JP6797318B2

JP6797318B2 - 干渉計の到着時間遅延

Info

Publication number: JP6797318B2
Application number: JP2019556974A
Authority: JP
Inventors: エス．ロビンソン，イアン; エー．フランダース，ブラッドリー; キルフォイル，ダニエル
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: EP3612852B1; AU2017410813B2; AU2017410813A1; CA3059409C; WO2018194716A1; IL269548A; US20180306887A1; EP3612852A1; JP2020517932A; US10422847B2; CA3059409A1

Description

本出願は、方向探知（direction finding）の方法およびシステムに関し、１／２波長よりも離間した２つのアンテナ素子を通じて受信されたラジオ周波数（radio frequency、RF）信号の位相および時間差の測定を利用している。そして、より特定的には、時間および位相差の測定を組み合わせることに関し、幅広く離間されたアンテナで受信された信号の位相差に係る周期的性質によって引き起こされる幾何学的な到着角（angle of arrival、AoA）曖昧性（ambiguities）を除去する。

電子サポート(Electronic Support、ES)およびレーダ警告受信器(Radar Warning Receiver、RWR)システムは、周波数アジャイルエミッタ（frequency agile emitter）を含む、RFエミッタの到着角を、できる限り迅速に、(例えば、前出のエミッタから受信した少数のパルスを使用して)正確に見つける必要性が増加している。正確な方向探知は、また、ジャミング（jamming）の支援および他の戦略的なアプリケーションにおいても重要である。多くの波長間隔で配置されたアンテナ対（pairs of antennas）について、位相干渉法（phase interferometry）は、１度より小さな誤差で高精度なAoA測定が可能であるが、幾何学的角度に関連する位相差の周期的性質によって引き起こされる、複数の曖昧な到着角が計算されてしまう。１／２波長より小さく離間されたアンテナは、AoA測定の精度がより低い。多くのESおよびRWRシステムは、広域スペクトル(例えば、２−１８ＧＨｚ)をカバーするように単一のアンテナおよび受信器を使用している、最大波長の１／２のアンテナ間隔は、最小波長の多くの倍数（multiples of）を表すことができる。さらに、多くのプラットフォームは、既に、(プラットフォームについて全ての方位角（azimuth）をカバーするように)多くの波長間隔で配置されたアンテナを備えている。従って、単一のベースライン(２素子（two-element）)干渉計（interferometer）を使用して、曖昧でない（unambiguous）高精度なAoA測定と広い周波数カバレッジを達成することは不可能である。

到着時間差(Time Difference of Arrival、TDOA)方向探知は、曖昧性なしに１８０度のスパンにわたりAoAを計算するために使用され得る。２つのアンテナ間の時間遅延は、０から９０度まで(逆に、−９０度から０度まで)に変化する幾何学的角度に関して単調（monotonic）であるが、TDOAは、比較的に低いAoA精度を提供する。振幅比較（amplitude comparison）方向探知は、一般的に、粗いAoA精度を同様に提供する。改善されたAoA精度は、到着周波数差（Frequency Difference of Arrival、FDOA)技術を使用して達成可能である。しかしながら、FDOAは、長い期間（例えば、プラットフォームの速度および所望のAoA精度に応じて、数百ミリ秒、数秒、または多数秒)について安定したエミッタ信号周波数を要求する。従って、同時にジオロケート（geolocated）され得る脅威の数を制限し、そして、適用可能性（applicability）を一定周波数を用いる脅威に制限している。比較すると、干渉計は、単一パルス時間(例えば、マイクロ秒からミリ秒)において精密なAoAを提供することができる。

1998年3月3日に発行された米国特許第5,724,047号、Lioioは、単一パルスおよびTDOAと位相干渉法(PI)を利用した精密方向探知システムを教示している。ここにおいて開示される方法は、低周波数(大きな波長)に向けられたものであり、そして、正しいPI AoA解（solution）が(単一の、粗い)TDOA AoAに最も近いものであるという仮定において動作する。しかしながら、受信した波長の１．５倍より大きいアンテナ間隔については、３つ又はそれ以上の曖昧性が存在し、その技術によって提供されるAoA解は、正確ではなく不正確である可能性が高い。さらに、その技術は、複数のパルスの使用を取り扱うものではなく、または、周波数アジャイルエミッタを考慮しない。

従って、上述の欠点が無い正確な方向探知のシステムおよび方法は有益である。例えば、広範囲の周波数にわたり、周波数アジャイルエミッタを含む、エミッタから受信したパルスについてAoA解を迅速に見つけることができる正確な方向探知が望まれている。生成された任意の曖昧なAoA解に関連する可能性ある誤差を削減（reduce）し、かつ、識別することも、また、望ましい。さらに、そうした改善された方向探知能力を、多くのタイプの航空機において既に存在するアンテナシステムに対して提供することが望ましいだろう。

信号が入射するシステムアンテナアレイに対する１つまたはそれ以上のRF信号(例えば、信号パルス)の到着角（AoA）の精密な推定値を決定するための精密方向探知システムおよび方法が説明される。一つの実施形態において、アンテナ素子の対（pair）(例えば、多くの航空機に配備されているアンテナ)が、改善され、曖昧でない(または、既定の曖昧性誤差の)非常に正確なAoA測定のために使用されている。

