JP4723961B2 - 二次監視レーダ装置とその質問送信方法 - Google Patents

Description

本発明は、モードＳトランスポンダ及びＡＴＣＲＢＳ（Air Traffic Control Rader Beacon System）トランスポンダを搭載した航空機等の目標（target）を監視する二次監視レーダ装置（ＳＳＲ：Secondary Surveillance Radar）に関する。

ＳＳＲモードＳは、航空機等の目標に搭載されているトランスポンダに対して地上装置のビームアンテナから質問信号（interrogation signal）を送信し、その質問に対する応答を受信することによって航空機の持つ様々な情報を取得するレーダシステムである（例えば非特許文献１または２参照）。トランスポンダには、従来から使用されているＡＴＣＲＢＳトランスポンダおよびモードＳトランスポンダの２種類があり、これらを捕捉するために、様々な質問の方式がある。

ＳＳＲモードＳでは、ビーム照射期間（ビームドウェル（beam dwell time））を複数に分割し、その１つ（１スケジューリング期間と呼ぶ）を更にオールコール期間（all-call period）（モードＳ，ＡＴＣＲＢＳトランスポンダの捕捉を行なう期間）、ロールコール期間（roll-call period）（モードＳトランスポンダに個別の質問（selective interrogation）を行う期間）の２つに分け、目標の捕捉を行なっている。質問・応答の信号の長さは、監視プロトコルの場合は応答長が６４[ｕｓ]、質問長が１９．７５[ｕｓ]である。

また、ＳＳＲモードＳには、データリンクプロトコル（data-link protocol）が有り、この場合、応答長が１２０[ｕｓ]、質問長が３３．７５[ｕｓ]となるため、監視に比べて約２倍の時間を占有する。今後データリンクプロトコルが多用された場合、単純にロールコール期間の時間を増やして対応する方法もあるが、こうするとオールコール期間が減少するため、従来のＡＴＣＲＢＳトランスポンダの検出率の低下（応答数が減少するため）を引き起こしてしまう弊害がある。よって、ＡＴＣＲＢＳトランスポンダの検出率を維持しながらモードＳトランスポンダを捕捉していくためには、ビームドウェルの内でいかに効率よく目標を捕捉していくかが重要となってくる。

従来は、ロールコール期間にて、個々のモードＳトランスポンダ搭載航空機の過去のトラック情報から予測位置（prediction position）を算出し、そのなかの予測レンジに対応して質問を送信する方位角の範囲を可変する。しかしながら、近距離目標の場合には、質問を送信する方位角の範囲が拡大するので、応答が返る可能性の少ない方位までトランザクション（transaction）（質問と応答の授受）のスケジュールをすることになり、当該ビーム内にて遠距離に目標が密集していような場合には、遠距離目標から優先してトランザクションをスケジュールするため、アンテナのビーム幅（一般的に、ビームセンター方位±１．２５度の角度範囲を示す）内の比較的近い距離（slant range）にある目標に対してトランザクションのスケジュールができない問題が発生する可能性がある。

さらに、データリンクプロトコルを使用する場合には、質問長および応答長が監視用より長くなるため、トランザクションに要する時間が増え、スケジュールを組めない事象の発生確率が更に増すことになる。
IＳＢＮ０-８９００６-２９２-７ 「改訂レーダ技術」，電子情報通信学会発行，1996，P.227-233

以上述べたように、従来の二次監視レーダ装置では、ロールコール期間での捕捉において、予測位置に応じて質問の送信範囲を可変するため、予測範囲によってはスケジュールの必要がない航空機に対してスケジュールを組むことになり、航空機が密集していると本来必要なビーム内の近距離の航空機に対してスケジュールできないもあり得る。特に、将来予定されているデータリンク機能が付加されると、スケジュールに要する時間が増えるため、さらにスケジュールできない事象の確率が上昇してしまう。

