JP2005517190A - デブリ追跡においてドップラー追跡を相関付けるシステムおよび方法 - Google Patents
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- G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector
Abstract
Description
本発明は、受動可干渉性探索(passive coherent location)(「PCL」)レーダシステムおよび受動可干渉性探索方法に関し、特にPCLレーダ応用分野におけるデブリ追跡のドップラー追跡を相関付ける(Doppler track correlation)システムおよび方法に関する。
本願は、本明細書に参照することにより援用される2002年2月8日出願の「SYSTEM AND METHOD FOR DOPPLER TRACK CORRELATION FOR DEBRIS TRACKING」という名称の米国仮特許出願第60/354,481号の利益を請求するものである。
したがって、本発明は、PCLレーダ応用分野におけるデブリ追跡のドップラー追跡を相関付けるシステムおよび方法を対象とする。
費用対効果を非常に良くすることが可能である。
VHFL + 6 60
FM + 7 55
VHFH +10 40
UHF +12 35
a)破壊が発生した場合、成分デブリ片をPCLシステムに対して張る角度(subtended angle)のより小さな型に閉じ込められる場合がある。
b)照射器および受信器の両方から増した範囲のところにある片は、目標信号対雑音比(「SNR」)を維持するためにより高い受信アンテナ利得を必要とする場合がある。
(dBi) (度) (度)
VHFL +16 4 30 30
FM +16 4 30 30
VHFH +19 4 20 20
UHF +18 2 10 20
VHFL + 6 60
FM + 7 55
VHFH +10 40
UHF +12 35
VHFL 6 2
FM 4 60
VHFH 3 6
UHF 3 20
a)システムスタートアップ
b)タイミングおよび制御
c)周波数追跡と照射搬送波の関連付け
d)ミサイルまたはデブリの線追跡:この追跡は、ドップラーおよび遅延空間において行われ、追跡プロセッサ312によって位置および速度の追跡に変換される
e)追跡プロセッサ312およびRFRS(複数可)40との通信
f)信号処理セグメントオペレータ−マシンインタフェース360:このインタフェースは開発および診断のみの使用を意図するものであり、通常動作下では使用されない
a)GPS時間から導出され、したがってPCLシステムの時間に比肩する測定のUTC時間
b)精密周波数基準から導出され、したがってPCLシステムの周波数測定に比肩する送信波形の搬送周波数
c)受信搬送波信号の測定されたパワー
d)RFRSの位置
である。
a)時間
b)指定送信器からのドップラーシフト
c)指定送信器からのドップラーレート
d)フェーズドアレイが使用される場合、到来角度情報
e)信号パワーおよび信号対雑音比
であってもよい。
a)時間
b)指定送信器からのドップラーシフト
c)指定送信器からの時間遅延
d)フェーズドアレイが使用される場合、到来角度情報
e)信号パワーおよび信号対雑音比
であってもよい。
a)通常の狭帯域照射波形と同じ統計特性を有する波形が生成される。
b)各処理休止(processing dwell)の開始時に、雑音環境の時間領域表現を使用して測定チャネルが初期化される。この雑音は、一定の振幅のKTBN(ボルツマン定数に温度、ドップラー検出セルサイズ、受信器雑音指数を乗算したもの)および乱雑位相を有する熱雑音として表される。
c)運動学モデルからの各追跡毎に、波形がドップラーシフトされて予想SNRに従ってスケーリングされ、測定チャネルに追加される。
d)測定チャネルが、ADCの動作特性に従ってスケーリングされて量子化され、標準ADCフォーマットで記憶される。
e)記憶されているADCデータが、狭帯域PCLソフトウェアにより処理される。図7は、このデータのサンプル表示を示している。
1.シャトルの打ち上げ
−典型的な有人飛行からのデブリ追跡調査のために、シャトルの東部打ち上げサイトが選択された。
−STS49の軌道がイベントモデリングの基礎を提供した。
−チャレンジャー惨事についての大統領委員会報告書がデブリ特徴付けに使用された。