一つの実施形態においては、周波数アジャイル（frequency agile）及び／又は非アジャイル（non-agile）エミッタといった、エミッタからアンテナ対において受信された信号の１つまたはそれ以上の成分の正確なAoAを決定するための方法が提供される。信号プロセッサは、広く離間された（すなわち、入射信号成分の２／λより大きい）第１アンテナ素子および第２アンテナ素子の対応する対（pair）において検出された入射信号の第１成分および第２成分を受信する。これら最初（first）の第１信号成分および第２信号成分は、エミッタからの同一の信号放射イベントの結果として生じるが、アンテナアレイ素子の物理的な間隔のせいで、異なる位相を伴い、かつ、異なる時間において受信される。信号(および成分)の１つまたはそれ以上の特徴が、次いで、決定され得る。任意的に、信号の周波数、第１信号成分および第２信号成分の対応する位相間での位相差Δφ、および、信号成分間の到着時間差(TDOA)を含んでおり、TDOAは、既知の測定の不確実性または誤差範囲(推定値)を有している。これらの信号成分の特徴は、各アンテナ素子からプロセッサへ供給され得る。プロセッサは、AoAを獲得するためにTDOAを使用してTDOA角度計算を実行する。ここで、計算は、既知のTDOA AoA測定誤差範囲(AoAは計測器の標準偏差内では正しい)によって有界（bounded）である単一のAoA推定値を提供する。AoAの誤差範囲の幅は、アンテナ素子の間隔、および到達時間の測定の不確実性または誤差範囲に依存するAoA推定値誤差の計算によって決定される一連の角度である。プロセッサは、次いで、決定された第１信号成分および第２信号成分の位相差および周波数に基づいて位相干渉法（phase interferometry、PI）を使用して、AoA推定値(または「曖昧性」)セットを計算することができる。TDOA AoA可能性の範囲外のものは無視され得る。信号プロセッサは、次いで、１つまたはそれ以上の追加信号について、同様なステップを繰り返し実行することによって、「実際の（”actual”）」または正確なAoA解を決定することができる。ステップは、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子で同一の周波数における後続の信号成分を受信すること（例えば、後続の入射エミッタ信号、パルス、等から）、受信した信号成分の特徴を決定すること、以前および新たなTDOA測定値を平均すること、次いで、平均化されたTDOA測定値を使用してより小さな誤差範囲境界を有するTDOA AoA可能性の範囲を再計算すること、そして、任意的に、信号成分の位相差を平均化し、かつ、エミッタに関連する１つまたはそれ以上の追加信号についてPI AoAを再計算することを含む。複数のTDOA測定からAoA誤差範囲境界が縮小（shrink）するにつれて、PIから唯一のAoAだけがAoA不確実性範囲内に残るまで、対応して位相干渉法から可能な解の数が削減される。追加信号は、１０から１０００マイクロ秒までについて、収集され得る。プロセッサは、次いで、信号およびエミッタについて正確なAoAを表す十分に高い確率を有している、離散（discrete）PI AoA不明瞭性セットから１つまたはそれ以上のAoA曖昧性を選択し得る。

唯一のPI AoA推定値がTDOA AoA可能性の範囲内にある場合、そのPI AoA推定値が正確なAoA解として信号プロセッサによってリターンされ得る。プロセッサは、代替的に、正確なAoA解として、TDOA AoA可能性の範囲内に残るPI AoA推定値セット(ここにおいては、TDOA「誤差境界（”error boundary”）」としても参照されるもの)を報告し得る。プロセッサは、また、PI AoA推定値がRF信号およびエミッタについて実際のAoAである確率重み（probability weight）を、報告された各PI AoA推定値を用いて計算し、そして、報告し得る。

別の実施形態において、信号プロセッサは、エミッタに関連する１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が第１信号の周波数と異なるか否かを判断することができる。１つまたはそれ以上の後続の信号の周波数が第１信号の周波数と異なる場合には、最初に、TDOA不確実性範囲内で第１信号について計算されたいくつかのAoA、および、後続の信号から結果として生じる第２の異なるAoAセットが存在する。これらのAoAのうち１つ、そして稀な場合には１つより多いもの、は共通（common）であろうが、一方で、他のAoAは共通ではない。真のAoA解は、共通なものである。正しいAoA（correct AoA）をさらに検証するために、エミッタからの信号の追加的なインスタンスが収集され得る。この単一のAoA推定値は、次いで、(周波数アジャイル)エミッタのための正確なAoA解として信号プロセッサによって報告され得る。周波数の変化後に１つより多いPI AoA曖昧性が共通である場合には、測定されたパルス全体（ensemble）に共通する唯一のAoAとなるまで、全ての共通な角度が報告されて、新たな周波数における追加のパルスが受信され、そして、それらのAoAが以前の結果と比較される。しかしながら、１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が、第１受信信号の周波数と比較して一定のままである場合に、信号プロセッサは、残りのPI AoA推定値それぞれが信号およびRFエミッタに対する正しいAoA解である(例えば、既定の確率閾値と比較して、等)確率を有するポイントへ、離散的なPI AoA曖昧性セットが削減されるまで、TDOA AoA可能性の範囲を削減するため(以下に、説明および示されるように)、第１信号を用いて、追加のN個の信号について追加の反復の最中に計算されたTDOA測定値を平均し、そして、狭められた誤差境界内に(すなわち、再計算されたTDOAの推定値を境界とするより狭い誤差)もはや入らない任意の離散的なPI AoA曖昧性の関連を絶つ。信号プロセッサは、次いで、削減されたPI AoA曖昧性セットの内容を、正確なAoA解として報告し得る

別の実施形態においては、TDOAを平均する以前に、信号プロセッサは、各範囲境界におけるTDOA AoA可能性の初期の範囲を、誤差境界内で最も近い離散的なPI AoA曖昧性まで狭くし得る。

さらに別の実施形態において、追加の受信信号の周波数が第１信号の周波数と異ならない場合に、信号プロセッサは、既定の確率閾値を有するAoA解(またはAoA推定値セット)を達成するために十分な数の追加信号がいつ収集されたかを決定するために、TDOA測定誤差および離散PI AoA曖昧性(モジュロ２π)の角度間隔（angular spacing）をモニタリングし得る。信号がパルス信号を含む場合には、第１パルス信号と、１つまたはそれ以上の追加のパルス信号との間で、パルス繰り返し間隔（interval）が計算され、そして、TDOA AoA可能性の範囲(すなわち、誤差境界の幅)に関連する誤差と共に報告され得る。

