JP3930915B2 - 高度と速度の検出システム - Google Patents

Description

発明の背景
航空機の着陸、特に無人航空機の着陸においては、航空機の高度と共に航空機が飛行している速度を知ることが重要である。従来、高度を測定するには高度計が用いられ、また速度を測定するための速度計は周知である。高度計及び速度計は、高度と速度を測定するための情報を送受信するアンテナに接続される。
高度計では、アンテナは地上に向けて高周波（ＲＦ）信号を送出する。アンテナパターンは地上にレーダー照射スポットを生じさせる。信号が地上で反射して戻って来ると、一定の計算で高度（Ｈ）を求めることができる。高度アンテナは、航空機のロール運動時に高度ベクトル（地上に対して直角である）を追跡をすることができるように、一般に広角ビームアンテナである。これに対して、速度計はＸＹＺ速度を測定するのに複数のアンテナを使用する。高度計と同様に、これらの各アンテナはある角度をなして下方にＲＦ信号を送出するが、そのリターン信号周波数は、速度に比例するドップラー周波数偏移分だけ送信周波数との間に差が生じる。計算を行うことによって、この周波数差から速度が求まる。米国特許第４，０６９，４６８号に、ドップラー周波数測定及び一群のドップラー信号のサンプルを得るためのシステムが記載されている。
より高い精度を得るためには、地上のできるだけ小さいレーダー照射スポットから情報が収集されるように、アンテナは狭角ビームアンテナであることが望ましい。小さいアンテナはビームが大きいので、かなり低い周波数で動作する速度計にとってより小さいビームを得るための唯一可能な方法は、より大きいアンテナを使うことであろう。これは、コスト増を招き、占有スペースや重量が増加するという点で、問題が生じる。重量の増加は、航空機に不当に大きな荷重を付加することになるので、重大な問題であろう。従って、航空機の高度及び速度の計算のために正確な情報が得られる小さいアンテナを使用したシステムを持つことは益するところが大であろう。さらに、速度計と高度計を結合していっそうコスト、スペース及び重量を減らすことも同じく有益であろう。
発明の要約
航空機が着陸態勢に入ろうとしているとき、その高度及び速度を測定するためのシステムが開示される。このシステムは、地上に向けてビームを送出する小さなアンテナを具備し、地表面に衝突したビームの反射時に受け取られた情報によって高度を決定するものである。この高度情報とサンプリング機構に基づいて、比較的大きいアンテナや高い動作周波数に頼ることなく速度も測定することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の高度と速度の検出システムのブロック図である。
図２は、航空機が、その高度及び速度を決定するのに地表面に向けて４本のビームを送出して情報を収集する様子を示す説明図である。
図３は、地表面に向けて送出されたビームからどのようなタイミングで情報が収集されるかに関するタイミングシーケンスを示すタイムチャートである。
図４は、水平飛行におけるレーダー地表照射パターンを示す説明図である。
図５は、激しいロールあるいはピッチ時のレーダー地表照射パターンを示す説明図である。
［発明の詳細な説明］
本発明は、航空機の着陸を支援するための高度と速度の検出システムにある。本発明の装置は、航空機の高度及び速度の両方を測定することができるように高度計に接続されたドップラー・プロセッサを有するレーダー高度計を具備する。
図１に本発明のシステムのブロック図を示す。図示システムの構成要素については、以下システムの基本動作との関連で説明する。増幅器やフィルタのような基本的要素については、詳細な説明を省略するが、処理のために明瞭な信号を得るのにフィルタや増幅器が必要なことは理解されよう。
以下垂直アンテナ４と称する１本の垂直広角ビームアンテナは、航空機のビームを真下に向けて放射する。地上で反射した信号が受信されると、信号が送信された瞬間からその反射信号が受信された瞬間までの時間に基づく計算によって航空機の高度を求めることができる。
以下第１の傾斜アンテナ、第２の傾斜アンテナ及び第３の傾斜アンテナと称する３本のアンテナ６は、互いに等間隔を隔てて配置されている。合計４本のアンテナが使用されるのは、ＸＹＺ速度の測定には最低３本のアンテナが必要であり、もう１本のアンテナはバックアップ用として使用されるためである。各傾斜アンテナ６は、ビームを所望の角度に指向させる。この実施形態の場合、この角度は垂直またはアンテナ４によって生じる高度ベクトルに対して４０度である。アンテナ６は全て同じ角度に設定される。この４０度の角度は、後で説明するように、相当な大きさのロールあるいはピッチを許容するように選択されている。しかしながら、この角度は、他の角度、例えば４０度プラス／マイナス１０度の範囲内の変数値であってもよい。この範囲を越えると、アンテナ６によって受信される情報が着陸時の航空機の揺れのために不正確になることがある。
図２は、航空機から地表面に向けて４本のビームを放射している様子を示す。図から明らかなように、１本の垂直ビームと、この垂直中心ビームから４０度の角度で３本の傾斜ビームが放射される。発明の背景の項で説明したように、より正確な測定結果を得るためにはビームをより小さくする方が有利である。垂直アンテナ４が地表面からの反射信号を受信すると同時に、その信号はいくつかの構成要素を通って高度プロセッサ２０に達する。後でより詳細に説明するゲート１０を除き、フィルタや増幅器のような他の構成要素の大部分は、高度プロセッサ２０及び速度プロセッサ３０がビームから得られる情報を処理するための明らかな信号を得るために使用されるものであり、詳細な説明は省略する。
