JP2005249629A - Electric wave incoming direction specifying system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電波の到来方向を特定する電波到来方向特定システムに関するものである。 The present invention relates to a radio wave arrival direction specifying system for specifying a radio wave arrival direction.
近年、位置の不明な電波源が送信する電波の到来方向を特定する場合に、高々度を飛行あるいは滞空する高々度プラットフォームを利用して行う電波到来方向特定システムがコンセプトとして提案されている。 In recent years, a radio wave arrival direction identifying system has been proposed as a concept that uses a high altitude platform that flies or stays at high altitude when specifying the direction of arrival of radio waves transmitted from a radio source of unknown position.
上記の電波の到来方向を特定する技術はいくつか提案されており、第1の従来技術として、下記の特許文献1に開示されている、「フェーズドアレイアンテナ装置及びフェーズドアレイアンテナのビーム指向方向校正方法」がある。この技術は、アレイアンテナを構成するアンテナパネルと、形状が変形しない基準板と、アンテナパネルと基準板の間の歪み量を測定する複数のセンサーから構成され、センサーにより得られる基準板からみたアンテナパネルの機械的歪みによる形状の変化量を測定することにより、各アンテナ素子の移相量を制御するものである。
上述した第1の従来技術においては、アレイアンテナの形状が何らかの原因で歪んでも、その歪みを補償するための移相量が各アンテナ素子で設定できるためアンテナの歪みによる特性劣化とビーム指向方向の誤差を軽減することができるという特徴をもっている。 In the first prior art described above, even if the shape of the array antenna is distorted for some reason, the amount of phase shift for compensating for the distortion can be set in each antenna element. It has the feature that the error can be reduced.
次に第2の従来技術として、下記の特許文献2に開示されている「アレーアンテナの較正方法」がある。この技術は、受信用アレーアンテナの各アンテナ素子の系統間で振幅および位相の不均一性が存在する場合に、既知の方向にある較正用基準局からの信号をアレーアンテナで受信し、各アンテナ素子による受信信号出力に所定のディジタル信号処理演算を行うことにより、上記振幅および位相の不均一性を相殺するための較正係数を求めるものある。
上述した第2の従来技術においては、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相が未知の誤差をもっていても、これを相殺するための複素ウェイトが得られるため、アンテナの特性劣化とビーム指向方向の誤差を軽減することができるというという特徴をもっている。 In the second prior art described above, even if the amplitude and phase inside the circuit connected to each antenna element constituting the array antenna have an unknown error, a complex weight for canceling this can be obtained. The characteristic deterioration and the error of the beam directing direction can be reduced.
また第3の従来技術として、下記の非特許文献1に開示されている「既知の波源を用いたスーパーレゾリューションアレー校正法について」がある。この技術は、電波到来方向を高精度に測定するためのスーパーレゾリューション手法を適用するアレーアンテナにおいて、方向測定精度を劣化させる原因となる未知パラメータである各アンテナ素子の振幅、位相の誤差およびアンテナ素子間結合による影響の度合いを、複数の既知の方向に設置した波源からの受信データベクトルを用いて作られる連立方程式を解くことにより、同時に推定するものである。
上述した第3の従来技術においては、アンテナ素子ごとの振幅や位相の誤差・ばらつきだけではなく、アンテナ素子間の電磁結合がある場合でもこれらのパラメータを同時に推定して補償することにより、スーパーレゾリューション手法を適用して電波到来方向を測定する場合の誤差を低減することができるという特徴をもっている。 In the third prior art described above, not only the amplitude and phase error / variation of each antenna element, but also the presence of electromagnetic coupling between antenna elements, these parameters are estimated and compensated simultaneously to compensate for the super resolution. It has a feature that an error in measuring the direction of arrival of radio waves by applying the solution method can be reduced.
しかしながら、上記第1の従来技術は、形状の変化しない固い基準板という構造物を必要とし、またセンサー出力の変化がアレイアンテナを構成する各アンテナ素子の位置のずれに1対1で対応するように厳密な較正をあらかじめしておく必要がある、という問題点があった。また、センサーの数が少ない場合には、アンテナパネルが比較的柔らかい構造であるとセンサーから離れた場所にあるアンテナ素子の位置誤差測定の誤差が大きくなり、また、センサーの数を増加すれば、センサーデータを吸い上げるためのデータ回線の量とともに、システムは複雑化かつ重量化するという問題点があった。さらに、この技術は各アンテナ素子に接続された回路内部での振幅や位相の誤差を補正するものではなく、これらを補正するには別途これらの補正技術を提供する必要があるという問題点があった。 However, the first prior art requires a structure called a hard reference plate whose shape does not change, and the change in sensor output corresponds to the positional deviation of each antenna element constituting the array antenna on a one-to-one basis. However, there was a problem that strict calibration had to be performed in advance. In addition, when the number of sensors is small, if the antenna panel has a relatively soft structure, the error in measuring the position error of the antenna element located away from the sensor becomes large, and if the number of sensors is increased, Along with the amount of data lines for sucking up sensor data, there is a problem that the system becomes complicated and heavy. In addition, this technique does not correct amplitude and phase errors in the circuit connected to each antenna element, and it is necessary to provide these correction techniques separately to correct these. It was.
また、第2の従来技術は、アレーアンテナの各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相の誤差は補正できるが、各アンテナ素子の位置の誤差は補正できないという問題点があった。 Further, the second prior art has a problem that it can correct the error in the amplitude and phase in the circuit connected to each antenna element of the array antenna, but cannot correct the error in the position of each antenna element.
また、第3の従来技術は、アレーアンテナの各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相の誤差およびアンテナ素子間結合は補正できるが、各アンテナ素子の位置の誤差は補正できず、また必要な既知波源は、Nをアンテナ素子数、電波到来方向の測定対象となる波源数を1とした場合、{(N/2+1)N−1}/(N−1)で表される以上の個数が必要となり、アンテナ素子数が多くなるほど多くの既知波源が必要となるという問題点があった。 The third prior art can correct the amplitude and phase errors in the circuit connected to each antenna element of the array antenna and the coupling between the antenna elements, but cannot correct the position error of each antenna element. The necessary known wave source is greater than or equal to {(N / 2 + 1) N−1} / (N−1), where N is the number of antenna elements and the number of wave sources to be measured in the direction of arrival of radio waves is 1. There is a problem that the number of known wave sources is required as the number of antenna elements increases as the number of antenna elements increases.
さらに、上記第1、第2、第3の従来技術では、アンテナ素子が密に配置されているため、アンテナ素子間の相互結合の影響を考慮する必要があり、電波到来方向特定のための演算が煩雑化する一因となっていた。 Furthermore, in the first, second, and third prior arts, since the antenna elements are densely arranged, it is necessary to consider the influence of mutual coupling between the antenna elements. Contributed to the complexity.
