JP2015175662A - 目標測位システムおよび目標測位方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の測位精度を向上させることができる目標測位システムおよび目標測位方法を提供する。
【解決手段】移動速度算出部は、複数のドップラー速度算出部それぞれで算出された複数のドップラー速度情報から目標の移動速度を算出する。予想エリア設定部は、複数の受信装置間それぞれの双曲面に移動速度算出部で算出された目標の移動速度を加味して、次時刻の予想双曲面を複数算出し、算出された次時刻の複数の予想双曲面の論理積を次時刻に目標が測位されると予想される予想エリアとして設定する。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、例えば、航空機等の目標を測位する目標測位システムおよび目標測位方法に関する。

空港等の拡張に伴い、複雑化する航空管制業務への支援および滑走路への誤進入対策として、マルチラテレーション（ＭＬＡＴ）と呼ばれる目標測位システムの運用および整備が進められている。

マルチラテレーションとは、航空機等の目標から発信される信号を地上に配置される複数の受信局（センサ）で受信し、各センサの受信時刻（ＴＯＡ：Time of Arrival）の差から航空機等の位置を推定するシステムである。このマルチラテレーションによれば、例えば、現用の空港面探知レーダ（ＡＳＤＥ：Airport Surface Detection Equipment）がカバーできない領域(ブラインドエリア)の監視が可能になる。

特開２０１３―４４６０２号公報

「空港面監視用マルチラテレーションについて」、電子航法研究所研究発表会（第１１回平成２３年６月）

しかしながら、従来のマルチラテレーションは、目標の測位精度が各受信局の配置に依存するため、目標の位置によっては、測位誤差が大きくなる、または全く異なる位置に測位結果が現れるという問題が生じる。

そこで、本実施形態の目的は、目標の測位精度を向上させることができる目標測位方法およびこの目標測位方法を用いる目標測位システムを提供することにある。

本実施形態によれば、目標測位システムは、複数の受信装置、複数のドップラー速度算出部、目標測位部、移動速度算出部および予想エリア設定部を具備する。複数の受信装置は、目標から所定の送信周波数で発信される信号を受信する。複数のドップラー速度算出部は、前記目標から発信される信号の送信周波数および前記複数の受信装置それぞれで受信された信号の受信周波数の差に基づいて、前記複数の受信装置それぞれから見た目標のドップラー速度を算出する。目標測位部は、前記複数の受信装置それぞれで受信された信号の受信時刻の差に基づいて、前記複数の受信装置間の双曲線を算出し、前記複数の受信装置間それぞれで算出された双曲線同士の交点を求めることで前記目標を測位する。移動速度算出部は、前記複数のドップラー速度算出部それぞれで算出された複数のドップラー速度情報から前記目標の移動速度を算出する。予想エリア設定部は、前記複数の受信装置間それぞれの双曲面に前記移動速度算出部で算出された目標の移動速度を加味して、次時刻の予想双曲面を複数算出し、前記算出された次時刻の複数の予想双曲面の論理積を前記次時刻に目標が測位されると予想される予想エリアとして設定する。

本実施形態に係る目標測位システムの全体構成を示す概略図。 図１に示す目標測位システムの構成を示すブロック図。 図２に示す受信局から見た目標のドップラー速度を示す概略図。 図２に示す測位処理装置の構成を示すブロック図。 図４に示す測位処理装置の処理動作による予想エリアの設定過程を示す概略図。 図４に示す測位処理装置の処理動作を示すフローチャート。

以下、本実施形態に係る目標測位システムおよび目標測位方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る目標測位システムの全体構成を示す概略図である。

図１に示す目標測位システムは、航空機等の目標Ｏに設置されるトランスポンダ（応答装置）２００からアンテナ１３を介して発信される信号（例えば、モードＳ信号）を地上に設置される複数の受信局で受信して、当該複数の受信局間におけるモードＳ信号の受信時刻（ＴＯＡ：Time of Arrival）の差から、目標Ｏを測位するシステムである。本実施形態の目標測位システムでは、双曲線測位により目標Оを測位する。この目標測位システムは、複数の受信局（センサ）Ａ〜Ｃおよび管制塔１００に設けられる測位処理装置４を備える。

複数の受信局Ａ〜Ｃは、目標Ｏに設置されるトランスポンダ２００からアンテナ１３を介して発信される信号を受信する。

測位処理装置４は、例えば、空港等における航空管制業務を一括管理する管制塔１００に設けられ、複数の受信局Ａ〜Ｃで受信される信号に基づいて、目標Ｏを測位する。

図２は、図１に示す目標測位システムの構成を示すブロック図である。なお、図２では、例として受信局Ａの構成を示し、受信局ＢおよびＣの構成は、受信局Ａと同様の構成とする。