別の実施形態において、信号プロセッサは、TDOA AoA可能性の範囲を、最初に計算し、そして、次に（非アジャイルエミッタについて）反復的に狭くするために、TDOAに加えて振幅比較（amplitude comparison）方向探知技術を利用し得る。この実施において、第１アンテナ素子および第２アンテナ素子は、既知のゲインパターンを有し、別個の方向を指す（point）ように構成された、指向性アンテナを含み得る。信号プロセッサは、受信信号成分の各セットを使用した振幅比較計算に基づいて、TDOA AoA可能性の範囲を調整し得る。

別の実施形態においては、正確な方向探知システムが提供される。システムは、任意の２つの離間して置かれたアンテナアレイ素子、および、１つまたはそれ以上のRF信号について非常に正確なAoA推定値を決定するための１つまたはそれ以上の信号プロセッサを含んでいる。本システムは、上述の方法のいずれかを実施し得る。信号プロセッサは、AoAの曖昧性PI推定値セットのPI決定を実行するための位相差および周波数値に応答する角度計算手段を含み得る。角度計算手段は、さらに、AoAの粗い推定値を提供するためにTDOA角度計算を実行し、そして、上述の技術によりAoAの正確な推定値を選択し得る。

そうしたシステムは、電子サポート（Electronic Support、ES）及び／又はレーダ警告受信器（Radar Warning Receiver、RWR）の一体的なコンポーネントを含むか、または、AoA情報を提供し得る(例えば、パルスディスクリプタワード（pulse descriptor words）及び／又はエミッタディスクリプタワードの形態におけるもの)。図１に示されるように、方向探知システムは、例えば、航空機の主翼12、ノーズ14、及び／又は、尾翼16で、広く間隔が空いたステーション（station）において構成された既存のアンテナ素子10a−10dを使用する従来（legacy）のESまたはRWRをアップグレードするための、ソフトウェアまたはファームウェアのレトロフィット（retrofit）を含んでよい。これらの位置によって、最も簡素な物理的設置が可能であり、プラットフォームの周囲に最良の妨げのない視野を提供することができる。

本システムおよび本方法のこれら及び他の特徴と利点が、この開示から明らかであろう。要約、図面、および詳細な説明は、ここにおいて説明された本発明の概念の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。

添付の図面に係る説明において、同様なコンポーネントは、それらが異なる実施例において示されているか否かにかかわらず、同一の参照記号が付けられてよい。様々なエレメントの図示は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、実施例の原理を説明することに重点が置かれている。様々な図が提供されている。
図1は、エミッタRF信号を受信するための複数のアンテナ素子を用いて構成された一つの例示的な航空機の図である。図2は、一つの実施形態に従った、改善された到着角方向探知のための一つの例示的なシステムに係る機能ブロック図である。図3は、一つの例示的なアンテナ対に入射する信号波面（wavefront）の図である。図4は、一つの実施形態に従った、改善された到着角の方向探知のための一つの例示的な方法に係るフローチャートである。図5Aは、初期パルス及びいくつかのパルスを平均化した後について決定されたTDOAおよびPIに対する例示的なAoA不確実性範囲のグラフである。図5Bは、初期パルス及びいくつかのパルスを平均化した後について決定されたTDOAおよびPIに対する例示的なAoA不確実性範囲のグラフである。図6は、第１エミッタ周波数についてPI AoA推定値、および、エミッタが周波数を変更した後で変化した推定値を(１つに共通して)例示的に示すグラフである。図7は、増加したシグナル収集および分析の関数として、改善されたAoA誤差範囲を例示的に示すグラフである。図8は、複数セットのエミッタデータを表示する例示的なグラフィカルユーザインターフェイスである。

以下の説明において、数多くの特定的な詳細が明らかにされる。他のインスタンスにおいて、当業者に周知の詳細は、開示される実施形態を不明瞭にしないように提示されないことがある。本開示の観点から、当業者にとっては、実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、変更、置換、及び／又は変形が成され得ることが明らかであろう。以下の例示的な実施形態において説明されるRF信号は、パルス信号（pulsed signal）として参照され得るものである。しかしながら、これは、本開示の範囲をそうした信号に限定するように意図されていない。ここにおいて使用されるように、信号という用語は、エミッタから発生するパルス状または連続的に送信される波形を参照し得るものである。エミッタがパルス信号を発する場合には、パルスの一部または全てが受信され、そして、処理され得る。連続波（continuous wave）信号の場合に、信号は、最初および後続の間隔について受信され得る。

開示される実施形態に従って、位相干渉法(PI)および到着時間差(TDOA)技術が組み合わされて、正確な到着角(AoA)解を求める。PI技術は、複数の潜在的に正しいAoA解を生成し得る(例えば、数百までのモジュロ２π曖昧性（modulo 2pai ambiguities）、または推定（estimates）、これらの用語はここにおいて互換的に使用されている)。PIおよびTDOA技術の複数のインスタンスの組み合わせにより、離間されたアンテナ素子の単一対(すなわち、受信されるRF信号の波長の少なくともλ／２および１０００ｓまでの間隔を有しているもの)を用いた受信器について、２オクターブを超える周波数にわたる曖昧でない精密な角度測定がなされ、そして、周波数アジャイルエミッタ(FAE)を含む、多数のエミッタについて、適切な処理がなされることを可能にする。同一のFAEに関する連続信号間において周波数変化が検出される場合には、可能なAOA解の数に対するPI推定値(または「曖昧性（”ambiguities”）」)は、比較技術（comparative techniques）を介して、おそらく単数の（singular）正確なAoA解にまで、即座に削減され得る。エミッタに関連する信号受信の連続したパルス間または周期間で周波数が一定のままである場合には、複数のパルスまたは周期にわたり平均化されたTDOAの結果が、TDOA AoA可能性の範囲を削減するために使用することができ、その中に正しいPI AoA推定値が入ることを要する。それによって、PI AoA曖昧性の数を許容可能な(例えば、単数または小さなセット（set）の)正確なAoA解にまで削減している。

