JP2017508978A - レーダー警報受信機における到来角（ａｏａ）を判定する方法及び装置 - Google Patents

レーダー警報受信機における到来角（ａｏａ）を判定する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

レーダー警報システムにおける到来角を判定する方法及び装置が開示され、本方法はトラッキングを利用して、従来システムよりも高精度な到来角をもたらす。一実施例では、到来角及びレンジが、測定された機体角度から3D座標系にマッピングされ、3D座標系では、最近のトラッキング技法が、測定値の精度及び安定性を改善するために適用され、その後、表示を行うために機体角度に逆マッピングされる。

Description

本発明は米軍により報償される契約N68936-12-D-0018の下で政府の支援とともになされたものである。政府は本発明に関する所定の権利を有する。
当該技術分野で知られている図1の従来システムに示されるように、例えば、航空機102における航空機搭載レーダー警報レシーバ(radar warning receiver： RWR)システムは、その航空機に電波を当てるレーダー101の方向を指し示し、起こり得る危険を乗員に警告する。全方位防護の場合、好ましくは4つのアンテナが均等な90度の角度範囲で狙いを定める(又は照準を合わせる)。エミッタの方向は、最強信号をもたらす2つのアンテナ103a,cからの信号を比較することにより決定され、既知の方法でアンテナオフボアサイト角(antenna off-boresight angle)とともに変化する。
到来角がアンテナボアサイト方向から離れるにつれて、アンテナゲインは予測可能な形式で減少する。信号強度はアンテナゲインのみに依存し、その理由は、双方のアンテナは本質的にはエミッタから等距離にあり且つ同一のエミッタビーム角でエネルギーを受信するからである。しかしながら、この理想的な均一性はしばしば満足されず、その理由は、RWRアンテナゲインが、航空機からの反射及びシャドーイングにより分散されてしまい、その分散が深刻なエラーを生じさせてしまうからである。
本発明は、例えば座標変換シーケンス及び多次元最小二乗トラッキング技術を利用して、パイロットディスプレイ及びデータバス状況認識通信のために、到来各情報の精度及び安定性を増やす方法及び装置を提供する。座標変換は、エミッタ位置及び航空機の姿勢及び位置のための一般的な座標を設定する一方、トラッキング技術は、ノイズを減らし且つ精度を増やすように測定値をインテリジェントに更新する。
本発明の一側面による方法は：レーダー警報レシーバシステムの複数のアンテナで、エミッタからの信号を受信するステップ；前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；コンピュータプロセッサを利用して、前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；及び、前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；を有する。
本方法は、以下の特徴のうちの1つ以上を更に含むことが可能である：カルマントラッキングを利用すること；最小二乗最適化トラッキングを利用すること；シンプレックストラッキングを利用すること；所定の限界を超えず航空機の姿勢により決定される水平距離より遠くないエミッタの距離に対応するレンジ値を選択的に使用すること；3つの位置座標及び少なくとも1つの速度座標の中で移動するエミッタを取り扱うために追跡部を利用すること；トラッキングの更新を所定の限界に制限するために仰角データを利用すること；航空機ナビゲーションシステムの座標軸に対応する3つのカーテシアン座標を追跡すること；前記三次元的なトラッキングを判断するために前記エミッタの姿勢を推定すること。
本発明の別の形態による製品は：保存された命令を含む非一時的な記録媒体を有する製品であって、前記命令は：前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；コンピュータプロセッサを利用して、前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；及び、前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；をマシンに実行させることを特徴とする製品である。
本製品は、以下の特徴のうちの1つ以上を更に含むことが可能である：カルマントラッキングを利用するための命令；所定の限界を超えず航空機の姿勢により決定される水平距離より遠くないエミッタの距離に対応するレンジ値を選択的に使用するための命令；3つの位置座標及び少なくとも1つの速度座標の中で移動するエミッタを取り扱うために追跡部を利用するための命令；トラッキングの更新を所定の限界に制限するために仰角データを利用するための命令；航空機ナビゲーションシステムの座標軸に対応する3つのカーテシアン座標の中でトラッキングを行うための命令；前記三次元的なトラッキングを判断するために前記エミッタの姿勢を推定するための命令。
本発明の別の形態によるシステムは：エミッタからの信号を受信するレーダー警報レシーバシステムの複数のアンテナ；メモリ及びプロセッサを含むレーダー警報レシーバシステム；を有するシステムであって、前記プロセッサは：前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；を有する。
本発明それ自体だけでなく本発明についての更なる特徴は、図面についての以下の説明から十分に理解されるであろう。
図1は従来技術によるパッシブレーダー警報システムの概略図であり、そのシステムは、リモートエミッタからの信号を、到来角(angle of arrival：AOA)を決定するための2つのアンテナにより検出する。
図2は追跡情報を利用する本発明の実施形態による例示的なレーダー警報システムの概略図である。
図3はレーダー警報システムのアンテナ対に対する典型的なアンテナゲインのグラフを示す図である。
図4は、従来のレーダー警報システムについての、AOA計算及び表示を含む機能ブロック図である。