高度プロセッサ２０は、高度リターン信号をサンプリングし、処理して、高度がＨであると決定する。速度の測定に関しては、高度プロセッサ２０は、垂直ビームに対する傾斜ビームの角度をθとして、速度「サンプル」は信号送出後（Ｈ／ｃｏｓθ）で表される傾斜距離で生じるはずであると判断する。上に述べたように、この実施形態では一例として４０度の角度を用いたが、上記の範囲内で任意の角度を用いることが可能である。
ゲート１０は、アンテナ４と６からプロセッサ２０及び３０への地上からのレーダーリターン信号の通過を制御する。タイミング制御回路２２は、情報をいつプロセッサ２０及び３０に通過させるかに関してゲート１０を制御する。従って、プロセッサ２０によってＨ／ｃｏｓ４０がゲート１０をセットするのに適切な傾斜距離であると決定されると、タイミング制御回路２２はこの値をゲート１０に送り、ゲート１０は、地上からのリターン信号を速度が求まるようにアンテナ６からプロセッサ３０へゲート動作によって通過させる。速度サンプルは、高度がサンプリングされ、処理された後に取られる。
図４は、４本のアンテナ４及び６のビームによって地上照射スポットが形成される様子を示す。この図は水平飛行の場合を表したものである。中心の円形スポットは垂直アンテナ４からのビームによって生じる。３つの楕円形スポットは傾斜アンテナ６からのビームによって形成される。前に述べたように、リターン信号をゲーティングするに際しては、精度を確保するためにリターン信号の狭い部分だけが処理されるようにすることが重要である。このゲーティング技術は、破線間の陰影を付した領域によって示されている。垂直アンテナ４については、ゲート領域はスポットの中心部であるが、傾斜アンテナ６については、ゲート領域は楕円形スポットを横断する領域になっている。
前述したように、航空機は何度も激しいピッチやロールに遭遇する。このシステムは、このような状況下でも卓抜した精度が確保される。図５は、やはり４本のアンテナ４及び６によって生じる４本のビームの地上照射スポットを示したものである。この図５には、スポットに対する極度のピッチ及びロールの影響が示されている。しかしながら、本願で開示するシステムは、ピッチやロールの影響から独立したゲーティング技術を提供するものである。図５から明らかなように、このゲーティング技術によって照射スポットは依然として中心アンテナビーム内で垂直な位置、及び傾斜アンテナのビーム内で垂直から４０度の位置に適切に保たれ、その結果、このようなロールやピッチ状況下においても、処理することによって高度と速度を決定するための正しい情報が得られる。
最初の高度サンプリング及び処理期間と最初の傾斜距離測定期間の後、システムは第２の傾斜アンテナによる測定に進む前に、再度高度測定値を得る動作に戻る。上述のように、システムは、各速度測定期間後、次の速度ビームのサンプリングに移る前に、必ず基準のための新しい高度の測定に戻る。この関係は図３に示されている。
図３に示すように、垂直アンテナ４からの高度リターン信号、第１の傾斜アンテナ６からの速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、第２の傾斜アンテナ６からの速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、第３の傾斜アンテナ６からの速度信号、垂直アンテナ４からの高度信号、垂直アンテナ４からの速度信号の順にゲーティングとサンプリングのシーケンス動作が行われ、その後このシーケンスが垂直アンテナ４からの高度信号のサンプリングとゲーティングから始まって自動的に繰り返される。このゲーティングがどのようにしてビームに作用を及ぼすかについては、例えば傾斜アンテナの地上照射スポットが楕円形であること、及びゲート１０がリターン信号の小さい制御された部分のみを処理のために通過させることが想像される。これに関しては、例えば図４及び５を参照のこと。
図３には、高度のサンプリングと処理時間が２５ミリ秒であり、４つの各速度ベクトルについてのサンプリングと処理時間はそれぞれ５０ミリ秒であることが示されている。高度のサンプル時間として２５ミリ秒が選択されたのは、これで高度プロセッサ２０にとって十分な整定時間が得られるためである。また、５０ミリ秒が速度サンプリング時間として選択されたのは、航空機の最高着陸速度において適切な速度分解能を得るのに十分な数のサンプルを取り込むのに必要な時間量であるためである。これらの時間値は、大まかに言うと、サンプリングに必要な時間量であるが、これらの時間に限定されるものではない。より高い分解能、あるいは着陸速度がより大きい場合は、相応にこれらの時間を増減することができる。
全ての速度リターン信号がサンプリングされ、ドップラー・プロセッサ４０が高速フーリエ変換器３５によって処理されたならば、その情報は高速フーリエ変換器３５によって得られた個々のビームの周波数スペクトルからＸＹＺ速度を求めるために速度プロセッサ３０へ送られる。スペクトル分析アルゴリズムはこの技術分野においては周知であり、これ以上詳細な説明は省略する。このゲーティング技術によって、航空機の速度を正確に測定するのに必要なアンテナビームの地上照射スポットの境界をより正確に決めるためのシステムが考案された。小さなアンテナと比較的低い周波数を用いることによって、この技術は、コスト、スペース及び重量の節減に役立つ。
以上、本発明を、高度計及びドップラー・プロセッサを使用する実施形態の概略ブロック図に基づいて説明した。上に述べたように、この実施形態に代えて他の高度及び速度測定手段を用いた実施形態も可能であり、それらの実施形態も本発明の真の精神及び範囲に包括されるものである。

