JP2020516906A - 曖昧性が解消された方向検出 - Google Patents

Abstract

ＲＦエミッタ信号の到着角度（ＡｏＡ）を決定する方法及びシステムは、２つの近接して離間されたアンテナ素子、及びより遠くに固定的に配置される第３アンテナ素子の中のアンテナ・ペア同士の間での位相比較と、ＴＤＯＡ及びＰＩ技術の組み合わせとを利用して、ＰＩの曖昧さを解明する。異なる角度間隔によるＡｏＡ曖昧性パターンの重なりは、ＴＤＯＡ技術により解明され得る。ＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンは、ＴＤＯＡ角度計算に対する解を中心とし且つ既知のＴＤＯＡ測定誤差レンジにより境界が定められるようにして取得される。

Description

１．技術分野
本開示は、ＲＦエミッタ方向検出（ＤＦ）方法に関連し、特に、デュアル・ベースライン干渉法を利用してＲＦ信号の到来角（ＡｏＡ）を推定する方法、及び位相の曖昧さを解消して明確なＡｏＡ推定を提供する時間差技法に関連する。

２．関連技術の考察
電子サポート及びレーダー警告受信機システムは、少数のＲＦエミッタ信号サンプル（例えば、時間セグメント、パルス等）を利用して、エミッタ密度の高い環境における周波数アジャイル・エミッタを含むＲＦエミッタのＡｏＡを正確に発見する益々高まるニーズを有する。

通常、広い間隔のアンテナとともに３種類のＤＦ技術が使用される。到着時間差（ＴＤＯＡ）ＤＦは曖昧性無しに１８０°までカバーすることができ、なぜなら２つのアンテナ間の時間遅延は幾何学的角度に関して単調だからであるが、ＴＤＯＡは比較的低いＡｏＡ精度をもたらす。振幅比較ＤＦは、一般に、同様に粗いＡｏＡ精度を提供する。

到着周波数差（ＦＤＯＡ）技術は、一般に、安定したエミッタ・パルス信号周波数、より高いＳＮＲ、及びより長い収集時間（例えば、干渉測定のために数秒ないし１又は数パルス）を必要とし、従って、同時にジオロケートされ得る脅威の数を制限し、適用可能性を、一定の波形を有する脅威に制限する。

より精密なＤＦアプローチは位相干渉法（ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ：ＰＩ）として知られている。この技術によれば、一対のアンテナ素子が距離「ｄ」だけ隔てられており、独立して送信信号を受信する。信号の方位角ＡｏＡを決定するために、アンテナはｙ軸上に配置され；仰角を決定するために、それらはｚ軸に横たえられる。方位角の場合、航空機に向かって伝搬し、ボアサイト（ｘ軸）から角度θで到達する平面波が、２つのアンテナのそれぞれで受信される。２つのアンテナによって受信される信号間の位相差ΔΦは、

として表現され、ここで、λは未知の角度位置から伝搬するエミッタ信号の波長であり、Ｓはアンテナ間隔である。平面波は、あるアンテナに到達するまでに、他のアンテナと比較して余分な距離を進むので、第２アンテナによって受信される信号の位相は、それに応じて遅延する。次に、２つの受信信号それぞれの位相が比較され、周波数が検出され、その結果はプロセッサに供給され、そこで放射源の方位角θは容易に計算される。ＰＩアプローチの主な欠点は、アンテナ間隔が信号の半波長よりも大きい場合、ターゲット・エミッタについての２つ以上の角度位置が、２つのアンテナによって受信される信号間で同じ位相関係を生成し得ることである。その結果、角度位置の曖昧さが２つのアンテナ・アプローチで生じる。エミッタの角度位置に関する先験的な情報がない限り、単独のベースライン（２要素）干渉計を使用して、妥当な周波数カバレッジ及び未知の方向からの曖昧性の無い高精度ＡｏＡ測定を達成することは不可能である。従来の干渉法では、最も離れたアンテナ間の間隔は、数十、数百、又は数千ものエミッタＲＦ信号波長であり得る。これらのシステムは、並外れた角度分解能を達成するが、曖昧さを回避するために、エミッタ位置に関する先験的な情報を必要とする。一般的な解（又はソリューション）は、曖昧さの問題を解決するために複数の（例えば、４−６の）専用の不規則に隔てられたアンテナを採用し、未知の方向からの信号に対して精密な分解能のＡｏＡを提供することであり、これは、アンテナのベースライン間隔を注意深く設計し、アンテナの幾つかのペアの間の電気位相を比較することによって達成される。４ないし６個のアンテナが使用され、その個数は、最も離れたアンテナ間の間隔が大きくなるにつれて増加し、最高周波数に対する最低動作周波数の幅広い比率（例えば、９倍）を提供する。
航空機で使用される場合、３６０°の状況把握が必要とされ、アンテナ及び受信機の１セットが、各象限に（各方位に）必要とされる。

いったん曖昧さが除去されると、従来のＰＩシステムのＡｏＡ精度は０．１°よりも優れていることが報告されている。ＡｏＡの精度はより広い間隔とともに改善されるので、より広い間隔が望ましい。間隔を縮小したものは、より低い精度のＡｏＡ測定値を有するけれども使用されており、なぜなら、多くの幅広く隔てられるアンテナの適切な設置場所を見出すことは、この種のシステムを実用的でないものにしてしまう可能性があるからであり、航空機のプラットフォームでは尚更である。

