JP2002504228A - 高度と速度の検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 地表面に向けてビームを送信して、地表面衝突して反射されたビームから情報を受信するるためのアンテナを具備した航空機の高度・速度測定システム。この情報を用いて高度が算出される。この高度情報とゲーティング機構に基づいて、速度が求められる。

Description

【発明の詳細な説明】 高度と速度の検出システム 発明の背景 航空機の着陸、特に無人航空機の着陸においては、航空機の高度と共に航空機 が飛行している速度を知ることが重要である。従来、高度を測定するには高度計 が用いられ、また速度を測定するための速度計は周知である。高度計及び速度計 は、高度と速度を測定するための情報を送受信するアンテナに接続される。 高度計では、アンテナは地上に向けて高周波（ＲＦ）信号を送出する。アンテ ナパターンは地上にレーダー照射スポットを生じさせる。信号が地上で反射して 戻って来ると、一定の計算で高度（Ｈ）を求めることができる。高度アンテナは 、航空機のロール運動時に高度ベクトル（地上に対して直角である）を追跡でき るように、一般に広角ビームアンテナである。これに対して、速度計はＸＹＺ速 度を測定するのに複数のアンテナを使用する。高度計と同様に、これらの各アン テナはある角度をなして下方にＲＦ信号を送出するが、そのリターン信号周波数 は、速度に比例するドップラー周波数の偏移分だけ送信周波数との間に差が生じ る。計算を行うことによって、この周波数差から速度が求まる。より高い精度を 得るためには、地上のできるだけ小さいレーダー照射スポットから情報が収集さ れるように、アンテナは狭角ビームアンテナであることが望ましい。 小さいアンテナはビームが大きいので、かなり低い周波数で動作する速度計に とってより小さいビームを得るための唯一可能な方法は、より大きいアンテナを 使うことであろう。これは、コスト増を招き、占有スペースや重量が増加すると いう点で、問題が生じる。重量の増加は、航空機に不当に大きな荷重を付加する ことになるので、重大な問題であろう。従って、航空機の高度及び速度の計算の ために正確な情報が得られる小さいアンテナを使用したシステムを持つことは益 するところが大であろう。さらに、速度計と高度計を結合していっそうコスト、 スペース及び重量を減らすことも同じく有益であろう。 発明の要約 航空機が着陸態勢に入ろうとしているとき、その高度及び速度を測定するため のシステムが開示される。このシステムは、地上に向けてビームを送出する小さ なアンテナを具備し、地表面に衝突したビームの反射時に受け取られた情報によ って高度を決定するものである。この高度情報とサンプリング機構に基づいて、 比較的大きいアンテナや高い動作周波数に頼ることなく速度も測定することがで きる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の高度と速度の検出システムのブロック図である。 図２は、航空機が、その高度及び速度を決定するのに地表面に向けて４本のビ ームを送出して情報を収集する様子を示す説明図である。 図３は、地表面に向けて送出されたビームからどのようなタイミングで情報が 収集されるかに関するタイミングシーケンスを示すタイムチャートである。 図４は、水平飛行におけるレーダー地表照射パターンを示す説明図である。 図５は、激しいロールあるいはピッチ時のレーダー地表照射パターンを示す説 明図である。 発明の詳細な説明 本発明は、航空機の着陸を支援するための高度と速度の検出システムにある。 本発明の装置は、航空機の高度及び速度の両方を測定することができるように高 度計に接続されたドップラー・プロセッサを有するレーダー高度計を具備する。 図１に本発明のシステムのブロック図を示す。図示システムの構成要素につい ては、以下システムの基本動作との関連で説明する。増幅器やフィルタのような 基本的要素については、詳細な説明を省略するが、処理のために明瞭な信号を得 るのにフィルタや増幅器が必要なことは理解されよう。 以下垂直アンテナ４と称する１本の垂直広角ビームアンテナは、航空機のビー ムを真下に向けて放射する。地上で反射した信号が受信されると、信号が送信さ れた瞬間からその反射信号が受信された瞬間までの時間に基づく計算によって航 空機の高度を求めることができる。 以下第１の傾斜アンテナ、第２の傾斜アンテナ及び第３の傾斜アンテナと称す る３本のアンテナ６は、互いに等間隔を隔てて配置されている。合計４本のアン テナが使用されるのは、ＸＹＺ速度の測定には最低３本のアンテナが必要であり 、もう１本のアンテナはバックアップ用として使用されるためである。各傾斜ア ンテナ６は、ビームを所望の角度に指向させる。この実施形態の場合、この角度 は垂直またはアンテナ４によって生じる高度ベクトルに対して４０度である。ア ンテナ６は全て同じ角度に設定される。この４０度の角度は、後で説明するよう に、相当な大きさのロールあるいはピッチを許容するように選択されている。し かしながら、この角度は、他の角度、例えば４０度プラス／マイナス１０度の範 囲内の変数値であってもよい。この範囲を越えると、アンテナ６によって受信さ れる情報が着陸時の航空機の揺れのために不正確になることがある。 