図２に示す目標測位システムにおいて、受信局Ａは、受信装置２および速度成分算出器３を備える。

受信装置２は、アンテナ１１、アンテナ１２、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機２１および信号受信機２２を有する。

ＧＰＳ受信機２１は、アンテナ１１を介して、ＧＰＳ衛星が発信する時刻情報（ＧＰＳ時刻）が含まれるＧＰＳ信号を受信する。

信号受信機２２は、アンテナ１２を介して、目標Ｏに設置されるトランスポンダ２００からアンテナ１３を介して発信されたモードＳ信号を受信する。このモードＳ信号とは、目標Оごとに一意に割り当てられたアドレスに基づいて、一括または個別に質問応答を実施する信号である。信号受信機２２で受信されたモードＳ信号は、例えば、目標Ｏの高度情報や目標Ｏの識別情報等が含まれる。また、信号受信機２２では、ＧＰＳ受信機２１で受信されたＧＰＳ信号のＧＰＳ時刻を参照して、受信信号の受信時刻を表すタイムスタンプをモードＳ信号（受信信号）に付加する。タイムスタンプが付加された受信信号は、信号受信機２２から速度成分算出器３へ伝送される。

速度成分算出器３は、目標Оのトランスポンダ２００から発信されたモードＳ信号の送信周波数（中心周波数）(例えば、１０９０ＭＨｚ)と、信号受信機２２で受信された受信信号の受信周波数との差を計算し、受信局から見た目標Оのドップラー速度Ｖｍ_ｘ（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ，…）を算出する。式（１）は、ドップラー速度Ｖｍ_ｘを算出する式の一例である。

本実施形態の目標測位システムでは、上記ドップラー速度Ｖｍ_ｘの算出処理を各受信局Ａ〜Ｃで実施する。各受信局Ａ〜Ｃで算出されたドップラー速度Ｖｍ_Ａ〜Ｖｍ_Ｃ情報および受信信号に付加されたタイムスタンプ情報は、速度成分算出器３から測位処理装置４へ伝送される。

図３は、図２に示す受信局Ａから見た目標Оのドップラー速度Ｖｍ_Ａを示す概略図である。図３に示すように、ドップラー速度Ｖｍ_Ａは、目標Оが受信局Ａから離れる向きを＋とし、目標Оが受信局Ａへ近づく向きを−とする。なお、受信局Ｂ〜Ｃから見た目標Оのドップラー速度Ｖｍ_Ｂ〜Ｖｍ_Ｃについても、＋と−の向きは、受信局Ａと同様である。

図４は、図２に示す測位処理装置４の構成を示すブロック図である。

測位処理装置４は、情報収集部４１、目標測位部４２、予想エリア設定部４３および判定部４４を有する。

情報収集部４１は、各受信局Ａ〜Ｃから、ドップラー速度Ｖｍ_Ａ〜Ｖｍ_Ｃおよびタイムスタンプを収集する。

目標測位部４２は、情報収集部４１で収集されたタイムスタンプを参照して、各受信局Ａ〜Ｃにおける受信信号の受信時刻の差を計算し、双曲線測位により目標Оを測位する。例えば、受信局Ａ、Ｂ、Ｃの３か所を用いる場合、受信局Ａ−Ｂ間、受信局Ｂ−Ｃ間および受信局Ｃ−Ａ間でそれぞれ計算される双曲線同士の交点を求めることで目標Ｏの位置Ｔを推定する。

予想エリア設定部４３は、次に各受信局Ａ〜Ｃによりトランスポンダ２００から発信される受信信号が受信される受信時刻（以降、次時刻と表記）に目標Оが測位されると予想される予想エリアを設定する。この予想エリア設定部４３は、移動速度算出部４３−１、予想双曲面算出部４３−２およびマージン付加部４３−３を有する。

移動速度算出部４３−１は、情報収集部４１で収集されたドップラー速度Ｖｍ_Ａ〜Ｖｍ_Ｃから目標Ｏの移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を算出する。式（２）は、目標Ｏの移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を算出する式の一例であり、式（２）を満たす移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を求める。なお、Ｖｍ_ｘは、受信局Ａから目標Оに向かった向きを＋とし、目標Оが受信局Ａへ近づく向きを−とする。また、受信局Ｂ、受信局Ｃについても同様にして定式化し、３元１次方程式を解き、移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を算出する。

予想双曲面算出部４３−２は、受信局間で測位処理を実施する過程で計算された双曲面を現時刻の双曲面とし、計算された現時刻の双曲面の各点に上記移動速度算出部４３−１で算出された移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を加味した双曲面を算出する。予想双曲面算出部４３−２は、算出した双曲面を次時刻の予想双曲面とする。

