JP2009216568A - アレイアンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】正確なデータ処理を行うことができるアレイアンテナシステム。
【解決手段】離れた場所に配置された複数のアンテナ装置１_１〜１_Nと、基準信号を発生する基準信号発生装置４と、複数のアンテナ装置からの信号を処理するデータ処理装置２を備え、各アンテナ装置は、基準クロックを発生する基準クロック発生器１１と、電波または音波を電気信号に変換した信号を基準クロックでサンプリングし、収集用データとして送るデータ収集用チャネル装置１２と、基準信号を基準クロックでサンプリングし、同期用データとして送る同期用チャネル装置１３とを備え、データ処理装置は、複数のアンテナ装置から送られてくる複数の同期用データの中の所定の同期用データと他の同期用データとの相関をとって相対的遅延時間を算出し、この相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正して同期させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電波または音波を観測することにより、これらの信号源を特定するアレイアンテナシステムに関し、特に、複数のアンテナ装置から収集されるデータを同期させる、換言すれば、同一のサンプリングクロックでサンプリングしたのと同様の結果を得るための技術に関する。

従来は、複数のアンテナ装置を配列したアレイアンテナシステムを固定地点に設置し、信号源の方位および仰角を推定している。なお、アレイアンテナに関する技術は、例えば、非特許文献１に開示されている。
菊間信良："アレーアンテナによる適応信号処理"，科学技術出版，１９９９

ところで、複数のアンテナ装置を特定の場所に設置しなくとも、アレイアンテナシステムを構築し、信号源の方位および仰角を推定することができるアレイアンテナシステムが開発されている。

しかしながら、複数のアンテナ装置の各々は、受信された信号を自己の内部クロックでサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとしてデータ処理装置に送っている。したがって、データ処理装置が複数のアンテナ装置から受け取った収集用データは、区々の時刻（タイミング）でサンプリングされたものであり、アンテナ装置間のサンプルの正確な同期ができないという問題がある。

本発明の課題は、アンテナ装置間のサンプルの正確な同期を行うことができるアレイアンテナシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、離れた場所に配置された複数のアンテナ装置と、同期用の基準信号を発生して複数のアンテナ装置に送る基準信号発生装置と、複数のアンテナ装置からの信号を処理するデータ処理装置とを備えたアレイアンテナシステムにおいて、複数のアンテナ装置の各々は、電波または音波を受信して電気信号に変換する信号変換器と、基準クロックを発生する基準クロック発生器と、信号変換器からの信号を、基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとしてデータ処理装置に送るデータ収集用チャネル装置と、基準信号発生装置から受信した基準信号を、基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データとしてデータ処理装置に送る同期用チャネル装置とを備え、データ処理装置は、複数のアンテナ装置から送られてくる複数の同期用データの中の所定の同期用データと他の同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とする。

また、第２の発明は、離れた場所に配置された複数のアンテナ装置と、複数のアンテナ装置からの信号を処理するデータ処理装置とを備えたアレイアンテナシステムにおいて、複数のアンテナ装置の各々は、電波または音波を受信して電気信号に変換する信号変換器と、基準クロックを発生する基準クロック発生器と、信号変換器からの信号を、基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとしてデータ処理装置に送るとともに、信号変換器からの信号のうちの航法衛星からの信号を、基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データとしてデータ処理装置に送る同期用データ装置とを備え、データ処理装置は、複数のアンテナ装置から送られてくる信号に含まれる衛星の擬似距離または位相距離のアンテナ装置毎の差を算出し、算出した差に相当する時刻誤差分に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、同期用の基準信号を発生して複数のアンテナ装置に送る基準信号発生装置を備え、複数のアンテナ装置の各々は、基準信号発生装置から受信した基準信号を、基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、第２同期用データとしてデータ処理装置に送る同期用チャネル装置を備え、データ処理装置は、複数のアンテナ装置から送られてくる複数の第２同期用データの中の所定の第２同期用データと他の第２同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２又は第３の発明において、データ処理装置は、さらに、算出した差に対し、複数のアンテナ装置から受け取った複数周波数による電離層伝搬遅延量補正、周波数間バイアス補正および対流圏伝搬遅延量補正を行うことを特徴とする。

第１の発明によれば、複数のアンテナ装置から送られてくる複数の同期用データの中の所定の同期用データと他の同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させるので、複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データは、１つのサンプリングクロックを用いて収集したものと同じ状態になる。その結果、データ処理装置においてアンテナ装置間のサンプルの正確な同期が可能になる。

また、第２の発明によれば、複数のアンテナ装置から送られてくる信号に含まれる擬似距離または位相距離のアンテナ装置毎の差を算出し、算出した差に相当する時刻誤差分に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させるので、複数のアンテナ装置が数１００ｍ〜数ｋｍの距離を置いて配置されていても、それらから受信した複数の収集用データは、１つのサンプリングクロックを用いて収集したものと同じ状態になる。その結果、データ処理装置においてアンテナ装置間のサンプルの正確な同期が可能になる。

