JP2016017928A

JP2016017928A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2016017928A
Application number: JP2014142875A
Authority: JP
Inventors: 晃佐丸山; Kosuke Maruyama; 洋志亀田; Hiroshi Kameda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-01

Abstract

【課題】観測中の軌道物体の３次元位置であるプロットを複数抽出し、カルマンフィルタ等を用いた時系列処理を行うことで軌道物体の位置と速度ベクトルを推定する。しかし、軌道物体の軌道要素を推定するためには複数のプロットを推定する必要があり、時間を要する課題があった。【解決手段】軌道物体の位置を１つのプロットとして検出する際に用いられる複数のパルスヒットに対応した受信信号と、軌道物体の運動仮説に基づいて算出された複数のパルスヒットに対応した運動量との整合性に基づき軌道物体の運動仮説を推定し、さらに軌道物体の軌道要素を推定することで、１つのプロットが検出されるのとほぼ同時に軌道要素を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、レーダセンサによって得られる受信信号に基づき物体の軌道要素を推定するレーダ装置に関するものである。

レーダセンサによって得られる受信信号に基づき軌道物体の軌道要素を推定する従来のレーダ装置としては、例えば、非特許文献１、２に記載された構成がある。この従来のレーダ装置では、レーダセンサによって一定時間の観測を行い、軌道物体からの受信信号に対する信号処理および検出処理を行うことで、軌道物体の３次元位置であるプロットを抽出する。この観測を複数回行い、観測毎のプロットに対してカルマンフィルタ等を用いた時系列処理を行うことで観測中の軌道物体の位置と速度ベクトルを推定する。従来のレーダ装置は、推定された位置と速度ベクトル、および軌道物体に関する運動モデルに基づいて、観測中の軌道物体の軌道要素を推定する。

ＯｌｉｖｅｒＭｏｎｔｅｎｂｒｕｃｋ＆ＥｂｅｒｈａｒｄＧｉｌｌ，"ＳａｔｅｌｌｉｔｅＯｒｂｉｔｓ，Ｍｏｄｅｌｓ，ＭｅｔｈｏｄｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ２ｎｄＰｒｉｎｔｉｎｇ，２００１．Ｘ．Ｒ．ＬｉａｎｄＶ．Ｐ．Ｊｉｌｋｏｖ，"ＡＳｕｒｖｅｙｏｆＭａｎｅｕｖｅｒｉｎｇＴａｒｇｅｔＴｒａｃｋｉｎｇ−ＰａｒｔＩＩ：ＢａｌｌｉｓｔｉｃＴａｒｇｅｔＭｏｄｅｌｓ，"Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥＣｏｎｆ．ＳｉｇｎａｌａｎｄＤａｔａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＳｍａｌｌＴａｒｇｅｔｓ，Ｖｏｌｕｍｅ４４７３，ｐ．ｐ．５５９−５８１，Ｊｕｌｙ−Ａｕｇｕｓｔ２００１．

しかしながら、従来のレーダ装置では、軌道物体の軌道要素を推定するために、位置および速度ベクトルで構成された６次元のベクトルが必要となる。この６次元のベクトルを推定するために、物体からの電波の反射を受信することで取得される複数のプロットおよび追尾処理による速度ベクトルの推定が必要となる。そのため、従来のレーダ装置では、複数のプロットを推定するための観測時間を要する問題がある。

また、同一の軌道物体を次の周回などで再び観測する場合には、観測中の軌道物体が過去に観測した軌道物体と同一か否かを判定する同定処理が必要となる。従来技術では、この同定処理にも複数のプロットおよび追尾処理による速度ベクトルの推定が必要となる問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、レーダセンサを用いて１プロットが検出されるのとほぼ同時に軌道要素を推定することができるレーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーダ装置は、軌道物体の位置を１プロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットに対応した信号を受信する受信部と、前記受信部で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を用いて、前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または前記軌道物体の軌道パラメータを算出する算出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るレーダ装置によれば、１プロットが検出されるのとほぼ同時に軌道要素を推定でき、従来技術と比較して短時間で軌道要素を推定できる。

本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成の一例を示すブロック図。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置において、運動仮説に基づいてレンジのシフト量を補正する概念図。

以下、本発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるレーダ装置１の構成の一例を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるレーダ装置１の処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態１におけるレーダ装置１において、軌道物体の三次元空間における運動を、レーダセンサによるパルスヒット毎のレンジおよびドップラに対するシフト量に変換する際の概念を示した説明図である。