この発明は上記に鑑み提案されたもので、電波源位置を特定できる精度を広範囲にわたり高くすることができ、またアンテナ素子間の相互結合の影響を考慮する必要がなく、電波到来方向を特定する場合には、形状の変化しない固い基準板や歪み量測定用のセンサが不要となり、また、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の位置の誤差を補正することができ、さらには各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相の誤差の補正を少数の既知電波源で行うことができる電波到来方向特定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above, and it is possible to increase the accuracy with which a radio wave source position can be specified over a wide range, and it is not necessary to consider the influence of mutual coupling between antenna elements, and the radio wave arrival direction is specified. In this case, a rigid reference plate that does not change its shape and a sensor for measuring the amount of distortion are not required, and errors in the position of each antenna element that constitutes the array antenna can be corrected. It is an object of the present invention to provide a radio wave arrival direction specifying system capable of correcting an error in amplitude and phase in a circuit with a small number of known radio wave sources.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電波の到来方向を特定する電波到来方向特定システムにおいて、高々度を飛行あるいは停留する高々度プラットフォームと、上記高々度プラットフォームに設置され、位置の不明な電波源から送信された、所定の周波数範囲にある任意の形式の電波を受信しその受信信号を出力するアレーアンテナと、上記アレーアンテナの受信信号から取得した振幅および位相の情報に対して所定の信号処理を施し、上記位置の不明な電波源から送信された電波の到来方向を所定の誤差以内で特定する到来方向特定手段と、を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is a radio wave arrival direction specifying system for specifying a radio wave arrival direction, and is installed in the high altitude platform for flying or stopping at high altitude, For an array antenna that receives radio waves of an arbitrary format within a predetermined frequency range, transmitted from an unknown radio source, and outputs the received signal, and amplitude and phase information obtained from the received signal of the array antenna And arrival direction specifying means for performing predetermined signal processing and specifying the arrival direction of the radio wave transmitted from the radio wave source whose position is unknown within a predetermined error.
また、請求項2に記載の発明は、上記した請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記位置の不明な電波源は1つあるいは複数であり、上記アレーアンテナの受信信号はアレーアンテナを構成する各アンテナ素子が受信した信号である、ことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, one or a plurality of radio sources with unknown positions are provided, and the received signal of the array antenna is an array antenna. Is a signal received by each of the antenna elements constituting the.
また、請求項3に記載の発明は、上記した請求項1または2に記載の発明の構成に加えて、上記アレーアンテナの各アンテナ素子を、高々度プラットフォームの設置可能な場所の中の可能な限り広い範囲にわたって必要十分な数だけ、その高々度プラットフォームの形状に合わせて直線状、曲線状、平面状あるいは曲面状に設置してアレーアンテナの開口面を広くとり、上記到来方向特定手段は、広い開口面のアレーアンテナからの受信信号に基づいて、電波の到来方向を所定の誤差以内で1次元的あるいは2次元的に特定する、ことを特徴としている。 Further, in the invention described in claim 3, in addition to the configuration of the invention described in claim 1 or 2, the antenna elements of the array antenna are arranged as much as possible in the place where the platform can be installed at most. A necessary and sufficient number over a wide range is installed in a linear, curved, flat or curved shape according to the shape of the platform, and the array antenna has a wide aperture surface. Based on the received signal from the array antenna on the surface, the arrival direction of the radio wave is specified one-dimensionally or two-dimensionally within a predetermined error.
また、請求項4に記載の発明は、上記した請求項1から3の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記アレーアンテナから離れた場所にあり、かつ既知の位置に設置され、かつ所定の形式で変調された電波を送信する1つあるいは複数の較正用基準局を備え、上記到来方向特定手段は、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅や位相が時間とともに変動する場合、アレーアンテナで受信した較正用基準局からの受信信号に所定の信号処理を施すことにより、各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅と位相の変動影響分を求め、その変動影響分で較正することにより、上記位置の不明な電波源から送信された電波の到来方向を所定の誤差以内で特定する、ことを特徴としている。 In addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 3, the invention described in claim 4 is located away from the array antenna and installed at a known position, and One or a plurality of calibration reference stations that transmit radio waves modulated in a predetermined format are provided, and the arrival direction specifying means includes a position of each antenna element constituting the array antenna and a receiving circuit connected to each antenna element. When the amplitude and phase of the antenna fluctuate with time, by performing predetermined signal processing on the received signal from the calibration reference station received by the array antenna, the position of each antenna element and the inside of the receiving circuit connected to each antenna element By calculating the influence of fluctuation in amplitude and phase, and calibrating with the fluctuation influence, the direction of arrival of radio waves transmitted from radio sources with unknown positions is within a specified error. Identifying, it is characterized by.
また、請求項5に記載の発明は、上記した請求項1から4の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記到来方向特定手段は高々度プラットフォームに設けられ、到来方向特定手段で得られた電波到来方向の情報だけを地上局に送信する、ことを特徴としている。 Further, in the invention described in claim 5, in addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 4, the arrival direction specifying means is provided in the platform at most and is obtained by the arrival direction specifying means. It is characterized in that only information on the direction of arrival of radio waves is transmitted to the ground station.
さらに、請求項6に記載の発明は、上記した請求項1から4の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記到来方向特定手段は地上局に設けられ、高々度プラットフォームのアレーアンテナからは受信信号が多重化して地上局に送信され、地上局の到来方向特定手段は、多重化された受信信号を分離した後、電波到来方向の特定を行う、ことを特徴としている。 Further, in the invention described in claim 6, in addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 4, the arrival direction specifying means is provided in the ground station, and from the array antenna of the platform at most The received signal is multiplexed and transmitted to the ground station, and the arrival direction specifying means of the ground station separates the multiplexed received signal and then specifies the arrival direction of the radio wave.
請求項7に記載の発明は、上記した請求項1から6の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記高々度プラットフォームの位置が時間とともに変化する場合、上記到来方向特定手段は高々度プラットフォームが複数の異なる既知の位置にある場合のそれぞれにおいて電波到来方向特定を行い、その各電波到来方向を用いて、電波源の3次元的な位置を高精度に求める、ことを特徴としている。 In the invention according to claim 7, in addition to the configuration of the invention according to any one of claims 1 to 6, when the position of the altitude platform changes with time, the direction-of-arrival specifying means includes the altitude platform. The radio wave arrival direction is specified in each of a plurality of different known positions, and the three-dimensional position of the radio wave source is obtained with high accuracy using each radio wave arrival direction.
請求項8に記載の発明は、上記した請求項1から6の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記高々度プラットフォームが2機以上で互いに異なる既知の位置にある場合、上記到来方向特定手段は、その高々度プラットフォームの各々が特定した電波到来方向を用いて、電波源の3次元的な位置をより高精度に求める、ことを特徴としている。 According to an eighth aspect of the invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to sixth aspects, the direction-of-arrival determination is performed when the high-altitude platform is at two or more known positions different from each other. The means is characterized in that the three-dimensional position of the radio wave source is obtained with higher accuracy by using the radio wave arrival direction specified by each of the altitude platforms.
また請求項9に記載の発明は、上記した請求項1から8の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記高々度プラットフォームは、有人または無人操縦の固定翼航空機、ヘリコプター、気球、飛行船、および人工衛星の何れかである、ことを特徴としている。 Further, in the invention described in claim 9, in addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 8, the altitude platform includes a manned or unmanned fixed-wing aircraft, helicopter, balloon, airship, And any one of artificial satellites.
この発明の請求項1,2では、位置の不明な電波源からの電波の到来方向を特定する場合に、その電波を高々度プラットフォームに設けたアレーアンテナで受信するようにしたので、電波源位置を特定できる精度を広範囲にわたり高くすることができる。また、形状の変化しない固い基準板や歪み量測定用のセンサが不要となり、簡単な構成で電波の到来方向を特定することができる。 In the first and second aspects of the present invention, when the direction of arrival of a radio wave from a radio source with an unknown position is specified, the radio wave is received at most by an array antenna provided on the platform. The accuracy that can be specified can be increased over a wide range. In addition, a rigid reference plate that does not change its shape and a sensor for measuring the amount of distortion are not required, and the direction of arrival of radio waves can be specified with a simple configuration.
