JP4507541B2 - 無線標識装置および方位探知方式 - Google Patents

Description

本発明は、例えば人、乗物等の相対位置を検知するのに用いて好適な無線標識装置および該無線標識装置を用いた方位探知方式に関する。

一般に、方位探知用の無線標識装置として、航空機の航行援助に用いられるドップラーＶＯＲ（Doppler VHF Omni-directional radio range：以下、ＤＶＯＲという）の地上装置が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特公平６−７５１０２号公報 電子情報通信学会，「アンテナ工学ハンドブック」，オーム社，１９８０年１０月，p.376-378

このような従来技術によるＤＶＯＲの地上装置では、中央に１個のアルホードアンテナ（中心アンテナ）を配置すると共に、該中心アンテナの周囲には搬送波アンテナを中心として直径約１３ｍ（約５波長）の円周上に５０個のアルホードアンテナ（周辺アンテナ）を等間隔に配置している。

ここで、中心アンテナは、全方位に対して一定の基準位相信号として搬送波を３０Ｈｚで振幅変調した振幅変調波（ＡＭ波）を放射する。一方、円周上に配置した５０個の周辺アンテナは、例えば１秒間に円周上を３０回転する速度で順次給電されるアンテナが切換り、搬送波に対して例えば９９６０Ｈｚ高い周波数をもった副搬送波を順次放射する。このとき、副搬送波を放射する周辺アンテナと空間上の任意の地点との間の距離は周期的に変化するから、この任意の地点で受信した副搬送波は、ドップラー効果によって周波数が周期的に変化し（ドップラー周波数偏移が生じ）、３０Ｈｚの周波数変調波（ＦＭ波）を構成する。また、このＦＭ波はＤＶＯＲ局を基準とした方位毎に位相が変化するから、５０個の周辺アンテナはＦＭ波からなる可変位相信号を放射する。

そして、基準位相信号と可変位相信号とは、磁北の０°に対して互いの位相が一致するように調整されているから、航空機はこれら２つの信号を受信して同一周波数（３０Ｈｚ）で変調されたＡＭ波とＦＭ波との位相を比較することによって、現在の方位を知ることができる。

ところで、従来技術によるＤＶＯＲの地上装置では、中心アンテナからＡＭ波を送信するためのキャリア送信機と５０個の周辺アンテナからＦＭ波を送信するためのサイドバンド送信機との２種類の送信機を備える構成としている。このため、装置全体が複雑、大型化して高価な設備になる傾向があるのに加え、中心アンテナと周辺アンテナとにそれぞれ給電するから、消費電力が大きいという問題があった。

また、従来技術では、可変位相信号を放射する側波帯アンテナに順次給電を行うディストリビュータ等からなる給電部を備えると共に、該給電部は、隣接する周辺アンテナ間および周辺アンテナと中心アンテナとの間の相互結合を最小にするために、５０個の周辺アンテナに対して互いの位相を精密に合わせる必要があった。このため、給電部と周辺アンテナとの間の給電ケーブルの長さ寸法をケーブル毎に微調整する必要があり、ケーブルの調整作業に長時間を要すると共に、熟練した技術が必要になるという問題があった。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、小型で消費電力が小さいのに加え、熟練技術による調整等が不要な無線標識装置および該無線標識装置を用いた方位探知方式を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、全方位に対して一定の基準位相信号を放射する中心素子と、該中心素子を中心とした円周上に配置され円周に沿って放射する素子が順次切換りドップラー周波数偏移を用いて方位毎に位相が変化する可変位相信号を放射する複数の周辺素子とからなる無線標識装置において、前記複数の周辺素子は、無給電で前記中心素子との放射結合によって誘起される電流を用いて前記可変位相信号を放射する構成とし、前記複数の周辺素子は、ドップラー周波数偏移により生じる周波数変調の変調指数が０次ベッセル関数の零点付近に設定された可変位相信号を放射する位置に配置したことを特徴としている。

請求項２の発明では、前記中心素子と複数の周辺素子とは接地板に立設されたモノポール素子によって形成している。

請求項３の発明では、前記接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれスイッチング素子を接続して設け、該スイッチング素子を用いて周辺素子と接地板との間を接続または遮断し、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択する構成としている。

請求項４の発明では、前記接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれ可変リアクタンス素子を接続して設け、該可変リアクタンス素子を用いて周辺素子と接地板との間のリアクタンス値を変化させ、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択する構成としている。

