JP2010008110A

JP2010008110A - アレイアンテナ装置および送信源位置推定方法

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Publication number: JP2010008110A
Application number: JP2008165095A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suga; 秀一須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: JP5354973B2

Abstract

【課題】電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができるアレイアンテナ装置および送信源位置推定方法を提供する。
【解決手段】演算部１５は、アレイアンテナ１１の受信信号から、送信源からの電波の到来方位および仰角を算出する。電離層密度推定部４は、航法衛星からの衛星信号および電離層電子密度分布モデルを用いて、３次元的な電離層電子密度分布を算出する。伝播経路推定部５は、演算部１５で算出した到来方位および仰角と、電離層密度推定部４で複数の観測時刻において算出した電離層電子密度分布とを用い、観測時刻ごとに、マルチホップ伝播および地球磁場の影響を考慮した場合の複数の推定伝播経路および複数の送信源候補位置を算出し、各送信源候補位置について複数の観測時刻間の分散値を算出し、複数の送信源候補位置のうち分散値が最小となる送信源候補位置を真の送信源位置として算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電離層を通過して到来した電波を受信して、その送信源の位置を推定するアレイアンテナ装置および送信源位置推定方法に関する。

ＨＦ帯を用いた電波通信において、受信した電波の到来方位および仰角を測定し、この到来方位および仰角と、ＩＲＩ（International Reference Ionosphere）モデル等の電離層電子密度分布モデル等とを用いて、レイトレーシング手法等により、電波の伝播経路を計算することができる（例えば、非特許文献１参照）。
Iwane Kimura,"Effects of Ions on Whistler-Mode Ray Tracing",Radio Science.Vol.1,No3,269-283,March 1966.

しかしながら、電離層を介して伝播する電波においては、電波が地表面で反射して再度伝播するマルチホップ伝播や、地球磁場の影響で電離層において１つの電波が正常波と異常波との２つに分離して伝播する現象が生じるため、算出した伝播経路から送信源の位置を推定することが困難であった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができるアレイアンテナ装置および送信源位置推定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のアレイアンテナ装置は、電離層を通過して到来した電波を受信する複数のアンテナと、前記複数のアンテナの受信信号に基づいて前記電波の到来方位および仰角を算出する方位算出手段と、複数の観測時刻において観測した航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号の電離層での周波数による伝播遅延量の差に基づいて、前記衛星信号の通過経路における総電子数を算出するとともに、この算出した総電子数を用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて、前記複数の観測時刻における３次元的な電離層電子密度分布をそれぞれ算出する電離層密度推定手段と、前記方位算出手段で算出した前記到来方位および前記仰角と、前記電離層密度推定手段で算出した前記複数の観測時刻における前記電離層電子密度分布とを用い、前記電波が電離層において正常波と異常波との２つに分離し、かつ前記電波が地表に到達する地点で反射して再度伝播するとした場合における前記電波の複数の推定伝播経路を前記観測時刻ごとに算出し、前記複数の推定伝播経路のそれぞれにおいて地表に到達する複数の地点を、前記電波の送信源位置の候補となる複数の送信源候補位置として前記観測時刻ごとに算出する送信源候補位置算出手段と、前記複数の送信源候補位置のそれぞれについて前記複数の観測時刻間の分散値を算出し、前記複数の送信源候補位置のうち前記分散値が最小となる前記送信源候補位置を真の送信源位置として算出する送信源位置算出手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の送信源位置推定方法は、電離層を通過して到来した電波を受信した複数のアンテナの受信信号に基づいて前記電波の到来方位および仰角を算出するステップと、複数の観測時刻において観測した航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号の電離層での周波数による伝播遅延量の差に基づいて、前記衛星信号の通過経路における総電子数を算出するとともに、この算出した総電子数を用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて、前記複数の観測時刻における３次元的な電離層電子密度分布をそれぞれ算出するステップと、前記到来方位および前記仰角と、前記複数の観測時刻における前記電離層電子密度分布とを用い、前記電波が電離層において正常波と異常波との２つに分離し、かつ前記電波が地表に到達する地点で反射して再度伝播するとした場合における前記電波の複数の推定伝播経路を前記観測時刻ごとに算出し、前記複数の推定伝播経路のそれぞれにおいて地表に到達する複数の地点を、前記電波の送信源位置の候補となる複数の送信源候補位置として前記観測時刻ごとに算出するステップと、前記複数の送信源候補位置のそれぞれについて前記複数の観測時刻間の分散値を算出し、前記複数の送信源候補位置のうち前記分散値が最小となる前記送信源候補位置を真の送信源位置として算出するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができるアレイアンテナ装置および送信源位置推定方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように本実施の形態に係るアレイアンテナ装置は、受信信号処理部１と、衛星観測部２と、インターネットデータ処理部３と、電離層密度推定部４と、伝播経路推定部５と、データサーバ部６とを備える。上記各部は、ＬＡＮ（Local Area Network）等からなるネットワーク７を介して互いに接続されている。