図5は、本発明の実施形態によりトラック情報を利用する例示的なレーダー警報システムについての、AOA計算及び表示を含む機能ブロック図である。
図6は、本発明の実施形態によるAOA処理を示す図である。
図6A及び図6Bはそれぞれ図6の一部分である。
図7は、時間に対するAOAのグラフ表現であり、従来システムと比較した場合の本発明の実施形態の精度の改善を示す。
図8は、時間に対するAOA誤差のグラフ表現であり、従来システムと比較した場合の本発明の実施形態の精度の改善を示す。
図9は、表示されるAOA対時間のグラフ表現であり、角度だけでなく範囲においてもエミッタが追跡される場合に精度改善が得られることを一般的に示す。
図10は、本願で説明される処理の少なくとも一部を実行する例示的なコンピュータを示す。
図2は航空機プラットフォームにインストールされる例示的なレーダー警報レシーバシステムを示す。同様な構成が他のプラットフォームに使用されてよいことが理解される。航空機(201)は、慣性ナビゲーションシステム(202)とレーダー警報レシーバのコンポーネントとを備え、コンポーネントはプロセッサ(203)、ディスプレイ(204)及び4つのアンテナ(205a，b，c，d)を含み、4つのアンテナは4つの異なる方向(206a，b，c，d)に狙いを定めている又は前方への照準を合わせている。代替的な実施形態は、より多い又は少ない数のアンテナを利用してもよいし、異なる方向へボアサイト(boresight)を向けてもよい。
説明される実施形態では、遠くのエミッタ(207)からの最強の信号は、エミッタ(207)に最も直面する2つのアンテナ(205a，b)により検出され、最も直面する2つのアンテナは一般的には最強の受信信号をもたらす2つのアンテナである。エミッタの送信(電波)は波面208とともに伝播し、直線(209a，b)により示される方向でアンテナ(205a，b)に到達する。エミッタまでの距離は大きいので、各々のアンテナはエミッタからは、事実上、等距離にあり、従って同じRF信号を受信する；その結果、アンテナ出力信号強度はアンテナゲインの変動のみに起因して変化し、それはオフボアサイト角(ボアサイト(206)と直線(209)との間の角度差)とともに変化する。この検出プロセスは、AOA測定のための技術標準「モノパルス差分法(monopulse difference technique)」である。プロセッサ(203)は、アンテナ信号を利用して、波形特徴により個々のエミッタを識別子、AOA及びその他のエミッタパラメータを算出する。本発明の実施例によれば、以下において説明されるように、プロセッサ(203)は、アンテナからの信号とINS(202)からの信号とを合成し、AOAの更に正確な指標をディスプレイ(204)にもたらす。
図3は、図2の2つのアンテナ(205a，b)に関し、モノパルス差分法の結果によるAOAの指標を、鼻先逸脱アジマス角(off-nose azimuth angle)に対するゲインのプロットとして示す(角度は「度」で表現される)。この例では、角度の区間は、航空機の左側全部又は左舷側をカバーする。曲線(301)は図2の左前方のアンテナ(205a)により測定された信号強度を示す一方、曲線(302)は図2の左後方のアンテナ(205b)からの信号を示す。上述したように、アンテナ対からの相対的な信号強度はAOAを示し、強度は角度がアンテナボアサイトから離れるにつれて減少する。曲線(303)はこれら2つのアンテナ信号間の差分を示す。理想的な差分信号は、角度に比例し、直接的かつ曖昧性なしにAOAを示すが、そのような理想的な線形性は、アンテナパターンの不規則性(304a，b，c)により乱される。アンテナゲインの不規則性は、一般に、RWRアンテナの幅広い視野に起因し、しばしば、航空機におけるアンテナの最適でない配置にも起因する。ある角度では、航空機の機体が見通し線(line-of-sight)を遮るかもしれない。別の角度では、航空機の表面からの反射が、エミッタからの直接的な信号と干渉し、マルチパス効果として知られる不安定なゲイン変動をもたらすかもしれない。
図4は典型的な従来の信号処理部(401)を示し、その信号処理は、スレットデータ(threat data)(403)及びレンジ推定部(404)とともに、モノパルス角度推定部(402)を利用して、パイロットに対するコックピットディスプレイ及びデータリンク(408)を介する通信のために、AOA及びレンジを生成する。慣例により、AOAは、地表面に平行なノースイースト面(north-east plane)で示される。主要な尺度は、アンテナ対(405a，b)により検出される信号強度、航空機の位置、及び、慣性ナビゲーションシステム(407)により検出される姿勢である。
第1及び第2信号S1，S2は、通常、少なくとも4つのアンテナ信号のうち最も強いものとして選択され、第1及び第2信号S1，S2は1つのエミッタに合致する。従来のRWRモノパルス計算は、第1及び第2信号S1，S2の比率を利用して、エミッタからの信号の到来角402を推定する。RWR識別法は、スレット(threat)を判定し、当該技術分野で既知の方法により、RWRスレットデータベースから、公称実効放射電力(effective radiated power：ERP)を取得する。標準的なレンジの方程式を利用して、レンジを推定するために(404)、より強い信号がERPに統合される。
基本RWRエミッタ識別機能部(403)は、スレットのタイプを判定し、その公称実効放射電力(ERP)を、内蔵のスレットデータベースを利用して取得する。レンジ推定部(404)は、2つのアンテナ(405a，b)からの信号S1，S2のうち強い方に適用される標準的なレンジ方程式に基づく。
信号処理部(401)内の安定化処理は、一般に、時間平均及び「平滑化」の機能を含み、AOAにおけるノイズ及び不安定なエラーを減らす。安定化処理は、AOA測定を補足する航空機ナビゲーションシステム(407)からのレート情報をトラッキングすることを含み、AOA変化の予測を可能にし、AOAの計算にとって信号が微弱すぎる場合に、航空機の誘導の影響を補正する。「トラッキング(tracking)」と言及されるその特徴は、より正確には、「コースティング(coasting)」と言及されもよい。典型的には、レンジ及びAOAは、平滑化プロセスを通じてこれらの座標で維持される。平滑化されたAOA及びレンジ値は、存在するディスプレイ及びデータリンクにより直接的に使用される。