図１に示す本発明の実施の形態１のレーダ装置１は、受信部である信号受信手段１０と算出部であるパラメータ算出手段１１を備えており、パラメータ算出手段１１は相関演算部である波形相関演算手段２０、運動量補償型信号処理手段３０、軌道要素推定部である軌道要素推定手段４０を備えている。さらに、運動量補償型信号処理手段３０は、その内部に運動仮説生成部３０１、運動量補償部３０２、積分処理部であるヒット方向信号積分処理部３０３、仮説抽出部３０４を有している。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、軌道要素は、軌道６要素と呼ばれる要素を表す。具体的には、軌道傾斜角、昇交点赤経、離心率、近地点引数、平均近点角、平均運動の６要素が軌道要素に相当する。

次に、各構成要素の機能について説明する。

レーダ装置１は、電波を照射してその反射波を受信するレーダセンサによる複数のパルスヒットに対する受信信号を積分し、軌道を移動する物体である軌道物体の３次元位置である１プロットを得る過程での処理を特徴とする。レーダセンサとしては一般的な技術を用いるため、レーダセンサの動作および機能に関する詳細な説明は省略する。

信号受信手段１０は、既知のアンテナ、モジュール等によって構成され、軌道物体によって反射された電波を受信する。この受信信号は、軌道物体を１プロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットに対応した受信信号であり、パラメータ算出手段１１内の波形相関演算手段２０に対して出力される（ステップＳＴ１０００）。

パラメータ算出手段１１は信号受信手段１０で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を用いて、軌道物体の初期位置と初期速度ベクトル、および軌道物体の軌道パラメータである軌道要素を算出する。以下に、その詳細を説明する。

まず、パラメータ算出手段１１内の波形相関演算手段２０は、信号受信手段１０からのレーダセンサによるパルスヒット毎の受信信号を入力し、送信信号との相関演算を行う。この結果、図３（ａ）に示すような相関信号がパルスヒット毎に、受信信号の遅延時間波形として得られる（ステップＳＴ２０００）。

運動仮説生成部３０１は、例えばレーダセンサによる観測範囲、観測する予定の軌道物体の軌道要素等の事前情報に基づき、軌道物体の運動仮説として三次元直交座標における軌道物体の位置および速度ベクトル（６次元）に関する初期値、すなわち、軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルを設定する（ステップＳＴ３０１１）。

ステップＳＴ３０１１において設定する、三次元直交座標における軌道物体の位置および速度ベクトルに関する初期値は、想定範囲において総当りで設定してもよいし、粒子フィルタ的にランダムに生成してもよい。これは以降の実施の形態においても同様である。

次に、運動仮説生成部３０１は、ステップＳＴ３０１１において設定した三次元直交座標における軌道物体の位置および速度ベクトルに関する初期値と、軌道物体に関する運動モデルに基づき、レーダセンサによるｍ回のパルスヒット分の時間に対する軌道物体の三次元空間内での運動（位置および速度ベクトル）を予測する（ステップＳＴ３０１２）。

ステップＳＴ３０１２における軌道物体に関する運動モデルとしては、例えば、非特許文献２などに示されている軌道物体に関する以下の式（１）に示す運動方程式に基づいたモデルを使用する。あるいは、式（１）以外の、軌道物体について定義された運動方程式に基づいたモデルを使用してもよい。

式（１）において、ｋ＝１，．．，ｍであり、各パルスヒットに対するサンプルを表す。また、μｅは、地心の重力定数である。Ｊ_２は、重力ポテンシャルの第２次調和係数である。ｒ_ｅは、地球の赤道半径である。

運動仮説生成部３０１は、ステップＳＴ３０１２において予測したレーダセンサによるｍ回のパルスヒット分の時間に対する軌道物体の三次元空間内での運動に関する情報を運動量補償部３０２へ出力する。

運動量補償部３０２は、運動仮説生成部３０１より入力した、前記軌道物体のｍ回のパルスヒット分の時間に対する三次元直交座標における運動の予測情報を、レーダセンサから見た距離、距離速度および距離加速度に変換する（ステップＳＴ３０２１）。

前記予測情報の三次元直交座標における運動から、レーダセンサから見た距離Ｒ_ｋ、距離速度Ｒ_ｋ（ドット）および距離加速度Ｒ_ｋ（ダブルドット）への変換は、式（２）によって行われる。

式（２）において、ｓ_ｘ、ｓ_ｙ、ｓ_ｚはレーダセンサの位置のｘ、ｙ、ｚ座標である。また、ｘ_ｋ（ダブルドット）、ｙ_ｋ（ダブルドット）、ｚ_ｋ（ダブルドット）は、式（１）中の加速度のｘ、ｙ、ｚ軸成分である。

次に、運動量補償部３０２は、ステップＳＴ３０２１においてレーダセンサから見た距離速度Ｒ_ｋ（ドット）に変換した予測情報、および波形相関演算手段２０より入力した相互相関の結果である遅延時間波形に基づき、レンジセルのシフトを図３（ｂ）のような形で補正する（ステップＳＴ３０２２）。