図２は、航空機から地表面に向けて４本のビームを放射している様子を示す。 図から明らかなように、１本の垂直ビームと、この垂直中心ビームから４０度の 角度で３本の傾斜ビームが放射される。発明の背景の項で説明したように、より 正確な測定結果を得るためにはビームをより小さくする方が有利である。垂直ア ンテナ４が地表面からの反射信号を受信すると同時に、その信号はいくつかの構 成要素を通って高度プロセッサ２０に達する。後でより詳細に説明するゲート１ ０を除き、フィルタや増幅器のような他の構成要素の大部分は、高度プロセッサ ２０及び速度プロセッサ３０がビームから得られる情報を処理するための明らか な信号を得るために使用されるものであり、詳細な説明は省略する。 高度プロセッサ２０は、高度リターン信号をサンプリングし、処理して、高度 がＨであると決定する。速度の測定に関しては、高度プロセッサ２０は、垂直ビ ームに対する傾斜ビームの角度をθとして、速度「サンプル」は信号送出後（Ｈ ／ｃｏｓθ）で表される傾斜距離で生じるはずであると判断する。上に述べたよ うに、この実施形態では一例として４０度の角度を用いたが、上記の範囲内で任 意の角度を用いることが可能である。 ゲート１０は、アンテナ４と６からプロセッサ２０及び３０への地上からのレ ーダーリターン信号の通過を制御する。タイミング制御回路２２は、情報をいつ プロセッサ２０及び３０に通過させるかに関してゲート１０を制御する。従って 、プロセッサ２０によってＨ／ｃｏｓ４０がゲート１０をセットするのに適切な 傾斜距離であると決定されると、タイミング制御回路２２はこの値をゲート１０ に送り、ゲート１０は、地上からのリターン信号を速度が求まるようにアンテナ ６からプロセッサ３０へゲート動作によって通過させる。速度サンプルは、高度 がサンプリングされ、処理された後に取られる。 図４は、４本のアンテナ４及び６のビームによって地上照射スポットが形成さ れる様子を示す。この図は水平飛行の場合を表したものである。中心の円形スポ ットは垂直アンテナ４からのビームによって生じる。３つの楕円形スポットは傾 斜アンテナ６からのビームによって形成される。前に述べたように、リターン信 号をゲーティングするに際しては、精度を確保するためにリターン信号の狭い部 分だけが処理されるようにすることが重要である。このゲーティング技術は、破 線間の陰影を付した領域によって示されている。垂直アンテナ４については、ゲ ート領域はスポットの中心部であるが、傾斜アンテナ６については、ゲート領域 は楕円形スポットを横断する領域になっている。 前述したように、航空機は何度も激しいピッチやロールに遭遇する。このシス テムは、このような状況下でも卓抜した精度が確保される。図５は、やはり４本 のアンテナ４及び６によって生じる４本のビームの地上照射スポットを示したも のである。この図５には、スポットに対する極度のピッチ及びロールの影響が示 されている。しかしながら、本願で開示するシステムは、ピッチやロールの影響 から独立したゲーティング技術を提供するものである。図５から明らかなように 、このゲーティング技術によって照射スポットは依然として中心アンテナビーム 内で垂直な位置、及び傾斜アンテナのビーム内で垂直から４０度の位置に適切に 保たれ、その結果、このようなロールやピッチ状況下においても、処理すること によって高度と速度を決定するための正しい情報が得られる。 最初の高度サンプリング及び処理期間と最初の傾斜距離測定期間の後、システ ムは第２の傾斜アンテナによる測定に進む前に、再度高度測定値を得る動作に戻 る。上述のように、システムは、各速度測定期間後、次の速度ビームのサンプリ ングに移る前に、必ず基準のための新しい高度の測定に戻る。この関係は図３に 示されている。 図３に示すように、垂直アンテナ４からの高度リターン信号、第１の傾斜アン テナ６からの速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、第２の傾斜アンテナ６ からの速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、第３の傾斜アンテナ６からの 速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、垂直アンテナ４からの速度信号の順 にゲーティングとサンプリングのシーケンス動作が行われ、その後このシーケン スが垂直アンテナ４からの高度信号のサンプリングとゲーティングから始まって 自動的に繰り返される。このゲーティングがどのようにしてビームに作用を及ぼ すかについては、例えば傾斜アンテナの地上照射スポットが楕円形であること、 及びゲート１０がリターン信号の小さい制御された部分のみを処理のために通過 させることが想像される。これに関しては、例えば図４及び５を参照のこと。 図３には、高度のサンプリングと処理時間が２５ミリ秒であり、４つの各速度 ベクトルについてのサンプリングと処理時間はそれぞれ５０ミリ秒であることが 示されている。高度のサンプル時間として２５ミリ秒が選択されたのは、これで 高度プロセッサ２０にとって十分な整定時間が得られるためである。また、５０ ミリ秒が速度サンプリング時間として選択されたのは、航空機の最高着陸速度に おいて適切な速度分解能を得るのに十分な数のサンプルを取り込むのに必要な時 間量であるためである。