従来のアプローチの短所は、安定化(処理)が、ディスプレイの二次元平面において及び航空機の機体角度座標で実行されることである。信号が利用可能でない期間の間では、指定されたAOAを持つように、航空機の旋回速度が、従来のAOA角に単に追加されるという意味において、この安定化は本質的にはオープンループである。従来のAOA値の平均は、ノイズを減らし、安定性の出現をもたらすが、単なる平均化はAOA又はレンジの精度を精密化せず；せいぜい、不安定なエラーを減らすに過ぎない。このプロセスは、スレットに対する視線角(sightline angle)が水平面内にあることを仮定しており、その仮定は、近接したレンジにエミッタが存在する場合、或いは、航空機のロールオフ角が近似的にゼロでない場合には該当せず、深刻な不正確さが生じる結果となってしまう。
図5は、改善された到来角度精度を有する本発明の実施例による例示的なレーダー警報レシーバシステム(500)を示す。処理モジュール(501)は、スレットデータ(503)及びレンジ推定部(504)とともに、モノパルス角度推定部(502)のデータ入力を受信し、パイロットに対するコックピットディスプレイ及びデータリンクを介する通信のために、AOA及びレンジを出力する。主要な尺度は、2つのアンテナ(505，506)により検出される信号強度、航空機の位置、及び、慣性ナビゲーションシステム(507)により検出される姿勢を含む。
一実施形態では、安定化処理(501)は、角度(502)及びレンジ(503)の極座標を、航空機の位置、慣性ナビゲーションシステム(507)からの姿勢、仮定されるエミッタの高度と組み合わせ、三次元位置(509)を生成する。任意の或るデータポイントにおいて、測定されたAOA及びレンジの値は一般的には非常に不正確であるが、これらのポイントは今や安定的な慣性座標にあるので、トラッキング(510)が、一連の測定とともに精度を改善するように適用され、この点については以下においてさらに説明される。更に、測定と測定の間にギャップが存在する場合、既知の航空機の運動に関して適切な補正を行うことにより、その位置が先行する位置に保持されることが可能である。航空機の位置及び姿勢を利用することにより、幾何学的な計算は、ディスプレイモジュール(508)へ出力するように到来角(AOA)及びレンジ(512)を生成し、パイロットに対するコックピットAOAディスプレイをレンダリングし、これは角度単独で従来は安定化させていた測定よりも非常に大きく安定化する。
AOA処理モジュール(501)は、例えば、到来角度情報、レンジ、及び、慣性ナビゲーションシステムからの航空機情報を組み合わせ、エミッタの位置を三次元空間にマッピングし、それは航空機の形態及びエミッタの距離の変化に対して慣性的に安定させることが可能である。このマッピングは、航空機に対するエミッタの位置のトラッキングを安定化させることができる。カルマン(Kalman)フィルタは、安定したトラッキング手段の一形態であるが、シンプレックス(Simplex)、LMA又はその他のトラッキング法が代替的に使用されてもよく、それらの方法では、座標変換及びトラッキングプロセスは、一連の不正確な測定値(又は尺度)を、正確な三次元のエミッタ位置に変換する。到来角情報を表示するために、エミッタ位置は、例えば、パイロットのための到来角ディスプレイに変換される。
このカルマン又は類似するトラッキング技術を利用することは、一連の測定データに適合させるノイズ重み付け最小平均二乗誤差法(noise-weighted least-mean-square error fit)を実行することにより、測定されるデータの精度を改善し、測定データは、トラッキング及び慣性安定化に相応しい三次元空間に変換される。カルマン法それ自体は、ターゲット位置の三次元トラッキングに対する周知の方法であることに留意を要する。しかしながら、一次元AOAディスプレイの安定化にカルマン法を利用することは独創的であり、なぜなら、トラッキング位置は報告されず、中間的な三次元空間における安定化のために内密に(clandestinely)利用され、表示及び報告のためにAOAに逆変換されるからである。
相対的に不正確な2次元データとともにこの三次元(3D)トラッキングを利用することは、安定した3Dトラックポイントを設定し、その3Dトラックポイントは、スレット警告ディスプレイのためのAOAを、従来のAOA処理よりもかなり正確にする。本発明の一連のマッピング、安定化及び逆マッピングは、長期的な安定化を可能にする。更に、多くの表示エラーを排除することは、レーダー警報システムにおけるパイロットの信頼を増し、それを更に有意義にする。
レーダー警報システムの実施例は、レーダーエミッタの位置を判定することが望ましい任意の乗物及び構造に有用であることが、理解される。例示的なレーダー警報システム輸送手段は、船舶、ヘリコプター、ドローン(drone)及びその他の移動するプラットフォームを含む。プラットフォームの動きは、異なるエミッタ角度で測定を行うことによって精度を増し、図3に示されるように、トラッキングは個々の測定についての局在化した特異性を平均化することが可能である。
図6はAOA判定を行う例示的なRWRシステムを示し、AOA判定は、航空機を中心としたノースイーストダウン(aircraft-centered north-east-down(NED))座標で示される3Dエミッタ位置の現在のトラックファイルを設定及び維持することにより、AOA精度を増進するように情報をトラッキングすることを含む。説明される形態は、静的な地上エミッタに非常に適している。航空機慣性ナビゲーションシステム(INS)レート及びオリエンテーションデータの安定化により、NED座標は、過去の測定値の連続的な利用を可能にし、トラックデータは徐々にRWRソースデータよりも更に高精度になる。データをトラッキングすることは、「良い」RWRデータが利用可能でない場合に精度を維持することができ、この点、そうではない従来のRWRシステムと異なる。例えば、アンテナパターンが大きな測定誤差を導入する場合、データは大きな仰角でゲート出力されるが、3Dトラッキングは利用可能な最良の位置推定を維持し続ける。