１９９８年３月３日付けでＬｉｏｉｏｏに発行された米国特許第５，７２４，０４７号は、ここに援用されており、２つの隔てられたアンテナ素子を介して受信された信号に対して精密なＡｏＡ推定を行う精密なＤＦシステムを教示し、ＰＩを使用して、ＴＤＯＡ及び予備的な検出相関技術を使用して解決される多数の曖昧さとともに精密なＡｏＡを決定する。ここに開示される方法は、低周波数（大きな波長）に関連し、正しい「ＰＩ ＡｏＡ」解は（単独の、粗い）「ＴＤＯＡ ＡｏＡ」に最も近いものである、という仮定に基づいて動作している。しかし、受信波長の３／２倍以上のアンテナ間隔では、３以上の曖昧さが存在する場合、その技術によって提供されるＡｏＡ解は、正確ではなく不正確になりやすい。従って、上記の欠点の無い正確なＤＦのための方法及びシステムが望まれている。例えば、広い動作帯域幅を提供し、３６０°のカバレッジを提供する一方、アンテナ及び関連する受信機の数を最小化し、高密度エミッティング環境における周波数アジャイル・エミッタを含むエミッタから受信されるパルスについて、ＡｏＡ解を迅速に（わずか１パルスを使用して）見出すことが可能な、正確なＤＦが望まれる。曖昧さを回避しつつ、正確さを最大化するような方法で、ベースライン・アンテナ素子間隔を選択する方法も必要とされている。また、生成された何らかの曖昧なＡｏＡ解に関連する可能性のあるエラーを低減し、識別することも望まれるであろう。更に、このような改善されたＤＦ能力を、多くのタイプの航空機に既に存在するアンテナ・システムに提供することが追加的に望ましい。

信号が入射するシステム・アンテナ・アレイに対する１つ以上のＲＦ信号（例えば、信号パルス）のＡｏＡの正確な推定値を決定するための精密ＤＦ法及びシステムが説明される。一実施形態では、３つ以上のアンテナ素子を含むレガシー・アンテナ・アレイは、改良された、曖昧さの無い（又は予め定められた曖昧性エラーしか伴わない）高度に正確なＡｏＡ測定のために改良され得る。

一実施形態では、アンテナ・アレイにおいて、エミッタから受信された１つ以上のＲＦ信号に対する曖昧でないＡｏＡ推定値を決定するためのシステム及び方法が提供される。第１のＲＦ信号の第１、第２、及び第３の信号成分は、共通の時間に、アレイの対応する第１、第２、及び第３アンテナ素子において受信され得る。第１及び第２のアンテナ素子は互いに、第３アンテナ素子に対してよりも近接して固定的に離間されている。１つ以上のプロセッサは、受信された第１ＲＦ信号の１つ以上の特徴を決定することが可能であり、１つ以上の特徴は、第１及び第２信号成分の対応する位相間の第１位相差、第１及び第３の信号成分の対応する位相間の第２位相差、及び第１及び第３の信号成分間のＴＤＯＡを含み、ＴＤＯＡは既知の測定誤差範囲を有する。次いで、プロセッサは、ＴＤＯＡ角度計算に対する解を中心とし、既知のＴＤＯＡ測定誤差範囲によって制限される「ＴＤＯＡ ＡｏＡ可能性」のスパンを得るために、計算されたＴＤＯＡを使用してＴＤＯＡ角度計算を実行することができる。このＡｏＡ解の限られた集合から、プロセッサは曖昧さの無いＡｏＡ推定値を決定することができる。

別の実施形態では、プロセッサは、「ＴＤＯＡ ＡｏＡ可能性」の範囲内で、受信信号成分の第１及び第２位相差に基づいて、ＰＩを使用して、ラップされた位相誤差の包絡線（ａｎ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｏｆ ｗｒａｐｐｅｄ ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒｓ）を計算することができる。プロセッサは、ラップされた位相誤差エンベロープ内の最小位相誤差に関連するものとして、曖昧さのないなＡｏＡ推定値を決定することができる。精密なＡｏＡ解を得るために、追加的な曖昧さの無いＡｏＡ推定値が決定されてもよい。

第１、第２、及び第３のアンテナ素子間の間隔は、アンテナのうちのより近いペアから生じるＡｏＡの曖昧さが、ＴＤＯＡ角度推定値の誤差よりも広く隔てられ、アンテナのうちのより遠く隔てられたペア（例えば、近接して隔てられた第１又は第２のアンテナ素子のうちの１つ及び遠くの第３のアンテナ素子）の曖昧さが、アンテナ素子のうちのより近接して隔てられたペア（すなわち、第１及び第２のアンテナ素子）から生じるＡｏＡの誤差よりも広く隔てられているように、選択されることが可能である。

アンテナ間隔は次式に従って選択されてもよい。

ここで、Ｓ_ＴＤは第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうち任意の２つの間における最大間隔を表し、Ｓ_ＰＩは第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうち任意の２つの間における最小間隔を表し、σ_φはアンテナ・アレイの既知の位相誤差を表し、λは受信信号成分の波長である。

アンテナ素子は、航空機又は他の乗物等の移動可能なプラットフォームに固定的に配置されてもよい。近接して配置された第１及び第２アンテナ素子は、航空機の第１象限に配置される一方、第３アンテナ素子は、別の象限に配置されてもよい。

要約、図面、詳細な説明は、ここに記載される発明概念の範囲についての制限ではにことが、理解されるべきである。

前述の及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に示されているように、以下の実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。ここで、同様の参照符号は一般に、様々な図面を通じて同一の又は構造的及び／又は機能的に類似する部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、実施形態の原理を示すことに重点が置かれている。