また、この発明の請求項3では、アレーアンテナの各アンテナ素子を、高々度プラットフォームの設置可能な場所の中の可能な限り広い範囲にわたって直線状、曲線状、平面状あるいは曲面状に設置してアレーアンテナの開口面を広くとるようにしたので、電波の到来方向を所定の誤差以内で1次元的あるいは2次元的に高い精度で特定することができる。 According to the third aspect of the present invention, each antenna element of the array antenna is installed in a linear shape, a curved shape, a planar shape, or a curved shape over a wide range as much as possible in a place where the platform can be installed at most. Since the antenna has a wide aperture, the direction of arrival of radio waves can be specified with high accuracy in one or two dimensions within a predetermined error.
また、高々度プラットフォームに搭載したアレーアンテナの各アンテナ素子間の距離は波長に比べて十分長くとれるため、アンテナ素子間の相互結合の影響をほとんど考慮する必要がない。 In addition, since the distance between the antenna elements of the array antenna mounted on the platform is sufficiently long compared to the wavelength, there is almost no need to consider the influence of mutual coupling between the antenna elements.
この発明の請求項4では、較正用基準局からの電波を受信して各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅と位相の変動影響分を求め、その変動影響分で電波到来方向を較正するようにしたので、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の位置の誤差を補正することができ、また各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相の誤差の補正を少数の既知電波源(較正用基準局)で行うことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the radio wave from the calibration reference station is received to determine the position of each antenna element and the fluctuation effect of the amplitude and phase in the receiving circuit connected to each antenna element. Since the direction of arrival of radio waves is calibrated, it is possible to correct the position error of each antenna element that constitutes the array antenna, and to correct the error in the amplitude and phase inside the circuit connected to each antenna element. Can be performed by a known radio wave source (calibration reference station).
また高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子の位置を厳密に固定しなくても、高い精度で位置不明の電波源(目標電波源)の方向を特定することができる。 In addition, the direction of the radio wave source (target radio wave source) whose position is unknown can be specified with high accuracy without strictly fixing the position of each antenna element of the array antenna installed on the platform.
また、高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子の位置が時間的に変動し、それが未知であっても、十分な演算速度があれば、高い精度かつ実時間で目標電波源の方向を特定することができる。 In addition, even if the position of each antenna element of the array antenna installed on the platform fluctuates in time and is unknown, if the calculation speed is sufficient, the direction of the target radio wave source can be achieved with high accuracy and in real time. Can be specified.
また高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの配列方法がどんな配列であっても、また、それが未知であっても、高い精度で目標電波源の方向を特定することができる。 In addition, the direction of the target radio wave source can be specified with high accuracy regardless of the arrangement method of the array antennas installed on the platform at a high level or unknown.
さらに高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相に未知のばらつきがあり、かつそれらが時間的に変化する場合であっても、十分な演算速度があれば、高い精度かつ実時間で目標電波源の方向を特定することができる。 Furthermore, even if there are unknown variations in the amplitude and phase inside the circuit connected to each antenna element of the array antenna installed on the platform, and even if they change over time, there should be sufficient calculation speed. Thus, the direction of the target radio wave source can be specified with high accuracy and real time.
また位置の既知な較正用基準局のうちの適当な少なくとも1つの局の送信信号に対して電波到来方向特定を行って相対測位手法を適用すれば、高々度プラットフォームの位置や姿勢の情報に誤差があっても、その誤差の影響を相殺し、目標電波源の方向を特定することができる。 In addition, if the relative positioning method is applied to the transmission signal of the appropriate at least one of the calibration reference stations whose positions are known and the relative positioning method is applied, there is an error in the platform position and attitude information at most. However, the influence of the error can be offset and the direction of the target radio wave source can be specified.
この発明の請求項5では、到来方向特定手段を高々度プラットフォームに設け、電波到来方向の情報だけを地上局に送信するようにしたので、高々度プラットフォームからのフィーダリンクのデータ量を低減でき、かつ地上局のハードウェア構成を簡略化することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, since the arrival direction specifying means is provided in the platform at most, and only the information on the direction of arrival of the radio wave is transmitted to the ground station, the amount of feeder link data from the platform can be reduced, and the ground The hardware configuration of the station can be simplified.
この発明の請求項6では、到来方向特定手段を地上局に設け、高々度プラットフォームのアレーアンテナからは受信信号を多重化して地上局に送信するようにしたので、高々度プラットフォームに搭載するシステムを軽量化かつ単純化することができ、また複雑なシステムとなる信号処理装置が地上に設置されるためメンテナンスを容易に行うことができるようになる。 According to the sixth aspect of the present invention, the arrival direction specifying means is provided in the ground station, and the received signals are multiplexed and transmitted to the ground station from the array antenna of the altitude platform, so that the system mounted on the altitude platform is reduced in weight. In addition, since the signal processing apparatus that is a complicated system can be installed on the ground, maintenance can be easily performed.
この発明の請求項7では、高々度プラットフォームの位置を時間とともに変化させ、それぞれの位置において電波到来方向特定を行い、その各電波到来方向を用いて、目標電波源の位置を求めるようにしたので、目標電波源の位置を3次元的に特定することができる。また目標電波源の位置をある1ヶ所に停留する1機の高々度プラットフォームにより特定する場合よりも高精度に特定することができる。さらにその場合、必要な高々度プラットフォームの数は1機ですますことができる。 In claim 7 of the present invention, the position of the platform is changed with time, the arrival direction of the radio wave is specified at each position, and the position of the target radio wave source is obtained by using the arrival direction of each radio wave. The position of the target radio wave source can be specified three-dimensionally. Further, it is possible to specify the target radio wave source with higher accuracy than in the case where the target radio wave source is specified by one high-level platform that stops at a certain place. Furthermore, in that case, the number of altitude platforms required can be increased by one.
この発明の請求項8では、高々度プラットフォームが2機以上で互いに異なる既知の位置にある場合、その高々度プラットフォームの各々が特定した電波到来方向を用いて、目標電波源の位置を求めるようにしたので、目標電波源の位置を3次元的に特定することができる。また目標電波源の位置をある1ヶ所に停留する1機の高々度プラットフォームにより特定する場合よりも高精度に特定することができる。さらにその場合、高々度プラットフォームは移動している必要はない。 According to claim 8 of the present invention, when two or more high-altitude platforms are in different known positions, the position of the target radio wave source is obtained using the radio wave arrival direction specified by each of the high-altitude platforms. The position of the target radio wave source can be specified three-dimensionally. Further, it is possible to specify the target radio wave source with higher accuracy than in the case where the target radio wave source is specified by one high-level platform that stops at a certain place. Furthermore, in that case, the platform need not be moving at all.