請求項５の発明では、前記中心素子は、前記複数の周辺素子のうち強い放射を行う周辺素子が円周上を回転移動するときの周波数に対して有理数倍の周波数をもった基準位相信号を放射する構成としている。

請求項６の発明では、前記中心素子は、振幅変調された基準位相信号を放射する構成としている。

請求項７の発明では、前記基準位相信号には情報信号を重畳する構成としている。

また、請求項８の発明では、本発明の無線標識装置を用いて方位探知方式を構成している。

請求項１の発明によれば、複数の周辺素子は無給電で中心素子との放射結合によって誘起される電流を用いて可変位相信号を放射する構成としたから、周辺素子に対して給電を行う必要がなく、装置の構成を簡略化して安価に提供できると共に、消費電力を低減することができる。また、周辺素子に対する電流誘起は周辺素子と中心素子との空間結合を利用するから、位相調整に要する労力を軽減することができる。
また、複数の周辺素子は、ドップラー周波数偏移により生じる周波数変調の変調指数が０次ベッセル関数の零点付近に設定された可変位相信号を放射する位置に配置したから、可変位相信号から基準位相信号の搬送波と同一の周波数成分を省くことができる。このため、受信機は、基準位相信号と可変位相信号とが加わった受信信号に対して、例えば帯域阻止フィルタを用いて搬送波周辺の周波数成分を抑圧した後に、可変位相信号を復調することができる。このため、受信機は、基準位相信号に妨げられることなく可変位相信号を正確に復調することができる。

請求項２の発明によれば、中心素子と複数の周辺素子とは接地板に立設されたモノポール素子によって形成したから、ダイポール素子を用いた場合に比べて素子の長さ寸法を短くすることができ、装置全体を小型化することができる。

請求項３の発明によれば、接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれスイッチング回路を接続して設け、該スイッチング回路を用いて周辺素子と接地板との間を接続または遮断する構成としたから、周辺素子と接地板との間の接続、遮断を切換えることによって、周辺素子の電気長を変化させることができる。これにより、各周辺素子の電気長をそれぞれ設定することができるから、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択することができる。このため、スイッチング回路の接続、遮断を順次切換えることによって、強い放射を行う周辺素子を円周に沿って移動させることができ、ドップラー周波数偏移が生じる可変位相信号を放射することができる。

請求項４の発明によれば、接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれ可変リアクタンス回路を接続して設け、該可変リアクタンス回路を用いて周辺素子と接地板との間のリアクタンス値を変化させる構成としたから、周辺素子と接地板との間のリアクタンス値を変化させることによって、周辺素子の電気長を変化させることができる。これにより、各周辺素子の電気長をそれぞれ設定することによって、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択することができるから、可変リアクタンス回路によるリアクタンス値を順次変化させることによって、強い放射を行う周辺素子を円周に沿って移動させることができ、ドップラー周波数偏移が生じる可変位相信号を放射することができる。

請求項５の発明によれば、中心素子は、複数の周辺素子のうち強い放射を行う周辺素子が円周上を回転移動するときの周波数に対して有理数倍の周波数で変調された基準位相信号を放射する構成としたから、例えば複数の周辺素子を駆動するための発振器を用いて基準位相信号を変調することができ、装置の全体構成を簡略化することができる。

請求項６の発明によれば、中心素子は振幅変調された基準位相信号を放射する構成としたから、無指向性の中心素子を用いることにより、全方位に対して変化しない一定の基準位相信号を放射することができる。

請求項７の発明によれば、基準位相信号には情報信号を重畳する構成としたから、基準位相信号を用いて個々の無線標識装置を識別する情報信号を送信することができる。

請求項８の発明によれば、本発明の無線標識装置を用いて方位探知方式を構成するから、例えば受信側で電波到来方向を探知する方式に比べて、送信側となる無線標識装置で方位毎に異なる情報をもつ可変位相信号を放射することができ、受信側のアンテナおよび回路構造を簡略化することができる。このため、無線標識装置をインフラとして設置することにより、多数の受信機で方位探知を行うシステムを容易に構築することができる。

また、方位の情報としてドップラー効果による周波数偏移を用いるから、振幅の偏移を用いる場合に比べて、受信機付近にある散乱体によって引き起こされるマルチパスによって振幅変動が生じる状況でも、時間軸上での振幅変動が小さければ正しい方位情報を伝達することができる。