図2は、一つの例示的な方向探知システム200の一般化された機能ブロック図であり、アンテナ対220と、受信器230と、アンテナ対220のアンテナ素子215a、215bに入射するパルス信号210の正確なAoA推定値205を提供するための１つまたはそれ以上の信号プロセッサ240とを含んでいる。信号プロセッサ240は、PI計算器245と、TDOA計算器250と、AoA曖昧性リソルバ（resolver）255とを含み得る。アンテナ素子215a、215bは、距離ｓだけ分離されており、典型的な既存の航空機については、数メートルであり得る。図3は、ソースエミッタから発せられ、そして、アンテナ素子215a、215bで受信される入射RF信号の波面300における幾何学的関係を第１信号成分305aおよび第２信号成分305bとして示している。信号成分305a、305b間の経路差は、ｄ＝ｓ×ｓｉｎθとして表現され得る。ここで、θは、示されるように、第１アンテナ215aから第２信号成分305bの信号経路に対して垂直に引かれた線によって形成される角度である。信号成分305a、305b間の到着時間差（TDOA）は、Δｔ＝（ｓ×ｓｉｎθ）／ｃとして表現され得る。ここで、ｃは、光の速度である。到達の位相差は、Δφ＝（２π×ｓ×ｓｉｎθ）／λとして与えられ得る。しかしながら、測定される位相差は０と２πの間、Δφ＝ｍｏｄ（（２π×ｓ×ｓｉｎθ）／λ、２π）である。TDOAおよびPI AoA測定は、それぞれ不確実性（uncertainty）を含むことが理解される。TDOA誤差に関して、不確実性は、測定装置に関連する時間測定誤差推定値に比例し、そして、経験的に導出されるか、または、装置の設計の分析から結果として生じ得る。TDOA AoA解の範囲は、単一解（single solution）プラスまたはマイナス関連誤差(ガウス（Gaussian）形状を有し得る)を含む。例えば、TDOA誤差は、ベースライン距離ｓに比例し、そして、パルス信号周波数とは概ね無関係であり、そして、δ_ｓｉｎθ＝ｃ／ｓ×δ_ｔとして表現され得る。PI AoA解は、また、位相測定誤差による不確実性も含んでおり、δ_ｓｉｎθ＝λ／ｓ×（δ_φ／２π）によって表現され得る。しかしながら、PI解の最大の不確実性は、モジュロ（２π）位相測定誤差によるものであり、これはΔ_ｓｉｎθ＝λ／ｓによって表現され得る。つまり、PI方向探知技術からの結果として可能性ある正しいAoA解の数は、信号搬送波周波数（signal carrier frequency）と共に増加し(または、信号波長と反対に進み)、そして、より広いアンテナベースライン間隔と共に増加する。sがλ_{ｐｕｌｓｅ}／２より広い場合に、PI AoA推定値のセットは、−９０°から９０°までの半球全体にわたり(または、−１から１までのｓｉｎθ)、概ね２ｓ／λの曖昧な結果(「曖昧性（”ambiguities”）」)有する。他の技術によって角度を±Δθ度に制限することができる場合に、曖昧性の数は２ｓ／λ×（Δθ／９０）まで削減され得る。

図4は、一つの実施形態に従った、高精度AoA解205(例えば、単数または小さな値のセット)を計算する方法400を説明するフローチャートである。ステップ405においては、信号成分305a、305bが、２つのアンテナ素子215a、215bで受信される。アンテナ素子215a、215bは、２つのチャネル受信器230(図2に示されるように、別々の受信器が使用され得る)に入り、信号をダウンコンバートし(ステップ410)、フィルタし、そして、アナログ−デジタル変換器を用いて信号をデジタル化することができる。検出された信号は、それぞれの信号成分305a、305bの信号特徴416を獲得するために処理され得る(ステップ415)。信号特徴は、位相φ、周波数(各入射パルス信号対について同一であることが期待されている)、到着時間(TOA)、および、任意にピーク振幅A値を含んでいる。TOAが利用される場合には、全てのTOAが、２つの信号成分チャネルについて共通の時間基準において報告される必要がある。TDOA計算器250(図2に示されるもの)は、それぞれのアンテナからのサンプルの相互相関（cross-correlating）または相互曖昧性関数（cross ambiguity function）の計算によってTDOAを獲得することができる。ステップ420において、TDOA計算器250およびPI計算器245は、それぞれの周波数およびTOAの比較を通じて、２つの信号成分を同じエミッタから生じる結果に対して関連付け、そして、追加信号特徴を計算することができる。信号特徴は、TDOA（Δｔ）430、TDOA誤差435(図4における”Ｔ_ｅｒｒ”)、位相差(Δφ)440、および、関連付けられた信号成分305a、305bの周波数を含んでいる。TDOAは、単純なパルス信号のための前縁（leading edge）包絡線検出（envelope detection）、および、位相と周波数変調信号に対する事前検出相関（pre-detection correlation）を用いて測定され得る。