この発明の請求項9では、高々度プラットフォームとして、有人または無人操縦の固定翼航空機、ヘリコプター、気球、飛行船、および人工衛星の何れかを用いるようにしたので、ある所定の範囲にある高度の低い電波源の位置を高い精度で緊急に特定する必要がある場合には、有人操縦の航空機、ヘリコプターあるいは気球を用いることができる。またある所定の範囲にある低い高度から高い高度までの電波源の位置を高い精度で天候に左右されずに長時間連続して特定する必要がある場合には、高々度に旋回あるいは停留することが可能な無人操縦の航空機あるいは飛行船を用いることができる。さらに、地球規模にわたる広い範囲にある低い高度から高々度までの電波源の位置を、上記の航空機や飛行船等からの位置特定ほどの精度は不要だが、従来の人工衛星による電波源位置特定よりは高い精度が連続して必要な場合、人工衛星のできるだけ広い領域、たとえば、太陽電池パネル上などにアレーアンテナを設置することにより、電波源の位置特定システムを構築することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, any one of a manned or unmanned fixed-wing aircraft, helicopter, balloon, airship, and artificial satellite is used as the altitude platform. If the source location needs to be urgently identified with high accuracy, a manned aircraft, helicopter or balloon can be used. In addition, when it is necessary to specify the position of the radio wave source from a low altitude to a high altitude within a certain range continuously for a long time without being influenced by the weather, it is possible to turn or stop at a high degree. Possible unmanned aircraft or airships can be used. Furthermore, the position of radio sources from low altitudes to high altitudes in a wide range on a global scale is not required to be as accurate as the location from the above-mentioned aircraft or airship, but it is higher than the location of radio sources by conventional satellites. When accuracy is required continuously, a radio wave source localization system can be constructed by installing an array antenna over the widest possible area of an artificial satellite, such as a solar cell panel.
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に示す実施例1は、本発明に係る高々度プラットフォームによる電波到来方向特定システムの構成を示す図である。本発明の構成は、地上、航空機、船舶などの位置の不明な場所にある電波源10と、高々度を飛行あるいは停留する高々度プラットフォーム11と、高々度プラットフォーム11の所定の範囲に設置された受信用アレーアンテナ12と、を有している。高々度プラットフォーム11としては、有人操縦あるいは無人操縦の固定翼航空機、ヘリコプター、気球、飛行船あるいは人工衛星などを用いることができる。
Example 1 shown in FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a radio wave arrival direction identifying system using a high-altitude platform according to the present invention. The configuration of the present invention includes a
本実施例1では、受信用アレーアンテナ12は電波源10の発信する所定の周波数範囲にある任意の形式の電波を受信し、その受信信号から得られる振幅および位相の情報に、所定の信号処理を施すことにより、位置の不明な電波源10から発せられる電波の高々度プラットフォーム11からみた到来方向を所定の誤差以内で特定する機能をもつ。なお、高々度プラットフォーム11自身の位置や姿勢は、GPSやジャイロなど別の手段により既知であることを前提としている。上記所定の信号処理としては、例えば、MUSIC法などすでに公知のスーパーレゾリューション法が適用できる。
In the first embodiment, the receiving
このように、位置の不明な電波源(目標電波源)からの電波の到来方向を特定する場合に、その電波を高々度プラットフォームに設けたアレーアンテナで受信するようにしたので、電波源位置を特定できる範囲を広範囲なものとすることができる。 In this way, when specifying the direction of arrival of a radio wave from a radio source of unknown position (target radio source), the radio wave is received at most by the array antenna provided on the platform, so the radio source position is specified. The possible range can be wide.
図2は実施例1において高々度プラットフォームとして、大型飛行船と無人操縦ソーラープレーンを用いた場合のアレーアンテナの設置方法の例を示した図である。図2(a)が大型飛行船の場合で、その左側は正面図、右側は側面図である。図2(b)がソーラープレーンの場合で、主翼の正面視を示している。 FIG. 2 is a diagram showing an example of an array antenna installation method when a large airship and an unmanned maneuvering solar plane are used as a high-altitude platform in the first embodiment. FIG. 2A is a case of a large airship, the left side is a front view and the right side is a side view. FIG. 2B is a solar plane, and shows a front view of the main wing.
大型飛行船の場合は、飛行船20の本体外皮表面にアンテナ素子21および22を分散して設置し、アレーアンテナを構成する。飛行船は通常長軸方向だけでなく短軸方向にも、広くアンテナ素子の配置範囲が確保できるため、例えば図2にあるようにアンテナ素子21,22を十字状に配置すれば、目標電波源の方向を2次元特定する機能を備えることとなる。
In the case of a large airship,
また、無人操縦ソーラープレーンの場合は、主翼23の表面にアンテナ素子24を分散して配置し、アレーアンテナを構成する。いずれの場合も、高々度プラットフォームは十分な浮力あるいは揚力を高々度で得るために大型の機体となることが多いため、これを積極的に利用し、機体上のアンテナ素子が設置可能な場所の中の可能な限り広い範囲にわたって必要十分な数だけ、高々度プラットフォームの形状に合わせて直線状、曲線状、平面状、あるいは曲面状にアンテナ素子を配置し、アレーアンテナの開口面を広くとることにより、高い精度で電波の到来方向を1次元あるいは2次元的に特定することができる。
In the case of an unmanned solar plane,
アンテナ素子の配置方法としては、電波到来方向の不確定性が生じないように、不等間隔で配列することにより、必要なアンテナ素子の数を減らすことができる。 As an arrangement method of the antenna elements, the number of necessary antenna elements can be reduced by arranging them at unequal intervals so that the uncertainty of the arrival direction of radio waves does not occur.
なお、通常アレーアンテナには各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅および位相、ならびにアンテナ素子の位置の変位のほか、アンテナ素子間の相互結合の影響があり、これら全ての未知パラメータを較正しなければ、電波到来方向の推定精度は劣化する。しかし、本実施例においては、可能な限り高い分解能を得るため、高々度プラットフォーム上の広い領域にわたって、半波長以上の間隔をおいてアンテナ素子を配列する場合を想定しているため、アンテナ素子間の相互結合の影響はほぼ無視できるという特徴をもっており、相互結合の較正は不要となる。 In addition, the normal array antenna is affected by the amplitude and phase inside the circuit connected to each antenna element, the displacement of the position of the antenna element, and the mutual coupling between the antenna elements. All these unknown parameters are calibrated. If not, the estimation accuracy of the direction of arrival of radio waves deteriorates. However, in this embodiment, in order to obtain the highest possible resolution, it is assumed that the antenna elements are arranged at intervals of a half wavelength or more over a wide area on the platform, The effect of mutual coupling is almost negligible, and calibration of mutual coupling is unnecessary.
図3は、実施例1における高々度プラットフォーム上のアンテナ素子に未知の位置変位が生じ、かつアンテナ素子に接続される回路内部にも未知の位相変位が生じた場合の較正方法を示すための各パラメータを示した図である。本較正方法は、高々度プラットフォーム上に設置されたアンテナ素子30が30’の位置に変位し、この位置変位ベクトルが未知の場合、地上のあらかじめ既知の位置に分散して設置した4つの較正用基準局31,32,33,34が送信する較正信号を上記アンテナ素子30,30’で受信することにより、任意方向から信号が到来すると仮定した場合の受信位相変位を計算し、これを全アンテナ素子で計算して各アンテナ素子ごとに未知の位置変位と位相変位をともなう高々度プラットフォーム上のアレーアンテナの任意方向のステアリングベクトルを求めることにより、アレーアンテナを較正する。
FIG. 3 shows parameters for illustrating a calibration method in the case where an unknown position displacement occurs in the antenna element on the platform in Example 1 and an unknown phase displacement also occurs in the circuit connected to the antenna element. FIG. In the present calibration method, when the
なお、ここでステアリングベクトルとは、電波の到来方向あるいはアレーアンテナのビーム方向をアレーアンテナの各アンテナ素子間の位相差を用いて表現したアンテナ素子数分の要素からなるベクトルのことをいう。 Here, the steering vector means a vector composed of elements corresponding to the number of antenna elements in which the arrival direction of radio waves or the beam direction of the array antenna is expressed by using a phase difference between the antenna elements of the array antenna.
