JP2584506B2 - Ｆｍ―ｃｗドップラレーダ航法システム - Google Patents

Ｆｍ―ｃｗドップラレーダ航法システム

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は高度測定デバイスに関し、より詳細には、ド
ップラ速度検知器に配設されている変調信号における位
相シフトを利用する測定回路に関し、その精度及び補正
の改良に関する。
背景技術 種々の形の高度計が知られている。これら公知の高度
計は幾つかはマイクロ波信号発生システム及びそのドッ
プラ効果反射を利用する。米国特許第3,860,925号に開
示されている１つの公知のシステムでは、速度検知器及
び高度測定システムの両方を含む組み合わされたシステ
ムが提供されている。この組み合わされたシステムの高
度計部分は、航空機において発生された周波数変調され
たマイクロ波信号のエコーを速度検知器のために利用し
ており、これらのエコーは地面への且つ地面からの移動
に因る位相シフトと共にドップラ周波数シフトを表示す
る。上記の特許の開示は本明細書に援用される。
米国特許第3,860,925号の開示では、マイクロ波信号
を発生し、地面から反射されるべきマイクロ波信号を送
信し、受信されたエコーを処理するための装置が提供さ
れている。この処理部分の一部では、帰還信号の振幅情
報を処理し、これから航空機の地面に対する高度を決定
する高度測定システムが提供されている。
より詳細には、前記米国特許において、両側波帯（DS
B）信号が復調されて、ベース帯域信号及び２つのチャ
ンネルの合成振幅が得られる。前記米国特許の開示を要
約するブロック図が第１図に図示されている。そこに図
示されているように、両側波帯信号がドップラ受信機の
入力端子10に入力される。この信号は余弦チャンネル12
及び14を通過する。これら２つのチャンネルは、それぞ
れミキサ16及び18を含んでおり、これらのミキサにおい
て、受信された（復調された）信号はそれぞれ、正弦波
信号20及び余弦波信号22と混合される。２つのチャンネ
ルには一対の漏洩防止フィルタ（LEF）24、26が配設さ
れており、低減フィルタ28、30がバッファ（図示せず）
による処理のため出力信号を供給する。
このバッファにおいて、振幅差を有する２つのチャン
ネルによって提供される２つの正弦波信号は処理され
て、これら２つの正弦波信号の振幅差の逆正接に等しい
ゲート幅を有するゲート信号を提供し、これにより、航
空機の高度の測定値を提供する。この作動は、所望の位
相角度の正接を与える分割器回路32における除算に同等
であり、その後、第１図に示される逆正接変換器34によ
る変換が続く。逆正接変換器34の出力は、所望の高度ゲ
ート信号である出力信号を供給するように図示されてい
る。低減フィルタ28及び30の後の信号の記述は以下の式
によって与えられる。
（１） e1＝sin（θ）cos（WDt） 及び （２） e2＝cos（θ）cos（WDt） 上記の式において、WD項はドップラ効果に因る周波数
シフトであり、これは、移動体の速度に依存する。位相
項θは、地上に行って戻ってくる信号の時間遅延に因
る。従ってこれは高度に依存する。これらの式に示され
ているように、高度情報は２つのチャンネルの相対的振
幅に存在する。２つのチャンネルの出力が互いによって
除算され、商の逆正接が取られる場合、エコーの位相遅
延を決定することが出来、高度が求められる。
しかしながら、この方法は精度に問題がある。振幅項
は、良好な高度精度を得るために、極めて高い精度で測
定されなければならない。これを現在の精度条件を費用
効果的な方法で満足するに足る精度で行うことは困難で
あるということを分析は示している。
ここに用いられるマイクロ波及びRF回路によって種々
の位相シフトが上記システムに導入される限り、斯かる
位相シフトを補償するために校正モードが必要となる。
高度計を校正するために２つの先行技術の方法が用いら
れている。
最初の方法においては、受信機／送信機をアンテナに
接続している全てのマイクロ波スイッチを開くことによ
り、マイクロ波エネルギは地面へ送信されず、反射して
受信機に戻る。このように反射されて受信機へ入る信号
はドップラシフトを有していないので、そこに人工的な
シフトを形成するためにはRF変調器が必要となる。これ
は、ドップラ速度測定と結び付いて作動する高度計が作
動するのにドップラシフトを必要とする故に試される。
RF変調信号はこの時点で高度計に供給される。
高度計によって測定された合成位相シフトは、斯くし
て、マイクロ波回路によって生じる位相シフトのみにな
る。補正された高度測定値を得るために、この方法によ
って測定された位相シフトは、高度計の作動期間中に得
られたドップラ地上帰還信号において測定された総位相
シフトから減算される。何となれば、通常の作動モード
の期間中と同じように、補正モードの期間中、同じ信号
をガン発振器が観測するからである。
しかしながら、この方法は、ドップラ高度計の校正に
とって正確な方法であるが、この方法の先行技術におけ
る実施は高価であり大型である。即ち、先行技術におい
ては、斯かる補正を実施するのにRF変調器及び他のマイ
クロ波回路を設けることを要するが、これは、実施のた
めの費用及び装置の要件を増加させる。第２の校正方法
は、マイクロ波漏洩項の位相を測定して校正因子を得る
ことを含む。この方法は前記米国特許にも記載されてい
る。この漏洩項は、マイクロ波スイッチから反射される
エネルギが地面に送られる前に受信機が拾い上げること
から生じる。その結果、再び、マイクロ波回路のみに依
存する位相シフトを有するがドップラシフトを有してい
ない信号が生じる。この位相が測定され、次に校正補正
因子として用いられる。
より詳細には、斯かる校正に対して、受信機からの信
号は上側J1側波帯を選択する帯域フィルタを通過する。
信号は一対の復調器において正弦−余弦式に復調され、
J1漏洩成分を除去する。スイッチングマトリックス及び
低減フィルタから成る切り替え式コンデンサフィルタ
は、校正の目的に用いられるゼロ速度漏洩項をリジェク
トする。
この方法は非常に簡単で且つ殆ど余分な回路を必要と
しないが、この技術を試験した結果、精度に若干の問題
があることがわかった。
米国特許第3,111,667号には、帰還ドップラ信号の位
相シフトを利用する別の高度計が開示されている。この
方法は一般的に「二倍化」と呼ばれ、第２図のブロック