2.タイタンIV/ケンタウルス打ち上げ
−典型的な無人飛行からのデブリ追跡調査のために、東部エリア、方位角37度の打ち上げのケースが選択された。
−公称タイタン打ち上げに対してシミュレートされたレーダ測定が、イベントモデリングの基礎を提供した。
−「Titan IV Debris Model」Lockheed Martin report MCR-88-2652の研究がデブリ特徴付けに使用された。
a)オブジェクトタイプ−類似片の主要グループ分け
b)弾道係数−これは、デブリ片に対する大気抗力の影響を特徴付ける。定義上、弾道係数は:
β=W/(CD・A)
βの単位はlb/ft2
Wは重量、単位lb
CDは抗力係数、単位なし
Aは面積、単位m2
c)付与デルタV−これは、最後の爆発前速度ベクトルの変化(シミュレートされた爆発による)である。
d)アルファ−最後の爆発前速度ベクトルに対する付与デルタVの角度
A(t)=−μR(t)/‖R(t)‖3+D(t)+C1(t)+C2(t)
A(t)は加速度、単位m/sec2
μは地球重力定数、単位m3/sec2
R(t)はデブリ位置、単位m、ECF
D(t)は大気抗力による加速度、単位m/sec2
C1(t)はコリオリの加速度、単位m/sec2
C2(t)は遠心加速度、単位m/sec2
大気抗力による加速度は、
D(t)=−0.5Cβ−1p(h)V(t)‖V(t)‖
により定義することができる。
D(t)の単位はm/sec2
Cは単位変換定数
βは弾道係数、単位lb/ft2
p(h)は高度hにおける大気密度、単位kg/m3
V(t)はデブリ速度、単位m/sec、ECF
fd=(1/λ)(VTA/‖A‖+VTB/‖B‖)
fDはバイスタティックドップラーシフト、単位Hz
λは照射器波長、単位m
Vは目標1304の速度ベクトル1310、単位m/sec、ECF
Aは目標1304から照射器1302までのベクトル1330、単位m
Bは目標1304から受信器1306までのベクトル1320、単位m
PR=PTE2LP(λ/4π‖A‖)2(4πσ/λ2)(λ/4π‖B‖)2GR
PRは受信器入力における目標反射信号のパワー、単位kW
PTは照射器のピークパワー、単位kW
Eは照射器ビーム電界強度、単位なし
LPは偏波によるパワー損失、単位なし
λは照射器波長、m
‖A‖は目標から照射器までのパス長、m
σは目標レーダ断面積(RCS)、m2
‖B‖は目標から受信器までのパス長、m
GRは受信器アンテナ利得
定義:
定義:
W=diag(1/σi)を定義する。
重み付き測定方程式は、
WF=WHV+v
である。測定乱雑雑音vは、ゼロ平均および単位共分散(unit covariance)を有するガウス形であると想定される。直交行列Qで乗算することにより、等価の最小二乗問題が得られる。
QWF=QWHV+Qv
行列Qは、
A(t)≒G(t)+D(t)
である。重力による加速度は、
G=−μR/‖R‖3
である。大気抗力による加速度は以下である(hはkm単位)。
D=−0.5Cβ−1ρ(h)V‖V‖
ρ(h)=1.226exp(−h/8.4)
h≒‖R‖−re
位置に対する重力項の偏導関数は、
∂G/∂R=−μ(‖R‖−3I−3‖R‖−5RRT)
である。位置に対する抗力項の偏導関数は、
∂D/∂R=−(1/8.4)D∂h/∂R=−(1/8.4)D‖R‖−1RT
である。速度に対する抗力の偏導関数は、
∂D/∂V=−0.5Cβ−1ρ(h)(‖V‖I+‖V‖−1VVT)
である。弾道係数に対する抗力項の偏導関数は、
∂D/∂β=0.5Cβ−2ρ(h)V‖V‖
である。状態遷移行列を含む偏導関数は、
対象物タイプ 最大軸 最小軸 EEP面積
(km) (km) (km)2
タイプ1 固体ロケットブースター 1.39 1.24 5.39
タイプ2 EFT断片 1.76 1.34 7.44
タイプ3 乗組員室 1.51 1.31 6.17
タイプ4 オービターデブリ 1.73 1.34 7.25
タイプ5 オービター翼 1.61 1.32 6.66
対象物タイプ 最大軸 最小軸 EEP面積
(km) (km) (km)2
タイプ1 SRMケース 1.56 1.30 6.38
タイプ2 TVC注入物質タンク 1.53 1.24 5.96
タイプ3 ペイロード 1.71 1.38 7.43
タイプ4 船尾酸素タンク 2.15 1.48 10.03
タイプ5 縦通材タイ 3.38 1.63 17.32