受信信号処理部１は、複数のアンテナ１１ａ，１１ｂ，…，１１ｎからなるアレイアンテナ１１と、アンプ１２ａ，１２ｂ，…，１２ｎと、周波数変換部１３ａ，１３ｂ，…，１３ｎと、Ａ／Ｄ変換部１４ａ，１４ｂ，…，１４ｎと、演算部１５とを備える。

アンテナ１１ａ〜１１ｎは、送信源（図示せず）から発信され、電離層を通過して到来する例えばＨＦ帯の電波を受信して受信信号を出力する。

アンプ１２ａ〜１２ｎは、それぞれアンテナ１１ａ〜１１ｎから入力される信号を増幅し、周波数変換部１３ａ〜１３ｎに出力する。

周波数変換部１３ａ〜１３ｎは、アンプ１２ａ〜１２ｎで増幅された信号をベースバンドの信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換部１４ａ〜１４ｎは、周波数変換部１３ａ〜１３ｎから入力される信号をＡ／Ｄ変換してデジタル受信信号を出力する。

演算部１５は、各Ａ／Ｄ変換部１４ａ〜１４ｎから入力されるデジタル受信信号から、周知のＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法や独立成分分析(ＩＣＡ：Independent Component Analysis)の手法などを用いて、送信源からの電波の到来方位および仰角を算出するようになっており、方位算出手段を構成している。

衛星観測部２は、衛星信号受信アンテナ２１と、衛星信号受信部２２とを備える。衛星信号受信部２２は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星、Ｇａｌｉｌｅｏ衛星、準天頂衛星などの航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号を、衛星信号受信アンテナ２１を介して受信し、この衛星信号をネットワーク７を介して電離層密度推定部４へ供給する。

インターネットデータ処理部３は、ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理部３１と、中継部３２とを備える。

ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理部３１は、一般に公開されているＧＰＳ観測データを、国土地理院が管理するＧＰＳ受信観測網（ＧＥＯＮＥＴ）や、国際的にＧＰＳ観測データを公開しているＩＧＳ（International GPS Service for Geodynamics）などからインターネット８を介して取得する。

中継部３２は、スイッチングハブあるいはルータにより構成され、ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理部３１で取得した各種データを、ネットワーク７を介して電離層密度推定部４へ出力する。

なお、インターネットデータ処理部３は、外部とのつながりあるため、ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理部３１および中継部３２は、ファイアオール機能を有するものとする。

電離層密度推定部４は、衛星信号受信部２２から供給される複数周波数の衛星信号から、航法衛星の位置を算出するとともに、各周波数の伝搬遅延量の違いを用いて、衛星信号の通過経路に存在する総電子数（ＴＥＣ：Total Electron Content）を算出し、この算出したＴＥＣを用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて３次元的な電離層電子密度分布を算出する。

伝播経路推定部５は、演算部１５で算出した到来方位および仰角と、電離層密度推定部４で複数の観測時刻において観測された衛星信号から算出した電離層電子密度分布とを用い、レイトレーシング手法により、観測時刻ごとに、電波が地球磁場の影響で電離層において正常波と異常波との２つに分離し、かつマルチホップ伝播するとした場合に推定される複数の伝播経路である推定伝播経路を算出するとともに、電波の送信源位置の候補となる複数の送信源候補位置を算出するようになっており、送信源候補位置算出手段を構成している。