本発明は上記の問題を解決し、応答が返る可能性が低い方位に対する質問を減少させることにより、他の質問を送信できる時間を確保することのできる二次監視レーダ装置とその質問送信方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は、ビームアンテナから質問信号を繰り返し送信する送信手段と、前記質問信号に対する応答信号を受信する受信手段と、前記質問繰り返し周期をそれぞれ、ＡＴＣＲＢＳ（Air Traffic Control Rader Beacon System）及びモードＳのトランスポンダに対して質問・応答を行うオールコール期間とモードＳトランスポンダに対して個別質問・応答を行うロールコール期間の２つに分け、ロールコール期間では目標の予測位置範囲に応じて、質問を送信する方位角の範囲を可変する機能を管理処理手段とを具備し、前記管理処理手段は、前記アンテナのビーム幅と前記予測角度範囲とを比較し、前記ビーム幅より前記予測角度範囲が狭い場合には、毎ロールコール期間の個別質問を連続させ、前記ビーム幅より前記予測角度範囲が広い場合には、毎ロールコール期間の個別質問を所定間隔で間引くことを特徴としている。

本発明によれば、応答が返る可能性が低い方位に対する質問を減少させることにより、他の質問を送信できる時間を確保することのできる二次監視レーダ装置とその質問送信方法を提供することができる。

まず、本発明の実施の形態を説明するに先立ち、ＳＳＲモードＳの概要と現状の質問送信方式における問題点を具体的に説明する。

図１は本発明が適用されるＳＳＲモードＳの概要を説明するための動作タイミング図である。ＳＳＲモードＳでは、図１に示すように、ビームドウェル期間を一定周期のトリガ信号によって複数のスケジューリング期間に分割する。そして、各スケジューリング期間をオールコール期間（モードＳ，ＡＴＣＲＢＳトランスポンダの捕捉を行なう期間）、ロールコール期間（モードＳトランスポンダに対する個別質問・応答期間）の２つに分け、個々のスケジューリング期間では、トリガ信号に応じてオールコール質問信号を送出する。こうしてアンテナビーム内で目標の捕捉を行なっていく。ここで、図１において、ｎは目標数を示す。なお、応答が取得できない場合には同一目標に対して再質問を行うため、総質問数はｎ以上になる。

モードＳでは、ロールコール期間内にて個々の航空機に対して個別に質問を行い、応答を受信して捕捉を行う。監視プロトコルを使う場合（ＵＦ＝ＤＦ＝４（高度），ＵＦ＝ＤＦ＝５（識別））の質問、応答）には、応答長は６４[ｕｓ]、質問長が１９．７５[ｕｓ]である。データリンクプロトコル(Ｃｏｍｍ-Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)を利用する場合には、応答長が１２０[ｕｓ]、質問長が３３．７５[ｕｓ]となるため、監視プロトコルの場合の約２倍以上の時間を占有することになる。この様子を図２に示す。

図２に示すように、目標（Ｔ１〜Ｔｎ）が集中した場合、ビームドウェル期間にて複数の質問を送信し、応答を受信する必要があるため、データリンクプロトコルを使用する場合には、監視プロトコルだけのときより、さらに時間を占有することになる。単純にロールコール期間の時間を増やす方法もあるが、従来のＡＴＣＲＢＳトランスポンダの検出率の低下（応答数が減少するため）を引き起こしてしまう。よって、ＡＴＣＲＢＳトランスポンダの検出率を維持しながらモードＳトランスポンダを捕捉していくためには、ビームドウェル期間内でいかに効率よく捕捉していくかが重要となってくる。

ロールコール期間においては、予測レンジに応じて質問を送信する角度範囲を可変する。従来の質問信号送信方式における質問送信範囲の制御の様子を図３に示す。従来の方式におけるアルゴリズムでは、予測した方位角の範囲内にて、対象とする目標からの応答が受信できるまで、毎ロールコール期間に質問信号を送信する。このとき、質問を送信する方位角の範囲は、一般的には目標が遠距離の場合は狭く、目標が近距離の場合は広くなる。

すなわち、目標が遠距離の場合には、図３（ａ）に示すように角度成分の変化が少ないため、質問を送信する方位角の範囲が狭くなるように制御を行い、目標が近距離の場合には、図３（ｂ）に示すように予測される角度成分の変化が大きいため、送信範囲が広くなるように制御を行っている。また、同一目標に対しては、ロールコールによる捕捉が毎スキャン連続している場合には、質問を送信する方位角の範囲を狭めている。

