは確実で、かつ信頼性は高い。なぜなら、すべてコンピュータの中でソフトウェア処理を行えば完結できるからだ。電子的な処理は、機械的にアンテナの向きを変える制御よりも速いし、レスポンスもいい。

もう1つ、「送信する時点で補正する」方法も考えられる。例えば、艦が左舷側に傾斜したら、それを打ち消す方向に傾けたビームを出す。

電波の速度は秒速30万kmで、船体の動揺速度と比べてもべらぼうに早い。それなら、船体の動揺に合わせて傾けたビームの反射波は、船体の傾きが目立って変化する前に返ってくると思われる。

ただし、この方法には1つ問題がある。船体の動揺に応じてビームの向きを制御するとなると、電子的にビームの向きを変えられるアンテナが必要になるのだ。イージス艦でおなじみのフェーズド・アレイ・レーダーなら、それはもともと備えている機能だから問題なく実現できるが、そうした「電子的首振り機能」がないタイプのアンテナだと、どうだろうか。

実際にプログラムを書いてみたわけではないから断言はできないが、送信波の向きを補正するよりも、受信波に補正をかけるほうが、仕事はしやすいように見える。実際のところはどうだろうか。

艦載機関砲の多目標対処

レーダーというより射撃管制の話だが、同じ艦載兵器ということで、余談(?)を1つ。

2000年10月に、アメリカ海軍の駆逐艦「コール」がイエメンのアデン港で、自爆ボートに突っ込まれて舷側に大穴を開けられる事件が発生した。乗組員のダメージ・コントロールが功を奏したので沈没はしないで済んだが、乗組員17名が死亡、39名が負傷するという大きな犠牲があった。

この事件が契機となって、多くの軍艦で「小艇対策」が盛り込まれた。海上自衛隊では、人力操作の12.7mm機関銃を据え付けて海賊対策任務に出ているが、国によっては遠隔操作式の機関砲を搭載している。

遠隔操作式の機関砲は、カメラと赤外線センサーを搭載しており、その映像を艦内の操作コンソールに取り付けられたディスプレイに表示する。オペレーターはその映像を見ながら、脅威要因を見つけて、交戦する。

ただ、捜索・識別・照準・交戦を人手に依存していたのでは、能力的な限界が生じる可能性がある。特に近年では、スワーム・アタック、つまり多数の小艇が群れをなして押し寄せてくる場面を想定しなければならず、人手での対処には限界がある。

この手の遠隔操作式機関砲塔を手掛けているメーカーの1つに、イスラエルのラファエル・アドバンスト・ディフェンス・システムズ社がある。同社はタイフーンという名前の遠隔操作式砲架を開発・販売している。

タイフーン、あるいは小型版のミニ・タイフーンが搭載する機関砲は別の専門メーカーに任せており、砲架は「さまざまな製品に対応できます」というスタンス。一方で、砲架そのものとそれの制御機構、そしてセンサー機材は自社で手掛けている。

自動的に多数の小艇に対処するということは、すなわちアルゴリズムの問題である。単純に考えれば「機関砲の数を増やせばよい」となるが、設置場所やコストが問題になる。では、機関砲の射程を長くするのはどうかというと、交戦可能な範囲が広がり、多数の目標に対処する際の時間的余裕は増す。しかしそれとて限りはあるし、射程延伸のために大口径化すれば、搭載できる弾の数が減ってしまう。

そこでラファエル社では、コンピュータによる射撃指揮のアルゴリズムを改善して、できるだけ無駄弾を使わずに、発見したすべての脅威を掃滅する工夫をしたという。ミサイルと違い、機関砲の弾は誘導機構を持たないから、撃つ時点で精確に狙わなければ外れてしまう。だから、勘所は「適切な優先順位付け」と「精確な照準」だ。

前者は「どういう順番で交戦すればよいか」という問題だ。第217回～218回で取り上げた艦対空ミサイルと同じで、探知目標のベクトルに基づいて未来位置を予測して、危険度が高そうなものから順番に片付ける。

では、後者はどうか。自艦も目標も動いているから、その両方の動きを考慮に入れて、目標の針路上に弾を送り込む、いわゆる見越し角射撃は必須だ。

それだけでなく、自艦の動揺に合わせた補正も必要になる。例えば、右舷に向けて撃っている場合、艦が右舷側に傾くと、弾は下方に逸れる。だから、揺れを検出して、それに合わせて狙いを上に補正する必要がある。先に書いたレーダーの話と、なんとなく似ている。