JP2004529345A

JP2004529345A - 電波パルス列ナビゲーションシステム

Info

Publication number: JP2004529345A
Application number: JP2002582022A
Authority: JP
Inventors: ポール，ジョハネセン
Original assignee: メガパルス・インコーポレーテッド
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2004-09-24
Also published as: WO2002084320A2; CA2443210A1; EP1446680A2; AU2002251411A1; US6452547B1; KR20040016851A; CN1502046A; WO2002084320A3

Abstract

ロランＣ無線周波数パルスナビゲーション送信器及びそれに類するものに加えられる通信のためのディジタルビットデータレートポテンシャルを、システムの完全性及びナビゲーション能力に影響を与えることなく、高めるための方法及び装置である。この方法及び装置には、ナビゲーションのタイミングのために使用される初期部分に続く各パルスの部分中において、パルス搬送周波数に関して、クリティカルな下限と上限の間でパルス搬送周波数を周波数掃引する手段が含まれる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はナビゲーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロランＣ(Loran-C)や他の電波パルス列ナビゲーションシステムは、一般に、ロランＣパルスの位相変調の前に、通信メッセージの適切な符号化と符号化された信号の論理乗算及び反転を伴う、パルス位置変調（PPM）によって、ディジタル通信メッセージを送受信するように機能するよう設計されている。このことは、例えば、本願と譲受人が同じである、Megapulse社の米国特許第4,800,391号及び第4,821,038号に記載されている。ロランＣの１００ＫＨｚ搬送周波数（キャリヤ周波数）システムでは、そのような変調により、７０bpsのディジタルビットレートが可能である。
【０００３】
かかるPPMの現在の例は、８パルス群の最後の６パルスを使用して７ビットワードを生成するユーロフィックス・システム（Eurofix System）である。ロランデータのビットレート能力を高めるために、パルス数を３００ppsから５００ppsに増加させたり（Supernumerary Loran（過剰ロラン）と呼ばれることもある）、システムパルスに対して３レベルのイントラパルス周波数変調（Intrapulse Frequency Modulation:IFM）を用いるといった手法が議論されている。
【０００４】
しかしながら、現在の局（ステーション）の設備を用いて、ロランＣシステムのナビゲーション能力の完全性に影響を与えることなく、ビットレートを２５０bps以上に上げることが実際に可能であるならば、特に、ワールドワイドな既存のロランＣ送信局にとっては、非常に望ましいことである。
【０００５】
本発明は、現在（及び将来）のロランＣ（及び類似の）送信器に容易に実装可能な、画期的発見である斬新な変調方式を提供するものである。本発明では、新しいタイプの周波数変調がロランＣ被送信パルスに加えられる。
【特許文献１】
米国特許第4,800,391号明細書
【特許文献２】
米国特許第4,821,038号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の主な目的は、ロランＣ電波（無線）ナビゲーション伝送及びそれに類するものによって追加的に伝搬されるメッセージ通信用のディジタルビットレートポテンシャルを、主要な電波（無線）ナビゲーション能力に影響を与えることなく、拡張するための新規かつ改良された方法及び装置を提供することである。
【０００７】
他の目的は、現在の世界中に広がったロランＣ（及びそれに類するものの）伝送設備を簡単に変更可能な電子回路を用いてそのような目的を達成することである。
【０００８】