以下、本発明の実施の形態による無線標識装置を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図１ないし図７は第１の実施の形態を示し、図において、１は本実施の形態による無線標識装置で、該無線標識装置１は後述するアンテナ部２、可変リアクタンス制御部８および高周波回路部１３によって大略構成されている。

２は基準位相信号Ｓaと可変位相信号Ｓbを放射するアンテナ部で、該アンテナ部２は、導電性金属材料からなる円形の接地板３と、該接地板３の中心に配置された中心素子４と、該中心素子４を中心として一定半径の円周上に等間隔に配置された例えば１２個の周辺素子５と、該各周辺素子５に接続された可変リアクタンス回路６とによって構成されている。

ここで、接地板３は、基準位相信号Ｓaの搬送波の波長λcに対して例えば０．７７×λcの半径をもった円盤状に形成されている。また、中心素子４と周辺素子５とは、いずれも接地板３の表面側に垂直に直立した状態で立設され、λc／４の長さ寸法をもったモノポールアンテナによって構成されている。そして、周辺素子５は、後述するように可変位相信号Ｓbの変調指数ｍ_fが０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致するように、中心素子４を中心として例えば０．３８３×λcの半径ｒをもった円周上に配置されている。

また、中心素子４には、図２に示すように、給電ケーブルをなす同軸ケーブル７の中心導体７Ａが接続されると共に、該同軸ケーブル７の外部導体７Ｂは接地板３に接続され、接地板３をグランド電位に保持している。

一方、周辺素子５には、図３に示すように可変リアクタンス回路６が接続され、該可変リアクタンス回路６は、周辺素子５とグランド（接地板３）との間に接続された可変容量ダイオード６Ａと、該可変容量ダイオード６Ａに並列接続された抵抗６Ｂおよびコンデンサ６Ｃとによって構成されている。そして、可変容量ダイオード６Ａのカソードには、抵抗６Ｂを介して後述の可変リアクタンス制御部８から制御信号Ｓ1としての直流電圧が印加される。

このとき、可変容量ダイオード６Ａの容量が直流電圧の値に応じて変化するから、可変リアクタンス回路６は、直流電圧に応じて周辺素子５とグランドとの間のリアクタンス値を可変に設定することができる。このため、可変リアクタンス回路６を制御することによって、各周辺素子５の実効的な電気長を個別に変更することができるから、各周辺素子５は、他の周辺素子５や中心素子４との放射結合の大きさおよび位相を変更することができる。この結果、可変リアクタンス回路６によりリアクタンス値を適当に選択することによって、１２個の周辺素子５のうち単一の周辺素子５と中心素子４との間で放射結合を生じさせることができる。

８はアンテナ部２に接続された可変リアクタンス制御部で、該可変リアクタンス制御部８は、一定周期のパルス信号Ｓ2を発生させるパルス発生器９と、該パルス発生器９からのパルス信号Ｓ2を分周する分周器１０と、前記パルス発生器９と分周器１０とからの信号Ｓ2，Ｓ3に基づき可変リアクタンス回路６を制御する可変リアクタンス制御装置１１とによって大略構成されている。また、可変リアクタンス制御装置１１には各可変リアクタンス回路６のリアクタンス値を記憶したリアクタンス値テーブル１２が接続されている。

ここで、パルス発生器９は、例えば角周波数ω_r（例えばω_r＝２π×３０Ｈｚ）に周辺素子５の数ｎ（ｎ＝１２）を掛けた値の角周波数ω0（例えばω0＝２π×３６０Ｈｚ）をもったパルス信号Ｓ2を出力し、分周器１０はパルス信号Ｓ2を１／ｎに分周し、角周波数ω_rの信号Ｓ3を出力する。

また、可変リアクタンス制御装置１１は、リアクタンス値テーブル１２に記録されたリアクタンス値に基づき可変リアクタンス回路６に直流電圧からなる制御信号Ｓ1を出力し、可変リアクタンス回路６を制御している。このとき、リアクタンス値テーブル１２には、１２個の周辺素子５のうち実質的に単一の周辺素子５にのみ高周波電流が誘起されるようなリアクタンス値が記憶されている。このため、任意の１個の周辺素子５に高周波電流が誘起されるときには、残余の周辺素子５に誘起される高周波電流は十分に小さくなる。そして、可変リアクタンス制御装置１１は、パルス発生器９から出力されるパルス信号Ｓ2に同期して制御信号Ｓ1を出力し、パルス発生器９が出力する１パルス毎に、各可変リアクタンス回路６に印加する電圧を接地板３を上方（表面側）からみて反時計回りに１個ずつずらしていく（移動させる）。