PI測定のAoA不確実性は、TDOA誤差範囲よりも、通常は、はるかに狭く、そして、ほぼ離散的な結果（near-discrete results）のセットとして現れる。図5Aおよび5Bにグラフで示されるように、TDOA計算器250およびPI計算器245は、計算されたΔφおよび周波数情報を使用して、PI AoA推定値セット500c−500eを生成することができる。それは、細かい櫛状（comb-like）パターンを形成し、そして、TDOA AoA可能性505の範囲(ここにおいては、また、TDOA AoA誤差境界としても互換可能に参照される)内に入り得るものである。各受信信号について計算される、この解セット(例えば、確率分布関数を含んでいるもの)は、受信されたRF信号を適切なエミッタに関連付ける機能を強化する。PI AoA曖昧性500a、500b、500f、および500gは、TDOA AoA誤差境界505内に入らず、そして、従って、おそらくは正しい高精度AoA解のセットから解離されているだろう。TDOA AoA誤差境界505は、TDOA方向探知オペレーションによって獲得される可能なAoA解の範囲を含む、粗く、かつ、連続した角度の推定値を表している。図4を再び参照すると、TDOA誤差435は、所与のAoAについて計算されたTDOA 430における(測定装置関連の)誤差を含み、そして、TDOA AoA誤差境界505の幅を決定する。ステップ420は、TDOA 430、および、TDOA誤差境界505内に含まれるPI AoA曖昧性500c−500eの全てのセット（例えば、グラフィカルに、櫛状の組み合わせ）を出力する。

ステップ445において、TDOA AoA誤差境界505およびPI AoA曖昧性の有界セット（bounded set）(実施例における500c−500e)は、TDOA誤差境界505内でいくつの曖昧性が期待されるかを評価する、AoA曖昧性バウンダ（bounder）とマルチパルス結合器とリゾルバ255(これ以降は、リゾルバ255)に対して供給され得る。TDOA誤差境界内に１つの可能なPI AoA結果だけが存在する場合には、一意の（unique）結果が報告され、または、PIおよびTDOAからの集団のAoA推定値の誤差境界を削減するために追加のパルス／時間セグメントが分析され得る。

複数のPI AoA曖昧性がTDOA誤差境界505内に入る場合、同一の周波数およびユーザが選択した許容範囲内の位相差角（phase difference angle）を有する(または、同一の周波数および共通のエミッタから結果として生じると仮定されるAoAを有する)後続のデータが、リゾルバ255によって分析される。同一の周波数において後続の信号が受信されない場合には、他の周波数において信号の分析が開始される。同一のエミッタからであるが周波数が異なる後続の信号は、なおも、同一の真の（true）AoAを有している。分析は、計算されたAoAsを使用して、または、単一オクターブ内の周波数について、位相差を信号搬送周波数で割算することによって実行され得る。後者の場合に、周波数が変化した信号は、共通の比率（ratio）を有する。同様に、正確なAoA解205は、最初の信号および追加／後続の信号から計算された有界PI AoA曖昧性500の比較によって、または、連続した信号について平均化したTDOA結果を通じてTDOA誤差境界505を狭くすこと、そして、従って、必然的に、PI AoA曖昧性の解セットも狭くすることによって、のいずれかで決定され得る。

典型的なエミッタからのパルス繰返し周波数(pulse repetition frequency、PRF)は、１０^３−１０^５パルス/秒のオーダーである。開示された方法の実施形態は、１個から数百個までのパルスを収集することができ、そうして、収集時間は、１０秒から１００秒のオーダーであってよい。

より低い搬送周波数における信号は、より少ないパルスを必要とし得るので、１００から１０００マイクロ秒のオーダーの収集時間をもたらしている。TDOA誤差435およびPI AoA曖昧性(角度)間隔510をモニタリングすることによって、正しいエミッタAoA解を選択する確率を増加させ得る。

受信されたRF信号のパルス間（pulse-to-pulse）周波数が変化したと判断された場合には、すなわち、エミッタはFAEを含んでいるので、所与のAoAに対する位相差Δφも、また、変化したであろう。第２周波数におけるAoA解は、このエミッタから検出された以前の放射と共通した１つの解を有するが、曖昧性の間隔(S/ラムダ)は、より早くに検出された信号とは異なっている。これにより、リゾルバ255は、有益にも、正確なAoA解205を迅速に計算することができる。図6を追加的に参照すると、ステップ450においては、最初に受信されたパルス信号に関連するPI AoA曖昧性セット500c−500e(実線)が、追加のパルス信号に関連するPI AoA曖昧性600a−600g(点線)と比較され得る。両方のPI AoA解セットに共通(かつ、TDOA AoA誤差境界内)のPI AoA曖昧性は、この実施例ではPI AoA推定値500dおよび600dであるが、次いで、FAEのための正しいAoA解205として、直ちに選択され得る。本比較は、PI AoA曖昧性を表している細かい櫛状の歯にベストマッチする重み付け（weighting）を含み得る。従って、エミッタ周波数の変化が、単一の追加信号パルスを用いて、どのように正確なAoA 205を即座に決定することを可能にし得るかが正しく理解され得る。ほとんど全てのインスタンスにおいて、PI AoAの推定値は、測定可能に異なっている(例えば、500c−600c)。しかしながら、PI AoA推定値500dおよび600dは、エミッタが同一であり（または、無視できる程度にオフセットし）得るので、正しいAoA解205である可能性が最も高く、そして、エミッタの異なる放射周波数（emission frequency）においてAoAに対する共通の解を表している。この正確なAoA解205は、０．１°よりも良好な誤差を示し得るが、次いで、計算されたパルス繰返し間隔を用いて、リゾルバ255によって出力され得る。周波数変化がオクターブより大きい場合、または、信号位相の測定における誤差が非常に大きい場合は、周波数における最初の変化の後で、２つまたはそれ以上のAoAが共通である事案（case）であり得る。もしそうであれば、さらに別の周波数における後続のパルスのAoAは、ほとんど常に、パルス全体（ensemble）に対して唯一の共通AoAを結果として生じるだろう。唯一のが受信パルスセットと共通である場合には、AoAは、正しく、そして、報告される。