また、伝播経路推定部５は、複数の送信源候補位置から、後述する手順により、真の送信源位置を推定するようになっており、送信源位置算出手段を構成している。

データサーバ部６は、上記各部で得られた各種演算結果や各種データを、ネットワーク７を介して受け取り、これらを記憶する。

次に、上記のように構成された本実施の形態に係るアレイアンテナ装置の動作について説明する。

アンテナ１１ａ〜１１ｎは、送信源（図示せず）から発信され、電離層を通過して到来する例えばＨＦ帯の電波を受信して受信信号を出力する。アンプ１２ａ〜１２ｎは、それぞれアンテナ１１ａ〜１１ｎから入力される信号を増幅し、周波数変換部１３ａ〜１３ｎは、アンプ１２ａ〜１２ｎで増幅された信号をベースバンドの信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部１４ａ〜１４ｎは、周波数変換部１３ａ〜１３ｎから入力される信号をＡ／Ｄ変換してデジタル受信信号を演算部１５に出力する。

そして、演算部１５は、Ａ／Ｄ変換部１４ａ〜１４ｎから入力されるデジタル受信信号から、ＭＵＳＩＣ法や独立成分分析の手法などを用いて、送信源からの電波の到来方位および仰角を算出する。

一方、衛星観測部２の衛星信号受信部２２は、航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号を、衛星信号受信アンテナ２１を介して受信し、受信した衛星信号をネットワーク７を介して電離層密度推定部４へ供給する。

電離層密度推定部４は、衛星信号受信部２２から供給される複数周波数の衛星信号から、衛星信号の通過経路のＴＥＣを算出し、この算出したＴＥＣを用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて３次元的な電離層電子密度分布を算出する。

ここで、電離層電子密度分布モデルを補正する手順について説明する。ここでは、衛星信号としてＧＰＳのＬ１，Ｌ２信号を用いる場合について説明する。

以下の（数式１）により衛星測位における擬似距離（コード距離、シュードレンジ）が算出され、（数式２）により位相距離（フェーズ距離）が算出される。なお、（数式１），（数式２）における添え字中の“Ｌ１ｏｒＬ２”はＬ１，Ｌ２のいずれかを示す。

２つの周波数の観測値を引いた結果とＴＥＣとの関係は、以下の（数式３），（数式４）のように示される。

ここで、ρは擬似距離、φは位相距離、ｒは真の距離、ｃは光速、ｆは衛星信号の周波数、λは衛星信号の波長、δｔ_ｕは衛星観測部２の時刻誤差、δｔ^Ｓは航法衛星の時刻誤差、Ｉは電離層伝搬遅延量、Ｔは対流圏伝搬遅延量、Ｎ_ａｍｂは整数不確定値、εは観測誤差である。

上記（数式３）より、ＴＥＣは次の（数式５）のように求められる。

この（数式５）のままでは誤差ε´が大きいため、位相を使ったスムージング方法や、特願２００８−２６４３９に記載された方法により誤差ε´を小さくする。スムージングによる方法として、以下の（数式６）が得られる。

ここで、ｍはデータ収集の時刻順につけた番号、Ｋはスムージングの定数であり、適宜変更していく。Ｋはサンプリング時間間隔にも依存し、時定数を１８０秒程度に取る。したがって、Ｋ＝１８０／ｄｔ（ｄｔ：サンプリング時間間隔）となる。

一方、ＴＥＣについての考えから、以下の（数式７）のように、通過経路の電子密度を積分することにより、ＴＥＣを求めることができる。

ここで、関数ｆをＩＲＩモデルなどの電離層電子密度分布モデル関数とし、モデル値を決めるパラメータを、ｓ，α，β，…等とする。Ｐ（ｓ）は、位置を示すパラメータで、その他は、電子密度の分布形状を決めるものである。また、ｇは衛星を識別するための識別子であり、（数式７）は、衛星Ｍ_ｇから受信観測点Ｒまでに渡って電離層電子密度分布モデル関数ｆを経路に沿って積分した結果を示す。

なお、電離層電子密度分布モデルでモデル値を決める太陽黒点数などのパラメータは、インターネットで公開されているので、それをインターネットデータ処理部３を介して取得する。

そして、衛星観測により算出した（数式６）の観測ＴＥＣと、電離層電子密度分布モデルより算出した（数式７）のモデルＴＥＣとを比較し、両者の誤差が最小になるようにパラメータα，β，…を補正し、この補正したパラメータを用いることにより、電離層電子密度分布モデルを補正する。

観測ＴＥＣとモデルＴＥＣとの誤差が最小になるようにパラメータを補正する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、各パラメータを乱数で変化させ、最も誤差が小さくなるパラメータを使用するなどの方法がある。