図によって示されている。アンテナから端子36に受信さ
れる両側波帯（DSB）信号は先ず復調器38においてベー
スバンドに復調され、これにより漏洩項はDCになる。こ
の項は、更なる処理が行なわれる前に漏洩防止フィルタ
40によって除去される。その結果得られる信号は再変調
器42によって再変調され、漏洩がないだけのDSB信号に
再形成される。この両側波帯信号は、以下のように記述
される。
（３） e3＝cos［（Wm＋WD）ｔ＋θ］ ＋cos［（Wm−WD）ｔ＋θ］ Wm項はマイクロ波ガン発振器を周波数変調するのに用
いられる周波数（一般的にFM周波数と呼ばれる）であ
る。この信号は周波数二倍化デバイス44を通過すると、
以下で表される信号になる。
（４） e4＝１＋cos［２（Wm＋WD）ｔ＋２θ］ ＋cos［２（Wm−WD）ｔ＋２θ］ ＋cos（2Wmt＋２θ）＋cos［2WD］ 式（４）によって表される信号は2Wmに中心を有する
狭帯域フィルタ46を通って送られ、高度に比例する位相
を有する再構成された搬送波が結果として得られる。再
構成された搬送波の位相は信号をガン発振器を周波数変
調するのに用いられた同じのと信号Wmと比較することに
より測定される。これは、第２図の図示のように、位相
器49と共に位相検知器48を用いることによりループにお
いて行われる。
上記の周波数二倍化方法において、位相検知器48の出
力はモータ50を駆動するよう増幅され、このモータ50の
出力シャフトは移相器49を駆動するように回転する。モ
ータの出力シャフトの変位は定数倍された高度を表す高
度計出力量を構成する。
上記の周波数二倍化方法の重要な欠点は、多くの回路
が含まれており、この回路の如何なる不均衡も精度を低
下せしめるという事実に因るその精度にある。更に、回
路の出力位相検知及び指示部においてのみループを用
い、全ての他の処理を閉ループ式に実行するという先行
技術に鑑みて、信号の処理精度は更に低くなる。先行技
術の別の問題は、漏洩項を除去するために周波数ダブラ
の前に復調器−再変調器回路を必要とすることである。
これは、かなりの量の付加的な回路を必要とする。
他の先行技術は、ドップラレーダシステムにおける閉
ループ高度測定回路を開示している米国特許第3,149,33
0号である。この米国特許に開示された閉ループは、そ
の出力が乗算され処理されてループ内の制御可能遅延装
置に対して制御電圧を提供する直角位相チャンネルを有
していない。しかしながら、これは、論文「コスタスル
ープの周波数捕捉の改良」（IEEE トランザクションズ
・オン・コミューニケーションズ、第COM−25巻、第12
号、1977年12月）によって例示されるように、公知の技
術である。更に、米国特許第4,245,221号はFM−CWレー
ダレンジシステムにおける校正装置を開示している。し
かし、この装置は周波数差を測定して距離を求めてお
り、位相シフトを測定して速度を求めるシステムには適
切ではない。
以上のとおり、先行技術は、速度測定のために発生さ
れた反射ドップラ信号を利用する正確で安価な高度計を
提供するのに不十分であった。更に、校正が提案される
場合、かなりの付加的回路が必要とされた。つまり、先
行技術では、大量の付加的回路を利用しない正確で校正
される高度計の必要性が存在する。
発明の開示 従って、本発明の目的は、先行技術の欠点を克服する
ことにあり、他の航法測定のために供給された反射ドッ
プラシフト信号を利用する改良された高度測定装置を提
供することにある。
本発明の目的は、高度を感知するための情報を包含す
る反射信号を位相ループに似た閉ループ回路により処理
して一層高精度の高度情報を得ることができるFM−CWド
ップラレーダ航法システムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、閉ループ型
の高度測定回路を有するFM−CWドップラレーダ航法シス
テムを提供する。該FM−CWドップラレーダ航法システム
は、 前記高度測定回路内にループ位相シフトを確立して、
確立された前記ループ位相シフトを有し且つ変調周波数
で変調された第１及び第２の直角位相信号を提供するた
めの制御される遅延手段と、 前記遅延手段を制御して、前記FM−CWドップラレーダ
航法システムにより送信された被変調信号と該システム
により受信された反射信号との間の相対位相シフトに対
応するループ位相シフトを確立するための制御手段と、 前記遅延手段によって確立された前記ループ位相シフ
トを表す第１の出力信号を提供するための論理手段と、 前記第１及び第２の直角位相信号を処理するための第
１及び第２のチャンネルと、 前記第１及び第２のチャンネルによって処理された前
記第１及び第２の直角位相信号どおしを乗算して、該乗
算により求められた積に対応する第２の出力信号を提供
するための乗算手段と、 を具備し、前記制御手段は、前記第２の出力信号を処理
して前記遅延手段に制御電圧を提供し前記ループ位相シ
フトを確立させるための処理手段を有する。前記FM−CW
ドップラレーダ航法システムは更に、前記第１の出力信
号を校正して、前記遅延手段を除く前記の手段によって
生じ且つ前記ループ位相シフトに含まれる位相シフトを
補償するための校正手段を備えている。
このように、本発明は、高度を感知するための情報を
包含する反射信号を位相ループに似た閉ループ回路によ
り処理するようにしたので、一層高精度の高度情報を得
ることができるという格別の効果を奏する。
航法システムと共通的に特定の信号処理回路を用いる
ことによりシステムの費用が減少し、都合が良い。更
に、信号処理回路と共に閉ループ内に制御可能遅延装置
及び制御回路を含めることにより、システムの精度が増
加する。
制御回路は、制御可能遅延装置に相対的位相シフトに
実質的に等しいループ位相シフトを確立せしめることが
好ましい。更に、論理回路は、ループ位相シフトに対応
する期間を有する高度ゲート信号を提供するための装置
を含む。
更に、閉ループ回路は、第１及び第２の直角位相信号
を処理するための第１及び第２のチャンネルと、第１及
び第２のチャンネルによって処理された第１及び第２の
直角位相信号を乗算してこれによって得られる積に対応
する出力信号を提供するための乗算器とを含む。更に、
制御回路は、ループ位相シフトを確立するための制御可
能遅延装置に制御電圧を供給するために乗算器の出力信
号を処理するための処理手段を含む。
この処理手段は、乗算器の出力信号のための積分器を