図１は、エミッタＲＦ信号を受信するための複数のアンテナ素子とともに構成された例示的な航空機の説明図である。

図２は、本開示の実施形態による改善された「ＡｏＡ ＤＦ」のためのシステム例の例示的な機能ブロック図である。

図３Ａ−３Ｄは本開示の実施形態による改善された「ＡｏＡ ＤＦ」のための例示的な方法のフロー・チャートを示す図である。 図３Ａ−３Ｄは本開示の実施形態による改善された「ＡｏＡ ＤＦ」のための例示的な方法のフロー・チャートを示す図である。 図３Ａ−３Ｄは本開示の実施形態による改善された「ＡｏＡ ＤＦ」のための例示的な方法のフロー・チャートを示す図である。 図３Ａ−３Ｄは本開示の実施形態による改善された「ＡｏＡ ＤＦ」のための例示的な方法のフロー・チャートを示す図である。

図４Ａ及び４Ｂは、「ＡｏＡ ＤＦ」の例示プロセスに関連するラップされた位相誤差及び曖昧性ゾーンのグラフである。 図４Ａ及び４Ｂは、「ＡｏＡ ＤＦ」の例示プロセスに関連するラップされた位相誤差及び曖昧性ゾーンのグラフである。 図４Ｃは、異なるレベルの位相ノイズが存在する中での２つのサンプル結果について、角度ごとのラップされた位相誤差フラクションを示すヒストグラム例である。

図５は、例示的なアンテナ・アレイ設計ルールに従った、受信ＲＦ信号周波数の関数としての最小及び最大アンテナ間隔のチャートである。

図６Ａは、航空機に対する例示的なアンテナ・モジュール位置を示す図である。 図６Ｂは、例示的なアンテナ・モジュール位置に対するラップされた位相誤差及びテスト角度のサンプル・プロットである。

方向検出（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｉｎｄｉｎｇ：ＤＦ）方法及びシステムの実施形態に関する以下の説明は、本質的に例示にすぎず、開示される実施形態又はその応用又は用途を限定するようには決して意図されていない。開示される実施形態に対する代替例は、開示範囲から逸脱することなく工夫され得る。例えば、以下の説明は、より近接して配置された２つのアンテナと、より離れた第３アンテナと、ＴＤＯＡ技術とを使用する３アンテナ線形アレイを特に参照するかもしれない。しかしながら、当業者に理解されるように、代替の実施形態では、方法及びシステムは、航空機の各象限でアンテナを利用して、完全な３６０°の視野を提供することができる。更に、以下の例示的な実施形態で説明されるＲＦ信号は、パルス信号として言及されてよいが；これは、本開示の範囲をこのような信号に限定するように意図されていることを意味しない。更に、受信されたＲＦ信号に低位相ノイズ又は高位相ノイズが存在することに対処するために、本方法の変形例が生じ得る。更に、幾つかの実施形態は、例えばプロセッサによって実行されるアクションのシーケンスに関して説明される。ここに記載される様々な動作は、特定の回路（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））によって、１つ以上のプロセッサによって実行されるプログラム命令によって、又はそれら両方の組み合わせによって実行され得ることが認識されるであろう。

実施形態に関連するよく知られた技術要素は、新規な方法及び装置の関連する詳細を不明瞭にしないように、詳細には説明されず、又は省略される。「例示的」という用語は、「例、インスタンス、又は例示として役立つこと」を意味するようにここでは使用されている。「例示的」としてここで説明される何れの実施形態も、必ずしも他の実施形態よりも好ましい又は有利であると解釈される必要はない。同様に、用語「実施形態」及びその用語それぞれの使用に関連する記述的な言葉は、全ての実施形態が、説明された特徴、制限、利点、又は動作モードを含むことを要しない。ここで使用されるように、「ある（“ａ”，“ａｎ”）」及び「その（“ｔｈｅ”）」という形式の語もまた、文脈上別意を明示的に示さない限り、１つ以上の形態を含むように意図される。更に、「備える」、「備えている」、「有する」、「含む」及び／又は「含んでいる」等の用語は、ここで使用される場合、述べられる特徴、ステップ、オペレーション、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、これらの１つ以上の他の特徴、ステップ、オペレーション、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しないことが更に理解されるであろう。更に、「〜に基づく」という言い回しは、明示的に別意を述べていない限り、「〜に少なくとも部分的に基づく」ことを意味するように意図されている。

本開示の方法及びシステムに従い、デュアル・ベースライン干渉法及びＴＤＯＡ技術が、正確で曖昧性の無いエミッタＡｏＡ解を見出すように結合される。共通時間でＲＦエミッタ信号の対応する成分を受信する３つのアンテナ間の位相を比較し、ＴＤＯＡ及びＰＩ解を組み合わせることは、ＰＩ曖昧性の解決と未知の方向からの精密なエミッタＡｏＡの達成を可能にする。２対のアンテナの間隔は異なるので、ＡｏＡ曖昧性パターンは異なる角度間隔を有する。これらのパターンのオーバーラップは個々の曖昧性パターンよりも広く広がり、その結果生じる広く広がった曖昧性は、ＴＤＯＡ技術によって導出されるＡｏＡの更なる比較によって解明されることが可能である。