図4を再び参照すると、周波数が、最初に受信されたRFパルス信号と、１つまたはそれ以上の後続の追加の入射パルス信号との間の周波数において一定のままである場合に、信号間の位相差Δφは、非常に短い時間スケール (例えば、数百または数千パルス)にわたり変化しない。上述のように、非常に低い信号周波数においては、唯一のPI AoA推定値がTDOA誤差境界505内に入る場合があり得る。そうしたインスタンスにおいて、そのPI AOAは、正しいAoA解205として(ステップ445において)リターンされたものである。しかしながら、複数のPI AoAの曖昧性(図5Aの500c−500e)は、初期TDOAの可能性の範囲(誤差境界505)内に入る可能性がより高い。そうして、ステップ455において、リゾルバ255は、最初に受信されたRFパルス信号および必要に応じて追加パルスを使用して、反復的に、TDOAの平均を計算し、そして、TDOA誤差境界515を狭めるために、TDOA誤差435を更新し得る。このプロセスの結果は、図5Bにグラフで示されている。ここでは、追加パルス信号のTDOA情報の平均化が、(図5Aに示された最初の誤差境界505と比較して)より狭くするように更新されたTDOA誤差境界515を生じている。これにより、プロセッサは、PI AoA曖昧性500cおよび500eを、エミッタに対する正しい正確なAoA 205を潜在的に表しているPI AoA曖昧性セットから解離することができる。図7は、収集され、かつ、分析された追加パルス信号の信号周波数の関数として、例示的なTDOAおよびPI誤差における影響を示している。ここで、Ｎ個の追加パルスは、√Ｎサンプルに比例して、TDOA誤差を削減する(すなわち、ガウス分布を有する相互に独立した任意の測定値は、誤差標準偏差をこの比率で削減するように、平均化され得る)。

追加の(例えば、１０から１００ミリ秒にわたり収集された)パルス信号についてTDOAデータを平均することによって(図5Bに示されるように)TDOA誤差境界515を狭くすることは、好ましくは唯一のPI AoA推定値、例えば曖昧性500d、が残存するまで、もしくは、少数の残りのPI AoA解が、既定の確率閾値を満たすか、または超える正確なAoA解を含む確率を有するまで、反復的に進行し得る(複数のAoA曖昧性が残っていれば、非常に少ない)。表1は、現在の戦闘機における典型的なアンテナ間隔について曖昧でないAoA解を獲得することを可能にし得るパルス搬送周波数の関数として、パルス数Ｎの例示的な推定値を提供している。

予想され得るように、より高い周波数のRF信号は、より多くの数の曖昧性を生成する。しかしながら、そうしたより高い周波数の信号のエミッタは、また、より高いパルス繰返し率を有する傾向もあり、収集および分析のための短い間隔において、より多くの数の追加の利用可能なパルス信号を提供している。

任意的に、追加パルスから結果として生じるTDOAを平均化する以前に、TDOA AoA誤差境界505)は、各境界530、535において、それぞれの境界に最も近く、かつ、誤差境界505内における、それぞれのPI AoA曖昧性500c、500eへと狭めることができる。

図4を再び参照すると、ステップ460において、単一の曖昧でないPI AoA解、または、TDOAに基づくAoA解に最も近い削減されたPI AoA解セット500のセットが一旦獲得されると、プロセッサ240のリゾルバ255は、(複数のエミッタのAoAが決定された場合に)PRIを計算し、そして、エミッタに対して報告し得る。

上述のシステムは、AoAの精度を改善し、既存の広く離間されたアンテナシステムを使用して、特には、より高い周波数のアジャイル（agile）脅威に対する迅速な応答時間を可能にしている。

例示的な構成（Exemplary Architecture）

信号プロセッサ240は、１つまたはそれ以上のコンピュータ上で実行されるコンピュータ実行可能なインストラクションまたはコードを有する１つまたはそれ以上のコンピュータプログラムとして、または、それらの任意の組み合わせとして、全体的または部分的に、ハードウェア、ファームウェアにおいて、均等に実装され得ることが明らかであろう。１人またはそれ以上のユーザは、任意の適切なディスプレイ(例えば、テレビ、コンピュータモニタ、ラップトップ、タブレットコンピューティングデバイス、スマートフォン、携帯情報端末(PDA)、及び／又は、他のディスプレイおよびコンピューティングデバイス、等)を使用して、システム200とインターフェイスすることができる。いくつかの実施例において、システム200とシステムのユーザは、航空機において同じ場所にあってよい。もちろん、ユーザは、また、システム240から離れて配置されてもよい。例示的なユーザインターフェイス800が、図8に示されている。ユーザインターフェイス800は、ディスプレイのための情報を提供することができる。複数のエミッタデータ805、810、およびAoAプロット815、820のリアルタイム表示といったものである。

所定の実施形態において、アンテナ素子215a、215bは、異なる方向を指すように構成された既知のゲインパターンを有する指向性アンテナを含んでよい。振幅比較（amplitude comparison）方向探知技術が、TDOAおよびPI方向探知技術に加えて、TDOA誤差境界パルス信号をさらに調整するために使用され得る。振幅比較技術は、TDOA技術と同様なAoA結果および誤差範囲を生成する。振幅技術は、従って、TDOAの代わりに使用され得るものであり、または、振幅およびTDOA推定値が、各パルスおよびTDOA結果の代わりに使用されるそれらの平均AoAについて計算され得る。

上記の開示は、種々の有用な実施例であると現在考えられるものを説明しているが、当業者であれば、本発明が、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定な形態において実施され得ることを理解するだろう。上述の実施形態は、従って、ここにおいて説明された本発明を限定するものではなく、むしろ、あらゆる点で例示的なものと考えられるべきである。