これにより、高周波電流が誘起される周辺素子５が円周上を１個ずつ移動する。このとき、周辺素子５の配置は中心素子４に対して回転対称性を有することから、周辺素子５に誘起される電流は、中心素子４に給電される高周波電流に対して位相と振幅のみが異なり、その位相差と振幅比はいずれの周辺素子５が選択された場合でも等しくなっている。

また、可変リアクタンス制御装置１１は、分周器１０からの基準信号Ｓ3に同期して基準となる周辺素子５（例えば磁北側に位置する周辺素子５）を選択し、該周辺素子５を基準にして高周波電流が誘起される周辺素子５を回転移動させる構成となっている。

１３は中心素子４に高周波電流を給電する高周波回路部で、該高周波回路部１３は、角周波数ω_cの搬送波を発生させる搬送波発振器１４と、該搬送波発振器１４からの搬送波を振幅変調する振幅変調器１５と、該振幅変調器１５によって変調された振幅変調波を増幅して中心素子４に給電する増幅器１６とによって概略構成されている。また、振幅変調器１５には正弦波発生器１７を介して分周器１０が接続されると共に、例えば無線標識装置１を特定する情報信号Ｓ4を発生させる情報信号発生器１８が接続されている。

そして、振幅変調器１５は、角周波数ω_cの搬送波を正弦波発生器１７から出力される角周波数ω_rの変調波によって振幅変調する。このとき、角周波数ω_rの位相は、可変リアクタンス制御部８による基準信号Ｓ3に同期している。即ち、例えば分周器１０が出力するパルス（基準信号Ｓ3）の立ち上がり時刻と、振幅変調器１５が出力する振幅変調波の包絡線の交流成分が零点を負から正へ通過する時刻とは一致している。これにより、中心素子４から放射する基準位相信号Ｓaと高周波電流が誘起される周辺素子５の移動周期を同期させている。

なお、振幅変調器１５は、正弦波発生器１７から出力される変調波に加えて、情報信号発生器１８から出力される各無線標識装置１を特定する情報信号Ｓ4も重畳して振幅変調している。

本実施の形態による無線標識装置１は上述の如き構成を有するもので、次に無線標識装置１と受信機Ｑとを用いた方位探知方式について図１ないし図５を参照しつつ説明する。なお、中心素子４および各周辺素子５はそれぞれ無指向性で、十分に広帯域なアンテナであるものとする。また、情報信号Ｓ4の重畳は考えないものとする。

まず、中心素子４に対して高周波回路部１３から高周波電流を給電する。このとき、各周辺素子５に接続された可変リアクタンス回路６は可変リアクタンス制御部８によってそれぞれのリアクタンス値が設定されているから、複数の周辺素子５のうち実質的に１個の周辺素子５にのみ中心素子４との放射結合による高周波電流が誘起される。

このとき、中心素子４に励振される電流Ｉcは以下の数１の式で表すことができる。

但し、電流Ｉcの絶対的な大きさは適当に規格化しているものとする。また、振幅変調器１５は、分周器１０による基準信号Ｓ3を用いて振幅変調を行うから、振幅変調の角周波数ω_aは、放射源が回転移動する角周波数ω_rに一致している。数１より、中心素子４からの放射波（基準位相信号Ｓa）のスペクトルは、図５に示すように模式的に表すことができる。なお、図５では変調度ｍ_aは１に比べて非常に小さい（ｍ_a≪１）ものとしている。

一方、一般に角周波数ωの電磁波を放射する送信源Ｐが速度ｖで移動するとき、静止した受信機Ｑでの受信波の角周波数は、ドップラー効果による周波数偏移を受ける。このときの角周波数偏移の大きさをΔωとすると、このΔωは以下の数２の式で表すことができる。