デュアル・ベースラインＴＤＯＡ技術の組み合わせは、３つの離間されたアンテナ素子の単一セット（アンテナ間隔の設計指針は後述される）のように、従来システムよりも少ないアンテナで、周波数の複数オクターブにわたるエミッタに関する単一パルスを用いて、曖昧さの無い高精度の角度測定が行われることを可能にする。図１を参照すると、航空機１００等の移動可能なプラットフォーム上に設置される従来の干渉計システムは、象限１０２ａ−１０２ｄごとに４つ以上のアンテナを必要とし、周波数カバレッジの複数オクターブ及び曖昧性の無いＡｏＡを象限１０２ａ−１０２ｄごとに提供する。これに対して、開示される実施形態は、３つのアンテナ１０４ａ−１０４ｈのみの使用を可能にし、使用されるアンテナは、従来システムのアンテナよりも広く広がっていてもよく、象限（例えば、１０２ａ）ごとに２つのアンテナ（例えば、１０４ａ、１０４ｂ）の構成を可能にする。最も遠いアンテナのより広い間隔１０６（例えば、アンテナ１０４ｇ、１０４ｈ及び１０４ｅの間）は、エミッタ１０８等の多数のエミッタに対して、３６０°の視野にわたって、より細かいＡｏＡ解（既存のシステム及び方法よりも４−１０倍優れた解）を提供することができる。本方法は、単一パルスを用いて安定なエミッタのための正確なＡｏＡ解を提供することが可能である。

そのような方法及びシステムは、電子サポート（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ：ＥＳ）及び／又はレーダー警告受信機システム（ｒａｄａｒ ｗａｒｎｉｎｇ ｒｅｃｅｉｖｅｒ（ＲＷＲ）ｓｙｓｔｅｍｓ）の一体的な構成要素を含んでもよく、又はそれらにＡｏＡ情報を提供することができる。アンテナ素子１０４ａ及び１０４ｂは、ステーション１１０に統合され、そして、アンテナ素子１０４ａ、１０４ｂのうちの何れかと、アンテナ・ステーション１１２の一部であるアンテナ素子１０４ｃとの間の距離より短い距離だけ離間されるように示されている。アンテナ素子１０４ａ−１０４ｃは、各々、エミッタ１０８から放出されるＲＦ信号の成分を共通時間で受信するように示されている。航空機１００のウィング（又は主翼）１１４、ノーズ１１６及び／又はテール（又は尾翼）１１８に配置される他のアンテナ素子１０４ｄ−１０４ｈは、代替的に又は追加的に利用され得る。これらの配置は、最も単純な物理的設置を可能にし、最良の妨げのない視野を提供することができる。

図２は、アンテナ・アレイ２０２、複数の受信機２０６ａ、２０６ｂ、及び１つ以上の信号プロセッサ２０８を備える例示的なＤＦシステム２００の一般化された機能ブロック図であり、信号プロセッサ２０８は、アンテナ・アレイ２０２のアンテナ素子２１４ａ、２１４ｂ、及び２１４ｃに入射するＲＦ（例えばパルス）信号２１２の精密なＡｏＡ推定値２１０を提供する。信号プロセッサ２０８は、デュアル・ベースライン干渉計曖昧性パターン発生部２１６と、ＴＤＯＡ計算部２１８と、曖昧性リゾルバ及び信号アキュムレータ２２０とを含んでもよい。第１アンテナ素子２１４ａ及び第２アンテナ素子２１４ｂは、距離ｓ_１だけ固定的に離間されており、この距離は、航空機１００上で数メートルになり得る、第１アンテナ素子２１４ａと第３アンテナ素子２１４ｃとの間の固定距離ｓ_２よりも短い。第１アンテナ素子２１４ａ及び第２アンテナ素子２１４ｂは初期の曖昧なＡｏＡ推定値を生成する際に利用される一方、第１アンテナ素子２１４ａ及び第３アンテナ素子２１４ｃは、ＡｏＡ推定値及び「ＴＤＯＡ ＡｏＡ推定値」を生成する際に利用される。アンテナ２１４ａ−２１４ｃは、アンテナ２１４ａ、２１４ｂのより近接したペアから生じる結果のＡｏＡの曖昧さが、ＴＤＯＡ角度推定におけるエラーよりも広く広がり、且つアンテナのより遠い方のペア（例えば、２１４ｃと、２１４ａ又は２１４ｂのうちの１つとのペア）の曖昧さが、アンテナ２１４ａ、２１４ｂのより近接して離間されているペアから生じる結果のＡｏＡの誤差よりも広く広がるように、間隔を置いて配置される。

特定の実施形態では、アンテナ素子２１４ａ−２１４ｃはそれぞれ、ソース・エミッタからの入射ＲＦ信号波面２２２の成分を、対応する第１信号成分２２４ａ、第２信号成分２２４ｂ及び第３信号成分２２４ｃとして、共通の時間に受信する。ＲＦ信号は、パルス、パルスの一部、又は（エミッタが連続信号を送出している場合には）共通の時間セグメントを含むかもしれない。アンテナ素子２１４ａ−２１４ｃは、２つのチャネル受信機２０６ａ及び２０６ｂ（及び／又は別々の受信機が使用されてもよい）に供給することができ、これらの受信機は、信号をダウンコンバートし、ディジタル化し、チャネライズすることができる。検出された信号は、位相φ、周波数（各々の入射パルス信号に対して同じであると予想される）、到着時間（ＴＯＡ）を含むそれぞれの信号成分２２４ａ−２２４ｃを抽出するように処理され得る。