ここにおいて使用される要素（element）、動作（act）、またはインストラクションは、明示的に記述されない限り、重大であり、または、必須であると解釈されるべきではない。また、ここにおいて使用されるように、冠詞「１つの（”a”および”an”）」は、１つまたはそれ以上のアイテムを含むように意図されており、そして、「１つまたはそれ以上（”one or more”）」と交換可能に使用され得る。さらに、ここにおいて使用されるように、用語「セット（”set”）」は、１つまたはそれ以上のアイテムを含むように意図されており、そして、「１つまたはそれ以上」と交換可能に使用され得る。唯一のアイテムだけが意図される場合には、用語「１つ（”one”）」または類似の言語が使用される。また、ここにおいて使用されるように、用語「有する（”has”、”have”、”having”、等）」は、オープンエンドな（open-ended）用語であるように意図されている。さらに、語句「基づいて（”based on”）」は、明示的に別段の記載がない限り、「少なくとも部分的に基づいて（”based,at least in part,on”）」を意味するように意図されている。

Claims

アンテナ対におけるエミッタから受信された１つまたはそれ以上のＲＦ信号の到着角（ＡｏＡ)を決定するための方法であって、
前記アンテナ対の第１アンテナ素子および第２アンテナ素子において検出された第１信号に係る対応する第１信号成分および第２信号成分を、プロセッサで、受信する段階であり、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子は、受信された信号成分の半波長よりも大きく離間されている、段階と、
受信された信号の１つまたはそれ以上の特徴を決定する段階であり、該特徴は、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において検出された前記第１信号成分および前記第２信号成分に係る対応する位相間の位相差、および、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子に到達する前記第１信号成分と前記第２信号成分との間の到着時間差（ＴＤＯＡ）を含んでおり、該ＴＤＯＡは、既知の測定の不確実性または誤差範囲を有している、段階と、
前記ＴＤＯＡを使用してＴＤＯＡ角度計算を実行する段階であり、前記ＴＤＯＡ角度計算の解を中心とし、かつ、既知のＴＤＯＡ測定誤差範囲によって有界な、ＴＤＯＡＡｏＡ可能性の範囲を含むＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を獲得する、段階と、
ＡｏＡ推定値セットを計算する段階であり、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において測定された前記第１信号成分および前記第２信号成分の位相差に基づいて位相干渉法（ＰＩ）を使用し、前記ＡｏＡ推定値セットは、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内にある、段階と、
ステップを反復的に実行することによって、正確なＡｏＡ推定値を決定する段階であり、前記ステップは、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において信号成分を受信すること、前記受信した信号成分の特徴を決定すること、ＴＤＯＡ測定値を平均すること、平均化されたＴＤＯＡ測定値を使用して、より小さな誤差境界を有する前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を再計算すること、および、任意的に、信号成分の位相差を平均化し、かつ、前記エミッタに関連する１つまたはそれ以上の追加信号についてＰＩＡｏＡ推定値を再計算すること、を含む、段階と、
を含む、方法。
前記方法は、さらに、
ＰＩＡｏＡ推定値セットが前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に唯一のＡｏＡ推定値を含む場合に、該ＡｏＡ推定値を正確なＡｏＡ推定値として報告する段階、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記方法は、さらに、
前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に残るＰＩＡｏＡ推定値を、正確なＡｏＡ推定値として報告する段階、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記方法は、さらに、
残りのＰＩＡｏＡ推定値それぞれについて、確率重みを計算する段階と、
前記ＰＩＡｏＡ推定値に関して計算された前記確率重みを報告する段階と、
を含む、請求項３に記載の方法。
正確なＡｏＡ推定値を決定する前記段階は、さらに
前記エミッタに関連する前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異なるか否かを判断する段階と、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異なる場合に、正確なＡｏＡ推定値として、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内で前記第１信号および前記１つまたはそれ以上の追加信号に関連する共通のＰＩＡｏＡ推定値を報告する段階と、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異ならない場合に、正しいＡｏＡセット内に残る前記ＰＩＡｏＡ推定値の確率が既定の閾値に到達するように、ＰＩＡｏＡ推定値のセットが削減されるまで、もはや前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に無いＰＩＡｏＡ推定値と、より小さな誤差境界との関連を絶ち、かつ、許容可能に削減された前記ＰＩＡｏＡ推定値を報告する段階と、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記ＴＤＯＡ測定値を平均する以前に、
最初の前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界は、削減されて、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に含まれる前記ＰＩＡｏＡ推定値が及ぶ角度にわたり広がるだけである、
請求項１に記載の方法。
前記方法は、さらに、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記検出された第１信号の周波数と異ならない場合に、前記ＴＤＯＡ測定誤差範囲および前記ＰＩＡｏＡ推定値の間隔をモニタリングする段階を含み、前記既定の確率閾値に到達するために十分な数の追加信号がいつ収集されたかを決定する、
請求項５に記載の方法。
追加信号は、数十マイクロ秒から数ミリ秒について収集される、
請求項５に記載の方法。
前記第１信号および前記１つまたはそれ以上の追加信号は、パルス信号である、
請求項１に記載の方法。
前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子は、既知のゲインパターンを有する指向性アンテナを含み、かつ、異なる方向においてピークを有し、
前記方法は、
前記第１信号の前記第１信号成分および前記第２信号成分、および、前記１つまたはそれ以上の追加信号を使用した振幅比較計算に基づいて、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を調整する段階を含む、
請求項１に記載の方法。
アンテナ対におけるＲＦエミッタから受信された１つまたはそれ以上のＲＦ信号の到着角（ＡｏＡ)を決定するためのシステムであって、
第１信号に係る第１信号成分および第２信号成分を、対応する第１アンテナ素子および第２アンテナ素子において検出するためのアンテナ対であり、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは、前記検出された第１信号の半波長よりも大きく離間されている、アンテナ対と、
前記第１信号成分および第２信号成分を受信するために前記アンテナ対と通信する１つまたはそれ以上の信号プロセッサであり、前記信号プロセッサは、