Claims (11)

1. 航空機用の高度と速度の検出システムにおいて；
   レーダー高度計と；
   前記レーダー高度計から高度情報を抽出して、前記高度情報に基づいて、速度を決定するためにその高度情報を収集する時間を計算する手段と；
   を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。
2. 航空機用の高度と速度の検出システムにおいて：
   垂直アンテナと；
   複数の傾斜アンテナと；
   前記航空機の速度及び高度を求めるためのプロセッサと；
   前記プロセッサが、前記垂直アンテナから受信した情報に基づいて高度を決定し、かつその高度を決定した情報を使用して、航空機の速度を計算するために前記傾斜アンテナから受信した情報を通過させる期間を制御するように、前記垂直アンテナ及び前記傾斜アンテナからプロセッサへ通過させる情報を制御するゲート装置と；
   を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。
3. 上記ゲート装置が、上記プロセッサへの情報の通過を制御することを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 上記高度を測定するために使用される情報が、上記ゲート装置が航空機の速度を計算するのに必要な情報を通過させる時点を決定するために使用されることを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 上記複数のアンテナの１つが、航空機の高度を測定するときに情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
6. 上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際に情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
7. 航空機用の高度と速度の検出システムにおいて：
   地表面に向けて信号を送出すると共に、そのリターン信号を受信する複数のアンテナと；
   前記アンテナがいつ信号を送出するか及び前記アンテナがいつ信号を受信するかを指示する前記アンテナに接続されたスイッチと；
   一時に１つだけアンテナを作動させるための起動手段と；
   前記起動手段に接続されていて、ある時点で動作するよう前記１つのアンテナを選択するタイミング制御手段と；
   前記アンテナからの情報に基づいて高度及び速度を求めるためのプロセッサと；
   上記タイミング制御回路手段に接続されていて、前記プロセッサに送られる情報を制御するゲート手段であって、高度を決定するためにプロセッサによって使用された情報がさらにゲート手段の動作を制御するために使用され、航空機の速度の計算のために前記複数のアンテナから受信した情報を通過させる期間を制御する、前記ゲート手段と；
   を具備したことを特徴とする高度と速度の検出システム。
8. 上記ゲート手段が、高度に関する情報のプロセッサへの移動を２５ミリ秒間だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 上記ゲート手段が、速度に関する情報の上記プロセッサへの移動を５０ミリ秒間だけ可能にすることを特徴とする請求項７記載のシステム。
10. 上記複数のアンテナの中の１つが、航空機の高度を測定する際に情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載のシステム。
11. 上記複数のアンテナの中の少なくとも３つが、航空機の速度を測定する際に情報を送受信するために使用されることを特徴とする請求項７記載の検出システム。

Images