以下、図3に基づいて、アレーアンテナを構成する1つのアンテナ素子に着目し、これが未知の位置変位と位相変位をともなう場合において、任意方向から信号が到来した場合の受信位相変位を計算する式を導出する。 In the following, based on FIG. 3, attention is paid to one antenna element constituting the array antenna, and when this is accompanied by an unknown position displacement and phase displacement, an expression for calculating a received phase displacement when a signal comes from an arbitrary direction Is derived.
最初に図3に示された各パラメータを定義する。アンテナ素子30が30’の位置に変位した場合の位置変位ベクトルをベクトルd、アンテナ素子に接続された受信回路内部の位相変位をφとし、これらの量はともに未知であるとする。次に、アンテナ素子30からみた4つの較正用基準局31,32,33,34の各方向の単位ベクトルをそれぞれ、単位ベクトルe1、e2、e3、e4とおく。また、探知目標電波源の方向を推定するためのステアリングベクトル走査における角度パラメータをθとし、任意の方位角度θの方向35の単位ベクトルをeθとおく。なお角度θの走査方向は任意でよいが、アレーアンテナの最も大きい開口の方向とすることにより、θに関しては高い分解能で目標電波源の方向を推定できる。図3では、任意の方向36の極座標表示のための角度パラメータとして、37で示す方向をθとし、それと直交する38で示す方向をψとしている。また同時に、アレーアンテナの最も大きい開口の方向をx軸、真下に向かう鉛直方向をy軸、x軸とy軸に直交する方向をz軸とおくものとする。このとき、上記各単位ベクトルe1、e2、e3、e4はそれぞれx成分、y成分、z成分を用いて次式で表される。
また、未知パラメータであるアンテナ素子30から30’への位置変位ベクトルdについては、
さらに、位置変位ベクトルdに関する各単位ベクトルe1、e2、e3、e4およびeθの方向への射影ベクトルをそれぞれ、ベクトルδ1、δ2、δ3、δ4およびδθとおき、その大きさをそれぞれ位相変位で表現し、これをδ1、δ2、δ3、δ4およびδθとおく。なお、アンテナ素子の受信信号を検波することにより実際に観測される位相変位は、上記δ1、δ2、δ3、δ4およびδθに、どの方向から入射した信号に対しても共通に寄与する回路内部の位相変位φを加えたものとなり、これを以下のように表現するものとする。
ここで、高々度プラットフォーム上のアンテナ開口長に比較してアンテナから目標電波源までの距離が十分大きい場合、アンテナ素子位置の変位によるアンテナ素子からみた目標電波源の方向の変位はほぼ無視できるほど十分小さいため、数1のパラメータのうち、4つの較正用基準局と高々度プラットフォームの相対的位置関係が常に既知であるとすれば、これらの較正用基準局にかかわるパラメータであるベクトルe1、e2、e3、e4の値は全て既知としておくことができ、また、δ’1、δ’2、δ’3およびδ’4はアンテナ素子での各較正用基準局が送信する較正信号の受信位相変位をそれぞれ測定して知ることができる。 Here, when the distance from the antenna to the target radio wave source is sufficiently large compared to the antenna aperture length on the platform, the displacement in the direction of the target radio wave source viewed from the antenna element due to the displacement of the antenna element position is sufficiently negligible Since the relative positional relationship between the four calibration reference stations and the altitude platform is always known among the parameters of Equation 1, the vectors e1, e2, e3, e4, which are parameters related to these calibration reference stations, are always known. The values of can all be known, and δ'1, δ'2, δ'3 and δ'4 respectively measure the received phase displacement of the calibration signal transmitted by each calibration reference station at the antenna element. Can know.
次に、これら既知のパラメータから、ベクトルdおよびφが未知であるという条件のもとで、δθとφの和δ’θ=δθ+φを求める式を導出する。はじめに、δ1〜δ4およびδθはそれぞれベクトルdの単位ベクトルe1〜e4およびeθ方向への射影だから、次式がなりたつ。
数8を用いて数6を書き換えると次式が得られる。
また数7は次式で与えられる。
したがって、数9と数10よりδ’θを求めるための次式が得られる。
すなわち、異なる既知の場所に設置された少なくとも4つの較正用基準局の信号を高々度プラットフォーム上の各アンテナ素子で受信し、それらの受信位相を測定すれば、数12を用いて受信回路内部の位相変位とアンテナ素子の位置変位による位相変位も含めた任意方向θの位相変位δ’θを求めることができる。
That is, if signals of at least four calibration reference stations installed at different known locations are received at most by each antenna element on the platform and their reception phases are measured, the phase displacement inside the receiving circuit is calculated using
なお、各アンテナ素子で受信した信号の中から、ある1つの較正用基準局の信号を選択し、その位相と振幅を測定するには、特許第3096733号「アレーアンテナのビーム形成方法」に記載してある方法と同様な以下の公知の方法を用いることができる。 In order to select the signal of one calibration reference station from the signals received by each antenna element and measure the phase and amplitude, it is described in Japanese Patent No. 3096733 “Beam-forming method of array antenna”. The following known methods similar to the existing methods can be used.
各較正用基準局より互いに異なる既知の較正用データ系列をそれぞれ変調して送信することとし、高々度プラットフォーム上において選択するi番目(i=1, 2, 3, …)の較正用基準局が送信するある所定のサンプル数nの複素データ系列をri(n)とおき、少なくとも4つの較正用基準局すべての送信する信号を高々度プラットフォーム上で同時に受信し、これをベースバンドまで検波した信号からサンプル数nだけ抽出した複素系列をs(n)とおく。なお、検波のおける局部発信信号の位相は全てのアンテナ素子で完全に同期しているものとする。このとき、受信系列s(n)からi番目の較正用基準局から送信された信号のみを選択してその位相変位δi’と振幅aiを求めるには、受信複素系列s(n)と既知のデータ系列ri(n)の間で以下の複素相関演算を行う。
以上述べた数12〜数14の演算を全てのアンテナ素子の受信信号と全ての較正用基準局からの較正用データ系列ならびにアレーアンテナからみた全ての方向に対して行うことにより、アレーアンテナからみた任意の各方向のステアリングベクトルが計算され、ステアリングベクトルの方向を走査するスーパーレゾリューション法による角度検出が可能となる。ステアリングベクトルを走査して電波到来方向を特定するスーパーレゾリューション法としては、すでに公知のMUSIC法などが知られている。この場合、アンテナ素子数をm、第k番目(1≦k≦m)のアンテナ素子に関して数12〜数14により計算されるθ方向に対応した位相変位をδθ’(k)、数14により計算される任意のi番目の較正用基準局から計算される第k番目のアンテナ素子での受信信号振幅をai(k)とすれば、θ方向に対応したステアリングベクトルAθは次式で計算される。
上記較正用基準局から送信される較正用データは所定の周期で繰り返し送信し、上記演算を繰り返し実行することにより、アンテナ素子の位置変位、ならびに回路内部の位相変位、振幅が動的に変化する場合でも、十分な演算速度があれば実時間でステアリングベクトルを求めることができる。 When the calibration data transmitted from the calibration reference station is repeatedly transmitted at a predetermined cycle, and the position displacement of the antenna element, the phase displacement inside the circuit, and the amplitude change dynamically by repeatedly executing the above calculation. However, if there is a sufficient calculation speed, the steering vector can be obtained in real time.