他の及び更なる目的については、以下で説明及び図示するが、特許請求の範囲にも示されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の重要な観点の１つから要約すれば、本発明は、ロランＣ及びそれに類似の無線周波数ナビゲーションシステム送信器パルス列に加えられる通信のためのディジタルビットレートポテンシャル（またはビットレート能力）を、システムのナビゲーション能力及び完全性（保全性）に影響を与えることなく拡張する方法を含む。この方法は、所定の搬送周波数に中心を有する無線周波数パルスを生成するステップと、そのパルスをアンテナから送信して、ユーザが、ナビゲーションのタイミング及び位置決めのために、送信された各パルスの初期部分を受信して使用することができるようにするステップと、送信された各パルスの残りの部分中（部分が継続している間）に、生成された搬送周波数を逆向きに掃引するステップであって、続く各パルスの更なる部分中（部分が継続している間）に、最初に搬送周波数の下側または上側、次に搬送周波数の上側または下側というように、搬送周波数の反対側にある所定の下限と上限の周波数限界の間の所定の帯域内で、逆方向に掃引するステップと、さらに、この掃引中に、各パルスについて、下限の周波数限界より下のパルスエネルギーと上限の周波数限界より上のパルスエネルギーをほぼ同じに維持するステップと、この掃引によって実施される周波数変調を用いて通信ビット（communication bit）を提供するステップとを含む。
【００１０】
本発明を実施するための好適かつ最良の態様の実装及び設計について、以下に詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
添付図面を参照して本発明を以下に説明する。先ず、本発明と対比させるために、また、本発明を好適なロランＣ用途に適用したものを示すために、既存の電波（無線）パルス列ソリッドステート送信器について言及する。図１は、いわゆる結合回路網内の並列同調回路C_C−Ｌ_Ｃをインパルスチャージすることによって、図３のロランＣパルスを生成する典型的なソリッドステートロランＣ送信器（SSX）の簡略化した回路図である。結合回路網は、直列接続されたインダクタンス（コイル）Ｌ_ＡとキャパシタンスＣ_Ａ及び並列接続された負荷抵抗Ｒによって表される送信アンテナに接続されている。結合回路網とアンテナはいずれも、通常、上記の１００ｋＨｚ基本ロランＣ搬送周波数に同調されている。インパルス送信器は、結合回路網をチャージ（充電）し、結合回路網は、次に、アンテナにエネルギーを伝達する。これにより、図２に示すアンテナ電流波形エンベロープ（包絡線）が得られる。「テールバイター無し」と表示されている実線の曲線で表される波形の右の方に示すような、生成されたパルスの後部の振動を回避するために、図１に示す抵抗Ｒ_Ｔが直列に接続された固体スイッチ（またはソリッドステートスイッチ）Ｓ_Ｔからなる「テールバイター」回路が、結合回路網に並列に接続されている。結合回路網の電圧がゼロのときにスイッチＳ_Ｔが閉じ、図２の「タールバイター有り」と表示されている破線で示す、指数関数的に減少する所望のアンテナ電流パルスが生成され、上記特許及びその特許の中で参照されている引用文献に記載されているように、図３及び図４のＡに示すロランＣ無線周波数（ｒｆ）電流パルスが生成される。
【００１２】
周知のことであるが、ロランＣナビゲーションシステムは、ｒｆパルスの第１の３サイクルを用いて、位置決定（position fixingまたは地点標定）のために到着時間を決定する。したがって、上記特許に記載されているように、通信変調を加えることによって、位相または周波数におけるこれらのサイクルを妨害してはならない。しかしながら、周波数変調の段階は、パルス開始から（またはパルス中において）３０μ秒以降に開始しうる。アンテナの通常状態における被同調１００ｋＨｚ共振周波数を変化させると、これに対応して、アンテナ電流の無線周波数（または高周波数）が変化する。しかしながら、ロランＣナビゲーションシステムの仕様では、ロランＣのｒｆパルスのスペクトルが、約９０〜１１０ｋＨｚの所定の周波数帯域にあること、さらに、９０ｋＨｚ（下限）より下と１１０ｋＨｚ（上限）より上の両方におけるエネルギーが、全パルスエネルギーの０．５％よりも小さいことが要求される。