なお、上述の観測ＴＥＣを求める際、インターネットで公開されている衛星信号の観測データがあれば、インターネットデータ処理部３でその観測データを取得し、この観測データを使用して観測ＴＥＣを求めるようにしてもよい。

上記のように補正した電離層電子密度分布モデルを用いて、電離層密度推定部４は、３次元的な電離層電子密度分布を準リアルタイムで算出する。

次いで、伝播経路推定部５は、演算部１５で算出した到来方位および仰角と、電離層密度推定部４で算出した電離層電子密度分布とを用い、レイトレーシング手法により、アレイアンテナ１１で受信した電波の伝播経路、および電波の送信源位置の候補となる送信源候補位置を算出する。

この際、前述のように、電離層を介して伝播する電波においては、マルチホップ伝播や、地球磁場の影響で電離層において１つの電波が正常波と異常波との２つに分離して伝播する現象が生じるため、これらを考慮した複数の伝播経路を推定伝播経路として算出する。

図２は、ある観測時刻において算出する推定伝播経路および送信源候補位置のパターンを示す図である。

図２において、Ｏモード、Ｘモードは、それぞれ正常波伝播モード、異常波伝播モードで経路を計算することを示している。Ｐ_０は受信位置、すなわちアレイアンテナ１１の設置位置を示し、Ｐ_ｉｊは送信源候補位置の識別子を示している。この添え字中のｉはホップの回数、ｊはホップごとの送信源候補位置の通し番号を示している。

伝播経路推定部５は、まず、受信位置Ｐ_０から、受信した電波がＯモードである場合の経路と、Ｘモードである場合の経路とを算出し、それぞれの経路が地表に到達した地点を、送信源候補位置Ｐ_１１，Ｐ_１２とする。そして、Ｐ_１１，Ｐ_１２で電波が反射するものとして、Ｐ_１１，Ｐ_１２からそれぞれＯモード、Ｘモードで伝播経路を算出する。以降、同様の計算を繰り返すことにより、送信源候補位置としてＰ_２１〜Ｐ_２４，Ｐ_３１〜Ｐ_３８，…を算出する。

送信源候補位置は、１ホップごとに２^ｎ個（ｎはホップ数）だけ増える。実際の電波伝播では、伝播するごとに信号強度が減衰していくため、数ホップ程度を考えれば十分である。例えば４ホップまでを考えると、図２に示すように、送信源候補位置は、Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_２１〜Ｐ_２４，Ｐ_３１〜Ｐ_３８，Ｐ_４１〜Ｐ_４１６の３０個となる。

このように、マルチホップ伝播および地球磁場の影響を考慮すると、ある観測時刻において、図２に示す例では、Ｐ_０からＰ_４１〜Ｐ_４１６のそれぞれに至る１６本の推定伝搬経路と、３０個の送信源候補位置Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_２１〜Ｐ_２４，Ｐ_３１〜Ｐ_３８，Ｐ_４１〜Ｐ_４１６とが算出される。

これらの送信源候補位置の中から、真の送信源位置を見つけ出すために、本実施の形態では、複数の観測時刻においてそれぞれ算出した複数の送信源候補位置を用いる。

伝播経路推定部５は、複数の観測時刻のそれぞれについて、衛星観測部２で観測した衛星信号を用いて電離層密度推定部４で算出された電離層電子密度分布を用いて、上述の手順により、４ホップの場合であれば１６本の推定伝搬経路と、３０個の送信源候補位置Ｐ_１１，Ｐ_１２，Ｐ_２１〜Ｐ_２４，Ｐ_３１〜Ｐ_３８，Ｐ_４１〜Ｐ_４１６とを算出する。

そして、伝播経路推定部５は、各送信源候補位置について、以下の（数式８）により複数の観測時刻間の平均Ｐ_ｉｊ ^Ｍを算出し、（数式９）により分散σ_ｉｊを算出する。

ここで、添え字ｕは、送信源候補位置Ｐ_ｉｊを算出する際に、電離層電子密度分布を算出するために衛星信号を観測した観測時刻の識別子、Ｎは観測時刻の数を示す。

地球磁場の影響や、時間経過による電離層電子密度分布の変化により、電波の伝搬経路の方位は常に変化する。このため、真の送信源位置以外の送信源候補位置は、時刻によってその位置が大きく変化していく。