受信信号成分２２４ａ−２２４ｃ間の経路差は、ｄ＝ｓ_Ｎ＊ｓｉｎθとして表現されることが可能であり、ここでθは、図示されるように、ＲＦ信号波面２２２の信号経路に垂直な、第１アンテナ素子２１４ａから引かれる直線によって形成される角度を含む。第１のより近い位相差は、第１信号成分２２４ａ及び第２信号成分２２４ｂから決定されることが可能であり、第２の（遠い方の）位相差は、第１信号成分２２４ａ及び第３信号成分２２４ｃから決定されることが可能である。第１信号成分２２４ａと第２の信号成分２２４ｃとの間のＴＤＯＡは、信号成分２２４ａ及び２２４ｃの先端同士の間の時間差、又は信号成分２２４ａ及び２２４ｃの相関を最大にする時間オフセットのような方法によって決定され得る。ＡｏＡは、ｓｉｎθ＝（ｃ／ｓ_２）＊Δｔに従って「ＴＤＯＡ ＡｏＡ計算部」２１８によって決定され、ここで、ｃは光速である。位相差は、個々の信号成分２２４ａ−２２４ｃの位相差を発見することを含む幾つかのよく知られた技術のうちの１つで決定されることが可能であり、位相は信号の同相成分（Ｉ）及び直交成分（Ｑ）の比率の逆正接を用いて計算される。ＡｏＡ曖昧性パターンは、

に従って曖昧性発生部２１６によって生成され、ここで、ｍは曖昧性インデックスであり、−１及び１の間の有効なｓｉｎの値をもたらす任意の整数であるとすることが可能である。ＴＤＯＡ及びデュアル・ベースライン「ＰＩ ＡｏＡ測定値」はそれぞれ不確実性を含むことが理解される。ＴＤＯＡ誤差に関し、不確実性は、測定装置に関連する時間測定誤差推定値に比例し、経験的に導出されてもよいし、又は装置の設計の分析から生じる結果であってもよい。ＴＤＯＡ計算部２１８によって生成される「ＴＤＯＡ ＡｏＡ推定値」のスパン（又は広がり）は、単独の解−プラス・マイナス−関連する誤差範囲（ガウシアン形状を有していてもよい）を含む。例えば、ＴＤＯＡ誤差範囲は、ベースライン距離ｓ_２に比例し、パルス信号周波数とはほぼ独立しており、

のように表現され得る。一方、ＰＩ解の不確実性は、

のような位相測定誤差と、モジュロ（２π）の位相測定不確実性との双方に起因し、それは曖昧さ同士の広がりを与え、次式で表現され得る。

即ち、「ＰＩ ＤＦ技術」から生じる可能性のある正しいＡｏＡ解の数は、パルス周波数と共に増加し、アンテナ・ベースライン間隔と共に減少する。ｓ_Ｎが、
λ_{ｐｕｌｓｅ}／２
より大きい場合、「ＰＩ ＡｏＡ推定値」の集合は、（２ｓ_Ｎ／λ）個の曖昧な結果（「曖昧性（ａｍｂｉｇｕｉｔｉｅｓ）」）を有する。角度測定誤差の幅は、曖昧性の角度範囲よりも小さな（σ_φ／２π）のファクターであり、このファクターは容易に１００を超え得る。

図３Ａないし３Ｄは、本開示の実施形態に従った、高精度で曖昧性のないＡｏＡ解２１０（例えば、単独の値又は値の小集合）を計算する方法のフロー図を示す。ここに記載される様々な実施形態は、受信したＲＦ信号において検出される低及び高位相ノイズ状態、ならびに代替的な曖昧性情報解決アプローチに配慮している。説明される実施形態は、本開示の範囲を制限するようには決して意図されていない。

図３Ａは、低位相ノイズを含む１つ以上の受信されたＲＦ信号２１２の信号成分２２４ａ−２２４ｃから正確な曖昧性の無いＡｏＡ解を決定するために、信号プロセッサ２０８によって利用され得る例示的ＤＦ法３００Ａの処理フロー・チャートを示す。ステップ３０５では、受信されたＲＦ信号（複数可）２１２の信号成分２２４ａ−２２４ｃに関連する特徴（例えば、ＴＤＯＡ、周波数、位相差など）が決定され得る。ＴＤＯＡは、単純なパルス信号を含むＲＦ信号２１２に対する先端エンベロープ検出（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）、位相及び周波数変調信号に対する事前検出相関を用いて測定されてもよい。曖昧な「ＰＩ ＡＯＡ推定」に対するＡｏＡ不確実性は、通常、ＴＤＯＡ誤差範囲より非常に狭く、一群のほぼ近接した離散的な結果として現れる。

「ＴＤＯＡ ＡｏＡ計算部」２１８は、曖昧性解決部２２０によって考慮されるべき角度限界を決定する。例示的な曖昧性パターン発生部２１６は、受信機２０６ａ、２０６ｂによって算出されたＰＩ位相差を、様々な仮定されたＡｏＡについて計算された位相差と比較し、正味の曖昧性パターン（ａ ｎｅｔ ａｍｂｉｇｕｉｔｙ ｐａｔｔｅｒｎ）を生成する。例示的な正味の曖昧性パターン４００が図４Ａに示されており、これは各々の仮定に対する２アンテナ・ペア（例えば、アンテナ素子１０４ａ〜１０４ｂ、及び１０４ａ〜１０４ｃ）に関する二乗和根（ｒｏｏｔ ｓｕｍ ｓｑｕａｒｅｄ：ＲＳＳ）位相誤差を示す。この例のケースでは、真の角度４０２は３０°であり、位相誤差は３０°で０に等しい。位相測定値は０及び２πの間にあるように制限され、２πの誤差は０誤差と区別できないので、位相誤差は「ラップされている（ｗｒａｐｐｅｄ）」と一般に言及され、なぜなら２πの「ラップ」は一周して０になるからである。ラップされた正味の曖昧位相誤差パターン４００は、典型的には、代表的な位相誤差エンベロープ４０４ａ−４０４ｅのような、緩慢に変化するダイヤモンド形状の位相誤差エンベロープの形態をとり、ＡｏＡにおける曖昧さは、被ラップ位相誤差（ラップされた位相誤差）（真の位相誤差と真の位相誤差のモジュロ２πと間の差）の関数としてプロットされている。高いエミッタ信号周波数、及びアンテナ素子１０４ａ−１０４ｃ間の広い間隔では、密な「ＰＩ ＡｏＡ曖昧性」が存在し得る。位相誤差包絡線４０４ａ−４０４ｅは、様々な解の角度における位相誤差による例示的な組み合わせの「ＰＩ ＡｏＡの曖昧性」を示しており、例えば２°の位相ノイズがエミッタ信号中に存在し、テスト・パラメータは１８ＧＨｚのエミッタ信号で３０°のＡｏＡであり、第１アンテナ素子１０４ａと第３アンテナ素子１０４ｃとの間は５００ｃｍ離れており、第１アンテナ素子１０４ａと第２アンテナ素子１０４ｂとの間は１０ｃｍである。

