JP4733185B2 - 展開可能アンテナシステム - Google Patents

Description

本発明は、展開可能アンテナシステム、特に、限定するものではないが、迅速な展開に適応しているＨＦレーダフェーズドアレイアンテナシステムに関する。

「迅速に再展開可能なＨＦレーダのコンセプト（Deployment of a rapidly re-deployable HF radar concept）」（T.M.Blake、電磁気リモートセンシング（Electro-Magnetic Remote Sensing;EMRS）ディフェンステクノロジーセンタ（Defence Technology Centre;DTC）、第１回技術会議（1st Annual Technical Conference）、２００４年５月２０日〜２１日）において、独立して離間された（７ｍ間隔）受信アンテナ素子２のリニアアレイを備え、各要素が、長さ２．５ｍの垂直アクティブアンテナである、図１に示すようなＨＦ表面波レーダシステムが開示されている。各素子は、受信信号を処理するレシーバ４を含む。該素子は、デジタルデータリンクケーブル６によって、デイジーチェーン(daisy chain)構成で、ワゴン車内に設けられた制御センター８に接続されている。対応する送信アンテナアレイ９も設けられている。該システムは、現場のワゴン車内に、解体された状態で持ち込まれ、２人の技術者によって、該素子を地面に離間した位置に配置し、該素子をデータリンクケーブルで接続することにより、迅速に組み立てられる。

該素子の底部にレシーバを配置することによって、該レーダシステムが正確に機能するために、該素子を、時間、周波数及び位相において同期させなければならないという困難が生じる。さらに、これらの素子の互いに対する位置は、正確にわかっている必要があるが、該素子は、正確な配置（好ましくは、０．１ｍ以内）を可能にする計測機器を用いることなく、技術者の人手によって配置されるため、これは、さらなる問題である。

多数のアンテナ素子を備える様々なＨＦアンテナアレイが知られているが、このような素子は、通常、フレームワーク又は他の取り付け構成内にまとめて固定して取り付けられており、このことは、迅速な展開システム、特に、該素子が、長い距離離間されている場合には適切ではない。

第１の態様から、本発明は、所望の離間位置に対して相対移動可能である複数の独立したアンテナ素子を備える展開可能アンテナシステムであって、各アンテナ素子が、それぞれのＲＦ処理手段を含み、前記アンテナシステムはさらに、前記システムの他のアンテナ素子に対する各アンテナ素子の位置を判断する無線位置手段を備えるシステムに存する。

本発明は、特に、通常、独立したトランスミッタ及びレシーバフェーズドアレイアンテナを設けるＨＦ表面波レーダに適用可能である。受信アンテナの場合、該受信アンテナは、離間した複数の独立したアンテナ素子を備えてもよく、本発明による各素子は、それぞれのレシーバを含む。送信アンテナは、単一のアンテナ素子又は離間した複数のアンテナ素子を備えてもよく、また、後者の場合においては、各素子は、それぞれのトランスミッタを含む。

また、本発明は、ＶＨＦ、ＨＦ上空波、ＤＦ放送システム、電波天文システムを含む他の種類の無線及びフェーズドアレイレーダシステムにも適用することができる。

各アンテナ要素は、他の都合のよい形態をとってもよく、また、ＨＦの場合、多様な可能性のあるアンテナ構造、例えば、ワイヤ、ダイポール、円形、立方体、三角形等がある。ＨＦ表面波レーダの場合、垂直モノポールアンテナ素子を利用することが一般的である。代替の構成においては、該素子を、水平方向に配置することができる。垂直素子は、様々な種類の、例えば、同一線上、らせん巻き、二重構造を有することができる。

本発明によれば、アクティブアンテナを用いて、アンテナの全長を短くし、かつ広帯域受信（８〜２０ＭＨｚ）を可能にすることが好ましい。アクティブアンテナは、公知であり、該アンテナとレシーバとの間のインピーダンスバッファとして機能するアクティブ電気回路を用い、レシーバ入力に対するアンテナの最適マッチングを可能にする。

本発明による上記無線位置手段は、様々な形態をとることができる。無線位置判断の原理は周知であり、市販の多くのシステムがある。好ましくは、無線レシーバ又はビーコン／トランスミッタが、各アンテナ素子上に取り付けられているシステムが用いられる。無線トランスミッタ／レシーバは、これらのアンテナ素子の位置を判断するマスター制御ユニットに取り付けることができる。

しかし、特に好ましくは、及び本発明によれば、費用及び精度の問題により、各アンテナ素子に対して、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ及びＧａｌｉｌｅｏを含む、一般に、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems）として知られている衛星無線ナビゲーションシステムのレシーバを用いることが好ましい。これにより、要求される高精度の位置判断が可能となり、また、該アンテナシステムの中央局に設置される、無線位置判断のための高価な機器を必要としない。