したがって、真の送信源位置においては、（数式９）で求められる分散σ_ｉｊが、他の送信源候補位置よりも小さくなっているはずであり、伝播経路推定部５は、分散σ_ｉｊが最小となる送信源候補位置Ｐ_ｉｊを求め、これを真の送信源位置とする。

以上説明したように本実施の形態によれば、複数の観測時刻ごとにマルチホップ伝播や地球磁場の影響を考慮して算出した複数の送信源候補位置のそれぞれについて、複数の観測時刻間の分散σ_ｉｊを算出し、複数の送信源候補位置のうち分散σ_ｉｊが最小となる送信源候補位置を真の送信源位置として算出するので、マルチホップ伝播や地球磁場の影響がある場合でも、電離層を通過して到来した電波の送信源の位置を推定することができる。

なお、本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の実施の形態に係るアレイアンテナ装置の構成を示すブロック図である。推定伝播経路および送信源候補位置のパターンを示す図である。

符号の説明

１受信信号処理部
２衛星観測部
３インターネットデータ処理部
４電離層密度推定部
５伝播経路推定部
６データサーバ部
７ネットワーク
８インターネット
１１アレイアンテナ
１１ａ，１１ｂ，…，１１ｎアンテナ
１２ａ，１２ｂ，…，１２ｎアンプ
１３ａ，１３ｂ，…，１３ｎ周波数変換部
１４ａ，１４ｂ，…，１４ｎＡ／Ｄ変換部
１５演算部
２１衛星信号受信アンテナ
２２衛星信号受信部
３１ＧＥＯＮＥＴ収集データ処理部
３２中継部

Claims

電離層を通過して到来した電波を受信する複数のアンテナと、
前記複数のアンテナの受信信号に基づいて前記電波の到来方位および仰角を算出する方位算出手段と、
複数の観測時刻において観測した航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号の電離層での周波数による伝播遅延量の差に基づいて、前記衛星信号の通過経路における総電子数を算出するとともに、この算出した総電子数を用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて、前記複数の観測時刻における３次元的な電離層電子密度分布をそれぞれ算出する電離層密度推定手段と、
前記方位算出手段で算出した前記到来方位および前記仰角と、前記電離層密度推定手段で算出した前記複数の観測時刻における前記電離層電子密度分布とを用い、前記電波が電離層において正常波と異常波との２つに分離し、かつ前記電波が地表に到達する地点で反射して再度伝播するとした場合における前記電波の複数の推定伝播経路を前記観測時刻ごとに算出し、前記複数の推定伝播経路のそれぞれにおいて地表に到達する複数の地点を、前記電波の送信源位置の候補となる複数の送信源候補位置として前記観測時刻ごとに算出する送信源候補位置算出手段と、
前記複数の送信源候補位置のそれぞれについて前記複数の観測時刻間の分散値を算出し、前記複数の送信源候補位置のうち前記分散値が最小となる前記送信源候補位置を真の送信源位置として算出する送信源位置算出手段と
を備えることを特徴とするアレイアンテナ装置。
電離層を通過して到来した電波を受信した複数のアンテナの受信信号に基づいて前記電波の到来方位および仰角を算出するステップと、
複数の観測時刻において観測した航法衛星から送信される複数周波数の衛星信号の電離層での周波数による伝播遅延量の差に基づいて、前記衛星信号の通過経路における総電子数を算出するとともに、この算出した総電子数を用いて電離層電子密度分布モデルを補正し、この補正した電離層電子密度分布モデルを用いて、前記複数の観測時刻における３次元的な電離層電子密度分布をそれぞれ算出するステップと、
前記到来方位および前記仰角と、前記複数の観測時刻における前記電離層電子密度分布とを用い、前記電波が電離層において正常波と異常波との２つに分離し、かつ前記電波が地表に到達する地点で反射して再度伝播するとした場合における前記電波の複数の推定伝播経路を前記観測時刻ごとに算出し、前記複数の推定伝播経路のそれぞれにおいて地表に到達する複数の地点を、前記電波の送信源位置の候補となる複数の送信源候補位置として前記観測時刻ごとに算出するステップと、
前記複数の送信源候補位置のそれぞれについて前記複数の観測時刻間の分散値を算出し、前記複数の送信源候補位置のうち前記分散値が最小となる前記送信源候補位置を真の送信源位置として算出するステップと
を含むことを特徴とする送信源位置推定方法。