含み得る。
本発明のより詳細な特徴によると、制御可能遅延装置
は、各々が変調周波数で変調され制御可能遅延装置によ
って確立されたループ位相シフトを表す第１及び第２の
直角位相信号を供給する。この変調周波数は、変調され
たドップラレーダビームの変調周波数の２倍であり得
る。
この装置は、第１チャンネルに第１及び第２の直角位
相信号を交互に供給し、同時に第２チャンネルに第２及
び第１の直角位相信号をそれぞれ交互に供給するための
切り替え式のマルチプレクサを含むことが好ましい。斯
くして、本発明の装置は、第１及び第２の直角位相信号
を処理するチャンネルを反復的に交互にし、２つのチャ
ンネルの諸成分における差から生じる永久的差を除去す
る。マルチプレクサを切り替えるためのスイッチング手
段が提供される。
同様に、切り替え式のデマルチプレクサは、第１及び
第２のチャンネルから交互の処理された直角位相信号を
受ける。デマルチプレクサは、制御可能遅延装置によっ
て出力された直角位相信号の第１及び第２に対応する第
１及び第２の出力信号を供給する。切り替え式デマルチ
プレクサは、マルチプレクサと同期してスイッチング手
段によって切り替えられるように接続されるのが好まし
い。斯くして、ループ位相シフトが実質的に相対的位相
シフトと整合すると、第１出力信号は常に大振幅の信号
となり、第２信号は常に第１信号より小振幅の信号とな
る。デマルチプレクサから第１の出力信号及び第２の出
力信号を受け取って、これらの出力信号の積を提供する
ために、乗算器が接続される。
更に、ループ位相シフトが相対的位相シフトに実質的
に整合する時に高い振幅を有する第１出力信号をドップ
ラ航法システムの速度処理回路の周波数トラッキング部
分に結合し、これによりその速度処理回路の精度を改良
するための手段が提供される。
本発明の別の面によると、第１及び第２のチャンネル
は各々、処理の精度を上げるために可変帯域通過フィル
タを含む。
本発明の有意な特徴によると、ループ位相シフトに含
まれる制御可能遅延装置以外の要素によって生じる位相
シフトを補償するために出力信号を校正するための校正
回路が提供される。
校正回路は、ドップラ航法システムにおいてマイクロ
波エネルギを送信するのに用いられるアンテナからマイ
クロ波発生器を切り離すための切り替え構造を含むこと
が好ましい。切り離されたマイクロ波発生器において反
射されたマイクロ波エネルギとマイクロ波発生器によっ
て発生されたマイクロ波エネルギとの間の遅延を測定す
るために遅延測定回路が設けられる。最後に、校正回路
は、出力信号によって指示されるループ位相シフトから
測定された遅延を減算することにより出力信号を補正す
る。
好都合にも、校正回路は、RF短絡エレメントが後に続
くマイクロ波遅延線を更に含む。したがって、切り替え
構造は、マイクロ波発生器を短絡エレメントに接続して
遅延を測定するように作動可動となっている。この装置
は、マイクロ波発生器によるFM−AM変換の補正のために
設けられる。
更に、切り替え構造と遅延測定回路を周期的に作動せ
しめるためのタイマが提供される。この装置は、遅延の
周期的測定を行うために、且つ高度測定回路の周期的校
正を行うために利用される。
本発明を実施するための最良の形態 上記に記載されている本発明の諸目的によると、ドッ
プラ航法システムにおける帰還ドップラエコーのための
閉ループ処理装置が提供される。本発明の装置を説明す
るに先立ち、ドップラ航法システムにおける送信ビーム
及び受信ビームの幾何の簡単な説明として以下の説明が
与えられる。
１つの公知のドップラレーダシステムは、４つの順次
に切り替えられるビームの周波数変調RFエネルギを地上
に送信し、ドップラシフト帰還を受信することにより作
動する。FM−CWレーダビームの帰還エコーは、FM搬送周
波数及びFM周波数の倍数における側波帯を含む。帰還ビ
ームの分析によって、且つ特に第１（J1）側波帯におけ
るドップラシフトを測定することにより速度及び他の航
法情報が得られる。側波帯は、ドップラ周波数シフトに
加えて、レーダから地面へそしてレーダに戻る伝搬時間
に因るドップラ位相シフトを含む。この位相シフトは、
以下のように高度に正比例する。
第３図は、受信機／送信機ユニット60によって垂直に
対する傾斜即ち勾配角度Ψで送信されるドップラシステ
ムの４つのビームの１つのビームを示している。このビ
ームは距離Ｒだけ伝搬して地面62にて反射される。RFエ
ネルギの往復伝搬時間は2R/Cである（但し、Ｃは光の速
度である）。高度ｈは、傾斜範囲と （５） ｈ＝RcosΨ の関係がある。従って、 （６） ｈ＝（ＣΔTcosΨ）/2 が成立する。
ΔＴは、信号の送信から該信号が反射されて受信され
る迄の全経過時間である。こうして位相シフトΔθは以
下により与えられる。
（７） Δθ＝２πfmΔＴ 従って、 （８） ｈ＝（CcosΨ）（Δθ）／（４πfm）＝ＫΔθ 係数Ｋは、任意の所与のドップラシステムの公知の定
数であり、従って高度は測定された位相シフトの定数倍
に等しい。斯して、ドップラ帰還は、高度を測定するの
に使用可能な情報（位相シフト）を含んでいる。
独立の高度計と違って、ドップラ航法システムと組み
合わされたユニットは幾つかの利点を享受する。つまり
速度処理回路及び高度計回路は同じアンテナ回路（RFソ
ース、R/Tモジュール、マイクロ波スイッチ及びアンテ
ナ）を用いる。RTモジュールは、SSB（単側波帯）及びD
SB出力を提供するように設計され得る。SSB出力は速度
測定に用いられ、DSBは高度測定のために高度計に送ら
れる。
第４図は、本発明の閉ループ型の高度計100のブロッ
ク図を示している。本発明の装置は内蔵式であり、他の
処理回路と独立して作動可能であるが、ドップラ航法シ
ステム及び速度測定システムと組み合わされて作動する
ように意図されている。
本発明の例示されている実施例は、速度航法システム
に共通な信号処理部102を含んでいる。信号処理部102に
おいて、反射されたDSB信号は第１及び第２の直角位相
処理チャンネル106及び108による処理のために端子104
に入力される。２つのチャンネルは実質的に同等であ
り、入力された信号を後述の切り替えられる直角位相フ
イードバツク信号と混合するためのミキサ110及び112を
含んでいる。ミキサ出力は、LEF114、116及び低減フィ
ルタ118、120に与えられる。
フィルタ118及び120からの出力信号は、好ましくは1.