受信された信号の１つまたはそれ以上の特徴を決定するように構成されており、該特徴は、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において検出された前記第１信号成分および前記第２信号成分に係る対応する位相間の位相差、および、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子に到達する前記第１信号成分と前記第２信号成分との間の到着時間差（ＴＤＯＡ）を含んでおり、該ＴＤＯＡは、既知の測定の不確実性または誤差範囲を有し、
前記ＴＤＯＡを使用してＴＤＯＡ角度計算を実行するように構成されており、前記ＴＤＯＡ角度計算の解を中心とし、かつ、既知のＴＤＯＡ測定誤差範囲によって有界なＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を獲得し、
前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において測定された前記第１信号成分および前記第２信号成分の位相差に基づいて位相干渉法（ＰＩ）を使用して、かつ、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内で、ＡｏＡ推定値セットを計算するように構成されており、
ステップを反復的に実行することによって、正確なＡｏＡ推定値を決定するように構成されており、前記ステップは、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において信号成分を受信すること、前記受信した信号成分の特徴を決定すること、ＴＤＯＡ測定値を平均すること、平均化されたＴＤＯＡ測定値を使用して、より小さな誤差境界を有する前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を再計算すること、および、任意的に、信号成分の位相差を平均化し、かつ、前記ＲＦエミッタに関連する１つまたはそれ以上の追加信号についてＰＩＡｏＡ推定値を再計算すること、を含む、
システム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に残るＰＩＡｏＡ推定値を、正確なＡｏＡ推定値として報告する、
ように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
残りのＰＩＡｏＡ推定値それぞれについて、確率重みを計算し、かつ、
前記ＰＩＡｏＡ推定値に関して計算された前記確率重みを報告する、
ように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
ＰＩＡｏＡ推定値セットが唯一のＡｏＡ推定値を含む場合に、該ＡｏＡ推定値を正確なＡｏＡ推定値として報告する、
ように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
前記ＲＦエミッタに関連する前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異なるか否かを判断すること、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異なる場合に、正確なＡｏＡ推定値として、前記第１信号および前記１つまたはそれ以上の追加信号に関連する共通のＰＩＡｏＡ推定値を報告すること、および、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記第１信号の周波数と異ならない場合に、正しいＡｏＡセット内に残る前記ＰＩＡｏＡ推定値の確率が既定の閾値に到達するように、ＰＩＡｏＡ推定値のセットが削減されるまで、もはや前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に無いＰＩＡｏＡ推定値と、より小さな誤差境界との関連を絶ち、かつ、許容可能に削減された前記ＰＩＡｏＡ推定値を報告すること、
によって、正確なＡｏＡ推定値を決定する、
ように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
前記ＴＤＯＡ測定値を平均する以前に、最初の前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界が、削減されて、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内に含まれる前記ＰＩＡｏＡ推定値が及ぶ角度にわたり広がるだけである、
ように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
前記１つまたはそれ以上の追加信号の周波数が前記検出された第１信号の周波数と異ならない場合に、前記ＴＤＯＡ測定誤差範囲および前記ＰＩＡｏＡ推定値の間隔をモニタリングして、前記既定の確率閾値に到達するために十分な数の追加信号がいつ収集されたかを決定する、
ように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子は、既知のゲインパターンを有する指向性アンテナを含み、かつ、異なる方向においてピークを有し、
前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、さらに、
前記第１信号の前記第１信号成分および前記第２信号成分、および、前記１つまたはそれ以上の追加信号を使用した振幅比較計算に基づいて、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を調整する、ように構成されている、
請求項１１に記載のシステム。
前記システムは、さらに、
電子サポートおよびレーダ警告受信器を含む、
請求項１１に記載のシステム。
アンテナアレイおよび前記１つまたはそれ以上のプロセッサは、移動プラットフォーム上に設置されている、
請求項１１に記載のシステム。
プログラムされた命令を含む有形のコンピュータ読取り可能媒体であって、１つまたはそれ以上のプロセッサによって実行されると、前記プログラムされた命令は、
アンテナ対の第１アンテナ素子および第２アンテナ素子において検出された第１信号に係る対応する第１信号成分および第２信号成分を受信する段階であり、前記第１アンテナ素子と前記第２アンテナ素子とは、受信された信号成分の半波長よりも大きく離間されている、段階と、
受信された信号の１つまたはそれ以上の特徴を決定する段階であり、該特徴は、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において検出された前記第１信号成分および前記第２信号成分に係る対応する位相間の位相差、および、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子に到達する前記第１信号成分と前記第２信号成分との間の到着時間差（ＴＤＯＡ）を含んでおり、該ＴＤＯＡは、既知の測定の不確実性または誤差範囲を有している、段階と、
前記ＴＤＯＡを使用してＴＤＯＡ角度計算を実行する段階であり、前記ＴＤＯＡ角度計算の解を中心とし、かつ、既知のＴＤＯＡ測定誤差範囲によって有界な、ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を獲得する、段階と、
ＡｏＡ推定値セットを計算する段階であり、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において測定された前記第１信号成分および前記第２信号成分の位相差に基づいて位相干渉法（ＰＩ）を使用し、前記ＡｏＡ推定値セットは、前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界内にある、段階と、
ステップを反復的に実行することによって、正確なＡｏＡ推定値を決定する段階であり、前記ステップは、前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子において信号成分を受信すること、前記受信した信号成分の特徴を決定すること、ＴＤＯＡ測定値を平均すること、平均化されたＴＤＯＡ測定値を使用して、より小さな誤差境界を有する前記ＴＤＯＡＡｏＡ誤差境界を再計算すること、および、任意的に、信号成分の位相差を平均化し、かつ、エミッタに関連する１つまたはそれ以上の追加信号についてＰＩＡｏＡ推定値を再計算すること、を含む、段階、
を実施させるための命令を含む、コンピュータ読取り可能媒体。