但し、数式中の矢印はベクトルを表している。また、ｅ_PQは送信源Ｐから受信機Ｑに向う単位ベクトルを表し、ｃは光速を表すと共に、ａ・ｂはベクトルａとベクトルｂとのスカラー積を表している。

ここで、図４に示すように、周辺素子５が半径ｒの円周上に十分に密な状態で配置されていると考えると、円周上に配置された１２個の周辺素子５が配設順に放射を行うから、あたかも放射源（送信源Ｐ）が半径ｒの円周上を滑らかに移動するものと考えることができる。このとき、放射源は、可変リアクタンス制御部８によって、円周上を角周波数ω_rで移動する。

一方、周辺素子５の配列の直径２ｒに対して受信機Ｑは十分に離れているものとする。また、図４に示すように、周辺素子５の配列を含む平面内で中心素子４を原点Ｏとする直交座標系（ｘ，ｙ）および極座標系（Ｒ，θ）を設定する。そして、時刻０において放射を行う周辺素子５（送信源Ｐ）がθ＝πの方向に配置され、受信機Ｑがθ＝αの方位に位置するものとする。このとき、放射源の速度ｖは、直交座標系では以下の数３の式で表すことができる。

なお、添字のｘｙは直交座標系での表現であることを示している。また、送信源Ｐから受信機Ｑに向う単位ベクトルｅ_PQは、図４より以下の数４の式のように表すことができる。

このため、数２から数４により、受信機Ｑにおける受信波の角周波数偏差の大きさは、以下の数５の式で表すことができる。

この数５により、周辺素子５からの放射波の周波数偏移は、その位相が受信機Ｑの相対方位αに依存する。また、数１より、中心素子４からの放射波の振幅変調の位相は、受信機Ｑの相対方位αに依存しない。このため、周辺素子５からの放射波（可変位相信号Ｓb）と中心素子４からの放射波（基準位相信号Ｓa）との位相差は相対方位αに対応するから、受信機Ｑでは、両者の位相を比較して位相差を検出することによって、送信側から見た受信機Ｑの相対方位αを知ることができる。

次に、可変位相信号Ｓbの変調指数ｍ_fと搬送波との関係について図４ないし図７を参照しつつ検討する。

まず、受信機Ｑによって受信される受信波として数６の式に示す周波数変調波ｉ_fを考える。

ここで、数６はベッセル関数を用いて以下の数７の式のように表すことができる。

このとき、変調指数ｍ_fが０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致するように選択すると、数７より、搬送波周波数の成分（右辺第１項）が消去されることが分かる。

一方、周辺素子５からの放射波（可変位相信号Ｓb）と変調指数ｍ_fとの関係について検討する。

基準位相信号Ｓaの振幅変調の変調度ｍ_aが非常に小さい（ｍ_a≪１）ものとすると、中心素子４に誘起される電流Ｉc′は、数１から搬送波成分だけを考えればよいから、以下の数８の式で表すことができる。

ここで、プライム記号（′）は振幅変調における側波帯成分を無視していることを表している。このとき、周辺素子５のうち実質的に電流が誘起される素子に誘起される電流Ip′は、中心素子４に誘起される電流Ｉc′に対して大きさ（振幅）と位相だけが異なる。このため、周辺素子５に誘起される電流Ip′は以下の数９の式で表すことができる。

このとき、電流Ip′によって電磁波の放射が生じる周辺素子５は円周上を移動するから、この回転移動を考慮した周辺素子５からの放射波（可変位相信号Ｓb）のドップラー角周波数ωは、数５と数９とに基いて以下の数１０の式で表すことができる。

このため、このドップラー角周波数ωを時間ｔで積分することによって、ドップラー周波数偏移を考慮した放射波の振幅Ｉp'^(d)は、以下の数１１の式のように表せる。

従って、周辺素子５からの放射波をなす可変位相信号Ｓbは、数１１の式で表現される周波数変調波となることが分かる。このため、数６と数１１とを比較することによって、放射波の変調指数ｍ_fは以下の数１２の式で表すことができる。

ここで、λcは搬送波の周波数に対応した波長である。この結果、周辺素子５を配置する円周の半径ｒと搬送波の周波数（波長λc）を適宜設定することによって、放射波（可変位相信号Ｓb）の変調指数ｍ_fを０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致させることができる。