また、第３の発明によれば、第１の発明の効果と第２の発明の効果とが得られる。

また、第４の発明によれば、さらに、算出した差に対し、アンテナ装置から受け取った複数周波数による電離層伝搬遅延量補正、周波数間バイアス補正および対流圏伝搬遅延量補正を行うので、複数のアンテナ装置が数１０ｋｍ〜数１００ｋｍの距離を置いて配置されていても、それらから受信した複数の収集用データは、１つのサンプリングクロックを用いて収集したものと同じ状態になる。その結果、データ処理装置においてアンテナ装置間のサンプルの正確な同期が可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るアレイアンテナシステムの構成を示す図である。このアレイアンテナシステムは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ装置１_１〜１_N、データ処理装置２、データサーバ装置３および基準信号発生装置４から構成されている。なお、図示は省略しているが、このアレイアンテナシステムの外部に測位用の衛星が存在する。

Ｎ個のアンテナ装置１_１〜１_Nの各々は、移動可能である。Ｎ個のアンテナ装置１_１〜１_Nの各々（以下、各アンテナ装置を特に区別する必要がない場合は「アンテナ装置１」で代表して説明する）において、電波または音波を受信することにより得られた信号は、無線通信または有線通信によりデータ処理装置２に送られる。

図２は、アンテナ装置１の詳細な構成を示すブロック図である。アンテナ装置１は、基準クロック発生器１１、データ収集用チャネル装置１２および同期用チャネル装置１３を備えている。

基準クロック発生器１１は、アンテナ装置１の内部でサンプリングに使用する基準クロックを発生する。この基準クロック発生器１１で発生された基準クロックは、データ収集用チャネル装置１２および同期用チャネル装置１３に送られる。

データ収集用チャネル装置１２は、受信する信号の数に対応する数のデジタル化装置１２ａを備えている。このデジタル化装置１２ａは、電波を受信して電気信号に変換するアンテナ、または、音声を入力して電気信号に変換するマイクロフォンといった信号変換器（いずれも図示しない）から送られてくる信号を、基準クロック発生器１１で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データ（収集用信号）としてデータ処理装置２に送る。

同期用チャネル装置１３は、デジタル化装置１３ａを備えている。このデジタル化装置１３ａは、基準信号発生装置４から電気信号として送られてくる基準信号を、基準クロック発生器１１で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データ（同期用信号）としてデータ処理装置２に送る。

なお、基準信号発生装置４から送られてくる基準信号として光信号を用いることができる。この場合、同期用チャネル装置１３は、さらに、光電変換装置１３ｂを備え、光電変換装置１３ｂは、光信号で送られてくる基準信号を電気信号に変換した後に、デジタル化装置１３ａに送る。

データ処理装置２は、アンテナ装置１から送られてくる同期用データに基づき、該アンテナ装置１から送られてくる収集用データを同期させるための同期処理を施す。このデータ処理装置２で行われる同期処理の詳細は後述する。データ処理装置２で同期処理が施された収集用データは、データサーバ装置３に送られる。このデータ処理装置２も移動可能である。

データサーバ装置３は、データ処理装置２によって収集された全てのデータおよびデータ処理装置２によって処理されたデータを保存する。

基準信号発生装置４は、時刻を同期させるための基準となる基準信号を発生する。この基準信号発生装置４で発生された基準信号は、電気信号または光信号がある。電気信号の場合ケーブルによって直接に、全てのアンテナ装置１_１〜１_Nに送られる。光信号の場合、基準信号発生装置4より発生した光が、ケーブルを介さずに、全てのアンテナ装置１_１〜１_Nに送られる。

なお、電気信号の場合ケーブルとして、光ケーブルを用いることができる。この場合、アンテナ装置１の内部の同期用チャネル装置１３に、上述したように、光電変換装置１３ｂが設けられる。基準信号が光信号の場合、パルス化された光を用いることもできる。この場合、光電変換装置１３では、パルス化された光を受信して電気信号に変換し、このパルス周期を基準クロックとするように構成できる。基準信号が電気信号の場合、基準信号の周波数帯域は、データ収集用チャネル装置１２で扱われる信号の周波数帯域とは別の周波数帯域に設定するのが好ましい。

また、基準信号発生装置４で基準信号が発生されてから各アンテナ装置１の同期用チャネル装置１３に到達するまでの時間差をあらかじめ測定しておき、後に、各アンテナ装置１で受け取った基準信号を、時間差分だけ補正するように構成するのが好ましい。

次に、データ処理装置２で行われる同期処理の詳細を説明する。データ処理装置２で行われる同期処理は、複数のアンテナ装置１_１〜１_Nから送られてくる収集用データおよび同期用データを使用し、各アンテナ装置１で収集されたデータを同期させる処理、換言すれば、各アンテナ装置１におけるデータのサンプリングは、同一のサンプリングクロックを用いて行われたのと同様の結果を得るための処理を実行する。