次にシミュレーションにより上記実施例1の性能例を示す。 Next, performance examples of the first embodiment will be shown by simulation.
図4はシミュレーションのためのモデルを示す図である。以下にこのモデルを説明する。高度20kmの上空に高々度プラットフォームが停留していると仮定し、プラットフォームの表面にアレーアンテナ40のアンテナ素子が開口径70mにわたって曲線状に不等間隔配列されていると想定する。各アンテナ素子はたて、よこ方向にランダムな位置変位をしており、かつ各アンテナ素子に接続された回路内部にもランダムな位相変位があるものとする。ただし、各回路内部の振幅変位はここではないものとする。地上にはアレーアンテナを較正するため既知の位置に較正用基準局41ないし43が3局設置されているとし、2つの探知目標電波源44が地上の近接した位置にあって、900MHz帯の同一周波数で任意波形の電波を発信しているものとする。なお、2つの電波源のプラットフォームからみた角度差は0.03度であるとする。この角度差は距離にすると約10mに相当する。なお、シミュレーションでは、単純化するためにアレーアンテナの各アンテナ素子、3つの較正用基準局、ならびに2つの探知目標電波源は全て、同一平面状に存在すると仮定する。この場合、アンテナ素子位置変位が通常の3次元から2次元になるため、未知変数が1つ減るため、較正用基準局の数は3つあれば十分となる。シミュレーションモデルの主な諸元を表1に示す。
図5はシミュレーションの結果を示す図である。図5(a)は、アンテナ素子の位置や回路内部の位相の変位に対する較正を行わないで、MUSIC法を適用し、MUSICスペクトルを求めた結果である。2つの目標電波源の方向、すなわち、10.00度と10.03度の方向に全くピークが現れておらず、電波源の方向が測定不能であることがわかる。一方、図5(b)は、較正用基準局の信号を用いて較正を行い、MUSICスペクトルを求めた結果であり、2つの目標電波源の方向にそれぞれピークが現れ、各方向が正確に特定できているとともに、それら2つの方向がはっきりと分解できていることがわかる。 FIG. 5 is a diagram showing the results of simulation. FIG. 5A shows the result of obtaining the MUSIC spectrum by applying the MUSIC method without performing calibration with respect to the position of the antenna element or the phase shift in the circuit. It can be seen that no peaks appear in the directions of the two target radio wave sources, that is, the directions of 10.000 degrees and 10.03 degrees, and the radio wave source direction cannot be measured. On the other hand, FIG. 5 (b) shows the result of calibration using the signal from the calibration reference station, and the MUSIC spectrum is obtained. Peaks appear in the directions of the two target radio sources, and each direction can be accurately identified. It can be seen that these two directions are clearly disassembled.
なお、シミュレーションは上記のように平面上のモデルを用いたため、較正用基準局は3つで十分であったが、3次元空間の場合には、もう1つ較正用基準局を加えることでアレーアンテナの較正ができる。 Since the simulation uses a model on a plane as described above, three calibration reference stations are sufficient. However, in the case of a three-dimensional space, adding another calibration reference station allows the array antenna to be Can be calibrated.
また、シミュレーションではアレーアンテナの各アンテナ素子に接続される回路内部の振幅変位はないものとしたが、これがランダムに存在する場合でも数13および数14の手段によりこれを較正し、目標電波源の方向を精度よく特定することができる。 In the simulation, there is no amplitude displacement inside the circuit connected to each antenna element of the array antenna. However, even if this is present at random, this is calibrated by means of Equations 13 and 14, and the target radio wave source The direction can be specified with high accuracy.
上記ステアリングベクトルの走査により目標電波源の方向を求める手段は、4つの較正用基準局のうちの適当な少なくとも1つの局の送信信号に対しても同時に適用し、目標電波源の方向を既知の位置にあるその較正用基準局の方向からの相対座標として求めるすでに公知の相対測位手法を適用すれば、高々度プラットフォームの位置や姿勢の情報に誤差があっても、その誤差の影響を相殺し、目標電波源の方向を特定できる。 The means for determining the direction of the target radio wave source by scanning the steering vector is simultaneously applied to the transmission signal of at least one of the four calibration reference stations, and the direction of the target radio wave source is known. If the already known relative positioning method, which is obtained as relative coordinates from the direction of the calibration reference station in Fig. 1, is applied, even if there is an error in the platform position and orientation information, the influence of the error is offset and the target radio wave The direction of the source can be specified.
このように、較正用基準局からの電波を受信して各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅と位相の変動影響分を求め、その変動影響分で電波到来方向を較正するようにしたので、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の位置の誤差を補正することができ、また各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相の誤差の補正を少数の既知電波源(較正用基準局)で行うことができる。 In this way, by receiving the radio wave from the calibration reference station, the position of each antenna element and the influence of fluctuation of the amplitude and phase inside the receiving circuit connected to each antenna element are obtained, and the direction of arrival of the radio wave is determined by the fluctuation influence. Since the calibration is performed, the position error of each antenna element constituting the array antenna can be corrected, and the correction of the amplitude and phase error in the circuit connected to each antenna element can be corrected with a small number of known radio wave sources. (Calibration reference station).
また高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子の位置を厳密に固定しなくても、高い精度で位置不明の電波源(目標電波源)の方向を特定することができる。 In addition, the direction of the radio wave source (target radio wave source) whose position is unknown can be specified with high accuracy without strictly fixing the position of each antenna element of the array antenna installed on the platform.
また、高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子の位置が時間的に変動し、それが未知であっても、十分な演算速度があれば、高い精度かつ実時間で目標電波源の方向を特定することができる。 In addition, even if the position of each antenna element of the array antenna installed on the platform fluctuates in time and is unknown, if the calculation speed is sufficient, the direction of the target radio wave source can be achieved with high accuracy and in real time. Can be specified.
また高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの配列方法がどんな配列であっても、また、それが未知であっても、高い精度で目標電波源の方向を特定することができる。 In addition, the direction of the target radio wave source can be specified with high accuracy regardless of the arrangement method of the array antennas installed on the platform at a high level or unknown.
さらに高々度プラットフォーム上に設置するアレーアンテナの各アンテナ素子に接続された回路内部の振幅と位相に未知のばらつきがあり、かつそれらが時間的に変化する場合であっても、十分な演算速度があれば、高い精度かつ実時間で目標電波源の方向を特定することができる。 Furthermore, even if there are unknown variations in the amplitude and phase inside the circuit connected to each antenna element of the array antenna installed on the platform, and even if they change over time, there should be sufficient calculation speed. Thus, the direction of the target radio wave source can be specified with high accuracy and real time.
上記したアレーアンテナのステアリングベクトルは、最も開口径の大きい方向に沿って走査するのと同時に他の方向に沿って走査することにより、目標電波源の方向を2次元的に求めることができる。当然、アレーアンテナの開口面が2次元的な広がりがあり、複数の方向で大きな開口径がとれる場合には、目標電波源の方向の2次元特定精度が上昇する。 The above-described steering vector of the array antenna scans along the direction with the largest aperture diameter and simultaneously scans along the other direction, so that the direction of the target radio wave source can be obtained two-dimensionally. Naturally, when the aperture surface of the array antenna is two-dimensionally expanded and a large aperture diameter can be obtained in a plurality of directions, the two-dimensional identification accuracy in the direction of the target radio wave source is increased.