本実施の形態では、半径ｒを搬送波の波長λcの約０．３８３倍（ｒ≒０．３８３×λc）に設定することによって、変調指数ｍ_fを０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致する値（ｍ_f≒２．４）に設定している。この結果、周辺素子５から放射される周波数変調波（可変位相信号Ｓb）は、図６に示すように、中心素子４から放射される振幅変調波（基準位相信号Ｓa）の搬送波の周波数成分を持たなくなる。

このとき、受信機Ｑにおける受信波のスペクトルは、模式的に図７に示すようになる。図７中で、中心素子４からの放射波（基準位相信号Ｓa）のスペクトル成分は、主に搬送波成分（ω＝ω_c）に集中するのに対し、変調度ｍ_aが非常に小さい（ｍ_a≪１）から、振幅変調の側波帯成分（ω＝ω_ｃ±ω_r）は非常に小さくなる（図５参照）。

一方、周辺素子５からの放射波（可変位相信号Ｓb）のスペクトル成分は、周波数変調の変調指数ｍ_fを０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致する値（ｍ_f＝２．４）に設定されているから、搬送波成分（ω＝ω_c）は非常に小さい。また、変調指数ｍ_fが２．４に設定されているから、周辺素子５からの放射波の殆どのパワーは次数４以下の側波帯成分に分布する。この結果、周辺素子５からの放射波のスペクトル成分は、そのパワーの大部分が１次から４次までの側波帯成分（ω＝ω_ｃ±ｎω_r：但し、ｎ＝１，２，３，４）に分布する。

以上の結果から、受信機Ｑは周辺素子５の放射波による周波数変調波（可変位相信号Ｓb）を周波数復調するときには、受信波からフィルタ等を用いて搬送波成分をカット（除去）しても正確な復調が可能となる。

特に、本実施の形態による無線標識装置１では、周辺素子５は中心素子４との放射結合を用いて可変位相信号Ｓbを放射するから、受信機Ｑは基準位相信号Ｓaと可変位相信号Ｓbとが混在した受信波を受信する。しかし、本実施の形態では、変調指数ｍ_fを０次ベッセル関数Jo(x)の零点に一致する値に設定したから、中心素子４による基準位相信号Ｓaは角周波数ω_cの搬送波成分と角周波数ω_c±ω_rの振幅変調の側波帯成分とによって構成されるのに対し、周辺素子５による可変位相信号Ｓbは搬送波成分を除いた側波帯成分（ω_c±ｎω_r：ｎ＝１〜４）によって構成される。このため、基準位相信号Ｓaと可変位相信号Ｓbとが混在しても、各信号Ｓa，Ｓbの周波数成分が異なるから、これらの信号Ｓa，Ｓbを正確に復調することができる。

かくして、本実施の形態では、無線標識装置１を用いることによって、中心素子４からは常に角周波数ω_rで振幅変調された中心角周波数ω_cの振幅変調波（基準位相信号Ｓa）を放射することができると共に、ある時刻においては実質的に１個の周辺素子５からのみ放射波を放射させることができる。このとき、周辺素子５からの放射波は中心素子４からの振幅変調波に対して振幅と位相だけが異なる。また、電流が誘起される周辺素子５は円周上を移動するから、実効的に周辺素子５による放射源は円周上を回転しているものとみなすことができる。

このため、周辺素子５からの放射波（可変位相信号Ｓb）は実効的なドップラー効果による周波数偏移を伴う。このとき、周波数偏移の周期は電流が誘起される周辺素子５の回転周期に一致すると共に、周波数偏移の位相は無線標識装置１から見た受信機Ｑの方位に依存する。この結果、受信機Ｑが無線標識装置１からの送信波を受信したときに、例えば包絡線振幅に基いて基準位相信号Ｓaを検出すると共に、周波数偏移に基いて可変位相信号Ｓbを検出し、これらの信号Ｓa，Ｓbの位相差を知ることによって、無線標識装置１から見た方位を知ることができる。

特に、本実施の形態では、複数の周辺素子５は無給電で中心素子４との放射結合によって誘起される電流を用いて可変位相信号Ｓbを放射する構成としたから、周辺素子５は中心素子４との放射結合を利用して可変位相信号Ｓbを放射することができ、給電系を中心素子４用の１系統だけ設ければよい。このため、無線標識装置１の構成を簡略化して安価に提供できると共に、消費電力を低減することができる。また、周辺素子５に対する電流誘起は周辺素子５と中心素子４との空間結合を利用するから、位相調整に要する労力を軽減することができる。