マージン付加部４３−３は、予想双曲面算出部４３−２で算出された次時刻の予想双曲面に座標として±のマージンを付加する。

図５は、図４に示す測位処理装置４の処理動作による予想エリアの設定過程を示す概略図である。

予想エリア設定部４３は、例えば、図５（ａ）に示すように、目標測位部４２にて受信局Ａ−Ｂ間で測位処理を実施する過程で計算された双曲面を現時刻の双曲面とする。予想双曲面算出部４３−２は、図５（ｂ）に示すように、目標測位部４２で計算された現時刻の双曲面の各点に、上記移動速度算出部４３−１で算出された移動速度Ｖｍを加味した双曲面を算出する。この算出した双曲面を次時刻の予想双曲面とする。さらに、マージン付加部４３−３は、図５（ｃ）に示すように、予想双曲面算出部４３−２で算出された次時刻の予想双曲面に座標として±のマージンを付加し、マージンを付加した予想双曲面の範囲をエリアフィルタとする。予想エリア設定部４３は、受信局Ａ−Ｂ間の他に、受信局Ｂ−Ｃ間および受信局Ｃ−Ａ間におけるエリアフィルタを算出し、算出した各受信局間のエリアフィルタの論理積をとる。予想エリア設定部４３は、各受信局間のエリアフィルタの論理積を、次時刻に目標Оが測位されると予想される予想エリアとして設定する。

判定部４４は、目標測位部４２において、次時刻に測位された目標Оが、予想エリア設定部４３で設定された予想エリアに含まれるかを判定する。次時刻の目標Оが設定された予想エリアに含まれる場合、測位処理装置４は、次時刻の測位結果を表示装置等へ出力する。また、目標測位部４２において、次時刻に測位された目標Оが、設定された予想エリアに含まれない場合、測位処理装置４は、次時刻の測位結果を破棄し、処理動作を情報収集部４１へ戻す。

ここで、上記構成における測位処理装置４の処理動作を以下に説明する。

図６は、図４に示す測位処理装置４の処理動作を示すフローチャートである。

図６に示すように、測位処理装置４は、情報収集部４１にて、各受信局Ａ〜Ｃから、ドップラー速度Ｖｍ_Ａ〜Ｖｍ_Ｃおよびタイムスタンプを収集する（ステップＳＴ１）。

次に、測位処理装置４は、目標測位部４２にて、情報収集部４１で収集されたタイムスタンプを参照して、各受信局Ａ〜Ｃ間における受信信号の受信時刻の差を計算し、双曲線測位により目標Оを測位する（ステップＳＴ２）。

次に、測位処理装置４は、移動速度算出部４３−１にて、情報収集部４１で収集されたドップラー速度Ｖｍ_Ａ〜Ｖｍ_Ｃから目標Ｏの移動速度Ｖｍ（ベクトル成分）を算出する。（ステップＳＴ３）。

測位処理装置４は、予想双曲面算出部４３−２にて、目標測位部４２で計算された現時刻の双曲面の各点に、上記移動速度算出部４３−１で算出された移動速度Ｖｍを加味した双曲面を算出する。この算出した双曲面を次時刻の予想双曲面とする（ステップＳＴ４）。測位処理装置４は、マージン付加部４３−３にて、予想双曲面算出部４３−２で算出された次時刻の予想双曲面に座標として±のマージンを付加し（ステップＳＴ５）、マージンを付加した予想双曲面の範囲をエリアフィルタとする。測位処理装置４は、受信局Ａ−Ｂ間の他に、受信局Ｂ−Ｃ間および受信局Ｃ−Ａ間におけるエリアフィルタを算出し、算出した各受信局間のエリアフィルタの論理積をとる。測位処理装置４は、各受信局間のエリアフィルタの論理積を、次時刻に目標Оが測位されると予想される予想エリアとして設定する（ステップＳＴ６）。

予想エリア設定部４３にて予想エリアが設定された後、測位処理装置４は、次時刻での目標Оの測位処理を実施する（ステップＳＴ７）。なお、ステップＳＴ７において、測位処理装置４は、目標測位部４２にて、次時刻に情報収集部４１で収集されたタイムスタンプを参照して、各受信局Ａ〜Ｃ間における受信信号の受信時刻の差を計算し、双曲線測位により次時刻の目標Оを測位する。