また、衛星無線ナビゲーションシステムのこのようなレシーバは、同期目的のためにも用いることができる。具体的には、ＧＰＳは、１００ナノ秒の精度で、１秒間隔のパルスを備える、原子時計によって提供される標準タイミング信号を提供する。このタイミング信号は、各アンテナ要素の各レシーバにおいて、クロック及び局部発振器を同期させるのに用いることができる。このことは、マスタータイミングソース及びマスター周波数ソースを有する必要性を回避する。

好ましい実施形態において、前記アンテナシステムは、マスター制御ユニットをさらに備え、該マスター制御ユニット及び複数のアンテナ素子の各々には、それぞれのＲＦ処理手段の少なくとも１つのパラメータと、他のＲＦ処理手段とを同期させるそれぞれの同期手段が設けられている。

好ましくは、該アンテナ素子は、一緒に、データリンクケーブルにより、デイジーチェーン構成で該マスター制御ユニットに接続される。代替として、２地点間無線リンクを設けてもよい。

次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して説明する。

本発明の好ましい実施形態は、ＨＦレーダシステムのフェーズドアレイ受信システムのための配分（distribution)位置判断、リファレンス、同期及び較正スキームに関する。本実施形態は、該フェーズドアレイの設置を簡単にし、該アレイの迅速な展開及び自動同期及び較正を可能にする。本実施形態は、特に、フェーズドアレイアンテナが物理的に大きいＨＦレーダに適用できるが、一般的なフェーズドアレイの実施に対しても適用できる。

フェーズドアレイアンテナのデザインは、上記素子をどのように展開するか、該素子への又は該素子からの信号をどのように配分するか、該信号をどのように同期させるか、及び該アレイをどのように位置合わせ又は較正するかに関しての決定を必要とする。加えて、魅力的な提案は、レシーバ又はトランスミッタと各アンテナ素子とを一体化することであり、このことは、配分すべき多くの制御及び基準信号を要することにより、配分及び同期の問題をさらに複雑にする。これらの問題に対処するための多くの異なるスキームが存在するが、それらは全て、迅速な展開が必要な場合に、重大な問題を引き起こす。

存在する問題は、クリーンで位相コヒーレントな基準信号の配分、クリーンな時間同期信号の配分、複数の低損失ケーブルの展開、各アンテナ素子の正確な位置決め、及び該アレイの較正を含む。問題は、該アレイを、どのようにして迅速に展開し、配分、同期及び較正要件を満たすことができるかということである。好ましい実施形態は、上記の配分、同期及び較正の問題を排除するために、各レシーバ／トランスミッタを有する同期ユニットを組み入れる。

好ましい実施形態は、各アンテナ素子に組み込まれている同期、リファレンス、較正及び配分システムを実装することにより、フェーズドアレイアンテナの展開を簡単にする。この配分ユニットは、該アンテナ素子が、単純なデイジーチェーン式デジタルデータリンクによって接続できるようにし、複数のケーブルの必要性をなくし、該アレイを、展開しやすくする（代替として、２地点間無線リンクを用いてもよい）。同期、リファレンス、配分及び較正に関連する全ての動作は、該データリンクを介して実施される。このことは、著しい複雑さを加えるが、展開を大幅に単純化する。本発明は、該アレイを、慎重な物理的位置合わせの必要性を要することなく、迅速に展開できるようにする。該アンテナ素子は、不規則な間隔で展開し、かつ単純なデイジーチェーンケーブル、又は、他のデータ送信メディアで相互接続することができ、また、本発明は、該アレイを自動的に較正及び同期できるようにするであろう。好ましい実施形態は、フェーズドアレイを形成するアンテナ素子に加え、動作を管理するのに用いられるマスターユニットとを備える。

図２を参照すると、フェーズドアレイ受信アンテナの各アンテナ素子２は、レシーバ回路１０及び同期ユニット１２を含むレシーバユニット４を有する。さらに、アクティブアンテナ回路が含まれているが、図示はされていない。レシーバユニット４は、デイジーチェーン構成で、データリンクケーブル６を介してマスターユニット１４に接続されており、該マスターユニットは、便利なことには、ワゴン車内に配置することができる。マスターユニット１４は、以下に説明するように、アンテナ１６と、低電力位相基準信号をアンテナ素子２へ送信するトランスミッタ１８とを含む。さらに、同期ユニット２０及び制御ユニット２２が設けられている。

トランスミッタアンテナシステムに対する変更例においては、各素子のレシーバは、トランスミッタと置換される。さらに、該マスターユニットは、アンテナ１６を介して位相同期信号を受信するためのレシーバを含む。