具体的には、データ処理装置２は、アンテナ装置ｋ（ｋ＝１_１〜１_N）からの同期用データをｘｋ，ｒｅｆ、アンテナ装置ｌ（ｌ＝１_１〜１_N、ｌ≠ｋ）からの同期用データをｘｌ，ｒｅｆとし、下記（１）式にしたがって、アンテナ装置ｋおよびアンテナ装置ｌから送られてくる同期用データの（Ｍ＋１）サンプルについて、アンテナ装置ｌについてτだけずらしながらアンテナ装置ｋとの相関をとり、相関値Ｒref,k,l(τ)を求める。このとき、もっとも相関が高くなったτが、アンテナ装置ｋを基準としたアンテナ装置ｌの時刻のずれになる。

サンプリング周波数をｆ_ｓとすると、アンテナ装置ｋの収集用データを基準に、アンテナ装置ｌの収集用データの時刻の補正を、下記（２）式にしたがって、τ分だけ行う。このとき、アンテナ装置ｌの収集用データはｘｌとする。

この操作をデータサンプルｕ＝１〜（Ｎ−Ｍ／２）分だけ行って収集用データを同期させる。他のアンテナ装置からの収集用データについても、各アンテナ装置からの同期用データとアンテナ装置ｋからの同期用データとの相関をとり、収集用データを同期させる。

データ処理装置２は、以上の処理によって各アンテナ装置１からの収集用データを同期させた後に、同期処理が施された収集用データを用いて信号源の方位および仰角を推定する処理などを実行する。

このように実施例1のアレイアンテナシステムによれば、複数のアンテナ装置から送られてくる複数の同期用データの中の所定の同期用データと他の同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させるので、複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データは、１つのサンプリングクロックを用いて収集したものと同じ状態になる。したがって、複数のアンテナ装置を配列したアレイアンテナシステムを同一クロックでデータ収集したのと同様の正確な同期が可能になる。

図３は、本発明の実施例２に係るアレイアンテナシステムの構成を示す図である。このアレイアンテナシステムは、Ｎ個のアンテナ装置５_１〜５_N、データ処理装置６およびデータサーバ装置７から構成されている。なお、図示は省略しているが、このアレイアンテナシステムの外部に測位用の衛星が存在する。

Ｎ個のアンテナ装置５_１〜５_Nの各々は、移動可能である。Ｎ個のアンテナ装置５_１〜５_Nの各々（以下、特に区別する必要がない場合は「アンテナ装置５」で代表して説明する）において、電波または音波を受信することにより得られた信号は、無線通信または有線通信によりデータ処理装置６に送られる。このアンテナ装置５の詳細は後述する。

データ処理装置６は、航法衛星（ＧＰＳ衛星、Ｇａｌｉｌｅｏ衛星、Ｇｌｏｎａｓｓ衛星、準天頂衛星等）からの信号を受信したアンテナ装置５から送られてくる同期用の信号に基づき、該アンテナ装置５から送られてくる収集用データを同期させるための同期処理を施す。このデータ処理装置６の詳細は後述する。データ処理装置６で同期処理が施された収集用データは、データサーバ装置７に送られる。このデータ処理装置６も移動可能である。

データサーバ装置７は、データ処理装置６によって収集された全てのデータおよびデータ処理装置６によって処理されたデータを保存する。このデータサーバ装置７の詳細は後述する。

次に、アンテナ装置５の詳細を説明する。図４は、アンテナ装置５の構成を示すブロック図である。このアンテナ装置５は、信号処理部５ａと電源部５ｂを備えている。

信号処理部５ａは、基準クロック発生器５０、第１航法衛星信号受信用アンテナ５１、アンプ５２、通信電波受信アンテナ５３、アンプ５４、第１航法衛星信号受信装置５９、周波数変換器６０、デジタイザ６１、データ暗号化装置６４を備えている。

また、信号処理部５ａは、第２航法衛星信号受信用アンテナ５５、アンプ５６、第２航法衛星信号受信装置６２を備えても良く、備えなくても良い。

また、図５では、上記構成にさらにマイクロフォン（以下、「マイク」と略する）５７、アンプ５８、デジタイザ６３を備えているが、上記構成に代えて、マイクロフォン５７、アンプ５８、デジタイザ６３、基準クロック発生器５０、データ暗号化装置６４のみを備える構成でも良い。

さらに、信号処理部５ａは、スイッチ６５、衛星通信送信器６６、衛星通信アンテナ６７、マイクロ波送信機６８、マイクロ波通信アンテナ６９、無線ＬＡＮ送信機７０、光ＬＡＮ変換器７１および光変換器７２の少なくとも1つを備え、スイッチ６５で選択することができる。

基準クロック発生器５０は、アンテナ装置５の内部でサンプリングに使用する基準クロックを発生する。この基準クロック発生器５０で発生された基準クロックは、第１航法衛星信号受信装置５９、周波数変換器６０、デジタイザ６１、第２航法衛星信号受信装置６２およびデジタイザ６３に送られる。