これらの時間値は、大まかに言うと、サンプリングに必 要な時間量であるが、これらの時間に限定されるものではない。より高い分解能 、あるいは着陸速度がより大きい場合は、相応にこれらの時間を増減することが できる。 全ての速度リターン信号がサンプリングされ、ドップラー・プロセッサ３０が 高速フーリエ変換器３５によって処理されたならば、その情報は高速フーリエ変 換器３５によって得られた個々のビームの周波数スペクトルからＸＹＺ速度を求 めるために速度プロセッサ４０へ送られる。スペクトル分析アルゴリズムはこの 技術分野においては周知であり、これ以上詳細な説明は省略する。このゲーティ ング技術によって、航空機の速度を正確に測定するのに必要なアンテナビームの 地上照射スポットの境界をより正確に決めるためのシステムが考案された。小さ なアンテナと比較的低い周波数を用いることによって、この技術は、コスト、ス ペース及び重量の節減に役立つ。 以上、本発明を、高度計及びドップラー・プロセッサを使用する実施形態の概 略ブロック図に基づいて説明した。上に述べたように、この実施形態に代えて他 の高度及び速度測定手段を用いた実施形態も可能であり、それらの実施形態も本 発明の真の精神及び範囲に包括されるものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年６月４日（１９９９．６．４） 【補正内容】 補正明細書 発明の背景 航空機の着陸、特に無人航空機の着陸においては、航空機の高度と共に航空機 が飛行している速度を知ることが重要である。従来、高度を測定するには高度計 が用いられ、また速度を測定するための速度計は周知である。高度計及び速度計 は、高度と速度を測定するための情報を送受信するアンテナに接続される。 高度計では、アンテナは地上に向けて高周波（ＲＦ）信号を送出する。アンテ ナパターンは地上にレーダー照射スポットを生じさせる。信号が地上で反射して 戻って来ると、一定の計算で高度（Ｈ）を求めることができる。高度アンテナは 、航空機のロール運動時に高度ベクトル（地上に対して直角である）を追跡をす ることができるように、一般に広角ビームアンテナである。これに対して、速度 計はＸＹＺ速度を測定するのに複数のアンテナを使用する。高度計と同様に、こ れらの各アンテナはある角度をなして下方にＲＦ信号を送出するが、そのリター ン信号周波数は、速度に比例するドップラー周波数偏移分だけ送信周波数との間 に差が生じる。計算を行うことによって、この周波数差から速度が求まる。米国 特許第４，０６９，４６８号に、ドップラー周波数測定及び一群のドップラー信 号のサンプルを得るためのシステムが記載されている。 より高い精度を得るためには、地上のできるだけ小さいレーダー照射スポット から情報が収集されるように、アンテナは狭角ビームアンテナであることが望ま しい。小さいアンテナはビームが大きいので、かなり低い周波数で動作する速度 計にとってより小さいビームを得るための唯一可能な方法は、より大きいアンテ ナを使うことであろう。これは、コスト増を招き、占有スペースや重量が増加す るという点で、問題が生じる。重量の増加は、航空機に不当に大きな荷重を付加 することになるので、重大な問題であろう。従って、航空機の高度及び速度の計 算のために正確な情報が得られる小さいアンテナを使用したシステムを持つこと は益するところが大であろう。さらに、速度計と高度計を結合していっそうコス ト、スペース及び重量を減らすことも同じく有益であろう。 補正請求の範囲 １．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて； レーダー高度計と； 前記レーダー高度計から情報を抽出して、速度を測定するのに情報を収集す る時間を計算する手段と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ２．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて： 垂直アンテナと； 複数の傾斜アンテナと； 前記航空機の速度及び高度を求めるためのプロセッサと； システムがより正確かつ効率的になるように、前記垂直アンテナ及び前記傾 斜アンテナからプロセッサへ通過させる情報を制御するゲート装置と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ３．上記ゲート装置が、上記プロセッサへの情報の通過を制御することを特徴と する請求項２記載のシステム。 ４．上記高度を測定するために使用される情報が、上記ゲート装置が航空機の速 度を計算するのに必要な情報を通過させる時点を決定するために使用されること を特徴とする請求項３記載のシステム。 ５．上記複数のアンテナの１つが、航空機の高度を測定するときに情報を送受信 するために使用されることを特徴とする請求項２記載のシステム。 ６．上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際に 情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項２記載のシステム。 ７．