相互接続線はシステム要素間のデータの流れを示す。線の複雑な交差を回避し且つデータフローを協調するため、いくつかのコネクションは、考察される特定のデータのラベルが付されるポイントとして示されているが、矢印はデータのソース及び利用を示す。
RWR(601)は、エミッタの識別、メジャーメントアソシエーション及びトラックファイルフォーメーションについてのRWR機能を利用してデータを生成する。個々のメジャーメントは、エミッタデータワード(Emitter Data Word：EDW)においてまとめられ、EDWは、測定された到来角又はアジマス角(AMEAS)、測定された信号レベル(dBMEAS)、測定されたノイズ又は信号レベルの揺らぎ(σdBMEAS)、及び、エミッタ実効放射電力(ERP)を含む。放射電力指数における予想される変動又は不正確さERPσが、図示の形態ではEDWに追加されている；しかしながら、本発明の実施例は、代替的に、単独の固定値、又は、既知の現象学に基づく適切なアルゴリズムにより算出された値を利用してもよい。
慣性ナビゲーションシステム(602)は、NED(north-east-down)座標における航空機の位置と、ロールピッチヘディング座標における航空機の様相とを生成する。この機能は、姿勢及び位置の情報を提供する仮想的に他の任意の装置により実行されることも可能であり、その装置はリモートセンシング及びトラッカーベース装置(remote sensing and tracker-based equipment)を含む。
ディスプレイ及びデータリンク(603)は、標準的なディスプレイによりパイロットにAOAを示す。これは、既存のRWRデータバスインターフェースを利用して、AOA及びレンジを航空機データバスにより通信する。戦術航空機に搭乗する場合、このデータリンクは、通常、ミッションデータコンピュータとのインターフェースを為し、航空機ミッションの他の参加者に、データリンクを介してデータを分配する。
メジャーメント処理(604)は各々の測定について及び複数のエミッタが検出された場合にはそれぞれのトラック(又は跡)について実行され、典型的な場合には複数のエミッタが検出される。トラック処理(605)は各々のエミッタのトラッキングを実行し、エミッタ位置の現在の推定を行うために各々の測定に対して更新される。ディスプレイ処理(606)は、表示及びデータ共有のためにスレット座標を生成する。これらの表示の更新は、データの測定に同期されてもよいし、或いは、トラッキングのステータス又は表示の必要性に合致する他の時間に行われてもよい。
メジャーメント処理(604)はNED原点の更新(611)とともに始まり、NED原点の更新は、以前に推定したエミッタ位置NEDESTのそれぞれを、INS(602)により決定されるような航空機の過去及び現在の位置NEDACによる位置変動を考慮するように調整する。これは、トラックリスト(621)の全てのエミッタ位置について実行され、現在の航空機の位置におけるNED原点を維持する。この座標の選択の仕方はアジマス角及びレンジの計算を簡易にするが、いくつもの可能な選択肢のうちの1つの仕方に過ぎない点に留意を要する。例えば、エミッタは、緯度、経度及び平均海抜高度からの高度による地球上の位置により追跡されることが可能である。座標系が何であれ、以後の計算で使用されるものは、航空機及びエミッタの位置の三次元的な差分である。
メジャーメント処理(604)の更なるステップは、トラックリスト(621)内のエミッタ位置の各々について実行される。予測(612)は、エミッタ位置NEDESTからエミッタ座標RPRED，APRED及びEPREDと、INS(602)から航空機姿勢RPHMEASとを計算する。次に、距離計算(613)は、RWR(601)からAOA測定(AMEAS)をスクリーニング(又は選別)し、仰角のうち所定の限界の範囲内(ELIMIT)に該当するもののみを通過させる。この形態では示されていないが、レンジ又は信号強度などのような他のパラメータが、仰角に加えて使用されることが可能である。このスクリーニングを通過した測定値に関し、距離計算部(613)は、トラックリスト(621)内の全てのエミッタに関し、所定のアジマス角及び推定されたアジマス角AZMEASの間の差分を判定する。他の実施例では、距離計算部は、このアジマス角の差分と、(信号強度やレンジ等のような)他の測定パラメータにおける差分とを結合してもよい。また、本質的なエミッタの識別及びトラッキング関連機能に関してRWR(602)が通常実行するもの以外に、波形特徴が更に精査されることも可能である。
所与のトラック距離の下で、トラック選択モジュール614は追跡されるエミッタを発見し、追跡されるエミッタとは、現在の測定値(尺度)に最も近く且つ所定のゲートリミットの範囲内にあるものである。距離は、方位角(アジマス)における簡易な一次元距離により決定されてもよく、そのような距離は飛行テストデータに相応しいことを示す。しかしながら、レンジ測定精度が十分である場合、二次元のアジマス及びレンジ距離が使用されてもよい。代替的に、更なる関連する基準が使用されることも可能であり、それは、現在の測定値に合致する各自の確率とともに複数のトラック候補を保持する多重仮説トラッキング(multi-hypothesis tracking)さえも含んでよい。図6の実施例では、せいぜい1つのトラックが選択され、トラック処理のために更に送られる。
スクリーニング及びゲートリミットは固定された所定のパラメータとして説明されているが、アンテナ対、エミッタのタイプ、偏波、信号強度、方位角又はその他のパラメータ(AOA測定精度に影響を及ぼすパラメータ)等のような状況パラメータに適合させてもよいことが、認められる。