第１航法衛星信号受信用アンテナ５１は、航法衛星からの電波を受信して電気信号に変換し、アンプ５２を介して航法衛星信号受信装置５９に送る。通信電波受信アンテナ５３は、通信用の電波を受信して電気信号に変換し、アンプ５４を介して周波数変換器６０に送る。第２航法衛星信号受信用アンテナ５５は、航法衛星からの電波を受信して電気信号に変換し、アンプ５６を介して第２航法衛星信号受信装置６２に送る。マイク５７は、音声を電気信号に変換してアンプ５８を介してデジタイザ６３に送る。これら第１航法衛星信号受信用アンテナ５１、通信電波受信アンテナ５３、第２航法衛星信号受信用アンテナ５５およびマイク５７は、本発明の信号変換器に対応する。

第１航法衛星信号受信装置５９は、第１航法衛星信号受信用アンテナ５１からアンプ５２を介して送られてくる信号を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データとしてデータ暗号化装置６４に送る。

周波数変換器６０は、通信電波受信アンテナ５３からアンプ５４を介して送られてくる信号の周波数を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックに基づき変換し、デジタイザ６１に送る。デジタイザ６１は、周波数変換器６０から送られてくる信号を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとしてデータ暗号化装置６４に送る。

第２航法衛星信号受信装置６２は、第２航法衛星信号受信用アンテナ５５からアンプ５６を介して送られてくる信号を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データとしてデータ暗号化装置６４に送る。

デジタイザ６３は、マイク５７からアンプ５８を介して送られてくる信号を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとしてデータ暗号化装置６４に送る。

データ暗号化装置６４は、第１航法衛星信号受信装置５９、デジタイザ６１、第２航法衛星信号受信装置６２およびデジタイザ６３から送られてくる信号を暗号化し、スイッチ６５に送る。

スイッチ６５は、データ暗号化装置６４から送られてくる暗号化された信号を、衛星通信送信器６６、マイクロ波送信機６８、無線ＬＡＮ送信機７０、光ＬＡＮ変換器７１または光変換器７２のいずれかに送るかを切り替える。

衛星通信送信器６６は、データ暗号化装置６４からスイッチ６５を介して送られてくる暗号化された信号を変調し、衛星通信アンテナ６７に送る。衛星通信アンテナ６７は、衛星通信送信器６６から送られてくる信号を電波に変換し、データ処理装置６に送信する。

マイクロ波送信機６８は、データ暗号化装置６４からスイッチ６５を介して送られてくる暗号化された信号を変調し、マイクロ波通信アンテナ６９に送る。マイクロ波通信アンテナ６９は、マイクロ波送信機６８から送られてくる信号を電波に変換し、データ処理装置６に送信する。

無線ＬＡＮ送信機７０は、データ暗号化装置６４からスイッチ６５を介して送られてくる暗号化された信号を、電波に変換してデータ処理装置６に送信する。光ＬＡＮ変換器７１は、データ暗号化装置６４からスイッチ６５を介して送られてくる暗号化された信号を、光ＬＡＮケーブルを介してデータ処理装置６に送信する。光変換器７２は、データ暗号化装置６４からスイッチ６５を介して送られてくる暗号化された信号を、光ケーブルを介してデータ処理装置６に送信する。

電源部５ｂは、信号処理部５ａに電力を供給する。この電源部５ｂは、バッテリ８１、太陽電池パネル８２、風力発電装置８３、燃料電池８４、波力発電装置８５および海洋温度差発電装置８６のいずれかを備えても良く、あるいはこれらの全てを備えても良く、あるいはこれらを組み合わせても良い。通常の使用状態では、太陽電池パネル８２、風力発電装置８３、燃料電池８４、波力発電装置８５または海洋温度差発電装置８６といった複数の発電装置の少なくとも１つから信号処理部５ａに電力が供給されるとともに、バッテリ８１に供給される。発電装置の発電が十分でない場合は、にバッテリ８１からの電力が信号処理部５ａに供給される。これにより、アンテナ装置５は、地上、海上または空で独立して動作可能になっている。

上記のように構成されるアンテナ装置５において、第１航法衛星信号受信用アンテナ５１、通信電波受信アンテナ５３または第２航法衛星信号受信用アンテナ５５で受信された電波、または、マイク５７で受信された音波は電気信号に変換された後、第１航法衛星信号受信装置５９、周波数変換器６０およびデジタイザ６１、第２航法衛星信号受信装置６２、または、デジタイザ６３によってデジタル信号にそれぞれ変換される。このデジタル信号への変換に使用される基準クロックとしては、基準クロック発生器５０により発生されたものが使用される。

基準クロック発生器５０により発生された基準クロックは、周波数変換器６０、デジタイザ６１およびデジタイザ６３の他に、第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２にも供給される。これにより、アンテナ装置５の全てを１つの基準クロックで動作させるように構成されている。

第１航法衛星信号受信用アンテナ５１および第１航法衛星信号受信装置５９の他に、第２航法衛星信号受信用アンテナ５５および第２航法衛星信号受信装置６２が設けられているのは、電波を受信するアンテナ装置５の位置および姿勢を把握するためである。この場合、第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２は、電離層が測位に及ぼす影響を軽減するため、複数の周波数を受信できるものとする。さらに、第１航法衛星信号受信用アンテナ５１と第２航法衛星信号受信用アンテナ５５との間の距離は、設置する前に精密に測定され、測定精度の確認用に使用される。