ここで、測位処理装置４は、判定部４４にて、目標測位部４２において次時刻に測位された目標Оが、予想エリア設定部４３で設定された予想エリアに含まれるかを判定する（ステップＳＴ８）。目標測位部４２にて、次時刻に測位される目標Оが予想エリアで測位された場合（ステップＳＴ８のＹｅｓ）、測位処理装置４は、次時刻の測位結果を表示装置等に出力し（ステップＳＴ９）、処理動作をステップＳＴ１へ戻す。また、目標測位部４２にて、次時刻に測位される目標Оが予想エリアに含まれない場合（ステップＳＴ８のＮｏ）、測位処理装置４は、次時刻の測位結果を破棄し、処理動作をステップＳＴ１へ戻す。

上記構成によれば、本実施形態の目標測位システムは、予想エリア設定部４３にて、次時刻に目標Оが測位されると予想される予想エリアを設定する。これにより、目標測位システムは、建造物による反射や遮蔽の影響等により目標Оの測位誤差が大きくなっても、予想エリアの範囲を超えた測位誤差が大きい目標Оは誤検出と判定されるため、測位誤差を予想エリア内まで低減することが可能である。また、目標測位システムは、全く異なる位置に測位結果が現れる場合であっても、予想エリア外であるため誤検出と判定することが可能である。

したがって、本実施形態の目標測位システムは、目標Оの測位精度を向上させることができる。

また、本実施形態は、マルチラテレーション（ＭＬＡＴ）に実施したものであるが、同じ測位方式を持つワイドエリアマルチラテレーション（ＷＡＭ）および楕円測位を用いるＭＳＰＳＲ（マルチスタティックＰＳＲ）に適用することが可能である。

なお、本実施形態の目標測位システムでは、ＧＰＳ受信機２１で受信されるＧＰＳ信号により時刻情報を取得していたが、これに限らない。本実施形態の目標測位システムは、共通クロック等、時刻情報を取得可能な他の装置を用いて取得してもよい。

また、図１では、具体例として、３つの受信局Ａ〜Ｃが地上に配置される目標測位システムを示したが、４つ以上の受信局が地上に配置される目標測位システムであってもよい。

また、次時刻の予想双曲面に付加される±のマージンは、求められる目標Оの測位精度に応じて任意に設定してもよい。上記ＷＡＭの±のマージンは、例えば、±３０ｍに設定してもよい。

以上、実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

О…目標、１００…管制塔、Ａ〜Ｃ…受信局、２００…トランスポンダ、１１〜１３…アンテナ、２…受信装置、２１…ＧＰＳ受信機、２２…信号受信機、３…速度成分算出器、４…測位処理装置、４１…情報収集部、４２…目標測位部、４３…予想エリア設定部、４３−１…移動速度算出部、４３−２…予想双曲面算出部、４３−３…マージン付加部、４４…判定部。

Claims (4)

1. 目標から所定の送信周波数で発信される信号を受信する複数の受信装置と、
   前記目標から発信される信号の送信周波数および前記複数の受信装置それぞれで受信された信号の受信周波数の差に基づいて、前記複数の受信装置それぞれから見た目標のドップラー速度を算出する複数のドップラー速度算出部と、
   前記複数の受信装置それぞれで受信された信号の受信時刻の差に基づいて、前記複数の受信装置間の双曲線を算出し、前記複数の受信装置間それぞれで算出された双曲線同士の交点を求めることで前記目標を測位する目標測位部と、
   前記複数のドップラー速度算出部それぞれで算出された複数のドップラー速度情報から前記目標の移動速度を算出する移動速度算出部と、
   前記複数の受信装置間それぞれの双曲面に前記移動速度算出部で算出された目標の移動速度を加味して、次時刻の予想双曲面を複数算出し、前記算出された次時刻の複数の予想双曲面の論理積を前記次時刻に目標が測位されると予想される予想エリアとして設定する予想エリア設定部と
   を具備する目標測位システム。
2. 前記予想エリア設定部は、前記次時刻の複数の予想双曲面にマージンを付加する請求項１記載の目標測位システム。
3. 目標から所定の送信周波数で発信される信号を複数個所で受信し、
   前記目標から発信される信号の送信周波数および前記複数の受信装置それぞれで受信された信号の受信周波数の差に基づいて、前記複数の受信装置それぞれから見た目標のドップラー速度を複数算出し、
   前記複数個所で受信された信号それぞれの受信時刻の差に基づいて、前記複数個所間の双曲線を算出し、前記複数個所間それぞれで算出された双曲線同士の交点を求めることで前記目標を測位し、
   前記算出された複数のドップラー速度情報から前記目標の移動速度を算出し、
   前記複数個所間それぞれの双曲面に前記算出された目標の移動速度を加味して、次時刻の予想双曲面を複数算出し、前記算出された次時刻の複数の予想双曲面の論理積を前記次時刻に目標が測位されると予想される予想エリアとして設定する目標測位方法。
4. 前記次時刻の複数の予想双曲面にマージンを付加する請求項３記載の目標測位方法。