図２に示す実施形態は、各アンテナ素子に該レシーバを形成することと、局部発振器及びタイミング生成をサポートすることとを備える。それに伴って、各ユニットは、タイミング信号及び局部発振器信号を生成する該ユニット自体の手段を含むが、各信号は非同期であり、必要なものは、これらの信号を同期させて、該ユニットの位置を得る手段である。

そのため、各アンテナユニットは、同期ユニット（sync unit）１２を組み込んでいる。図４を参照して説明するように、該同期ユニットは、衛星ナビゲーションレシーバ（ＧＰＳ又は他のもの）と、調整された基準発振器と、局部発振器と、タイミング生成とを含む。これらのユニットは、位置情報を提供するだけではなく、タイミング、周波数及び位相同期を実現するためのインフラストラクチャも提供する。該マスターユニットは、同期ユニットに加えて、制御ユニット及び低電力トランスミッタを組み込んでいる。

上記アンテナシステムの展開のための動作のシーケンスを図３に示す。レシーバフェーズドアレイアンテナのアンテナ素子は、参照符号３０において、ワゴン車を、該素子の目的とする位置まで運転し、該ワゴン車から各位置に素子を降ろした後、次の位置へ走行することによって展開される。そして、該素子は、所望の位置に駐車している該ワゴン車内に配置された該マスター制御ユニットとデータリンクケーブルによって接続され、制御は、参照符号３１において該マスター制御ユニットによってアサートされる。該アンテナユニットが最初に展開され、該マスターユニットが未知の場所にあるとき、該局部発振器及び各ユニット内のタイミング信号は同期されていない。該アレイを較正し、同期させるためには、位置情報、時間同期、周波数同期及び位相同期を得る必要がある。

該制御ユニットはまず、参照符号３２において、衛星ナビゲーションレシーバを用いて、該マスターユニット及びアンテナユニットの位置を得る。レーダの動作波長及び必要な精度により、相対測位及び搬送波位相方法を用いることができる。この位置情報は、アレイの位置合わせ及びビーム形成係数を決めるのに用いることができる。

次に、該アンテナユニット及びマスターユニットは、参照符号３３において、該衛星ナビゲーションレシーバによって受信された時間信号を用いることにより、時間同期される。例えば、ＧＰＳレシーバによって受信されるＵＴＣで調整された１パルス／秒を、１００ナノ秒の不確実性以下で得ることができる。この信号は、各ユニットにおけるタイミング信号の生成を同期するのに用いることができる。

参照符号３４における周波数同期は、各レシーバ又はトランスミッタが、同じ動作周波数に正確に合わせられること、及び各ユニットが他のユニットに対してドリフトしないことを確実にすることを必要とする。該衛星ナビゲーションレシーバによって受信される該信号は、高精度の原子リファレンスから得られる。ＧＰＳの場合、正確な１パルス／秒信号が生成される。この信号は、局部基準発振器から得られる等価信号と比較され、その結果が、該局部基準を同じ周波数にロックするのに用いられる。この結果、各アンテナユニットにおける該局部周波数基準を同じ衛星ナビゲーション送信にロックすることができる。

参照符号３５において、位相同期は、各アンテナユニットにおけるレシーバの局部発振器が確実に同じ位相にロックされることを必要とされ、これにより、フェーズドアレイレーダが正確に機能する。局部周波数基準は、同じ周波数にロックされることができるが、位相は、異なっている場合がある。位相同期を実現するために、上記マスターユニットは、低電力トランスミッタを用いて、各アンテナユニットによって受信されるテスト信号を発する。このことは、受信した位相を、各受信素子で測定し、それぞれの同期ユニット内で、既知の素子位置から判断された予想位相と比較できるようにする。それによって、位相補正を減じ、適用することができる。

次いで、参照符号３６において、該トランスミッタのアンテナシステムが展開される。単一のトランスミッタアンテナ素子を、共通して使用してもよいが、複数のアンテナ素子を使用するまれなケースにおいては、位相同期の場合を除いて、対応するステップ３２〜３５が実行され、各アンテナ素子は、上記マスター制御ユニットによって受信される位相基準信号を放射することになる。

次に、図４を参照すると、該図は、上記の処理手順を実行するアンテナ素子のレシーバユニット４の当該要素を詳細に示す。同期ユニット１２は、位置信号４２及びタイミング基準信号４４を提供するＧＰＳレシーバ４０を備える。これらの信号は、該マスターユニットへの送信のために、データリンクユニット６に送り込まれる。さらに、レシーバ１０に印加される、補正した時間信号４８を生成するために、タイミング信号４４がクロック信号生成回路４６に印加される。