【００１３】
図４のＢに示すように、±２．５ｋＨｚの周波数変調により、時間１６０μ秒において位相シフトが生じ、図４のＣに示すように、＋９０°または−９０°のパルスが生成される。
【００１４】
この変調を実現するために、本発明は、図５の略図に示す高速、高効率の固体スイッチ（またはソリッドステートスイッチ）Ｓ１〜Ｓ４を使用する。これらのスイッチは、コンデンサＣ_Ｓ１、Ｃ_Ｓ２、インダクタＬ_Ｓ３、Ｌ_Ｓ４（これらは全てアンテナに直列接続されている）の両端に接続されている。図４に関して前述したように、パルスは３つのインターバルに分割される。インターバル１では、パルス周波数は１００ｋＨｚである。インターバル２では、パルス周波数は９７．５ｋＨｚまたは１０２．５ｋＨｚである。インターバル３では、パルス周波数は１０２．５ｋＨｚまたは９７．５ｋＨｚである。インターバル３の終わりの直前では、パルス周波数は再び１００ｋＨｚである。パルスは、ゼロ状態、正（プラス）状態、負（マイナス）状態として指定される３つの状態を有する。ゼロ状態では、テールバイタースイッチＳ_Ｔ以外の全てのスイッチが開く。テールバイタースイッチＳ_Ｔは、パルス開始から７０μ秒の時間で閉じ、次のパルスの開始前に開く。正状態では、スイッチの位置は以下の表１のとおりである。
【００１５】
【表１】
【００１６】
負状態では、スイッチの位置は以下の表２のとおりである。
【００１７】
【表２】
【００１８】
高パワーレベルでは、固体スイッチを閉じるのは簡単であるが、開くのは難しい。上述したスイッチング方式では、スイッチを閉じるのは全て、高パワーレベルで行われるが、スイッチを開くのは、低パワーレベル、すなわち、パルスの終わりの部分で行われる。
【００１９】
図４の周波数変調がパルス波形及びスペクトルに及ぼす影響を図６乃至図９示す。正の９０°の位相シフトの影響が図６及び図７に示されている。図７の実線は変調されたパルスのスペクトルであり、点線は変調されていないパルスのスペクトルである。図７からわかるように、変調されたパルスがわずかに広がっているだけであり、したがって、元の帯域からのずれが１％というスペクトル要件を満たす。負の９０°の位相シフトの影響を図８及び図９に示す。この場合も、スペクトルは、帯域からのずれの要件を満たす。
【００２０】
したがって、本発明は、例えば、送信器出力とアンテナとの間にインダクタンスを導入し、及び、送信器出力とアンテナとの間にあるインダクタンスを除去して、上述した重要な（またはクリティカルな）制限内において、１００ｋＨｚから９７．５ｋＨｚに向けて周波数をシフトさせ、次に、１０２．５ｋＨｚに向かって掃引し、その後、１００ｋＨｚに戻るように掃引するが、この場合、本発明は、各パルスの周波数スペクトルの中心を１００ｋＨｚの近くに維持し、かつ、１００ｋＨｚより下及び上でエネルギーを等しくする。この周波数変調は、上記特許に記載されているように通信ビットとして機能することができる。
【００２１】
したがって、本発明のこの技術を用いて、現在及び将来の形態のロランＣパルスナビゲーション送信器（及び、他のパルス列通信システム及びそれに類するもの）のディジタルデータビットレート通信変調ポテンシャルを高めることが、送信器や通信システムの完全性及びナビゲーション能力の整合性になんらかの影響を与えることなく、実質的に可能である。この変調方式は、前述したように、ロランＣナビゲーション動作のナビゲーション能力に影響を与えることなく、ロランＣ信号に対して２５０bpsを超えるビットレートを可能にすることがわかっている。
【００２２】
当業者は、さらに他の変更形態を想起するであろうが、それらの変更には、上記の要件及び仕様の範囲内における周波数シフトの異なる値（もっとも、ロランＣの動作に対しては、例示した周波数値のオーダー程度であるが）が含まれる。また、上述したように、本発明のアプローチは、他のタイプのナビゲーション及びパルス列通信システムＣにも有益であるが、そのようなものも、特許請求の範囲に規定された本発明の思想及び範囲内に入るべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】AN/FPN/64という名でMegapulse社によって販売されているタイプのような、現在のソリッドステートロランＣ送信器（SSX）の簡略化した回路図である。