また、中心素子４と複数の周辺素子５とは接地板３に立設されたモノポール素子によって形成したから、例えばダイポール素子を用いた場合に比べて素子の長さ寸法を短くすることができ、装置全体を小型化することができる。

しかも、接地板３と複数の周辺素子５との間にはそれぞれ可変リアクタンス回路６を接続して設け、該可変リアクタンス回路６を用いて周辺素子５と接地板３との間のリアクタンス値を変化させる構成としたから、周辺素子５と接地板３との間のリアクタンス値に応じて周辺素子５の電気長を変化させることができる。これにより、各周辺素子５の電気長をそれぞれ設定し、他の周辺素子５に比べて強い放射を行う周辺素子５を選択することができるから、可変リアクタンス回路６によるリアクタンス値を順次変化させることによって、強い放射を行う周辺素子５を円周に沿って移動させることができ、ドップラー周波数偏移が生じる可変位相信号Ｓbを放射することができる。

また、複数の周辺素子５はドップラー周波数偏移により生じる周波数変調の変調指数ｍ_fが０次ベッセル関数Jo(x)の零点付近に設定された可変位相信号Ｓbを放射する構成としたから、可変位相信号Ｓbから基準位相信号Ｓaの搬送波と同一の周波数成分を省くことができる。このため、受信機Ｑは、基準位相信号Ｓaと可変位相信号Ｓbとが加わった受信波に対して、例えば帯域阻止フィルタを用いて搬送波周辺の周波数成分を抑圧した後に、可変位相信号Ｓbを復調することができる。このため、受信機Ｑは、基準位相信号Ｓaに妨げられることなく可変位相信号Ｓbを正確に復調することができる。

一方、中心素子４は複数の周辺素子５のうち強い放射を行う周辺素子５が円周上を回転移動するときの周波数（角周波数ω0＝ｎ×ω_r）に対して有理数倍（１／ｎ）の周波数（角周波数ω_r）で振幅変調された基準位相信号Ｓaを放射する構成としたから、例えば複数の周辺素子５を駆動するための発振器（パルス発生器９）を用いて基準位相信号Ｓaを変調することができ、無線標識装置１の全体構成を簡略化することができる。

また、中心素子４は振幅変調された基準位相信号Ｓaを放射する構成としたから、無指向性の中心素子４を用いることにより、全方位に対して変化しない一定の基準位相信号Ｓaを容易に放射することができる。

しかも、基準位相信号Ｓaには情報信号Ｓ4を重畳する構成としたから、基準位相信号Ｓaを用いて個々の無線標識装置１を識別する情報信号Ｓ4を送信することができる。

さらに、受信機Ｑ側で電波到来方向の探知を行う方位探知方式に比べた場合、本実施の形態による方位探知方式では送信機側（無線標識装置１）で方位毎に異なる情報をもつ信号（基準位相信号Ｓa，可変位相信号Ｓb）を放射するから、受信機Ｑ側に電波の到来方向を知るための手段を設ける必要がなく、受信機Ｑ側のアンテナおよび回路構成を簡略化することができる。このため、例えば無線標識装置１をインフラとして設置し、多数の受信機Ｑを用いるシステムを容易に構成することができる。

また、方位の情報として振幅の偏移を利用する方位探知方式と比べて場合、本実施の形態による方位探知方式ではドップラー効果による周波数偏移を用いるから、受信機Ｑの付近にある散乱体によってマルチパスによる受信波の振幅変動が生じる状況でも、時間軸上での振幅変動が小さければ正しい方位情報を得ることができる。

次に、図８は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれスイッチング回路を接続して設け、該スイッチング回路を用いて周辺素子と接地板との間を接続または遮断し、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択する構成としたことにある。なお、本実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素の同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

２１は周辺素子５と接地板３と同電位のグランドとの間に接続されたスイッチング回路で、該スイッチング回路２１は、周辺素子５とグランドとの間に接続されたコンデンサ２１Ａと、該コンデンサ２１に並列接続され可変リアクタンス制御部８からの制御信号Ｓ1に応じて開成、閉成されるスイッチ２１Ｂとによって構成されている。そして、スイッチ２１Ｂの開，閉に応じて周辺素子５とグランドとの間のリアクタンス値を可変に設定することができるから、スイッチング回路２１を制御することによって、各周辺素子５の実効的な電気長を個別に変更することができ、各周辺素子５は、他の周辺素子５や中心素子４との放射結合の大きさおよび位相を変更することができる。この結果、スイッチング回路２１の開成、閉成を選択することによって、１２個の周辺素子５のうち単一の周辺素子５と中心素子４との間で放射結合を生じさせることができる。