方法３００Ａのステップ３１０において、ＴＤＯＡ計算部２１８からの出力は、ＡｏＡ角度の可能性４０６の誤差依存スパンを含む。より離れたアンテナ素子１０４ｃと、他の近接して配置されたアンテナ素子１０４ａ、１０４ｂのうちの１つとに基づくＴＤＯＡ角度計算は、ＡｏＡ角度の可能性４０６の連続的な範囲をもたらす。曖昧性解決部及び信号アキュムレータ２２０は、「ＴＤＯＡ ＡｏＡ」角度の可能性４０６のスパンの境界４０８、４１０を使用して、初期のＰＩ曖昧性４０４ａ−４０４ｅ（近接して配置されるアンテナ素子１０４ａ、１０４ｂのＰＩ測定から生じるもの）を、ラップされた包絡線４０４ｄに制限し、その中で曖昧性の無い正確なＡｏＡ解２１０が決定され得る。「ＴＤＯＡ ＡｏＡ誤差範囲」４０６に該当しないデュアル・ベースラインＡｏＡ曖昧性４０４ａ−４０４ｃ及び４０４ｅは、おそらくは、正しい高精度ＡｏＡ解のセットから分離され得る。「ＴＤＯＡ ＡｏＡ誤差範囲」４０６は、「ＴＤＯＡ ＤＦ演算」によって取得される曖昧性の無い潜在的なＡｏＡ解の全てを含む粗いＡｏＡ推定値を表す。ＴＤＯＡ誤差は、所与のＡｏＡについて計算されたＴＤＯＡにおける（測定装置関連の）誤差を含み、「ＴＤＯＡ ＡｏＡ誤差範囲」４０６の境界４０８、４１０を決定する。

デュアル・ベースライン・ネット曖昧性（ダイヤモンド状）パターン４０４ａ−４０４ｅの広がりは、アンテナ素子１０４ａ−１０４ｃの間隔に依存し、その結果、アンテナ・アレイ２０２は、アンテナ素子１０４ａ−１０４ｃ間の複数の間隔とともに構成され、「ＴＤＯＡ ＡｏＡの可能性」４０６のスパンは、キャリア周波数の範囲にわたって、関心のある特定のエミッタ１０８に関連する１つの「ＰＩ ＡｏＡ被ラップ包絡線」４０４ｄを識別する。例えば、間隔は次式に従って選択されてもよい。

ここで、Ｓ_ＴＤは３つのアンテナ素子１０４ａ−１０４ｃのうちの最大間隔（図２におけるＳ_２）を表し、Ｓ_ＰＩは３つのアンテナ素子１０４ａ−１０４ｃのうちの最小間隔（図２におけるＳ_１）を表し、σ_φはアンテナ・アレイ２０２の既知の位相測定誤差を表し、λは受信したエミッタ信号成分２２４ａ−２２４ｃの波長である。図５はアンテナ素子間隔Ｓ_ＰＩのプロットを提供し、このプロットにおいて、正確なＡｏＡ推定値２１０は、５ｍのステーション間隔（すなわち、距離Ｓ_ＴＤ）、１ナノ秒のシステム時間誤差、及び１０°の位相誤差を有する例示的なアンテナ・アレイに対して、エミッタ信号周波数の関数として単一パルスを用いて決定されることが可能である。最大Ｓ_ＰＩ曲線５１０の近傍では、正確なＡｏＡ解を選択することが困難になる。最小Ｓ_ＰＩ曲線５２０では、ＰＩ技術は、「ＴＤＯＡ ＡｏＡ」解を上回るより細かい精度改善をもたらす。しかしながら、例えば、１０−２０ｃｍのＳ_ＰＩを使用することは、ほとんどすべてのエミッタ信号周波数にわたって曖昧性の無い高精度の改善をもたらす。２０ｃｍのＳＰＩは２０ＧＨｚで〜０．１°の精度をもたらす。

図３Ａを再度参照すると、ステップ３１０において、図４Ｂに示されるような境界が定められた角度曖昧性領域４０６について、エミッタ周波数において仮定されたＡｏＡテスト・グリッドに対して、一組のラップ位相誤差が計算され、図４Ｂでは代表的な中間結果４１２がＡｏＡテスト角度に対する被ラップ位相誤差としてプロットされている。ステップ３１５では、位相適合誤差を評価し、各パルスについて最良のＡｏＡを見出すために、処理された各パルスに対する中間結果４１２に、最良適合動作が適用され得る。曖昧性の無いＡｏＡは、単一のパルスを用いて測定され得る。選択的なステップ３２０において、曖昧性リゾルバ及び信号アキュムレータ２２０は、多数のパルス（エミッタ信号収集）に対する位相適合誤差を蓄積し、最適な曖昧さのない高精度なＡｏＡ推定値２１０を、より堅牢に決定してもよい。追加のパルスの収集及び処理は、所定の方法で、又は統計的信頼性閾値が達成されるまで、又は正確なＡｏＡ解２１０は現在不可能であると判断されるまで、反復的に行うことができる。図４Ｃは、統計蓄積ステップ３２０の代表的なヒストグラム出力を示し、処理されたパルスの約９０％が、３０°である正確で高精度なＡｏＡ推定値２１０を示し、それ以外は非常に近い結果を示している。単一の曖昧でないＡｏＡ推定値２１０、又は推定値の削減されたセットがいったん得られると、信号プロセッサ２０８は、推定値を解として報告することができる。