第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２から出力される同期用データは、衛星信号の擬似距離、位相距離、（単純）測位結果、航法暦（エフェメリス）情報などを含む。

次に、データ処理装置６の詳細を説明する。図５は、データ処理装置６の構成を示すブロック図である。このデータ処理装置６は、衛星通信アンテナ２１、マイクロ波通信アンテナ２２、衛星通信受信機２３、マイクロ波受信機２４、無線ＬＡＮ受信機２５、光ＬＡＮ変換機２６、光変換器２７の少なくとも１つを備え、１つをスイッチ２８で選択することができる。

また、データ処理装置６は、データ暗号解読装置２９、サンプリングクロック同期装置３０、航法衛星信号受信用アンテナ３１、アンプ３２、航法衛星信号受信装置３３、航法衛星信号処理装置３４、通信信号処理装置３５および音声信号処理装置３６を備えているが、これらの少なくとも１1つを備えていれば良い。

衛星通信アンテナ２１は、アンテナ装置５の衛星通信アンテナ６７から送信された電波を受信して電気信号に変換し、衛星通信受信機２３に送る。マイクロ波通信アンテナ２２は、アンテナ装置５のマイクロ波通信アンテナ６９から送信されたマイクロ波を受信して電気信号に変換し、マイクロ波受信機２４に送る。

衛星通信受信機２３は、衛星通信アンテナ２１から送られてくる信号を復調し、スイッチ２８に送る。マイクロ波受信機２４は、マイクロ波通信アンテナ２２から送られてくる信号を復調し、スイッチ２８に送る。無線ＬＡＮ受信機２５は、アンテナ装置５の無線ＬＡＮ送信機７０から送信された電波を受信して電気信号に変換し、スイッチ２８に送る。光ＬＡＮ変換機２６は、アンテナ装置５の光ＬＡＮ変換器７１から光ＬＡＮケーブルを介して受信した信号を、スイッチ２８に送る。光変換器２７は、アンテナ装置５の光変換器７２から光ケーブルを介して受信した信号を、スイッチ２８に送る。

スイッチ２８は、衛星通信受信機２３、マイクロ波受信機２４、無線ＬＡＮ受信機２５、光ＬＡＮ変換機２６または光変換器２７のいずれかを選択する。このスイッチ２８で選択された衛星通信受信機２３、マイクロ波受信機２４、無線ＬＡＮ受信機２５、光ＬＡＮ変換機２６または光変換器２７のいずれかから送られてくる信号は、データ暗号解読装置２９に送られる。

データ暗号解読装置２９は、衛星通信受信機２３、マイクロ波受信機２４、無線ＬＡＮ受信機２５、光ＬＡＮ変換機２６または光変換器２７からスイッチ２８を介して送られてくる暗号化された信号を解読し、サンプリングクロック同期装置３０、航法衛星信号処理装置３４およびデータサーバ装置７に送る。

サンプリングクロック同期装置３０は、データ暗号解読装置２９から送られてくる解読された信号に含まれる収集用データおよび同期用データ、つまり複数のアンテナ装置５から送られてくる収集用データおよび同期用データを使用し、各アンテナ装置で収集されたデータを同期させる処理、換言すれば、各アンテナ装置におけるサンプリングは、同一のサンプリングクロックを用いて行われたのと同様の結果を得るための処理を実行する。

具体的には、サンプリングクロック同期装置３０は、以下の処理を行う。すなわち、航法衛星から放送される２周波の信号Ｌ１およびＬ２の送信・受信時間による擬似距離（コード距離、シュードレンジ）とキャリア位相による擬似距離（フェーズ距離）は、（３）式および（４）式でそれぞれ表すことができる。

ここで
ρ：擬似（コード）距離
Φ：位相
λ：波長
λ×φ：位相（フェーズ）距離
ｒ：真の距離
Ｃ：光速
ｆ：周波数
δｔu：受信機時刻誤差
Ｉ：電離層伝搬遅延量
δｔs：衛星時刻誤差
Ｔ：対流圏伝搬遅延量
Ｎａｍｂ：整数不確定値
ε：観測誤差
ｋ：アンテナインデックス
ｓ：衛星インデックス
アンテナ装置５の間の距離が数１００ｍ〜数ｋｍ程度と近い場合、（３）式および（４）式中の電離層伝搬遅延量および対流圏伝搬遅延量の値はほぼ同じになる。そのため、アンテナ装置５の間のコード距離差およびフェーズ距離差は、次のようになる。同一周波数間で差をとるため、Ｌ１またはＬ２の添え字を削除している。

（５）式には、アンテナ装置ｋに対するアンテナ装置ｌの受信機時刻誤差が現れている。フェーズ距離についても同様であるが、整数不確定値が残されている。コード距離差の方が観測誤差が大きいため、（５）式および（６）式の両方を使い整数不確定値を除く。このとき、フェーズ距離を連続的に受信できなくなった場合は、（５）式の値をそのまま使用する。