かくして、本実施の形態でも第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができるが、本実施の形態では、接地板３と複数の周辺素子５との間にはそれぞれスイッチング回路２１を接続して設けたから、スイッチング回路２１を用いて周辺素子５と接地板３との間の接続、遮断を切換えることによって、周辺素子５の電気長を変化させることができる。これにより、各周辺素子５の電気長をそれぞれ設定することができるから、他の周辺素子５に比べて強い放射を行う単一の周辺素子５を選択することができる。このため、スイッチング回路２１の接続、遮断を順次切換えることによって、強い放射を行う周辺素子５を円周に沿って移動させることができ、ドップラー周波数偏移が生じる可変位相信号Ｓbを放射することができる。

なお、前記各実施の形態では、中心素子４と周辺素子５とには接地板３に立設されたモノポール素子（モノポールアンテナ）を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば中心素子と周辺素子とにはダイポール素子（ダイポールアンテナ）を用いる構成としてもよい。

また、前記各実施の形態による方位探知方式は、無線標識装置１が小型、安価、低消費電力な構成とすることができるから、航空機の航行援助に限らず、例えば人、乗物等の相対位置を簡易に検知するシステムに適用することが可能である。

第１の実施の形態による無線標識装置を示すブロック図である。 図１中の中心素子を拡大して示す断面図である。 図１中の周辺素子を拡大して示す断面図である。 図１中のアンテナ部を受信機と一緒に示す平面図である。 基準位相信号のスペクトルを示す特性線図である。 可変位相信号のスペクトルを示す特性線図である。 受信波のスペクトルを示す特性線図である。 第２の実施の形態による周辺素子を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ 無線標識装置
２ アンテナ部
３ 接地板
４ 中心素子
５ 周辺素子
６ 可変リアクタンス回路
８ 可変リアクタンス制御部
９ パルス発生器
１０ 分周器
１３ 高周波回路部
２１ スイッチング回路
Ｑ 受信機

Claims (8)

1. 全方位に対して一定の基準位相信号を放射する中心素子と、該中心素子を中心とした円周上に配置され円周に沿って放射する素子が順次切換りドップラー周波数偏移を用いて方位毎に位相が変化する可変位相信号を放射する複数の周辺素子とからなる無線標識装置において、
   前記複数の周辺素子は、無給電で前記中心素子との放射結合によって誘起される電流を用いて前記可変位相信号を放射する構成とし、
   前記複数の周辺素子は、ドップラー周波数偏移により生じる周波数変調の変調指数が０次ベッセル関数の零点付近に設定された可変位相信号を放射する位置に配置したことを特徴とする無線標識装置。
2. 前記中心素子と複数の周辺素子とは接地板に立設されたモノポール素子によって形成してなる請求項１に記載の無線標識装置。
3. 前記接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれスイッチング回路を接続して設け、該スイッチング回路を用いて周辺素子と接地板との間を接続または遮断し、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択する構成としてなる請求項２に記載の無線標識装置。
4. 前記接地板と複数の周辺素子との間にはそれぞれ可変リアクタンス回路を接続して設け、該可変リアクタンス回路を用いて周辺素子と接地板との間のリアクタンス値を変化させ、他の周辺素子に比べて強い放射を行う周辺素子を選択する構成としてなる請求項２に記載の無線標識装置。
5. 前記中心素子は、前記複数の周辺素子のうち強い放射を行う周辺素子が円周上を回転移動するときの周波数に対して有理数倍の周波数をもった基準位相信号を放射する構成としてなる請求項１，２，３または４に記載の無線標識装置。
6. 前記中心素子は、振幅変調された基準位相信号を放射する構成としてなる請求項５に記載の無線標識装置。
7. 前記基準位相信号には情報信号を重畳する構成としてなる請求項１，２，３，４，５または６に記載の無線標識装置。
8. 前記請求項１ないし７のうちいずれかに記載の無線標識装置を用いた方位探知方式。

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