トラック処理部(605)は、先ず、トラックリスト(621)が空であるか否かを判定し(622)、或いは、所定のゲートリミットの範囲内に如何なるトラックも含んでいなかったか否かを判定し(622)、含んでいなかった場合にはシード生成部(623)が、RWR(601)からのAMEAS及びNEDMEAS(601)の組み合わせとともに、INS(602)によるRPHMEASからNED位置を生成する。この簡易な第1計算値はフライトデータに相応しいことが分かっているが、トラックを導入する他の手段が代替的に使用可能であることが認められ、代替的な手段は、いくつかの先行する角度及びレンジ測定値を平均化すること、或いは、関連するNED計算結果を平均化すること等を含んでよいが、これらに限定されない。同様に、シード生成部(623)は、アジマス角についての所定の関数から共分散マトリクス(covariance matrix)Pを計算し、これは功を奏することが判明している。INS又はRWRからの他の測定パラメータを含む更に複雑な方程式が、共分散マトリクスPを計算するのに使用されてもよいことが、理解される。選択トラック(614)条件に合致するトラックを有する、とトラックリスト(621)が判断されると、そのデータは共分散行列P及び先行するNEDESTのために使用される。
グラジエントマトリクス(624)はエラーグラジエントマトリクスHを発展させ、HはAE座標の変化増分に起因するNED座標の増分変化を表し；これは、現在のエミッタ位置NEDESTにより設定される直接的な幾何学的マッピングであり、本質的には、所与のNED位置での座標変換の偏導関数である。カルマンゲイン(628)は、測定値の共分散マトリクスPにより調整又は重み付けされるグラジエントマトリクスHから発展させられ、AMEAS，RMEAS及びそれらの予想される不正確さAσMEAS，EσMEASによる共分散尺度(Measurement Covariance)(628)により決定される。
ベクトル差分化部(626)は、方位角A及び仰角Eについての予想される値及び測定された値の差分を算出し、これはカルマン追跡部(629)に対する一般的な誤差入力である。予測計算部(625)は、簡易な座標変換でNEDESTからAPRED及びRPREDを発展させる。RWR(601)はAMEASを提供する。レンジ測定部(627)は、RWR(601)により供給される測定された信号強度dBMEAS及び実効放射電力ERPに基づいて、RMEASを提供する。
カルマン追跡部(629)は、ゲインで重み付けされたグラジエントマトリクスHに基づいて、先行するNEDESTを更新し、改善されたNEDEST及び更新された共分散行列Pという結果をもたらす。カルマン追跡部の技法は、移動するターゲットの追跡に適用される及び雑音を含む信号の平滑化に適用されるものとして良く知られている。そのようなロバスト性の高い技術は、本願における発明システムのアーキテクチャに使用され、上述したように、三次元空間への座標変換、その空間における完全な慣性安定性、及び、表示のための角度空間への逆変換を利用して角度判定精度を改善する。従来のシステムとは異なり、追跡(トラッキング)は安定性及び誤差の最小化に相応しい座標で実行されることが、理解される。
ビームのメインローブから逸脱してエミッタが検出されたことに起因して、しばしば、測定されるレンジデータは貧弱なものとなり、非現実的に遠いレンジを示す場合があり、水平線を越えることを示す場合さえある。そのような場合、レンジ測定部(627)は、典型的には水平線までの距離の近似的に半分である所定のレンジ値を使用する。日常の技術的な最適化の問題と同様に、2分の1以外の因子が使用されてもよい。レンジに対する限界は、信号強度に基づく計算には不可欠であり、なぜなら、レーダーの実効電力は実際の状況では幅広く変動するからである。スキャニングレーダーからの信号は、アンテナ(群)が最大照射のメインローブの範囲内に完全に収まる時点では、取得されないかもしれないし、何らかのレーダーからの信号は、レーダーのメンテナンス条件により或いは意図的なプログラミングにより弱くなるかもしれない。
ディスプレイ処理部(606)は、メジャーメント及びトラック処理(604＆605)から独立して動作する。選択されたインターバルにおいて、NEDEST値がトラックリスト(621)から読み込まれる。原点更新部(631)は、慣性ナビゲーションシステム(602)からのNEDACを利用して、NEDの原点を現在の航空機の位置に補正する。座標変換部(632)は、これらのNED座標を、パイロットのディスプレイ及びデータリンク伝送に望ましいアジマス及びレンジ座標に変換する。これらの出力のタイミングは、測定及び追跡の処理サイクルに同期するのではなく、使用基準に従って非同期的に設定されてもよい。
表示の更新のために、3Dトラックデータは、所望のAOA及びレンジ座標に変換される。これは、典型的には、固定されたレートで動作し、信号の損失又は劣化を経て滑らかに移行し、これは一般的なリアルタイムRWR処理とは異なる。各々の表示の更新において、現在の最良の情報が、安定トラックリストから提供される。そのような更新のタイミングは、測定とは独立しており、上述したように、典型的には低いレートで生じる。
上記の実施例は静的なエミッタの3D位置を3状態カルマンフィルタを利用して設定しており、航空機の飛行を考慮し、仰角が有効な範囲を超える場合に貧弱なデータを編集する。代替的に、LMS(最小二乗平均)の処理が使用されてもよい。重み付けされたLMS最適化及び他の技法が使用されてもよい。
上記の記述は、平均海面レベルからのエミッタ高度に対して所定値を利用し、慣性ナビゲーションシステムからの航空機の高度と組み合わせることを仮定し、ノースイーストダウン座標系の下方座標を決定していることに留意すべきである。地上ベースのエミッタは、航空機直下の地上の高度にあるように仮定され、そのような高度は航空機の器具により判明する。しかしながら、高度の精度は、トラッキングが安定した座標系でなされることよりも重要なことではない。同様に、レンジデータの精度は、付加的な次元として利用することよりも重要なことではなく、付加的な次元は3D空間への座標変換を適切に導くものであり、この点については以下で説明される。
他の実施例では、より高次のトラッキングが、飛行しているエミッタのために使用されることが可能であり、エミッタの速度は変化する可能性がある。一実施例では、5状態カルマンフィルタが、実際の飛行データとともに適切にシミュレーションされた。一実施例は、北方及び東方速度を、5状態追跡部におけるノースイーストダウン位置に統合し、飛行しているエミッタに対して、安定したAOA及びレンジを提供する；この変形例は、ポストフライトシミュレーション(post-flight simulation)における実際のフライトデータに関して良好なものであることが分かっている。他の実施例では、6状態又は他の追跡部が使用されてもよい。