ここで、Ｍは、フェーズ距離が連続して収集されている期間のデータ数を示す。Ｎは、同期に使用する衛星の数を示す。同期に使用する衛星は、極力高仰角の衛星を使用するのが好ましい。サンプリングクロック同期装置３０は、この時刻誤差を使用し、収集用データのサンプリングクロックによる補正を（２）式にしたがって実行する。サンプリングクロック同期装置３０による処理結果は、通信信号処理装置３５および音声信号処理装置３６に送られる。

航法衛星信号受信用アンテナ３１は、航法衛星からの電波を受信して電気信号に変換し、アンプ３２を介して航法衛星信号受信装置３３に送る。航法衛星信号受信装置３３は、航法衛星信号受信用アンテナ３１からアンプ３２を介して送られてくる信号をデジタル化し、航法衛星信号処理装置３４に送る。

航法衛星信号処理装置３４は、アンテナ装置５の第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２から送信されたデータを処理するとともに、データ処理装置６の位置を確認するために、航法衛星信号受信装置３３から出力されるデータも合わせて処理をする。

具体的には、航法衛星信号処理装置３４は、アンテナ装置５の第１航法衛星信号受信装置５９あるいは第２航法衛星信号受信装置６２から送信されたデータに含まれる測位位置を基に概算位置を求め、第１航法衛星信号受信装置５９あるいは第２航法衛星信号受信装置６２から出力されたデータに含まれる擬似距離、位相距離および衛星航法情報を用いて単純測位を実施し、上記概算位置と比較して第１航法衛星信号受信装置５９あるいは第２航法衛星信号受信装置６２の動作チェックを行う。航法衛星信号受信装置３３から送信されたデータに含まれる測位位置を基に概算位置を求め、前記概算位置との差をとることにより、第１航法衛星信号受信アンテナあるいは第２航法衛星受信アンテナと航法衛星信号受信アンテナ３１との相対ベクトルを求め、相対的な位置関係をチェックする。さらに、第１航法衛星信号受信装置５９あるいは第２航法衛星信号受信装置６２、航法衛星信号受信装置３３から送信されたデータに含まれる擬似距離、位相距離および衛星航法情報を用い、第１航法衛星信号受信アンテナ５３あるいは第２航法衛星受信アンテナ５５と航法衛星信号受信アンテナ３１とのキネマティック測位を行い、相対的な位置関係をチェックする。

アンテナ装置５に第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２がある場合、こららの装置から送信されたデータに含まれる測位位置を基に概算位置を求め、第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置から出力されたデータに含まれる擬似距離、位相距離および衛星航法情報を用いて単純測位を実施し、上記概算位置と比較して第１航法衛星信号受信装置５９あるいは第２航法衛星信号受信装置６２の動作チェックを行う。このとき、第１航法装置衛星信号受信装置５９出力データおよび第２航法衛星信号受信装置出力データを基に、キネマティック測位を実施し、第１航法衛星信号受信アンテナ５３と第２航法衛星信号受信アンテナ５５間の距離を精密に測定し、事前に測定した前記アンテナ間の距離との比較をすることにより第１航法衛星信号受信装置５９、第２航法衛星信号受信装置６２の動作のチェックを行う。このキネマティック測位により第１航法衛星信号受信アンテナ５３と、第２航法衛星信号受信アンテナ５５位置概算位置から、アンテナの方向を求める。

さらに、航法衛星信号受信装置３３から送信されたデータに含まれる測位位置を基に概算位置を求め、前記概算位置との差をとることにより、第１航法衛星信号受信アンテナ５３および第２航法衛星受信アンテナ５５と航法衛星信号受信アンテナ３１との相対ベクトルを求め、相対的な位置関係をチェックする。さらに、第１航法衛星信号受信装置５９および第２航法衛星信号受信装置６２、航法衛星信号受信装置３３から送信されたデータに含まれる擬似距離、位相距離および衛星航法情報を用い、第１航法衛星信号受信アンテナ５３および第２航法衛星受信アンテナ５５と航法衛星信号受信アンテナ３１とのキネマティック測位を行い、相対的な位置関係をチェックする。

このとき、複数の周波数を利用できれば、擬似距離に含まれる電離層誤差を軽減し測位を実施する。

通信信号処理装置３５は、サンプリングクロック同期装置３０から送られてくる収集用データに基づき、受信された信号の方位および仰角を求める。また、複数のアンテナ装置で受信された輻輳した信号から、別々の信号は統計的に独立であるという仮定に基づく独立成分分析手法を用い、輻輳した信号をそれぞれ分離する。そして、分離した信号から、スペクトル、変調形式、方位、仰角、周波数ジッタ、バースト信号の間隔等といった特徴量を求め、分離された信号自体と特徴量をデータサーバ装置７に保存する。また、特徴量と予めデータサーバ装置７に用意されているデータベースとを比較し、信号を同定する。さらに、１回の分離処理で出力される信号セット間で相関の高いものを、同じ信号とみなしセット間で連結する。

なお、独立成分分析手法については、例えば、「Aapo Hyvarinen,et.al:"Independent Component Analysis”, John Wiley& Sons,Inc,2001」に開示されている。