【図２】「tailbiter（テールバイター）」回路を使用した場合と、使用しない場合について、図１の送信器内のアンテナ電流のエンベロープを例示した波形図である。
【図３】「tailbiter（テールバイター）」を具備した図１の回路によって生成される実際のアンテナ電流の波形図である。
【図４】Ａは、図３のアンテナ電流ロランＣパルス波形であり、Ｂ、Ｃはそれぞれ、本発明の斬新な方式の根底にある新規な周波数変調、及び、それと同時に行われる（または協働する）位相変調を示しており、これらのタイミング関係を合わせて示している。
【図５】図４のＢ及びＣに示された動作を達成するために、本発明の好適な送信器回路の実施を示す略回路図である。
【図６】変調されていないロランＣパルスと、−９０°の位相変調を生じる周波数変調されたロランＣパルスの複合波形を示す。
【図７】変調されたスペクトルを実線で、変調されていないスペクトルを破線で示す、図６の波形の複合スペクトルを示す。
【図８】変調されていないロランＣパルスと、＋９０°の位相変調を生じる周波数変調されたロランＣパルスの複合波形を示す。
【図９】図８の波形の複合スペクトルを示す。

Claims

ロランＣ及びこれに類似の無線周波数ナビゲーションシステムの送信器パルス列に加えられる通信のためのディジタルビットレートポテンシャルを、システムの完全性及びナビゲーション能力に影響を与えることなく、高めるための方法であって、
所定の搬送周波数を中心とする無線周波数パルスを生成するステップと、
前記無線周波数パルスをアンテナから送信して、ユーザが、ナビゲーションのタイミング及び位置決めのために、送信された各パルスの初期部分を受信して使用することができるようにするステップと、
送信された各パルスの残りの部分中に、生成された搬送周波数を逆方向に掃引するステップであって、各パルスの後続する更なる部分中に、前記搬送周波数の反対側にある所定の低い方の周波数の限界と高い方の周波数の限界の間の所定の帯域内で、先ず前記搬送周波数より下または上、次に、前記搬送周波数の上または下というように逆方向に掃引する、ステップと、
前記掃引中に、各パルスについて、パルスのエネルギーを前記低い方の周波数の限界より下と前記高い方の周波数の限界より上とでほぼ同じに維持するとともに、各パルスについて、周波数スペクトルの中心を前記搬送周波数に維持するステップと、
前記掃引によって実施される周波数変調を使用して、通信ビットを提供するステップ
を含む、方法。
各パルス中における前記周波数掃引が、周波数が高くなること、または、周波数が低くなることに対応して、送信器パルス生成部とアンテナとの間の位置にあるインダクタンスを変化させることとキャパシンタンスを変化させることとの一方または両方によって実施される、請求項１の方法。
前記低い方の周波数が、１００ｋＨｚで生成され、前記所定の帯域が、９７．５ｋＨｚ〜１０２．５ｋＨｚにおいて確立され、９０ｋＨｚより下、及び、１１０ｋＨｚより上の両方におけるエネルギーが、全パルスエネルギーの０．５％よりも小さくなるように制御される、請求項１の方法。
各パルスの周波数が、各パルスの終わりで前記搬送システムに戻される、請求項１の方法。
各パルスの前記更なる部分が、平衡のとれたスペクトルを実現するために、異なる継続時間期間を有するようにされる、請求項１の方法。
パルス振幅の差を補償するために、前記更なる部分の第１の継続時間期間が、前記更なる部分の第２の継続時間期間よりも短くされる、請求項５の方法。
前記パルスの前記初期部分のパルス時間インターバルが、６０Ｆ秒であり、前記更なる部分の前記第１の部分の時間インターバルが、約６０Ｃ１６０Ｆ秒であり、前記更なる部分の第２の部分の時間インターバルが、約１６０Ｃ５００Ｆ秒である、請求項６の方法。
前記更なる部分の前記第１の部分のパルス周波数が、約９７．５ｋＨｚまたは約１０２．５ｋＨｚであり、前記第２の部分の周波数が、約９７．５ｋＨｚまたは約１０２．５ｋＨｚである、請求項７の方法。
ロランＣ及びこれに類似の無線周波数ナビゲーションシステムの送信器パルス列に加えられる通信のためのディジタルビットレートポテンシャルを、システムの完全性及びナビゲーション能力に影響を与えることなく、高めるための装置であって、