上述したように、図6の実現手段は地上ベースのエミッタに有用である。同一又は類似の構成が、船舶送信機のようなゆっくりと移動するエミッタにも有用である。それは、RWRを備えた航空機が激しく飛行する場合でさえ、トラッキングを安定化させる。また、それは仰角を測定し、アンテナ有効範囲を超える角度でなされる測定は、精度劣化により遮られる可能性があるので、安定化「コースと(coast)」のトリガを与え、その場合、トラッキング位置は単に維持され、航空機の運動のみについて更新される。
一連の不正確な測定値が生じる場合に、カルマン共分散行列を利用して、正しい解からの発散(逸脱)を遅くすることにより、別の利点が提供される。一例として、典型的には、トラッキングはレンジよりも角度の方が正確である位置を設定し、この性質が、角度に対する良い信頼性をもたらす3D共分散行列に反映背され、これにより、角度変化には応答するが、レンジの変化にはゆっくりとしか応答しないことを、追跡者に許容し、そのように許容することは、一般的には不正確なレンジの測定に対する誤った更新を減らす。逆に、データ品質が貧弱である場合、追跡者は角度変化に対抗してもよく；これは、一連の非ゼロ平均角度エラーが生じる場合に逸脱してしまうのではなく、エミッタの位置及びその結果のAOAをそのまま保持する。
カルマン形態は各々の更新で直接的な解を生成する利点を有するが、バッチ又はその他の最小二乗平均処理が使用されることになる。エラーの重み付けは望ましいが、1Dインジケータを改善するために、安定的な3Dトラッキングの基本的な利点を失わずに、省略されることが可能である。
図7は、2アンテナによるカバレッジが疑わしいアンテナ領域に対する実際に記録されたフライトデータから計算されたAOAを示すプロット例である。これは幾つかのAOA角度で生じることであり、なぜなら、最小限の複雑さでプライマリ警報機能に適合するように、通常、わずか4つのアンテナでRWRが設計されているからである。追加的なRWRアンテナを設けるならば警報及びエミッタ特定の能力を改善できることは理解されるが、しばしばそのようなことは現実的ではない。
三角印701は、従来方法によるデータと、データが利用可能である時間とを示す。データが無いギャップは、灰色の帯(ハッチングされた部分)により強調されている。第1カーブ702は、真のエミッタ及び航空機の位置に対するレンジデータを利用してポストフライト分析(飛行後分析)により判定された真のAOAを示し、真の航空機の角度方向に関して記録される慣性ナビゲーションシステムデータである。第2カーブ703は、同じRWR測定値を利用して、本発明の実施例により計算されたAOAを示す。
図から分かるように、第2カーブ703は真のAOA角度702に忠実に従っており、エミッタ方向についての相対的に優れた安定した指標をパイロットに与える。従来技術によるデータ701は、非常に誤りの多い応答をもたらし、AOA表示の有用性を深刻に劣化させている。
図8のプロットは、通常的でない貧弱なパフォーマンスの時間区間に関し、本発明及び従来の処理のAOAエラーを示す。処理前データ801は、標準的な者パルス差分法により測定されている。2番目のトレース802は、パイロットに示されるようなAOAエラーを示し、四角の印は測定値が訂正されたポイントを示す。第3のトレース803もパイロットに示されるAOAエラーを示し、菱形の印は測定値が訂正されたポイントを示す。実線のトレース804は、航空機及びエミッタの真の位置からのポストフライト計算値による真の仰角を示す。
図示されるように、測定されたもの及び従来システムにより表示されているものの双方に示されるように、プロットの中心付近のゾーンでは、AOA値が非常に不正確になっている。これらの著しいエラーは、急な仰角(例えば、30度未満のような所定の閾値を超える角度)における測定値を編集することによる本発明の処理により排除される。
図9はレンジデータを利用する時間経過に関して表示されるAOAのプロットを示す。本発明の一側面は、レンジ及びアジマスの測定値を利用して安定的な3Dトラッキングを提供することに関連する。レンジ座標は、名目上、AOAに垂直であるが、AOA計算への影響は、3D位置への単なる座標のマッピングよりも少ない。たとえレンジ測定値が本来的に不正確でノイズを含んでいたとしても、それは角度バイアスを克服することを促し、そうでなければ、長いトラッキング期間にわたって大きなエラーを招いてしまう。
レンジは受信信号強度により判定され、受信信号強度は、良く知られたレーダーレンジ方程式により、エミッタまでの距離とともに減少する。上述したように、RWRは、エミッタをタイプ毎に識別し、エミッタの実効放射電力に関するリファレンスデータを有する。レンジ測定は、角度測定に直交し、3Dトラッキングのための情報を提供する。例えば、航空機を中心とするノースイーストダウン座標(NED)におけるトラッキングに関し、ダウン座標との組み合わせが始めに航空機の姿勢に基づいていた場合、北方座標及び東方座標は、測定された角度及びレンジから容易に判定される。カルマン追跡部で実現される図示及び上述のように、グラジエント計算は、NEDエラーを効率的に利用して、各測定に関するNEDトラッキング位置を更新する。上述したように、パイロットディスプレイのために、NED位置は、方位角、仰角及び距離(レンジ)の座標に変換される。
図9は、レンジ及びアジマス測定値を利用して、レンジ測定を伴う場合及び伴わない場合のより正確なアジマス角(AOA)測定値をもたらすことを示し、測定されるデータはまばらに存在し、すなわち、測定値が無い部分をカバー(coasting)する長い期間を必要とするような状況である。縦線(901)は測定値が利用可能である時間を示す。実線のカーブ(902)は真のアジマス角(方位角)であり、破線カーブ(903)は安定化させたアジマス角である。カーブ(904及び905)は、レンジデータを利用すること無しに、安定化させた結果である。カーブ905は初期に設定されたトラックであり、頻繁な測定の期間の間に強く発散し、以後、測定が頻繁にはなされなくなるにつれて発散し続けている。最終的に、エラーは非常に大きくなり、観測トラッキングは、トラッキング関連の限界を超えてしまい、トラッキングは終わってしまう。いくらか後のカーブ(904)は、測定が豊富に為される場合に復旧するトラッキングを示す。これらを比較すると、カーブ(903)は、観測インターバル全体にわたって良い精度を維持している。この図は、幅広いデータの区間に対して測定が有効であることを示す作用効果を厳密に示しているのではなく、例示するために使用されているに過ぎない。