タイミング信号４４が、周波数ロックループ又は位相ロックループ等のロッキング構成内に配置された基準周波数発振器５０に印加され、タイミング信号４４は、該発振器の出力周波数と比較されて、補正された周波数信号５２が提供される。この信号は、レシーバ１０に印加される。

さらに、レシーバの位相を同期させ、補正する手段が設けられている。マスターユニット１４のトランスミッタ１８は、各アンテナ素子によって検出される低電力送信信号を送信する。さらに、該マスターユニットは、各レシーバのＧＰＳ位置情報から、各レシーバにおける該送信信号の予想位相を計算する。この予想した位相信号６２は、各それぞれのレシーバに印加される。実際の受信位相６４は、該レシーバによる処理の後、位相比較器６６で該予想した位相と比較され、補正された位相信号６８が生成され、該位相信号は、マスターユニット１４へ送信され、該フェーズドアレイレーダの補正動作を確実にするのに用いられる。

迅速に再展開可能なＨＦ表面波レーダシステムの既知のシステムの概略図である。 本発明の好ましい実施形態の概略図である。 本発明によるＨＦレーダシステムの展開のステップを図示するフローチャートである。 各レシーバの同期ユニットを詳細に示す概略的ブロック図である。

Claims (13)

1. 所望の離間位置に対して相対移動可能な複数の独立した展開可能なアンテナ素子を備えるレーダシステムであって、
   各アンテナ素子が、それぞれのＲＦ処理手段を含み、
   前記レーダシステムはさらに、前記レーダシステムの他のアンテナ素子に対する各アンテナ素子の位置を判断する無線位置手段を備える、レーダシステム。
2. 前記レーダシステムは、展開可能ＨＦ表面波レーダであり、展開された前記アンテナ素子は、フェーズドアレイを形成する、請求項１に記載のレーダシステム。
3. 前記無線位置手段は、衛星無線ナビゲーションシステムのレシーバを備える、請求項１又は２に記載のレーダシステム。
4. 前記衛星無線ナビゲーションシステムの前記レシーバは、各アンテナ素子の前記ＲＦ処理手段のタイミング及び／又は周波数を同期させるタイミング信号を生成するように構成される、請求項３に記載のレーダシステム。
5. マスター制御ユニットをさらに備え、該マスター制御ユニット及び前記複数のアンテナ素子の各々は、それぞれのＲＦ処理手段の少なくとも１つのパラメータを、他のＲＦ処理手段と同期させるそれぞれの同期手段を備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーダシステム。
6. 前記アンテナ素子は、データリンクによって、前記マスター制御ユニットと相互接続されている、請求項５に記載のレーダシステム。
7. 前記同期手段は、前記マスター制御ユニットと前記ＲＦ処理手段とにおける局部基準周波数を同期することが実施可能である、請求項５又は請求項６に記載のレーダシステム。
8. 前記無線位置手段は、前記複数のアンテナ素子に関係のある前記マスター制御ユニットの位置を判断することも実施可能であり、前記同期手段は、前記レーダシステムを位相補正する位相補正手段を備える、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載のレーダシステム。
9. 前記位相補正手段は、位相基準信号を送信することが実施可能であり、前記位相基準信号を受信することが実施可能であり、前記無線位置手段によって判断された前記レーダシステムの他のアンテナ素子に対する各アンテナ素子の位置を用いて、各アンテナ素子に対するそれぞれの位相補正信号を生成する、請求項８に記載のレーダシステム。
10. 各アンテナ素子は、それぞれのアンテナ素子の位置の決定に使用するための前記無線位置手段の前記レシーバを含む、請求項３に記載のレーダシステム。
11. 前記位相補正手段は、前記マスター制御ユニットでトランスミッタを、前記各アンテナ素子でレシーバを備え、前記位相補正手段は、前記各アンテナ素子によって検出可能である位相基準信号を送信するように構成され、前記各アンテナ素子において受信された前記位相基準信号と、前記マスター制御ユニットと前記アンテナ素子との相対位置から判断されたそれぞれの予想位相値とを比較する手段を含む、請求項８又は９に記載のレーダシステム。
12. 前記各位相補正信号は、前記マスター制御ユニットで印加される、請求項９に記載のレーダシステム。
13. 各アンテナ素子は、無線信号を送信するためのそれぞれのトランスミッタを含み、前記位相補正手段は、前記各トランスミッタから位相基準信号を放射し、前記マスター制御ユニット内のレシーバによって前記位相基準信号を受信し、前記レシーバによって受信された各位相基準信号の位相と、前記マスター制御ユニットと前記アンテナ素子との前記位置の知識から判断された前記位相の予想値とを比較し、前記各トランスミッタのための位相補正信号を生成することが実施可能である、請求項８、９、１１、又は１２に記載のレーダシステム。

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