8Hzのスイッチング信号に応答して作動するデマルチプ
レクサ（demux）122によってデマルプレクスされる。
後記の式（12）に示すように、デマルチプレクサ122
からの２つの出力信号は、帰還ドップラシフト周波数と
共に変化する信号であって、高度計で生成されたループ
位相シフトθloopと、両側波帯信号と送信信号との位相
差θとの差即ちθloop−θの正弦及び余弦にそれぞれ比
例する振幅を有する。
閉ループを形成することにより、直角位相フイードバ
ツク信号の位相を入力両側波帯信号の位相に等しく、そ
の結果、上記位相差をゼロにすることができる。この条
件において、デマルチプレクサ122によって出力される
出力信号の１つの信号の大きさは、他方の大きさよりも
高く、ドップラ位相シフト周波数のより正確な検出を可
能にする。従って、この信号は、出力ライン124によっ
てドップラ航法システム（図示せず）の周波数トラッカ
（tracker）に結合される。
デマルチプレクサ122からの２つの出力信号は、乗算
器126によって乗算される。乗算器126は、後記の式（1
3）に示すように、帰還ドップラシフト周波数WDの２倍
の周波数で変化する時間変化成分を持ち上記の差（θ
loop−θ）の２倍の正弦波として変化する出力信号eEを
提供する。この信号は、積分器128によって積分されて
その時間変化が除去され、位相差の関数として変化する
電圧を有する制御信号となる。
電圧−遅延変換器、即ち制御可能遅延装置は、積分器
128によって出力される制御信号によって制御され、制
御可能な位相シフトを有する出力信号を供給する。より
詳細には、ドップラ信号の変調周波数の２倍の周波数の
二倍変調信号も制御可能遅延装置に入力され、この制御
可能遅延装置は、変調周波数の正弦及び余弦としてそれ
ぞれ変化し且つ制御信号に応答して発生されるループ位
相シフトだけ変調周波数から位相シフトされる２つの出
力信号を供給する。制御可能遅延装置130による２つの
信号はミキサ110及び112にフイードバツクされてループ
を閉じる。
しかしながら、これら２つのチャンネルの１つ、例え
ば106において遅延装置130により出力される正弦波信号
を常に処理することを避けるために、且つ他方のチャン
ネル、例えば108において余弦出力を常に処理すること
を避けるために、マルチプレクサ132が提供される。マ
ルチプレクサ132は、デマルチプレクサ122と同じよう
に、1.8Hzのスイッチング信号により制御される。この
スイッチング信号によりマルチプレクサ132はその出力
を交互に切り替え、それにより、1.8Hzのサイクルの第
１の半周期中、遅延装置130の第１出力は第１チャンネ
ルに送られ、遅延装置130の第２出力は第２チャンネル1
08に送られる。1.8Hzの第２の半周期中、遅延装置130の
第２出力は、第１チャンネル106に送られ、一方、第１
出力は、第２チャンネル108に送られる。
デマルチプレクサ122も同様に切り替えられるため、
1.8Hzのサイクルの第１の半周期中、２つのチャンネル
の一方からの信号は出力チャンネル124に送られ、1.8Hz
の第２の半周期中、２つのチャンネルの他方は出力ライ
ン124に送られる。斯して、上記の配置を取ったことに
より、第１チャンネル106と第２チャンネル108とのいず
れか一方により処理され位相差の余弦として変化する信
号、マルチプレクサ132及びデマルチプレクサ122が回路
中に存在しないかのように出力ライン124及び周波数ト
ラッカへ送出することができる。
しかしながら、切り替え式のマルチプレクサ132及び
デマルチプレクサ122の両方を処理回路に含めることに
より、これらのチャンネルの間の如何なる不一致も、処
理される信号の間で等分に分けられる。斯して、これら
２つの信号のどちらも一方のチャンネルの特性によって
のみ連続的に影響されることはない。両方の信号は両チ
ャンネルによって実質的に等分に影響され、本発明に係
る改良されたシステムの精度を増大する。
本発明の別の特徴は論理回路134によって示されてい
る。より詳細には、制御可能遅延装置130によって発生
されたフィードバック信号の１つは入力二倍変調波数信
号と共に処理され、ループ位相シフトに、従って移動体
の高度に比例する持続時間を持つゲート信号を供給す
る。このフィードバック信号は矩形波であるため、高度
ゲート信号は容易に発生され得る。この高度ゲートは次
に発振器及び計数器の使用によって高度数に変換され
る。
第４図のループの作動は以下の通りである両側波帯信
号は式（９）で表される。
（９） DSBin＝cos［（Wm＋WD）ｔ＋θ］ ＋cos［（Wm−WD）ｔ＋θ］＋cos（Wmt＋θ） ここで第１項及び第２項はDSB信号を表し第３項は漏
洩項を表す。
入力DSB信号はミキサ110及び112においてフイードバ
ツク信号と混合される。上記のように、このフィードバ
ック信号は、制御可能な位相を有するFM周波数の２つの
直角位相項から成っている。この２つの直角位相項は、
２つのチャンネル106及び108における不整合を消去する
ために1.8Hzの速度で切り換えられる。この混合の結
果、漏洩項は真のDCになり、漏洩防止フィルタ114及び1
16によって阻止される。
低域フィルタ118、120は、混合過程から生じる加算項
を除去するのに用いられる。低減フィルタの出力信号は
下記の式に示される。
（10） eb＝sin/cos（θloop−θ）×cos（WDt） （11） ec＝cos/sin（θloop−θ）×cos（WDt） 上記の式において、スラッシュは正弦波及び余弦波
（式10）又は余弦波及び正弦波（式11）項が互い違いに
なることを示している。示されているように、両信号は
ドップラ周波数の余弦を含んでいる。しかしながら、処
理されているこれらの信号の一方の信号の振幅は入力信
号とフィードバック信号との位相差の正弦波に比例して
おり、処理されている他方の信号の振幅は位相差の余弦
に比例する。斯して、ループが閉じられ、位相差がゼロ