本発明の実施例では、AOAのみの測定とともに、航空機の飛行に関する典型的な形態及び位置変動についての追加的な次元を利用して、3Dトラッキングが実行されている。これは、レンジデータが利用可能でない又は非常に不正確である場合でさえ、AOAの精度を改善する。これは、例えば、追跡しているエミッタが十分な信号強度で動作していない場合、放射電力が弱いオフボアサイト角でエミッタビームがRWRを照射する時点で、スキャニングしているエミッタが検出されない場合、及び、マルチパス干渉がRWRにおける照射を減らしてしまう場合に生じ得る。
本発明の一形態は3Dトラッキングを含み、3Dトラッキングはレンジデータが利用可能である場合にそれを利用して恩恵を享受するが、レンジデータが貧弱である又は利用可能でない場合には角度データのみで動作する。エミッタがレーダーの水平線より遠い距離に登場してしまう場合には、水平距離の半分を代用した結果を、プロットは示している。水平距離はRWRの高度から容易に算出される。何らかの実用的な水平距離の調整は、特定のアプリケーションの条件に合致するようになされることが可能であることが理解される。
この水平距離の半分の代用に加えて、最小レンジ処理が使用され、最小レンジ処理では、任意の個々の測定値ではなく、いくつかの連続的なレンジ測定値のうち最短のものが使用される。この「ローリングミニマム(rolling minimum)」は、複数の測定値の「ローリング平均」又は何れかの任意の測定値に関する精度を改善する。本発明のプロセスは、スキャニングレーダーの照射に関する信号の揺らぎの影響、及び、マルチパス反射に起因する信号の揺らぎの影響を緩和する。
図10は、本願で説明される処理の少なくとも一部を実行することが可能な例示的なコンピュータ1000を示す。コンピュータ1000は、プロセッサ1002と、揮発性メモリ1004と、不揮発性メモリ1006(例えば、ハードディスク)と、出力デバイス1007と、グラフィカルユーザーインターフェース(GUI)1008(例えば、マウス、キーボード、ディスプレイ等)とを含む。不揮発性メモリ1006は、コンピュータ命令1012、オペレーティングシステム1016及びデータ1018を保存する。一例では、コンピュータ命令1012は、揮発性メモリ1004からプロセッサ1002により実行される。一実施例では、製品1020は非一時的なコンピュータ読み取り可能な命令を有する。
処理は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせで実現されてよい。処理は、プログラム可能なコンピュータ/マシンで実行されるコンピュータプログラムで実現され、コンピュータ/マシンはそれぞれプロセッサ、記憶媒体又はその他の製造品を含み、コンピュータプログラムは、プロセッサ(揮発性及び不揮発性メモリ及び/又はストレージ要素を含む)、少なくとも1つの入力デバイス、及び、1つ以上の出力デバイスにより読み取ることが可能である。プログラムコードは、処理を実行し及び出力情報を生成するために入力デバイスを利用して入力されるデータに適用される。
システムは、データ処理装置(例えば、プログラム可能なプロセッサ、1つのコンピュータ、又は、複数のコンピュータ)による実効のため、又は、その動作を制御するために、コンピュータプログラムプロダクト(例えば、マシン読み取り可能なストレージデバイス)により、少なくとも部分的に、処理を実行することが可能である。そのようなプログラムの各々は、コンピュータシステムと通信するようにハイレベル手続又はオブジェクト指向プログラミング言語で実現されてもよい。しかしながら、プログラムはアセンブリ又はマシン言語で実現されてもよい。言語は、コンパイルされる又はインタープリットされる言語であってよく、スタンドアローンプログラムとして、或いは、モジュール、コンポーネント、サブルーチン又はコンピュティング環境で使用するのに適切な他のユニットとしての形態を含む任意の形態で配備されてよい。コンピュータプログラムは、1つのコンピュータ又は複数のコンピュータで実行されるように、1つのサイト又は複数のサイトに分散して通信ネットワークで相互接続されるように配備されてもよい。コンピュータプログラムは、記憶媒体又はデバイス(例えば、CD-ROM、ハードディスク、又は、磁気ディスク)に保存され、記憶媒体又はデバイスがコンピュータにより読み取られる場合に、コンピュータを設定して動作させるために、汎用又は特定用途のプログラム可能なコンピュータにより読み込むことが可能である。処理は、コンピュータプログラムとともに構成されるマシン読み取り可能な記憶媒体として実現され、実行される場合に、コンピュータプログラムの命令は、コンピュータに処理を実行させる。
処理は、システムの機能を実行するために1つ以上のコンピュータプログラムを実行する1つ以上のプログラム可能なプロセッサにより実行される。システムの全部又は一部は、特定用途論理回路(例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)及び/又は特定用途向け集積回路(ASIC))として実現されてもよい。
以上、本発明の実施例を説明してきたが、本願の概念を組み込む他の実施例が使用されてもよいことは、当業者にとって明らかであろう。本願に含まれる実施例は、開示された実施例に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲の精神及び目的の範囲によってのみ限定されるべきである。本願で引用される刊行物及びリファレンスは全て本願のリファレンスに組み込まれる。

Claims (17)

  1. レーダー警報レシーバシステムの複数のアンテナで、エミッタからの信号を受信するステップ；
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；