図6は、高々度プラットフォーム上のアレーアンテナの開口が1次元的な広がりしかもたない場合に地上の目標電波源の方向を2次元的に所定の誤差の範囲内で特定する手段を示している。この手段は高々度プラットフォームに設置されたアレーアンテナ60と、地上の未知の場所にある目標電波源61と、から構成される。アレーアンテナ60の最も大きな開口が得られる方向62に沿って63で示されるステアリングベクトルの走査を行うことによりMUSIC法で得られる目標電波源の方向がθ1±Δθ1の範囲内であるとする。ただし、Δθ1は方向特定誤差である。このとき、目標電波源の地上における位置は、ある帯状の領域64に含まれこととなり、これだけでは目標電波源の位置を1つの場所に特定することができない。次に方向62から水平方向にある所定の角度γだけ回転させた別の方向65に沿って66で示されるステアリングベクトルの走査を行うことによりMUSIC法で得られる目標電波源の方向がθ2±Δθ2の範囲内であるとする。このとき、目標電波源の地上における位置は、ある別の帯状の領域67に含まれることとなる。したがって、上記2つの異なる方向でのステアリングベクトルの走査を行うことにより、目標電波源の方向は2つの帯状の領域64および67の交わる領域68の方向に存在することが特定される。
FIG. 6 shows means for specifying the direction of the target radio wave source on the ground within a predetermined error range two-dimensionally when the aperture of the array antenna on the platform is only one-dimensionally widened. This means is composed of an
このようにアレーアンテナのステアリングベクトルを、最も開口径の大きい方向に沿って走査するのと同時に他の方向に沿って走査することにより、2次元的に広がりのあるアレーアンテナを用いた場合だけでなく、1次元的な広がりしかもたないアレーアンテナを用いた場合においても目標電波源の方向を2次元的に求めることができる。 In this way, the array antenna steering vector is scanned along the direction having the largest aperture diameter, and at the same time along the other direction, so that only when the array antenna having a two-dimensional spread is used. In addition, the direction of the target radio wave source can be obtained two-dimensionally even when an array antenna having only one-dimensional expansion is used.
以上、本実施例1により、高々度プラットフォームに設置されるアレーアンテナの各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅や位相が時間とともにそれぞれ任意の変動する場合においても、上記各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅と位相の変動の影響を同時に除去あるいは軽減し、精度の高い電波到来方向特定ができる。また、基本的にアンテナ素子の位置変位の影響を考慮した計算方法を含んでいるため、アンテナ素子の配列方法は任意でよく、等間隔配列、不等間隔配列、曲面上の配列、十字型配列、円形配列など、どんな配列にも適用でき、かつ各アンテナ素子の位置はあらかじめ正確に把握しておく必要はない。 As described above, according to the first embodiment, even when the position of each antenna element of the array antenna installed on the platform and the amplitude and phase inside the receiving circuit connected to each antenna element fluctuate arbitrarily with time, the above-mentioned The position of each antenna element and the influence of fluctuations in amplitude and phase inside the receiving circuit connected to each antenna element can be simultaneously removed or reduced, and the radio wave arrival direction can be specified with high accuracy. In addition, since a calculation method that basically considers the influence of the position displacement of the antenna element is included, the arrangement method of the antenna element may be arbitrary, such as an equidistant arrangement, an unequal arrangement, an arrangement on a curved surface, a cross arrangement It can be applied to any arrangement such as a circular arrangement, and the position of each antenna element does not need to be accurately grasped in advance.
図7に示す実施例2は、高々度プラットフォーム上の搭載センサーシステムから地上の基地局への信号伝送方法の一例を示す図である。本実施例は、高々度プラットフォーム70に設置されたアレーアンテナ71と、アレーアンテナの各アンテナ素子における受信信号をプラットフォーム70上でそれぞれサンプリングしてデジタル化するA/Dコンバータ72と、それぞれデジタル化された信号をデジタル信号処理してアレーアンテナの較正ならびに目標電波源79の方向を計算するプラットフォーム70上のデジタル信号処理装置73と、計算された目標電波源の方向データを多重化ならびに所定の無線周波数に変調するプラットフォーム70上の多重化・送信装置74と、変調された信号を地上に向けて送信するプラットフォーム70上の送信アンテナ75と、送信された信号を地上で受信するための地上に設置された受信アンテナ76と、受信された信号を復調して各目標電波源の方向データをそれぞれ分離・復元して方向特定結果を得る地上に設置された受信・分離装置77と、から構成される。
Example 2 shown in FIG. 7 is a diagram showing an example of a signal transmission method from the on-board sensor system on the platform to the ground base station. In the present embodiment, an
本実施例2では、高々度プラットフォーム70上のアレーアンテナ71の各アンテナ素子で受信される信号をプラットフォーム上でそれぞれAD変換し、アレーアンテナの較正および電波到来方向を求める演算を行い、求められた目標電波源の方向データのみを多重化かつ無線信号に変調して地上の受信局に送信することにより、高々度プラットフォームに搭載する機器の重量が増え、かつ複雑化するものの、プラットフォームと地上の間の無線データ回線は、多くの帯域を必要とせず、地上設備も簡単なものですむという特徴がある。
In the second embodiment, signals received by the antenna elements of the
図8に示す実施例3は、高々度プラットフォーム上の搭載センサーシステムから地上の基地局へ信号伝送方法のもう1つの例を示している。本実施例は、高々度プラットフォーム80に設置されたアレーアンテナ81と、アレーアンテナの各アンテナ素子における受信信号をプラットフォーム80上でそれぞれサンプリングしてデジタル化するA/Dコンバータ82と、デジタル化された各アンテナ素子の受信信号をそのまま多重化して地上に向けて送信する多重化・送信装置84と、多重化された信号を地上に向けて送信するプラットフォーム80上の送信アンテナ85と、送信された信号を地上で受信するための地上に設置された受信アンテナ86と、受信された信号を分離してプラットフォーム80上の各アンテナ素子による受信信号を地上において復元する受信・分離装置87と、分離・復元された信号を用いてアレーアンテナの較正および電波到来方向を求める演算を行い目標電波源の方向特定結果を得るデジタル信号処理装置83と、で構成される。
Example 3 shown in FIG. 8 shows another example of a signal transmission method from the on-board sensor system on the platform to the base station on the ground. This embodiment includes an
本実施例3では、高々度プラットフォーム上ではアレーアンテナの較正や電波到来方向を求める演算を行わず、各アンテナ素子の受信信号をAD変換したデジタル信号をそのまま多重化して地上に送り、地上においてアレーアンテナの較正や電波到来方向を求める演算を行うことにより、プラットフォーム搭載機器が単純化し重量が軽減されるという特徴がある。また、プラットフォームから地上への無線データ回線に全てのアンテナ素子の受信信号を多重化して伝送するのに必要な帯域が要求され、かつ地上での装置が複雑化・大規模化するものの、地上にあるためにそのメンテナンスが容易になるという特徴がある。なお、本実施例では、プラットフォームから地上への多重化信号の伝送においては、プラットフォーム上の各アンテナ素子での受信信号の振幅と位相の情報が正確に保存される必要がある。プラットフォーム上での各アンテナ素子の受信信号の多重化の方法としては、各アンテナ素子の受信信号をサンプルしたデジタル信号を並列/直列変換するなどの方法が使用できる。 In the third embodiment, the calibration of the array antenna and the calculation for determining the arrival direction of the radio wave are not performed on the platform, and the digital signal obtained by AD-converting the reception signal of each antenna element is directly multiplexed and sent to the ground. It is characterized by simplifying the platform-equipped device and reducing the weight by performing the calibration of the signal and calculating the direction of arrival of the radio wave. In addition, although the bandwidth required to multiplex and transmit the received signals of all antenna elements to the wireless data line from the platform to the ground is required, and the ground equipment becomes complicated and large-scale, Therefore, the maintenance is easy. In this embodiment, in transmitting a multiplexed signal from the platform to the ground, it is necessary to accurately store the amplitude and phase information of the received signal at each antenna element on the platform. As a method of multiplexing the reception signal of each antenna element on the platform, a method such as parallel / serial conversion of a digital signal obtained by sampling the reception signal of each antenna element can be used.