ＳＳＲモードＳでは、近距離に目標が存在している場合やコーストが多いときには質問を送信する方位角の範囲が広げられるためRFチャネルの占有時間が増し、必要な目標に対してトランザクションがスケジュールできない場合があり得る。例として、図４に示すような目標配置では、各目標のレンジはＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、…、Ｔ7の順に小さくなり、１回のロールコール期間で３つのトランザクションが可能、更に各目標に対する質問の送信角度範囲がビーム幅より広い場合を想定している。また、質問を送信する優先度は質問を送信する方位角の範囲が、アンテナビーム幅内であること、次の優先度が遠距離の順となっている。

この場合、トランザクションをスケジュールする際のアンテナのビームセンターの方位(以降、アンテナ方位と記述)１ではＴ１、Ｔ２、Ｔ３に対してトランザクションをスケジュールする。この場合は、アンテナのビーム幅が、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の応答を受信できる角度範囲にあるため捕捉ができる。アンテナ方位２ではＴａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してトランザクションをスケジュールし、この場合はアンテナのビーム幅がＴａ，Ｔｂ，Ｔｃの応答を受信できる角度範囲から外れているので捕捉できない。アンテナ方位３では引き続きＴａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してトランザクションをスケジュールし、この場合もアンテナのビーム幅が、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの応答を受信できる角度範囲から外れているので捕捉できない。以降、アンテナ方位４からn-1までは、同様に補足することができない。アンテナ方位ｎでは、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してトランザクションをスケジュールする。この場合は、アンテナのビーム幅がＴａ，Ｔｂ，Ｔｃの応答を受信できる角度範囲にあるため応答を受信（捕捉）できる。アンテナ方位ｎ＋１ではＴ４、Ｔ５、Ｔ６に対してトランザクションをスケジュールする。この場合はＴ４，Ｔ５，Ｔ６の応答を受信できる角度範囲から外れているので捕捉できない。目標Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７は既にアンテナのビーム幅がＴ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７の応答を受信できる角度範囲から外れているので応答を受信できない（コーストとなる）。

以上のように従来の方式では、予測範囲によっては応答が返る可能性の少ない目標（図４中のＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ）に対してトランザクションをスケジュールするため、目標が密集していると、ビーム内の捕捉すべき近距離の目標に対してトランザクションをスケジュールできない場合があり得る（図４中のＴ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７)。また、データリンクプロトコルを使用する場合には、質問信号および応答信号の送受信に要する時間が増えるため、更にスケジュールできない事象の確率が増すことになる。

そこで本発明は、質問を送信する方位角の範囲がアンテナビーム幅より狭い場合は、従来通り毎ロールコール期間に質問を行うものとし、質問を送信する方位角の範囲がビーム幅より広い場合は、質問を送信するロールコール期間と送信しないロールコール期間を交互に設けて、質問の送信回数の減少を図るものである。但し、干渉等の影響で受信した応答が異常な場合、またはダウンリンク要求が発生したことを示す応答を受信した場合(この時点では、既にビーム幅内に入っていることを示す）には、この時点から毎ロールコール期間に質問を送信する。

以下、本発明に係るＳＳＲモードＳの実施の形態を詳細に説明する。

図５は本発明に係るＳＳＲの概略構成を示すブロック図である。図５において、Ｔは目標に搭載される機上側装置であり、Ｇはレーダサイトに配置される地上側装置である。機上側装置Ｔは、送受信機及び信号処理器からなるトランスポンダＴ１とアンテナＴ２とを備え、地上側装置Ｇは、アンテナＧ１と送受信機及び信号処理器からなるインタロゲータＧ２とを備える。そして、機上側装置Ｔは、地上側装置Ｇから送信される質問信号に対してモードＳ応答またはＡＴＣＲＢＳ応答を返送し、地上側装置Ｇはその返送信号を受信して応答信号を解析し、機上側装置Ｔを搭載する航空機の目標レポートを作成し出力する。

図６は上記地上側装置Ｇの具体的な構成を示す処理ブロック図である。チャネル管理部Ｇ２１及び送信制御部Ｇ２２は、現在のアンテナ位置、目標の予測範囲に応じて、ロールコール期間内で可能なトランザクションのスケジュールを組み、そのスケジュールに従って質問データを作成する。この質問データは、スケジュール結果に対応して出力され、送信機Ｇ２３によって電力増幅後サーキュレータＧ２４を介してアンテナＧ１から所定の空間に向けて送出される。