信号の到来方向（仰角および方位角）を算出する場合には、複数のアンテナ装置が必要である。複数のアンテナ装置を配置し、アンテナ装置への到来時間差および位相差から、全体のアンテナ配置に対する到来方向を決定する。このため、アンテナ装置の全体的な配置を知る必要があり、アンテナの姿勢、アンテナ位相中心、各アンテナの相対位置を知るため、各アンテナ装置に備えられた２つの航法衛星信号受信装置から出力されたデータは航法衛星信号処理装置３４で処理される。

音声信号処理装置３６は、サンプリングクロック同期装置３０から送られてくる収集用データに基づき、複数のアンテナ装置５に備えられているマイク５７で収録された輻輳した音声信号から、別々の信号は統計的に独立であるという仮定に基づく独立成分分析手法を用い、輻輳した信号をそれぞれ分離する。そして、分離した信号から、スペクトル、変調形式、方位、仰角、周波数ジッタ、バースト信号の間隔等といった特徴量を求め、分離された信号自体と特徴量をデータサーバ装置７に保存する。また、特徴量と予めデータサーバ装置７に用意されているデータベースとを比較し、信号を同定する。さらに、１回の分離処理で出力される信号セット間で相関の高いものを、同じ信号とみなしセット間で連結する。

データサーバ装置７は、データ処理装置６で収集された全てのデータおよび処理されたデータを保存する保存用記録装置７ａを備えている。また、データサーバ装置７には、保存用記録装置７ａの状態および管理を行うために、表示装置および操作装置（いずれも図示しない）が設けられている。

このように実施例２のアレイアンテナシステムによれば、複数のアンテナ装置から送られてくる信号に含まれる擬似距離または位相距離のアンテナ装置毎の差を算出し、算出した差に相当する時刻誤差分に応じて複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させるので、複数のアンテナ装置が数１００ｍ〜数ｋｍの距離を置いて配置されていても、それらから受信した複数の収集用データは、１つのサンプリングクロックを用いて収集したものと同じ状態になる。その結果、データ処理装置において正確なデータ処理が可能になる。

本発明の実施例３に係るアレイアンテナシステムは、データ処理装置６のサンプリングクロック同期装置３０の動作を除けば、上述した実施例２に係るアレイアンテナシステムと同じである。以下、実施例２と相違する部分のみを説明する。

アンテナ装置５の間の距離が数１０ｋｍ〜数１００ｋｍ程度になると、（３）式および（４）式中の電離層伝搬遅延量および対流圏伝搬遅延量の値はほぼ同じであると考えることができなくなってくる。そのため、アンテナ装置５の間の擬似距離差および位相距離差を複数周波数による電離層伝搬遅延量の推定と対流圏伝搬遅延量の補正を行う必要がある。擬似距離差から計算した電離層伝搬遅延量と位相距離から計算した電離層伝搬遅延量をそれぞれ（８）式および（９）式に示す。

ここで、
ρ：擬似（コード）距離
Φ：位相
λ：波長
λ×φ：位相（フェーズ）距離
ｒ：真の距離
Ｃ：光速
ｆ：周波数
δｔu：受信機時刻誤差
Ｉ：電離層伝搬遅延量
δｔs：衛星時刻誤差
Ｔ：対流圏伝搬遅延量
Ｎａｍｂ：整数不確定値
ε：観測誤差
Δbias：衛星・受信機内の周波数間バイアス
この中のΔbiasは、周波数間のバイアスであり、衛星および受信機（アンテナ装置５）においてそれぞれ発生するものであり、事前に推定または測定しておく。（９）式中の整数不確定値は、位相距離が連続して収集されている場合は固定値となる。

位相距離による電離層伝搬遅延量を使用する方が観測誤差を少なくできるため、次の処理を行い、位相距離による電離層伝搬遅延量を推定する。

ここで、Ｍは、位相距離が連続して収集されている期間のデータ数を示す。連続して位相距離を使用できない場合は、擬似距離による値を使用する。

対流圏伝搬遅延量補正は、Saastamoinenの式などを利用し補正値を計算する。なお、Saastamoinenの式については、「Pratap Misra,PerEnge,"GLOBAL POSITIONIG SYSTEM Signals,Measurements,and Performance.",Ganga-Jamuna Press,2001」に説明されている。これらを考慮して、アンテナ装置ｋとアンテナ装置ｌの差をとる。

（１１）式および（１２）式の右辺は、（５）式および（６）式と同じになる。（１１）式および（１２）式の両方を使い整数不確定値を除く。このとき、位相距離を連続的に受信できなくなった場合は、（１１）式の値をそのまま使用する。

ここで、Ｍは、位相距離が連続して収集されている期間のデータ数を示す。Ｎは、同期に使用する衛星の数を示す。同期に使用する衛星は、極力高仰角の衛星を使用するのが好ましい。サンプリングクロック同期装置３０は、この時刻誤差を使用し、収集用データのサンプリングクロックによる補正を（２）式にしたがって実行する。サンプリングクロック同期装置３０による処理結果は、通信信号処理装置３５および音声信号処理装置３６に送られる。