に駆動されると、一方のチャンネルの振幅は最大に駆動
され、他方のチャンネルの振幅は最小に駆動される。
これら２つのチャンネルは再びデマルチプレクサ122
において1.8Hzの速度で切り換えられ、これにより、ド
ップラシステムの速度決定部分の周波数トラッカに送ら
れる信号が常に、式（12）に記載されているように、最
大化されたチャンネルとなる。
（12） ed＝cos（θloop−θ）cos（WDt） これら２つのチャンネルは、この時点で、乗算器126
によって共に乗算され、式（13）に記載されている誤差
項を形成する。
（13） eE＝［１＋cos（2WDt）］sin［２（θloop−
θ）］ 式（13）は、誤差項がAC成分及びDC成分の両方を有す
ることを示している。この誤差項は積分器128に供給さ
れ、この積分器128はAC成分を削除し且つ誤差項のDC成
分を積分する。積分器の出力は入力ミキサにフィードバ
ックされる位相シフトを表す電圧である。この電圧は、
電圧−遅延回路130において位相シフトに変換される。
回路130の出力は式（14）及び（15）に示されている２
つの直角位相項から成る。
（14） ef＝sin（Wmt＋θloop） （15） eg＝cos（Wmt＋θloop） これらの信号は、前記のように、２つのチャンネルの
各々に信号ef及びegを交互に供給するマルチプレクサ13
2によって切り換えられる。閉ループを形成しているの
で、フィードバック位相θloopは入力位相θに等しくな
るように駆動される。
先の純粋な正弦的表現は説明のためである。しかしな
がら、ハードウエアは矩形波を生成する。電圧−遅延変
換器は、積分器電圧に比例する遅延をもちFM周波数にあ
る直角位相の２つの矩形波を発生する。直角位相信号の
切り換え（flipping）は、1.8Hzの速度で行われる。
先行技術に対する本発明の主な利点は、本発明の回路
が過大な量のハードウエアを用いることなしに正確な性
能を与えることができることである。この高い精度は閉
ループ手法を用いて達成される。この実施において、シ
ステムの精度は高度計ループの入力における直角位相ミ
キサ110及び112において主に確立される。主な誤差寄与
因子は混合信号における直角位相誤差であり、非常に小
さくなるように制御され得る。ループ内の如何なる利得
変化及び位相シフトもループの周波数応答に影響し得る
が、高度測定に誤差を導入することはない。
本発明の別の利点は、高度計ループの最大化されたチ
ャンネルがドップラシフトのトラッキングのための周波
数トラッカに送られるということである。他の方法は、
これら２つのチャンネルが加算されることを要求してお
り、周波数トラッカのためにSSB項を発生するようDSB項
を復調し、次に再変調していたが、これらの方法では信
号対雑音比に3dbの損失を生じてしまう。しかし、本発
明においては、こうした損失は生じない。何故なら、本
発明は両側波帯信号を用いているので、２つの単側波帯
信号を加え合わす効果があり、信号対雑音比を3db改善
することができるからである。
トラッキングループの２つの増進は容易に実施され得
る。その第１は、精度を更に改良し、更にまた、変動性
能を改良する方法である。より詳細には、第４図の低域
テイルタ118、120の代わりに可変帯域通過フィルタを用
いることができる。
この方法によると、フィルタの中心周波数は、周波数
トラッカからの情報によって設定される。この理由は、
乗算器126から出力される積の信号eEのS/N比を改善する
ことである。低域フィルタを用いると、２つの乗算器入
力は各々、最大航空機速度において予想されるドップラ
シフトに対応するために、9KHzの帯域幅を有する。ドッ
プラ周波数に中心を有する帯域フィルタを用いると、こ
の帯域幅は約1KHzに減じ得る。乗算器のS/N比の改良は
高度の変動の減少と精度性能の改良という結果を生じ
る。先行技術は、同様の結果を達成することを試みた。
しかしながら、先行技術において、斯かる試みは、ドッ
プラ周波数において作動する第２のミキサを使用し、そ
の後に低減フィルタを置くことを要求している。しかし
ながら、本発明において、提案された帯域フィルタ、即
ち、最近になってやっと実行可能になった方法の使用
は、より費用効果的であり且つ空間効果的である。
ここで第８図について説明すると、ここには、第４図
の実施例に可変帯域通過フィルタ（VBPF）が含まれてい
る装置が図示されている。詳細には、VBPF218及び220
は、低域フィルタ118及び120の後に置かれる。デマルチ
プレクサ122への入力における電圧eB及びeCの周波数ス
ペクトル及び乗算器126の出力電圧eEの周波数スペクト
ルが第9a図乃至第9f図に図示されている。第9a図乃至第
9c図は第４図の実施例での信号eB、eE及びのスペクトル
を示しており、一方、第9d図乃至第9f図は、第８図の修
正された実施例での同じ信号のスペクトルを示してい
る。
これらに図示され且つ上で説明したように、乗算器に
与えられる信号の帯域幅は、ドップラ信号の周波数が移
動体の速度の関数としてゼロから8KHzの間にあり得るた
め、約9KHzである。これら２つのチャンネルの乗算の
後、雑音帯域幅は、０乃至18KHzの範囲にある。しかし
ながら、ドップラ信号のみが有用な情報を含んでおり、
雑音は好ましくないランダムな変動を発生するだけであ
る。更に、これらの好ましくない雑音信号は又、乗算器
にバイアス誤差を生じる。
第８図の実施例において雑音の影響を少なくするため
に取られた方法は、乗算器へ入力される前に信号から雑
音を濾波することである。本発明に用いられる周波数ト
ラッカは特定のドップラ周波数についての利用可能な情
報を含むため、この情報はVBPFに与えられ、これにより
その中心周波数はドップラ信号の周波数に等しくなるよ
うに調節される。
この方法の結果が第9d図乃至第9f図に図示されてい
る。ここで分かるように、結果として得られる雑音帯域
幅はかなりの減少を示す。
第４図の装置を改良する可能な方法の１つは、高度計