Claims (23)
- 商用放送信号を使用してデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムであって、
目標反射信号および照射器放送信号からの直接信号を受信する少なくとも1つのPCL処理ユニットであって、前記反射信号のドップラーシフトを用いて追跡パラメータを求め、前記デブリの追跡を相関付けるためのアルゴリズムを実施するデジタル処理要素を備えた、少なくとも1つのPCL処理ユニットと、
前記デブリ片の位置を示す表示要素と、
を備える、バイスタティックレーダシステム。 - 遠隔周波数参照システムをさらに備える、請求項1記載のバイスタティックレーダシステム。
- デブリを追跡するバイスタティック受動レーダシステムであって、
少なくとも3基の照射器から送信された直接信号および目標により反射された反射信号を受信するアンテナアレイであって、前記反射信号は、前記少なくとも3基の照射器から送信され、前記デブリから反射される、アンテナアレイと、
前記アンテナアレイに接続され、前記アンテナアレイからの信号を受信する複数の受信器と、
前記受信器からの前記直接信号および前記反射信号を受信してデジタル化し、前記デジタル化された直接信号および反射信号から測定パラメータを抽出し、前記測定パラメータを使用して前記デブリの軌道および予測衝突点を計算するデジタル処理要素と、
前記デジタル処理要素からの情報を表示する表示要素と、
を備えるバイスタティック受動レーダシステム。 - 前記アンテナアレイは短距離追跡アンテナを含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 前記アンテナアレイは長距離追跡アンテナを含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 前記アンテナアレイは基準アンテナを含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 前記複数の受信器は少なくとも1つの狭帯域幅受信器を含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 前記複数の受信器は少なくとも1つの広帯域幅受信器を含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 前記複数の受信器は少なくとも1つの基準受信器を含む、請求項3記載のバイスタティック受動レーダシステム。
- 計画された打ち上げイベントに先立ってバイスタティックレーダシステムを検証する方法であって、
送信器の配列を最適化するステップと、
前記システムとのアンテナの短距離/長距離ハンドオーバを予測するステップと、
前記アンテナへの送信器信号の動作を確認するステップと、
を含むバイスタティックレーダシステムを検証する方法。 - 遠隔周波数参照システムがポーリングするステップをさらに含む、請求項11記載のバイスタティックレーダシステムを検証する方法。
- 打ち上げられた機体からのデブリ片を追跡する方法であって、
前記デブリ片により反射された反射信号および1つまたは複数の照射器からの直接信号を使用して、前記各受信信号のバイスタティックドップラーシフトを計算するステップと、
前記反射信号それぞれの信号対雑音比を計算するステップと、
前記バイスタティックドップラーシフトを使用して前記デブリ片の軌跡を求めるステップと、
を含むデブリ片を追跡する方法。 - 飛行デブリ片を追跡する方法であって、前記デブリは商用放送信号を反射し、前記方法は、
前記反射信号をアンテナアレイで受信するステップと、
前記アンテナアレイで1つまたは複数の照射器からの直接基準信号を受信するステップと、
前記アンテナアレイからの前記信号をデジタル化するステップと、
前記信号を処理するステップであって、それによって同一チャネル干渉の軽減を含め、干渉を除去する、処理するステップと、
前記処理済み受信信号からのデータを可能な目標測定セットと比較することにより、アンビギュイティサーフェスを生成するステップと、
前記アンビギュイティサーフェスを使用して検出を判定するステップと、
前記反射信号を前記直接基準信号と比較することにより、前記検出のドップラーシフトを求めるステップと、
前記検出を線追跡に割り当てるステップと、
前記線追跡を前記デブリ片に関連づけるステップと、
ドップラーシフト関数を使用して前記デブリ片の軌道を推測するステップと、