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて： 地表面に向けて信号を送出すると共に、そのリターン信号を受信する複数の アンテナと； 前記アンテナがいつ信号を送出するか及び前記アンテナがいつ信号を受信す るかを指示する前記アンテナに接続されたスイッチと； 一時に１つだけアンテナを作動させるための起動手段と； 前記起動手段に接続されていて、ある時点で動作するよう前記１つのアンテ ナを選択するタイミング制御手段と； 前記アンテナからの情報に基づいて高度及び速度を求めるためのプロセッサ と； 上記タイミング制御回路手段に接続されていて、送信される情報が正確かつ 効率的であるように前記プロセッサに送られる情報を制御するゲート手段と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ８．上記ゲート手段が、高度に関する情報のプロセッサへの移動を２５ミリ秒間 だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載のシステム。 ９．上記ゲート手段が、速度に関する情報の上記プロセッサへの移動を５０ミリ 秒間だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １０．上記複数のアンテナの中の１つが、航空機の高度を測定する際に情報を送 受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １１．上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際 に情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載の検出シス テム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて； 高度検出装置と； 前記高度検出装置から情報を抽出して、速度を測定するのに情報を収集する 時間を計算するための手段と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ２．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて： 複数のアンテナと； 前記航空機の速度及び高度を求めるためのプロセッサと； システムがより正確かつ効率的になるように、アンテナからプロセッサへ通 過させる情報を制御するためのゲート装置と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ３．上記ゲート装置が、上記プロセッサへの情報の通過を制御することを特徴と する請求項２記載の高度と速度の検出システム。 ４．上記高度を測定するために使用される情報が、上記ゲート装置が航空機の速 度を計算するのに必要な情報の通過を可能にする時点を決定するために使用され ることを特徴とする請求項３記載の高度と速度の検出システム。 ５．上記複数のアンテナの１つが、航空機の高度を測定する際に情報を送受信す るために使用されることを特徴とする請求項２記載の高度と速度の検出システム 。 ６．上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際に 情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項２記載の高度・速度 システム。 ７．航空機用の高度と速度の検出システムにおいて： 地表面に向けて信号を送出すると共に、そのリターン信号を受信する複数の アンテナと； 前記アンテナがいつ信号を送出するか及び前記アンテナがいつ信号を受信す るかを指示する前記アンテナに接続されたスイッチと； 一時に１つだけアンテナを作動させるための起動手段と； 前記起動手段に接続されていて、ある時点で動作するよう前記１つのアンテ ナを選択するためのタイミング制御手段と； 前記アンテナからの情報に基づいて高度及び速度を求めるためのプロセッサ と； 上記タイミング制御回路手段に接続されていて、送信される情報が正確かつ 効率的であるように前記プロセッサに送られる情報を制御するためのゲート手段 と； を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。 ８．上記ゲート手段が、高度に関する情報の上記プロセッサへの移動を２５ミリ 秒間だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載の高度・速度検出のシステム 。 ９．上記ゲート手段が、速度に関する情報の上記プロセッサへの移動を５０ミリ 秒間だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載の高度と速度の検出システム 。 １０．上記複数のアンテナの中の１つが、航空機の高度を測定する際に情報を送 受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １１．上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際 に情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載の高度・速 度検出システム。