図３Ｂは、高位相ノイズを含む受信エミッタ信号成分２２４ａ−２２４ｃから正確なＡｏＡ推定値２１０を決定するために、信号プロセッサ２０８によって利用され得る例示的なＤＦ法３００Ｂの処理フロー・チャートを示す。ＴＤＯＡ制限ステップ３３０、被ラップ誤差計算ステップ３３５、及び最良適合ステップ３４０は、方法３００Ａにおける対応するステップとほぼ同一である。ところで、方法３００Ａは、単一の低位相ノイズ、エミッタ・パルスにおける曖昧性のない正確なＡｏＡ解を生成し得るが、受信されたエミッタ信号２１２内の高位相ノイズは、（図４Ｂに示されるような）不正確な幾分の曖昧性（ｉｎｃｏｒｒｅｃｔ ｓｅｍｉ−ａｍｂｉｇｕｉｔｉｅｓ）４１４を生じさせ得る。従来の干渉計では、所与の位相測定値、従って位相差は、特にノイズの多いものとなり、取り出されるＡｏＡが誤った曖昧さの中にあることを引き起こす。個々のパルスの結果を当てにするよりも、少数の（例えば、３−５の）パルスから取り出されるＡｏＡｓを比較して一貫性を保証し、（選択的なステップ３２５で行われるような）外れ値を破棄することは、より堅牢である。非常にノイズの多いシナリオでは、追加のパルス又はサンプルがテストされ得る。有利なことに、開示される実施形態は、少数のパルスからの結果を比較し、外れ値を除去し、次いで、残留するこれらのパルスの位相差を平均化し、より正確なＡｏＡを再計算することにより、より堅牢である

図３Ｃ及び３Ｄはそれぞれ、低い及び高いＲＦエミッタ信号２１２の位相ノイズに対する代替的なＤＦ法３００Ｃ及び３００Ｄの処理フロー・チャートを示す。方法３００Ｃ及び３００Ｄのステップ３５５、３６０、３８０及び３８５は、方法３００Ａ及び３００Ｂの対応するステップと非常に類似しているが、これらの実施形態では、被ラップ包絡線位相適合エラーが、複数のパルスに対して累積され（ステップ３６５及び３９０）、その後に最良の適合ＡｏＡ解（ステップ３７０及び３９５）。追加的に、方法３００Ｄは、ステップ３９０で発見された最良適合ＡｏＡ解と他のＡｏＡ解との間の差に基づいて、処理すべき追加のエミッタ・パルスの数を適応的に決定する選択的なステップ３９９を使用することができる。

追加的な実施形態
当業者は、上述したシステム構成及び技術において変形が為され得ることを容易に理解するであろう。例えば、図６Ａ及び６Ｂに関し、航空機６２５の象限中に配置される４つの本来のアンテナ・ステーション（ノーズ６０５、テール６１０、及びウィング６１５、６２０）を使用するＤＦ法は、多くのエミッタＡｏＡ及び周波数において正確なＡｏＡ解を提供するように実証されている。図６Ｂでは、アンテナ間隔が３９７ｃｍ、２６６ｃｍ及び９８４ｃｍであり、１０°のＡｏＡ及び５ＧＨｚのエミッタ信号を有する４アンテナ素子テスト・ケースに関し、例示的な結果が示されている。「ＴＤＯＡ ＡｏＡ」の可能性の境界６３５、６４０の内側で最小ＰＩ位相誤差６３０は、真のＡｏＡ１０°に集中していることが分かる。

例示的なインターフェース
ここで説明される方法及びシステムによって提供される精度は、既存のＤＦシステムよりも桁違いに優れているか又はより速い。適切な用途は、受動的な追跡及び高速測位を含む。１人以上のユーザは、任意の適切なディスプレイ（例えば、テレビジョン、コンピュータ・モニタ、ラップトップ、タブレット・コンピューティング・デバイス、スマート・フォン、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）及び／又は他のディスプレイ及びコンピューティング・デバイス等）を使用して、ＤＦシステムの実施形態と相互作用することができる。幾つかの実施形態では、システム２００及びシステムのユーザは航空機と共に位置している。当然に、ユーザはＤＦシステムから離れた場所に位置していてもよい。

本開示についての多くの変更及び修正は、前述の説明を読んだ後の当業者にとって疑う余地無く明らかになるであろうが、説明のために示され記述された特定の実施形態は、限定することを考察するようには決して意図されていないことが理解されるべきである。ここで使用される如何なる要素、動作、又は命令も、明示的にしかるべく記述されない限り、重要又は本質的であるとして解釈されるべきではない。１つの項目のみが意図される場合には、「１つの」という用語又は類似する文言が使用される。

Claims (10)