一方、上記アンテナＧ１で受けた応答信号はサーキュレータＧ２４を介して受信機Ｇ２５にて受信・検波された後、モードＳ応答処理部Ｇ２６及びＡＴＣＲＢＳ応答処理部Ｇ２７に送られる。モードＳ応答処理部Ｇ２６では、チャネル管理部Ｇ２１にモードＳのオールコール、ロールコールの質問データ発生を指示しつつ、受信信号からそれぞれの応答を検出してスイープ単位の応答データを取得し、管理処理部Ｇ２８に送る。

一方、ＡＴＣＲＢＳ応答処理部Ｇ２７は、応答信号からＡＴＣＲＢＳ応答を検出してスイープ単位の応答データを取得し、監視処理部Ｇ２８に送る。

上記管理処理部Ｇ２８は、各応答処理部Ｇ２６，Ｇ２７で得られたモードＳ応答データとＡＴＣＲＢＳ応答データをスイープ単位で管理し、それぞれ相関処理によって目標情報を作成し、一定期間毎にレポートデータとして出力する。また、目標情報をトラックファイルにまとめ、質問データの作成パラメータとしてチャネル管理部Ｇ２１に通知する。

上記構成において、以下に本発明の特徴とするモードＳの質問送信方式の処理の流れについて、図７、図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照して説明する。

まず、チャネル管理部Ｇ２１において、図８（ａ），（ｂ）の処理フローに示すように、モードＳ応答処理部Ｇ２６から指示される質問タイミングと管理処理部Ｇ２８のトラックファイルに基づいて質問を送信する方位角の範囲を特定し（ステップＳ１）、ビーム幅と比較する（ステップＳ２）。このとき、質問を送信する方位角の範囲がアンテナビーム幅より狭い場合には、図８（ａ）に示すように、毎ロールコール期間にて質問を送信する（ステップＳ３）。これに対し、質問を送信する方位角の範囲がアンテナビーム幅より広い場合には、図８（ｂ）に示すように、質問を送信するロールコール期間と質問を送信しないロールコール期間とをそれぞれ設けるようにする（ステップＳ４）。ここで、上記の応答の受信を確認し（ステップＳ５）、応答の受信が確認できた後は、毎ロールコール期間について質問の送信を行うようにする（なお、受信エラーやダウンリンク要求が発生した場合も同様）（ステップＳ６）。

上記質問送信方式を採用した結果、下記に示すような効果が得られる。

図９において、アンテナ方位１では、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に対してトランザクションをスケジュールし応答受信（捕捉）を行う。アンテナ方位２では、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃに対してトランザクションをスケジュールするが、この場合にはＴａ、Ｔｂ、Ｔｃの応答を受信できる角度範囲から外れているので応答を受信することができない。アンテナ方位３では、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔ４に対してトランザクションをスケジュールする。このとき、Ｔｂ，Ｔｃの応答は受信できないが、Ｔ４は応答が受信（捕捉）できる。アンテナ方位４では、Ｔａ、Ｔｃ、Ｔ５に対してトランザクションをスケジュールする。このとき、Ｔａ，Ｔｃの応答は受信することができないが、Ｔ５は応答が受信（捕捉）できる。つまり、Ｔ４、…、Ｔ７に対して質問の送信をスケジュールすることができる。

このように質問送信方式を変更した結果、応答が返る可能性の少ない方位への質問を減少させることができるため、空いた時間を他のトランザクションのスケジュールに使用することができるようになる。図９のような場合を想定しても、目標Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ（まだビーム幅内に入らない目標）のみにトランザクションのスケジュールをし続ける事がなくなり、他の目標Ｔ３，Ｔ４等（ビーム幅内に入っている目標）に対してスケジュールを行なうことができるようになる。