のループをゼロ速度まで動作するように修正することで
ある。何故なら、第４図のループにおいては、ミキサ11
0、112の後の漏洩項が直流に近いので、ゼロ速度まで動
作させると問題を生じかねないからである。このDC成分
は、基本的には最低ドップラ周波数が通過するようにそ
の低周波数カットオフが選択されている高域フィルタで
あるLEF回路において阻止される。
しかし、実際には、ミキサで処理されるフィードバッ
ク信号の位相は変化するので、直流の漏洩信号は変調さ
れる。これは、最低ドップラ周波数が高ければ問題では
ない。この場合には、高域フィルタのカットオフ周波数
を高くして全漏洩成分を濾波することができるからであ
る。しかしながら、こうした手法はゼロ速度まで動作さ
せるときには不可能である。そこで、１つの可能な解決
方法は、第２図のフロントエンドに示されるように、復
調器とLEFと再変調器とを備えた回路を組み込むことで
ある。復調器での混合信号の位相は一定であるので、漏
洩信号は直流である。これはLEFにより除去できるた
め、この組み込まれた回路からの出力信号は漏洩成分を
含まない両側波帯信号である。これを高度計のループに
入力して処理すればよい。
ここで第５図について説明すると、ここには、チャン
ネルスイッチング装置を除く、本発明の別の単純化され
た実施例が示されている。入力DSB信号は位相スプリッ
タ150によってミキサ部152に送られ、制御可能遅延回路
130によって発生される２つの直角位相信号と混合され
る。漏洩項は、コンデンサ154を用いて、ミキサ出力のA
Cカップリングによって除去される。この結果得られる
信号は、ミキサ出力から加算項を除去すると共に信号に
含まれている雑音の帯域を狭くするために設けられた低
域フィルタセクション156に与えられる。
第２位相スプリッタ158は、一方のチャンネルからの
信号を乗算器160に与え、一方、ハードリミタ162は他方
のチャンネルから乗算器に送られる信号を制限する。こ
の乗算器はDC誤差項を発生し、このDC誤差項は積分器16
4に供給される。制御可能遅延装置130のための位相シフ
トを表す積分器電圧は高度の表示に変換される。
実際のドラップシステムにおいては、４つのビームを
夫々２つのFM周波数で使用する。この結果得られる８つ
の独立の位相シフトが高度計により同時にトラッキング
される。これは、本発明においては、回路をこの８本の
ビームで時分割することにより行われる。この概念を説
明するために、積分器164は、第４図の実施例において
示されている積分器128には図示されていない、演算増
幅器のためのフィードバックコンデンサを含んでいる。
これら８個の信号を独立して積分するために、８個の切
り替え式コンデンサを積分器に用いるようにしてもよ
い。さらに、システムのコンピュータ制御装置のために
位相遅延をデジタルワードに変換するインターフエース
回路が含まれている。
代替手段として、アップダウン計数器を利用するデジ
タルの実施例が積分器に対して与えられる。制御可能遅
延装置は、積分器に応答して粗遅延を提供するクロック
されたシフトレジスタ、及び、積分器に応答して遅延装
置における微細な変化を供給するための、シフトレジス
タの出力の遅延ラインを含み得る。更に、両チャンネル
における信号のハード制限（hard limiting）は、信号
をTTLレベル信号に変えるために用いられ、これによ
り、排他的ORゲート、ANDゲート等の形のデジタル乗算
器の使用を可能にし、適正に規定された論理レベルの出
力信号の論理積を提供し得る。
上記のように、高度計は、マイクロ波及びRF位相シフ
トを補償するために、ある種の校正回路を必要とする。
例えば、一つの型式のドラップシステムにおいて用いら
れるアンテナについて行われた試験は、内部ハードウエ
ア遅延は温度によって500ナノ秒まで変化し得ることを
示している。斯かる変化は230フイートの感知される変
化に対応し、低い高度では非常に重要である。従って、
本発明は、ドラップ検知システムに付加された高度計セ
クションのための自動校正シーケンスを含んでいる。
より詳細には、ガン発振器の後にRF変調器を付加する
代わりに、ガン発振器へ伝送されるFM信号に変調を与
え、そこからDSBのFM出力信号を提供することが決定さ
れた。振幅変調又は位相変調が使用可能である。本発明
の好ましい実施例は振幅変調を用いている。
校正期間にマイクロ波スイッチを開くことにより、通
常はアンテナへ供給される信号はここで反射されて第４
図の高度計トラッキング回路に入力される。第４図の高
度計トラッキング回路は通常の処理を行うので、校正期
間に処理される信号に生じる位相シフトが内部ハードウ
エアでの遅延によるものである限り、閉ループ処理部が
この位相シフトにロックするときに該位相シフトを記憶
し、記憶された位相シフトを用いて通常の処理モードの
期間に高度を調整する。
受信／送信モジュールにおけるマイクロ波回路の一部
のブロック図が第６図に図示されている。図示されてい
る回路は以下のように高度計を校正するのに用いられ
る。高度計の通常の動作期間中、マイクロ波ガン発振器
170の13.3GHZ出力は、発生器及び変調器172の一部を形
成しているFM発生器によって変調される。FM発生器は、
例えば、1.8KHZ周波数において与えられるタイマ174か
らのFM周波数項を正弦波に変換する。この正弦波はガン
発振器170の出力を周波数変調するのに用いられる。ガ
ン発振器170によって発生されるマイクロ波エネルギ
は、適正なマイクロ波送信のために必要な、アイソレー
タ176、カップラ178及びサーキュレータ180を通して送
られる。この信号は、マイクロ波スイッチ182によって
適切なアンテナポートに送られる。
このマイクロ波エネルギは、該ポートを通して地上に
送信され、また、ポートへ反射され、そこからスイッチ
182、サーキュレータ180及びカップラ178を通して戻さ
れる。カップラ178から、反射信号はミキサ184に送ら
れ、ミキサ184は、この信号を中間周波数（IF）に復調