図６は、本発明の実施例４に係るアレイアンテナシステムの主要部の構成を示すブロック図である。実施例４のアレイアンテナシステムは、図６に示す基準信号発生装置４及びアンテナ装置５、図５に示すデータ処理装置６及びデータサーバ装置７を備えている。アンテナ装置５は、図４に示す実施例２のアンテナ装置に同期用チャネル装置１３を追加している。

同期用チャネル装置１３は、図２に示すようなデジタル化装置１３ａを備えている。このデジタル化装置１３ａは、基準信号発生装置４から電気信号あるいは光信号として送られてくる基準信号を、基準クロック発生器５０で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、第２同期用データとしてデータ暗号化装置６４に送る。

データ暗号化装置６４で暗号化された同期用データは、衛星通信送信器６６及び衛星通信アンテナ６７、マイクロ波送信機６８及びマイクロ波通信アンテナ６９、無線ＬＡＮ送信機７０、光ＬＡＮ変換器７１、光変換器７２のいずれかを介してデータ処理装置６に送られる。

データ処理装置６は、複数のアンテナ装置５ａから送られてくる複数の第２同期用データの中の所定の第２同期用データと他の第２同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて複数のアンテナ装置５ａから受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させる。

このように実施例４のアレイアンテナシステムによれば、実施例２のアレイアンテナシステムに、実施例１のアレイアンテナシステムの基準信号発生装置４と同期用チャネル装置１３を追加したので、実施例１のアレイアンテナシステムの効果と実施例２のアレイアンテナシステムの効果とが得られる。

本発明は、複数の地点にアンテナ装置を配置してアレイアンテナシステムを構成する場合に適用することができる。

本発明の実施例１に係るアレイアンテナシステムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るアレイアンテナシステムで使用されるアンテナ装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係るアレイアンテナシステムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るアレイアンテナシステムで使用されるアンテナ装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係るアレイアンテナシステムで使用されるデータ処理装置およびデータサーバ装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例４に係るアレイアンテナシステムの主要部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１_１〜１_N、５、５_１〜５_N アンテナ装置
２、６ データ処理装置
３、７ データサーバ装置
４ 基準信号発生装置
１１ 基準クロック発生器
１２ データ収集用チャネル装置
１３ 同期用チャネル装置

Claims (4)

1. 離れた場所に配置された複数のアンテナ装置と、
   同期用の基準信号を発生して前記複数のアンテナ装置に送る基準信号発生装置と、
   前記複数のアンテナ装置からの信号を処理するデータ処理装置を備えたアレイアンテナシステムにおいて、
   前記複数のアンテナ装置の各々は、
   電波または音波を受信して電気信号に変換する信号変換器と、
   基準クロックを発生する基準クロック発生器と、
   前記信号変換器からの信号を、前記基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとして前記データ処理装置に送るデータ収集用チャネル装置と、
   前記基準信号発生装置から受信した基準信号を、前記基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、同期用データとして前記データ処理装置に送る同期用チャネル装置とを備え、
   前記データ処理装置は、
   前記複数のアンテナ装置から送られてくる複数の同期用データの中の所定の同期用データと他の同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて前記複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とするアレイアンテナシステム。
2. 離れた場所に配置された複数のアンテナ装置と、
   前記複数のアンテナ装置からの信号を処理するデータ処理装置を備えたアレイアンテナシステムにおいて、
   前記複数のアンテナ装置の各々は、
   電波または音波を受信して電気信号に変換する信号変換器と、
   基準クロックを発生する基準クロック発生器と、
   前記信号変換器からの信号を、前記基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、収集用データとして前記データ処理装置に送るとともに、前記信号変換器からの信号のうちの航法衛星からの信号を、前記基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、第１同期用データとして前記データ処理装置に送る同期用データ装置とを備え、
   前記データ処理装置は、
   前記複数のアンテナ装置から送られてくる信号に含まれる前記衛星の擬似距離または位相距離のアンテナ装置毎の差を算出し、算出した差に相当する時刻誤差分に応じて前記複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とするアレイアンテナシステム。
3. 同期用の基準信号を発生して前記複数のアンテナ装置に送る基準信号発生装置を備え、
   前記複数のアンテナ装置の各々は、
   前記基準信号発生装置から受信した基準信号を、前記基準クロック発生器で発生された基準クロックを用いてサンプリングすることによりデジタル化し、第２同期用データとして前記データ処理装置に送る同期用チャネル装置を備え、
   前記データ処理装置は、
   前記複数のアンテナ装置から送られてくる複数の第２同期用データの中の所定の第２同期用データと他の第２同期用データとの相関をとることにより相対的遅延時間を算出し、算出した相対的遅延時間に応じて前記複数のアンテナ装置から受信した複数の収集用データを補正し、複数の収集用データを同期させることを特徴とする請求項２記載のアレイアンテナシステム。
4. 前記データ処理装置は、さらに、前記算出した差に対し、前記複数のアンテナ装置から受け取った複数周波数による電離層伝搬遅延量補正、周波数間バイアス補正および対流圏伝搬遅延量補正を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のアレイアンテナシステム。

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