1. アンテナ・アレイでエミッタから受信した１つ以上のＲＦ信号の到着角度（ＡｏＡ）を決定する、プロセッサにより実行される方法であって：
   共通時間において第１、第２、及び第３アンテナ素子で検出される第１信号の対応する第１、第２、及び第３成分を受信するステップであって、前記第１、第２アンテナ素子は互いに、前記第３アンテナ素子に対してよりも近接して固定的に離間されている、ステップ；
   前記第１信号の１つ以上の特徴を決定するステップであって、前記１つ以上の特徴は、前記第１及び第２信号成分の対応する位相の間の第１位相差と、前記第１及び第３信号成分の対応する位相の間の第２位相差と、前記第１及び第３アンテナ素子に到着する前記第１及び第３信号成分の間の到着時間差（ＴＤＯＡ）とを含み、前記ＴＤＯＡは既知の測定誤差レンジを有する、ステップ；
   前記ＴＤＯＡを利用してＴＤＯＡ角度計算を実行し、前記ＴＤＯＡ角度計算に対する解を中心とし且つ前記既知のＴＤＯＡ測定誤差レンジにより境界が定められるＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンを取得するステップ；及び
   異なる曖昧性の間隔を有する、前記第１及び第２位相差に基づく２つの曖昧性のある位相干渉（ＰＩ）推定値と前記ＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンとを利用して、曖昧性のないＡｏＡ推定値を決定するステップ；
   を含む方法。
2. 前記受信した信号成分における前記第１及び第２位相差に基づくＰＩを利用して、前記ＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンの中で被ラップ位相誤差のエンベロープを計算するステップ；
   を更に有し、前記曖昧性のないＡｏＡ推定値は、前記被ラップ位相誤差のエンベロープの中の最小位相誤差に関連付けられるものとして決定される、請求項１に記載の方法。
3. 同じエミッタからの以後のＲＦ信号からの曖昧性のない追加的なＡｏＡ推定値が、より精密なＡｏＡ解を取得するために決定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１及び第２信号成分からの結果のＡｏＡの曖昧さが、前記ＴＤＯＡ角度計算における誤差より広く広がり、及び前記第１及び第３信号成分からの結果のＡｏＡの曖昧さが、前記第１及び第２信号成分からの結果の単独のＡｏＡ推定値の誤差より広く広がるように、前記第１、第２、及び第３アンテナ素子の間の間隔を選択するステップを更に含む請求項１に記載の方法。
5. 前記第１、第２、及び第３アンテナ素子の間のアンテナ間隔を、
   

   

   
   に従って選択するステップを更に含み、Ｓ_ＴＤは前記第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうちの任意の２つの間の最大間隔を表し、Ｓ_ＰＩは前記第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうちの任意の２つの間の最小間隔を表し、σ_φは前記アンテナ・アレイの既知の位相測定誤差を表し、及びλは前記受信した信号成分の波長である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１及び第２アンテナ素子は、移動可能なプラットフォームの第１象限に固定的に配置され、前記第３アンテナ素子は、前記移動可能なプラットフォームの第２象限に固定的に配置される、請求項１に記載の方法。
7. ＲＦエミッタから受信した１つ以上のＲＦ信号の到着角度（ＡｏＡ）を決定する、プロセッサを含むシステムであって、前記プロセッサは：
   共通時間において第１、第２、及び第３アンテナ素子で検出される第１信号の対応する第１、第２、及び第３成分を受信するステップであって、前記第１、第２アンテナ素子は互いに、前記第３アンテナ素子に対してよりも近接して固定的に離間されている、ステップ；
   前記第１信号の１つ以上の特徴を決定するステップであって、前記１つ以上の特徴は、前記第１及び第２アンテナ素子で検出される前記第１及び第２信号成分の対応する位相の間の第１位相差と、前記第１及び第３アンテナ素子で検出される前記第１及び第３信号成分の対応する位相の間の第２位相差と、前記第１及び第３アンテナ素子に到着する前記第１及び第３信号成分の間の到着時間差（ＴＤＯＡ）とを含み、前記ＴＤＯＡは既知の測定誤差レンジを有する、ステップ；
   前記ＴＤＯＡを利用してＴＤＯＡ角度計算を実行し、前記ＴＤＯＡ角度計算に対する解を中心とし且つ前記既知のＴＤＯＡ測定誤差レンジにより境界が定められるＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンを取得するステップ；及び
   異なる曖昧性の間隔を有する、前記第１及び第２位相差に基づく２つの曖昧性のある位相干渉（ＰＩ）推定値と前記ＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンとを利用して、曖昧性のないＡｏＡ推定値を決定するステップ；
   を行うように構成されている、システム。
8. 前記プロセッサは、更に：
   前記第１、第２、及び第３信号成分における前記第１及び第２位相差に基づくＰＩを利用して、前記ＴＤＯＡ−ＡｏＡの可能性のスパンの中で被ラップ位相誤差のエンベロープを計算するステップ；
   を行うように構成されており、前記曖昧性のないＡｏＡ推定値は、前記被ラップ位相誤差のエンベロープの中の最小位相誤差に関連付けられるものとして決定される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１、第２、及び第３アンテナ素子は、
   

   

   
   に従って離間されており、Ｓ_ＴＤは前記第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうちの任意の２つの間の最大間隔を表し、Ｓ_ＰＩは前記第１アンテナ素子、第２アンテナ素子、及び第３アンテナ素子のうちの任意の２つの間の最小間隔を表し、σ_φは前記アンテナ・アレイの既知の位相測定誤差を表し、及びλは前記受信した信号成分の波長である、請求項７に記載のシステム。
10. 前記第１及び第２アンテナ素子は、移動可能なプラットフォームの第１象限に固定的に配置され、前記第３アンテナ素子は、前記移動可能なプラットフォームの第２象限に固定的に配置されている、請求項７に記載のシステム。
    
    
    

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