このレンジセルのシフトの補正は、波形相関演算手段２０より入力した遅延時間波形の遅延時間に基づく距離から、ステップＳＴ３０２１において距離速度に変換した予測情報に基づくレンジセルのシフト量を差し引くことにより、式（３）のように行われる。

式（３）において、ｃは光速、δ_ｔｋは波形相関演算手段２０より入力した遅延時間波形の遅延時間、Ｒ_ｉ，ｋ（ドット）は運動仮説生成部３０１におけるｉ番目の仮説に基づく距離速度、Ｔはレーダセンサのパルス繰り返し周期、Ｒ´_ｉ，ｋはｉ番目の仮説に基づくレンジセルのシフトの補正後の距離である。

さらに、運動量補償部３０２は、ステップＳＴ３０２１において距離加速度Ｒ_ｋ（ダブルドット）に変換した予測情報に基づき、ｍ回のパルスヒットに対する距離加速度Ｒ_ｋ（ダブルドット）によって遷移する距離変化量δＲ_ｋを計算する（ステップＳＴ３０２３）。

前記距離加速度Ｒ_ｋ（ダブルドット）によって遷移する距離変化量δＲ_ｋは、波形相関演算手段２０の出力である相関波形の位相に付加されており、これがドップラシフトの影響項であることから、距離加速度Ｒ_ｋ（ダブルドット）によって遷移する距離変化量δＲ_ｋの負号を付けた量をパルスヒット毎の位相補償量とする。

次に、ヒット方向信号積分処理部３０３は、運動仮説生成部３０１におけるｉ番目の仮説に基づいて補正されたｍ回のパルスヒット分のレンジセル毎に、運動補償部３０２によって計算した位相補償量をパルスヒット毎の相関波形に乗算し、ヒット方向にコヒーレント積分する（ステップＳＴ３０３０）。

そして、仮説抽出部３０４は、ヒット方向信号積分部３０３の出力である信号積分結果を運動仮説毎に保持し、その振幅が最大となるものを最良仮説として抽出する。運動仮説は位置および速度ベクトルの初期値を表わすことから、出力された最良仮説には、積分結果が最大となる条件としての位置および速度ベクトルの初期値が得られている。これが軌道要素推定手段４０に出力される（ステップＳＴ３０４０）。

そして、軌道要素推定部４０は、前記軌道物体の位置、速度ベクトルの初期値から既知の方法で軌道要素を算出する（ステップＳＴ４０００）。

ここで、軌道要素は、軌道６要素と呼ばれる要素を表す。具体的には、軌道傾斜角、昇交点赤経、離心率、近地点引数、平均近点角、平均運動の６要素が軌道要素に相当する。なお、軌道要素推定部４０が、軌道傾斜角、昇交点赤経、離心率、近地点引数、平均近点角、平均運動の６要素のうちいずれか１つを算出する構成も本願に含まれる。

上述の説明では、仮説抽出部３０４は最良仮説を抽出したが、運動仮説生成部３０１において生成された運動仮説に基づいて算出された複数のパルスヒットに対応した運動量と信号受信手段１０で受信された複数のパルスヒットに対応した信号との整合性の高い運動仮説を抽出する上記以外の構成であっても構わない。

このように、実施の形態１によれば、レーダセンサによるｍ回のパルスヒットの受信信号に対して、軌道物体の運動を仮定した運動モデルに基づくレンジ方向およびドップラ方向のシフトを補正した信号積分処理を行い、かかる信号積分処理の結果として軌道物体の位置が算出されると共に、かかる信号積分処理において軌道物体の運動を仮定した運動モデルによって補正されたレンジ方向およびドップラ方向のシフトに基づいて軌道物体の速度ベクトルが算出されることにより、ｍ回のパルスヒットの受信信号に対する積分処理の結果であるプロットを検出する過程で、軌道物体の位置および速度ベクトルを推定している。

そして、かかる推定された位置および速度ベクトルに基づき、軌道物体の軌道要素を推定している。

すなわち、本実施の形態１では、レーダセンサによる複数のパルスヒットに対する受信信号の積分結果としての１つのプロットを検出する過程で、軌道物体の位置および速度ベクトルならびに軌道要素を算出している。なお、軌道物体の位置および速度ベクトルの代わりに運動仮説の識別番号によって、運動仮説を抽出することも可能である。従って、軌道物体の軌道要素を推定するにあたって軌道物体の位置および速度ベクトルを用いない構成とすることも可能である。