    前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；
    コンピュータプロセッサを利用して、前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；
    ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；
    連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；及び
    前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；
    を有する方法。
  2. カルマントラッキングを利用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  3. 最小二乗最適化トラッキングを利用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  4. シンプレックストラッキングを利用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  5. 所定の限界を超えず航空機の姿勢により決定される水平距離より遠くないエミッタの距離に対応するレンジ値を選択的に使用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  6. 3つの位置座標及び少なくとも1つの速度座標の中で移動するエミッタを取り扱うために追跡部を利用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  7. トラッキングの更新を所定の限界に制限するために仰角データを利用するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  8. 航空機ナビゲーションシステムの座標軸に対応する3つのカーテシアン座標の中でトラッキングを行うステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  9. 前記三次元的なトラッキングを判断するために前記エミッタの姿勢を推定するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  10. 保存された命令を含む非一時的な記録媒体を有する製品であって、前記命令は：
    レーダー警報レシーバシステムの複数のアンテナで、エミッタからの信号を受信するステップ；
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；
    前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；
    前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；
    ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；
    連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；及び
    前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；
    をマシンに実行させることを特徴とする製品。
  11. カルマントラッキングを利用するための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  12. 所定の限界を超えず航空機の姿勢により決定される水平距離より遠くないエミッタの距離に対応するレンジ値を選択的に使用するための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  13. 3つの位置座標及び少なくとも1つの速度座標の中で移動するエミッタを取り扱うために追跡部を利用するための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  14. トラッキングの更新を所定の限界に制限するために仰角データを利用するための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  15. 航空機ナビゲーションシステムの座標軸に対応する3つのカーテシアン座標の中でトラッキングを行うための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  16. 前記三次元的なトラッキングを判断するために前記エミッタの姿勢を推定するための命令を更に含む請求項10に記載の製品。
  17. エミッタからの信号を受信するレーダー警報レシーバシステムの複数のアンテナ；
    メモリ及びプロセッサを含むレーダー警報レシーバシステム；
    を有するシステムであって、前記プロセッサは：
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナにより、受信した前記エミッタからの信号の到来角を判定するステップ；
    前記複数のアンテナのうちの第1及び第2アンテナによる信号の強度から、前記エミッタのレンジを判定するステップ；
    前記レーダー警報レシーバシステムが取り付けられている乗物に対するナビゲーション情報を受信するステップ；
    前記レンジ及び前記到来角に航空機の姿勢情報を組み合わせ、前記エミッタの位置を三次元的に判定するステップ；
    ナビゲーションデータを利用して、航空機の位置変化に対する三次元的な前記エミッタの位置を安定化させるステップ；
    連続的な三次元的なエミッタの位置の推定のためにトラッキングを適用し、前記エミッタの位置の少なくとも1つの跡を生成するステップ；
    前記レーダー警報レシーバシステムからの情報が利用可能でない場合、前記少なくとも1つの跡を利用するステップ；
    を行うように構成されていることを特徴とするシステム。
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