図9に示す実施例4は、高々度プラットフォームがある所定の範囲を旋回飛行して時間とともに位置を変える場合、その位置の変化を利用して目標電波源の位置を高度方向も含めて3次元的に特定する手段を示している。本実施例は、アレーアンテナを搭載した1機の高々度プラットフォームが順に位置P1から位置P4まで時間とともに移動しながら、同時にそれぞれの位置P1,P2,P3,P4において目標電波源92の方向を順に911から914に示すように所定の誤差の範囲で特定し、それぞれのプラットフォームの位置情報と、それぞれの目標電波源の方向の特定結果とから、目標電波源が存在する位置の範囲93を計算して求める手段を与える。
In the fourth embodiment shown in FIG. 9, when the platform flies around a certain range at high altitude and changes its position with time, the position of the target radio wave source including the altitude direction is three-dimensionally utilized by changing the position. The means to specify is shown. In this embodiment, one altitude platform equipped with an array antenna moves sequentially from position P1 to position P4 with time, and at the same time, the direction of the target
ある1ヶ所の高々度プラットフォーム上のアレーアンテナのみでは目標電波源のプラットフォームから見た方向が特定できるだけで、3次元上の位置を特定することはできず、あらかじめ目標電波源の高さが別の手段により既知の場合のみ、3次元上の位置を特定できるが、この実施例4では、プラットフォームの移動を利用して複数の位置から目標電波源の方向を特定することにより、目標電波源の高さがあらかじめ未知でもその3次元上の位置をある所定の誤差の範囲内で特定できるという特徴を備える。 Only the array antenna on one high altitude platform can only determine the direction of the target radio source as viewed from the platform, it cannot identify the position in three dimensions, and the target radio source height is another means in advance. However, in the fourth embodiment, the height of the target radio wave source can be determined by specifying the direction of the target radio wave source from a plurality of positions using the movement of the platform. Even if it is unknown in advance, the three-dimensional position can be specified within a predetermined error range.
また、上記1機の移動する高々度プラットフォームの代わりに、あらかじめ少なくとも2機の高々度プラットフォームがあり、それらのプラットフォームで目標電波源の送信電波が受信できれば、これらを用いても同様に目標電波源の位置を3次元的に特定することができる。この場合、上記1機のプラットフォームが移動する場合よりも迅速な位置特定が可能となるとともに、プラットフォームが必ずしも移動せずに、それぞれ所定の位置に停留していてもよいという特徴を備えている。 Also, instead of the one high-altitude platform that moves, there are at least two high-altitude platforms in advance, and if these platforms can receive the transmission radio waves of the target radio wave source, the position of the target radio wave source can be similarly used using these platforms. Can be specified three-dimensionally. In this case, it is possible to specify the position more quickly than when the one platform moves, and the platform may not be necessarily moved but may be stopped at a predetermined position.
10,44,61,79,92 電波源
11,70,80 高々度プラットフォーム
12,40,60,71,81 アレーアンテナ
20 飛行船
21,22,24,30,30’ アンテナ素子
23 主翼
31,32,33,34 較正用基準局
35,36,62,65 方向
41,42,43 較正用基準局
44 電波源
60 アレーアンテナ
61 電波源
64,67,68 領域
72,82 A/Dコンバータ
73,83 デジタル信号処理装置
74,84 多重化・送信装置
75,85 送信アンテナ
76,86 受信アンテナ
77,87 受信・分離装置
93 範囲
911,912,913,914 方向
P1,P2,P3,P4 高々度プラットフォームの位置
10, 44, 61, 79, 92
Claims (9)
高々度を飛行あるいは停留する高々度プラットフォームと、
上記高々度プラットフォームに設置され、位置の不明な電波源から送信された、所定の周波数範囲にある任意の形式の電波を受信しその受信信号を出力するアレーアンテナと、
上記アレーアンテナの受信信号から取得した振幅および位相の情報に対して所定の信号処理を施し、上記位置の不明な電波源から送信された電波の到来方向を所定の誤差以内で特定する到来方向特定手段と、
を備えることを特徴とする電波到来方向特定システム。 In the radio wave arrival direction identification system that identifies the arrival direction of radio waves,
An altitude platform to fly or park at altitude,
An array antenna that is installed on the above-mentioned high altitude platform, receives radio waves of an arbitrary format within a predetermined frequency range, and is transmitted from a radio source of unknown position, and outputs the received signal;
Direction-of-arrival specification that performs predetermined signal processing on the amplitude and phase information acquired from the received signal of the array antenna, and specifies the direction of arrival of radio waves transmitted from radio sources of unknown position within a predetermined error Means,
A radio wave arrival direction identifying system comprising:
上記到来方向特定手段は、広い開口面のアレーアンテナからの受信信号に基づいて、電波の到来方向を所定の誤差以内で1次元的あるいは2次元的に特定する、請求項1または2に記載の電波到来方向特定システム。 Each antenna element of the above array antenna is linear, curved, planar, or curved according to the shape of the high-altitude platform in a necessary and sufficient number over the widest possible range where the high-level platform can be installed. Installed in a wide area of the array antenna,
The arrival direction specifying means specifies the arrival direction of a radio wave one-dimensionally or two-dimensionally within a predetermined error based on a received signal from an array antenna having a wide aperture surface. Radio wave arrival direction identification system.
上記到来方向特定手段は、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅や位相が時間とともに変動する場合、アレーアンテナで受信した較正用基準局からの受信信号に所定の信号処理を施すことにより、各アンテナ素子の位置および各アンテナ素子に接続された受信回路内部の振幅と位相の変動影響分を求め、その変動影響分で較正することにより、上記位置の不明な電波源から送信された電波の到来方向を所定の誤差以内で特定する、請求項1から3の何れかに記載の電波到来方向特定システム。 One or more calibration reference stations that are located away from the array antenna, are installed at known positions, and transmit radio waves modulated in a predetermined format;
When the position of each antenna element constituting the array antenna and the amplitude or phase inside the receiving circuit connected to each antenna element fluctuate with time, the direction-of-arrival specifying means receives from the calibration reference station received by the array antenna. By applying predetermined signal processing to the signal, the position of each antenna element and the amplitude and phase fluctuation effects in the receiving circuit connected to each antenna element are obtained and calibrated with the fluctuation influence parts to The radio wave arrival direction specifying system according to any one of claims 1 to 3, wherein an arrival direction of a radio wave transmitted from an unknown radio wave source is specified within a predetermined error.
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