を含む飛行デブリ片を追跡する方法。 - 前記デブリ片の回収サイトの誤差楕円を推測するステップをさらに含む、請求項13記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
- 前記回収サイトの誤差楕円を推測するステップは、50%誤差楕円を計算することをさらに含む、請求項14記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
- 前記検出のドップラーシフトを求めるステップは、狭帯域ドップラー測定からドップラーシフトを求めることをさらに含む、請求項13記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
- 前記検出のドップラーシフトを求めるステップは、広帯域ドップラーおよび時間遅延測定からドップラーシフトを求めることをさらに含む、請求項13記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
- 直接および反射の商用放送信号を受信するバイスタティックレーダシステムを使用して検出されたデブリ片を追跡する方法であって、
前記反射信号および前記直接信号からドップラーシフトを求めるステップと、
前記デブリ片に相関する検出をドップラー線追跡に割り当てるステップと、
前記線追跡を前記デブリ片に関連づけるステップと、
前記ドップラーシフトを含む測定を使用して前記デブリ片の軌道を推測するステップと、
前記測定に従って前記デブリ片の衝突点を予測するステップと、
を含む直接および反射の商用放送信号を受信するバイスタティックレーダシステムを使用して検出されたデブリ片を追跡する方法。 - 複数のデブリ片を追跡する方法であって、
反射信号および直接信号を使用して、前記複数のデブリ片それぞれのドップラーシフトを求めるステップと、
前記反射信号から前記複数のデブリ片それぞれに線追跡を割り当てるステップと、
前記線追跡を前記複数のデブリ片それぞれに関連付けるステップと、
前記線追跡からのドップラーシフト測定を使用して、前記複数のデブリ片の軌道を推測するステップと、
前記ドップラーシフト測定に従って前記複数のデブリ片を追跡するステップと、
を含む複数のデブリ片を追跡する方法。 - デブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法であって、
打ち上げ前較正および検査機能を処理するステップと、
打ち上げられている機体から発せられた信号を受信することにより、目標のステータスを監視する打ち上げ後・破壊前機能を処理するステップと、
破壊前から前記デブリが照射され前記システムにより受信されるまでの時間期間にわたって適切なデータを収集することによって破壊後機能動作を処理するステップと、
各デブリ片の状態ベクトルを計算するデブリ追跡計算機能を処理するステップと、
予測衝突点および誤差楕円の計算を含むデブリ衝突計算機能を処理するステップと、
を含むデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。 - 前記打ち上げ前較正および検査機能を処理するステップは、
送信器の配列を最適化するステップと、
短距離/長距離ハンドオーバを予測するステップと、
照射を確認するステップと、
遠隔周波数基準信号をポーリングするステップと、
をさらに含む、請求項20記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。 - 前記打ち上げ後機能を処理するステップは、
機体検出を確認するステップと、
目標アンテナを指向させ、前記目標アンテナを検証するステップと、
短距離/長距離ハンドオーバを確認するステップと、
をさらに含む、請求項20記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。 - 前記破壊後機能を処理するステップは、
目標アンテナを指向させるステップと、
破壊を確認するステップと、
デブリ断片を検出するステップと、
前記デブリ断片のドップラー追跡を関連付けるステップと、
をさらに含む、請求項20記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。
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