する。この信号は、IF増幅器186によって増幅される。I
F増幅器186の出力は第４図の高度計入力端子104に送ら
れるDSB項である。
ドラップシステムの作動において用いられている多く
のマイクロ波回路は、種々の位相シフトを処理中の信号
に付加する。上記のように、これらの位相シフトは時間
及び温度と共に変化し得る。変化する位相シフトを測定
するために設けられる校正モードにおいては、短期校正
モードが例えば10秒毎に周期的に入れられる。
このモードにおいて、FM発生器172の変調器部がオン
になる。これにより、FM正弦波出力がタイマからの周波
数によって変調される。例えば、1.8KHZの変調周波数が
用いられる。マイクロ波回路の動作は、スイッチ182ま
では、通常の動作モードに対して上記に述べられたと同
じである。しかしながら、アンテナポートに送られる代
わりに、校正モードの期間中、マイクロ波エネルギは、
短絡190に終端している遅延ライン188に送られる。マイ
クロ波エネルギは、遅延ラインを通って伝搬し、短絡に
よって反射され、スイッチ182、サーキュレータ180、カ
ップラ178を通って戻り、ミキサ184に送られる。
ミキサから出る信号は、依然としてDSB信号である
が、、FM発生器及び変調器172によって与えられるよう
な、変調周波数及び位相シフト、例えば1.8KHZ、のドラ
ップシステムをシミュレートしている。システム作動に
おける実際のドラップシステム側波帯は、マイクロ波及
びRF回路と地面に行って戻って来る伝搬時間との両方に
因る位相シフトを含むが、校正モードにおける側波帯
は、マイクロ波及びRF回路のみに因る位相シフトを有す
る。第４図の高度計は、校正モードにおける位相シフト
を測定し、その結果を用いて通常のモード測定値を補正
するので、高度表示からの如何なる内部位相シフトも除
去される。
第７図に示されている入力−出力（I/O）モジュール
は、通常の高度計数の適切な補正を以下のように行う。
I/O回路を機能は、帰還信号と送信信号との間の遅延
に対応して、制御可能遅延装置130によって発生される
位相ループを、例えばフィートで高度を表す数に変換す
ることである。更に、I/O回路は、各校正モード動作中
に測定される校正フアクタを高度数から減算出来なけれ
ばならない。これは、基準信号及び遅延信号を共にゲー
トしこの遅延に依存する巾のパルスを形成する論理回路
134によって為される。
論理回路134の出力ゲートによってゲートされるクロ
ックゲート回路200は、例えば16MHZの高周波数クロック
信号を計数器202に送る。クロックは高度を表す遅延に
対応する期間にわたって計数される。ループ位相シフト
に応答して適切なゲーティング期間を設けることによ
り、且つ適切な周波数クロック信号を用いることによ
り、この期間の終了時における計数器202における計数
は、高度を直接（１計数＝１フィート）又は比例的に表
している。
高周波クロックの変化は計数と高度表示との間の所望
の等価性を得るものと考えられるが、斯かる変化が常に
必要とは限らない。斯くして、この好ましい実施例にお
いて、計数器202の出力は、計数器出力を校正動作モー
ドに用いるために記憶するマイクロプロセッサ（図示せ
ず）に与えられる。
２つのモードの減算及びスケールファクタ補正は斯く
してこのマイクロプロセッサによって実施される。
校正計数の記憶のために、並列計数器204が含まれて
いる。つまり、クロックゲート回路200はクロック信号
を計数器202と204の両方にゲートする。校正モード信号
は２つの計数器の一方を作動させ、他方を停止される。
通常の動作中、計数器202はイネーブルされ、計数器204
はディスエーブルされる。周期的校正モードの動作中、
計数器202はディスエーブルされ、計数器204はイネーブ
ルされてゲート回路200からクロック信号を受け取る。
これに関して注目されるのは、タイマ174はFM周波
数、1.8HZ校正信号、1.8HZ切り換え信号及び0.1HZ校正O
N信号等の全てのタイミング信号をは発生することであ
る。斯くして、タイマからの幾つかの出力信号が第６図
に図示されている。
計数タイマ206が計数器202の計数を読み出すために用
いられる。しかしながら、校正（調節）計数が計数器20
4に記憶されているため、この計数はタイマ206によって
計数器202から減算され、これにより計数器202はカウン
トダウンを行い、又は計数器204の内容を直接減算す
る。その結果得られる補正された出力は、ラッチ及びD/
A変換器の組合せ208又は出力計数器210を用いて、アナ
ログ及びデジタルの両表示装置に与えられる。
過去において、同様の校正方法が試みられたが、いず
れも成功しなかった。その主な理由は、ガン発振器（第
６図の170）に送られるFM正弦波が校正期間に位相変調
されると、ガン発振器はFM正弦波に対して、位相変調が
行われないとき即ち通常のモードのときは異なる位相シ
フトを与えるからである。つまり、校正モードにおいて
測定される位相シフトは通常モードにおいて存在する位
相シフトとは同一ではない。従って、高度計の不適切な
校正が生じる。
この理由は、ガン発振器の内部で生じる固有のFM−AM
変換にあることを試験は示している。非常に低いFM−AM
変換を有するガン発振器を用いて試験が行われた時は、
校正モードの結果はかなりより良いものであった。しか
しながら、非常に低いFM−AM変換のガン発振器を製造す
ることはかなり費用がかかる。本発明は、校正モードに
おいてマイクロ波信号経路に遅延ラインを付加すること
により、この問題を克服する。FM−AM変換によって導入
される誤差の位相シフトの測定に対する影響は信号経路
長に反比例する。適度に低い（非常に低いではなく）FM
−AM変換を有するガン発振器を約15フィートのケーブル
の遅延ラインと結び合わせて用いた場合、校正モードの
結果は良好であることが分っている。適度に低いFM−AM
変換のガン発振器は、非常に低いFM−AM変換のガンより