したがって、上記構成による質問送信方式を採用したＳＳＲによれば、目標の次スキャンにおける予測範囲によらず、応答が返る可能性の少ない方位まで目標に対するトランザクションをスケジュールすることを簡単になくすことができ、これによって応答が返る可能性の少ない方位への質問の送信を減少させることができるので、他の目標に対する質問の送信の時間を確保することができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明が適用されるＳＳＲモードＳの概要を説明するための動作タイミング図。 従来のＳＳＲモードＳにおける質問送信方式の問題点を説明するための動作タイミング図。 現状の質問送信方式における質問を送信する方位角の範囲を制御する様子を示す概念図。 現状におけるＳＳＲモードＳにおいて、本来必要なトランザクションがスケジュールできない事象が発生する例を説明するための概念図。 本発明の実施形態に係る二次監視レーダ装置の概略構成を示すブロック図。 図５に示す地上側装置Ｇの具体的な構成を示す処理ブロック図。 本発明の特徴とするモードＳの質問送信方式の処理手順を説明するためのフローチャート。 本発明の特徴とするモードＳの質問送信方式を説明するための概念図。 図７に示す質問送信方式を採用した場合の効果例を示す概念図。

符号の説明

Ｔ…機上側装置（ターゲット）、Ｇ…地上側装置、Ｔ１…トランスポンダ、Ｔ２…アンテナ、Ｇ１…アンテナ、Ｇ２…インタロゲータ、Ｇ２１…チャネル管理部、Ｇ２２…送信制御部、Ｇ２３…送信機、Ｇ２４…サーキュレータ、Ｇ２５…受信機、Ｇ２６…モードＳ応答処理部、Ｇ２７…ＡＴＣＲＢＳ応答処理部、Ｇ２８…管理処理部。

Claims (4)

1. ビームアンテナから質問信号を繰り返し送信する送信手段と、
   前記質問信号に対する応答信号を受信する受信手段と、
   前記質問繰り返し周期をそれぞれ、ＡＴＣＲＢＳ（Air Traffic Control Rader Beacon System）及びモードＳのトランスポンダに対して質問・応答を行うオールコール期間とモードＳトランスポンダに対して個別質問・応答を行うロールコール期間の２つに分け、ロールコール期間では目標の予測レンジに応じて、質問を送信する方位角の予測角度範囲を可変する機能を備える管理処理手段とを具備し、
   前記管理処理手段は、前記アンテナのビーム幅と前記予測角度範囲とを比較し、前記ビーム幅より前記予測角度範囲が狭い場合には、毎ロールコール期間の個別質問を連続させ、前記ビーム幅より前記予測角度範囲が広い場合には、初期状態で、毎ロールコール期間の個別質問を所定間隔で間引き、受信エラーまたはダウンリンク要求によって応答の受信が確認された後は毎ロールコール期間、質問送信を行うことを特徴とする二次監視レーダ装置。
2. 前記管理処理手段は、前記質問と応答の授受を行うトランザクションのスケジュールの優先順位として、最初に予測角度範囲がアンテナのビーム幅内であること、次に遠距離であることを条件とする請求項１記載の二次監視レーダ装置。
3. 質問の繰り返し周期をそれぞれ、ＡＴＣＲＢＳ（Air Traffic Control Rader Beacon System）及びモードＳのトランスポンダに対して質問・応答を行うオールコール期間とモードＳトランスポンダに対して個別質問・応答を行うロールコール期間の２つに分け、ロールコール期間では目標の予測レンジに応じて、質問を送信する方位角の予測角度範囲を可変する機能を備える二次監視レーダ装置の質問送信方法において、
   アンテナのビーム幅と前記予測角度範囲とを比較する第１のステップと、
   前記第１のステップの比較で、前記ビーム幅より前記予測角度範囲が狭い場合には、毎ロールコール期間の個別質問を連続させる第２のステップと、
   前記第１のステップで、ビーム幅より予測角度範囲が広い場合には、初期状態で、毎ロールコール期間の個別質問の送信を所定間隔で間引き、受信エラーまたはダウンリンク要求によって応答の受信が確認された後は毎ロールコール期間において質問の送信を行う第３のステップとを具備する二次監視レーダ装置の質問送信方法。
4. 前記第３のステップでは、前記質問と応答の授受を行うトランザクションのスケジュールの優先順位として、最初に予測角度範囲がアンテナビーム幅内であること、次に遠距離であることを条件とする請求項３記載の二次監視レーダ装置の質問送信方法。

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