この結果、レーダセンサによる一定時間の観測で得られた複数のプロットに対する追尾処理を行うことを必要とせず、プロットを１個検出する過程で、軌道物体の軌道要素を推定することができる。

以上に述べたように、実施の形態１にかかるレーダ装置１では、軌道物体の位置を１プロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットに対応した信号を受信する受信部である信号受信手段１０と、信号受信手段１０で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を用いて、軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または軌道物体の軌道要素を算出するパラメータ算出手段１１と、を備えたことを特徴とする。

この構成によって、１プロットが検出されるのとほぼ同時に軌道要素を推定でき、従来技術と比較して短時間で軌道要素を推定できる。

また、パラメータ算出手段１１は軌道物体の運動仮説を生成する運動仮説生成部３０１を含み、パラメータ算出手段１１は運動仮説生成部３０１において生成された運動仮説に基づいて算出された複数のパルスヒットに対応した運動量によって信号受信手段１０で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を補正した結果から軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または軌道パラメータを算出することを特徴とする。

この構成を用いることによって、軌道物体の位置を１プロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットを用いて整合性のよい軌道物体の運動仮説を抽出し、初期位置および初期速度ベクトル、または軌道物体の軌道パラメータを算出することが可能となる。

また、パラメータ算出手段１１は信号受信手段１０で受信された複数のパルスヒットに対応した信号と送信信号との相関演算により信号の遅延時間波形をパルスヒットごとに算出する波形相関演算手段２０と、軌道物体の運動仮説を生成する運動仮説生成部３０１と、運動仮説生成部３０１において生成された運動仮説に基づいて、波形相関演算手段２０で算出された遅延時間波形を補正し、位相補償量として出力する運動量補償部３０２と、運動量補償部３０２から出力される位相補償量を複数のパルスヒットに対して積分するヒット方向信号積分処理部３０３と、ヒット方向信号積分処理部３０３で算出された結果に基づき運動仮説または軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルを決定する仮説抽出部３０４と、仮説抽出部３０４で決定された運動仮説または軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルに基づき軌道パラメータを算出する軌道要素推定手段４０を備えたことを特徴とする。

この構成を用いることによって、軌道物体の位置を１プロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットを用いて軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または軌道物体の軌道パラメータを算出することが可能となる。

上述の実施の形態１において、「軌道パラメータ」は主に「軌道要素」を表したが、軌道要素推定部４０が算出可能ないかなるパラメータであっても構わない。また、「位置および速度ベクトルに関する初期値」は「初期位置及び初期速度ベクトル」と呼んでも構わない。

実施の形態１に係る発明は、軌道物体の３次元位置以外に軌道物体の１次元または２次元位置に対しても同様に適用できる。従って、「軌道物体の３次元位置」を「軌道物体の位置」として扱っても構わない。

１：レーダ装置、１０：信号受信手段、１１：パラメータ算出手段、２０：波形相関演算手段、３０：運動量補償型信号処理手段、４０：軌道要素推定手段、３０１：運動仮説生成部、３０２：運動量補償部、３０３：ヒット方向信号積分処理部、３０４：仮説抽出部

Claims

軌道物体の位置を１つのプロットとして検出する過程で用いられる複数のパルスヒットに対応した信号を受信する受信部と、
前記受信部で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を用いて、前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または軌道パラメータを算出する算出部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記軌道物体の位置は３次元位置であり、
前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルは６次元ベクトルであることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記軌道パラメータは軌道傾斜角、昇交点赤経、離心率、近地点引数、平均近点角、または平均運動であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
前記算出部は前記軌道物体の運動仮説を生成する運動仮説生成部を含み、
前記算出部は前記運動仮説生成部において生成された運動仮説に基づいて算出された前記複数のパルスヒットに対応した運動量によって前記受信部で受信された複数のパルスヒットに対応した信号を補正した結果から前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトル、または軌道パラメータを算出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーダ装置。
前記算出部は
前記受信部で受信された複数のパルスヒットに対応した信号と送信パルスとの相関演算により前記信号の遅延時間波形をパルスヒットごとに算出する相関演算部と、
前記軌道物体の運動仮説を生成する運動仮説生成部と、
前記運動仮説生成部において生成された運動仮説に基づいて、前記相関演算部で算出された前記信号の遅延時間波形を補正し、位相補償量として出力する運動量補償部と、
前記運動量補償部から出力される位相補償量を前記複数のパルスヒットに対して積分する積分処理部と、
前記積分処理部で算出された結果に基づき運動仮説、または前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルを決定する仮説抽出部と、
前記仮説抽出部で決定された運動仮説、または前記軌道物体の初期位置および初期速度ベクトルに基づき前記軌道パラメータを算出する軌道要素推定部とを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーダ装置。