所定の搬送周波数を中心とする無線周波数パルスを生成するための無線周波数パルス発生送信器手段と、
所定の搬送周波数を中心とする無線周波数パルスを生成するための前記送信器手段に結合されたアンテナ手段と、
前記無線周波数パルスを送信して、ユーザが、ナビゲーションのタイミング及び位置決めのために、送信された各パルスの初期部分を受信して使用することができるようにするための、前記送信器手段に結合されたアンテナ手段と、
送信された各パルスの残りの部分中に、生成された搬送周波数を逆方向に掃引するよう動作可能な周波数変調手段であって、各パルスの後続する更なる部分中に、前記搬送周波数の反対側にある所定の低い方の周波数の限界と高い方の周波数の限界の間の所定の帯域内で、先ず前記搬送周波数より下または上、次に、前記搬送周波数の上または下というように逆方向に掃引する、手段と、
前記掃引中に、各パルスについて、パルスのエネルギーを前記低い方の周波数の限界より下と前記高い方の周波数の限界より上とでほぼ同じに維持するとともに、各パルスについて、周波数スペクトルの中心を前記搬送周波数に維持するよう動作可能な手段と、
前記掃引によって実施される周波数変調を使用して、通信ビットを提供するための手段を備える、装置。
各パルス中において周波数を掃引する周波数変調手段が、周波数が高くなること、または、周波数が低くなることに対応して、前記送信器パルス生成手段と前記アンテナとの間の位置におけるインダクタンスを変化させるための手段及びキャパシンタンスを変化させるための手段の一方または両方によって提供される、請求項９の装置。
前記搬送周波数が、１００ｋＨｚで生成され、前記所定の帯域が、９０ｋＨｚ〜１１０ｋＨｚにおいて確立され、９０ｋＨｚより下、及び、１１０ｋＨｚより上の両方におけるエネルギーが、全パルスエネルギーの０．５％よりも小さくなるように制御される、請求項９の装置。
前記周波数変調手段が、各パルスの周波数を、各パルスの終わりで前記搬送周波数に戻す、請求項９の装置。
各パルスの前記更なる部分が、異なる継続時間期間を有するようにして、平衡のとれたスペクトルを実現するためのタイミング手段を備える、請求項９の装置。
前記タイミング手段が、パルス振幅の差を補償するために、前記更なる部分の第１の継続時間期間が、前記更なる部分の第２の継続時間期間よりも短くなるようにする、請求項１３の装置。
前記パルスの前記初期部分のパルス時間インターバルが、６０μ秒に調整され、前記更なる部分の前記第１の部分の時間インターバルが、約６０Ｃ１６０μ秒に調整され、前記更なる部分の第２の部分の時間インターバルが、約１６０Ｃ５００μ秒に調整される、請求項１４の装置。
前記更なる部分の前記第１の部分のパルス周波数が、約９７．５ｋＨｚまたは約１０２．５ｋＨｚで掃引され、前記第２の部分の周波数が、約９７．５ｋＨｚまたは約１０２．５ｋＨｚで掃引される、請求項１５の装置。
前記周波数変調手段が、所望の通信ビットデータにしたがって、前記送信器パルス生成手段と前記アンテナの間の回路に挿入されるよう、及び、その回路から分離されるよう切り換え可能な追加のコンデンサ及びインダクタンスの組み合わせから構成される、請求項９の装置。
複数のコンデンサとインダクタンスが、前記送信器生成手段と前記アンテナの間に直列に接続され、それらの複数のコンデンサとインダクタンスの各々について、高速固体スイッチによって分路が形成される、請求項１７の装置。
前記送信器手段が、結合回路網を介して前記アンテナ手段に接続され、直列に接続されたスイッチング（切り換え）回路網と、分路が接続されたスイッチング回路網との両方が、前記結合回路網と前記アンテナ手段との間に接続され、前記直列に接続されたスイッチング回路網が、直列に接続されたコンデンサとインダクタから構成され、該コンデンサとインダクタの各々に、高速固体スイッチによって分路が形成され、前記分路が接続されたスイッチング回路網が、分路が接続されたコンデンサとインダクタから構成され、該コンデンサとインダクタの各々に、高速固体スイッチによって分路が形成されることからなる、請求項１８の装置。
前記高速スイッチのスイッチング（切り換え動作）により、各パルス中において周波数変調の掃引が行われる、請求項１９の装置。