も安価であり、本発明は適切な高度計の動作に必要な校
正を得る費用を減ずる。
前に述べたように、以前の校正方法では、必要な変調
側波帯を発生する、ガン発振器の後に置かれたRF変調器
を用いてきた。変調はガン発振器の後で行われたため、
FM−AM変換は行われなかった。この方法の欠点は、高価
で大型の別のRF変調器が必要となることである。本発明
は安価であり小型であるアナログ位相変調器、即ち、通
常のガン発振器よりもほんのわずかに高価なだけの相当
に低いFM−AM変換のガン発振器と、これも安価で小型で
ある遅延線とを用いる。全体として、本発明の回路は斯
くして、以前の方法よりも製造がより安価であり、信頼
性がより高く且つよりコンパクトである。
図面の簡単な説明 第１図は、高度測定にドップラ航法システムを付加す
る先行技術の手法を示す図、 第２図は、高度測定にドップラ航法システムを付加す
る別の先行技術の手法を示す図、 第３図は、送信されたドップラ航法ビームと航空機の
高度との幾何学的相関関係を示す図、 第４図は、本発明に係るドップラシステムの高度計部
分のブロック図を示す図、 第５図は、本発明の代替実施例を示す図、 第６図は、本発明の高度計のための校正フアクタを得
るのに用いられる装置を示す図、 第７図は、本発明に係る入力／出力回路を示す図、 第８図は、第４図の実施例の修正を示す図、 第9a図乃至第9f図は、第４図及び第８図の実施例にお
ける種々の点における周波数スペクトルを示す図、 である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−90875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−125464（ＪＰ，Ａ) 特公 昭60−10271（ＪＰ，Ｂ２) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓ，ｖｏｌｕｍｅ ＣＯＭ−25，Ｎｏ. 12 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ 1977，（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＵＳ），Ｃ．Ｒ．Ｃａｈｎ ｅｔ ａｌ．“Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｑｕｉｓｉｔ ｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｓｔａｓ ｌｏｏ ｐ”ｐａｇｅｓ1453〜1459

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】閉ループ型の高度測定回路を有するFM−CW
    ドップラレーダ航法システムであって、 前記高度測定回路内にループ位相シフトを確立して、確
    立された前記ループ位相シフトを有し且つ変調周波数で
    変調された第１及び第２の直角位相信号（ef、eg）を提
    供するための被制御型の遅延手段（130）と、 前記遅延手段を制御して、前記FM−CWドップラレーダ航
    法システムにより送信された被変調信号と該システムに
    より受信された反射信号との間の相対位相シフトに対応
    するループ位相シフトを確立するための制御手段（12
    8）と、 前記遅延手段によって確立された前記ループ位相シフト
    を表す第１の出力信号を提供するための論理手段（13
    4）と、 前記第１及び第２の直角位相信号を処理するための第１
    及び第２のチャンネル（106、108）と、 前記第１及び第２のチャンネルによって処理された前記
    第１及び第２の直角位相信号どおしを乗算して、該乗算
    により求められた積に対応する第２の出力信号を提供す
    るための乗算手段（126）と、 を具備し、前記制御手段は、前記第２の出力信号を処理
    して前記遅延手段に制御電圧を提供し前記ループ位相シ
    フトを確立させるための処理手段を備えているFM−CWド
    ップラレーダ航法システムにおいて、 前記第１の出力信号を校正して、前記遅延手段を除く前
    記の手段によって生じ且つ前記のループ位相シフトに含
    まれる位相シフトを補償するための校正手段（第６図）
    を備えていることを特徴とするFM−CWドップラレーダ航
    法システム。
  2. 【請求項２】前記校正手段が、 マイクロ波エネルギを送信するためのアンテナからマイ
    クロ波発生手段を切り離すための切り換え手段（182）
    と、 切り離された前記マイクロ波発生手段で反射された前記
    マイクロ波エネルギと前記マイクロ波発生手段により生
    成された前記マイクロ波エネルギとの間の遅延を測定す
    るための遅延測定手段（188）と、 測定された前記遅延を前記ループ位相シフトから減算し
    て前記第１の出力信号を補正するための補正手段（13
    4）と、 を備えることを特徴とする請求項１記載のFM−CWドップ
    ラレーダ航法システム。
  3. 【請求項３】前記校正手段が更に短絡回路手段（190）
    を備えており、前記切り換え手段が、前記遅延を測定す
    るように前記マイクロ波発生手段を前記短絡回路手段に
    接続することができ、これにより、前記マイクロ波発生
    手段によるFM−AM変換を補正することを特徴とする請求
    項２記載のFM−CWドップラレーダ航法システム。
  4. 【請求項４】前記切り換え手段及び前記遅延測定手段を
    周期的に動作させ、前記遅延の周期的測定と前記高度測
    定回路の周期的校正とを行わせるためのタイミング手段
    （174）を更に備えることを特徴とする請求項３記載のF
    M−CWドップラレーダ航法システム。
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