JP7013136B2 - 高仰角における対象を検出できる二次レーダ - Google Patents

Description

本発明は、高仰角における対象を検出できる二次レーダに関する。

航空管制レーダは、一般に、水平方向と天頂との間にある全ての仰角をカバーするわけではない。レーダアンテナの位相中心の上の非カバーゾーンは、沈黙円錐と呼ばれる円錐を形成する。この沈黙円錐は、幾つかの航空管制レーダ機能に影響する可能性がある。

「エンルート（ｅｎ－ｒｏｕｔｅ）」レーダは、それらの最大放射方向における非常に長い射程によって特徴付けられる。交換の障害からそれらのレーダを解放することによる、高々度位置におけるそれらの設置は、この低仰角範囲の容量を利用する能力を保証する。これらのレーダにとって、沈黙円錐は、大きすぎると考えられ得る（例えば、民間飛行便の巡航高度（ＦＬ３３０）は、２５ｋｍで２５°の仰角に対応する）。沈黙円錐はまた、空港レーダに対して問題をもたらす可能性がある。実際に、両方の場合に、沈黙円錐は、
－ 高々度の飛行便に対する長期間の空白（エンルート構成）と、
－ それほど長い期間ではないが、中高度を飛行する飛行便に対する空白（空港構成）と、
を誘発する。

従って、従来的には原則として、ＡＴＣレーダとも呼ばれる航空管制レーダのアンテナは、次の４つの目的を有するＬＶＡ（大型垂直開口）型のアンテナである。
－ 「エンルート」使用（長い射程）のための大きな最大利得、典型的には５°～１０°の仰角間で２７ｄＢと、
－ 精度を保証し、且つ汚染の影響を制限するための、方位角の狭いメインビーム（従来的には、８ｍのアンテナ幅に対応する２．５°）と、
－ 空港構成において、数十メートルのタワーなどの近くの建物からの反射からアンテナを保護するために、地上に対する大きな低下、例えば０°～－１０°の仰角に対して１度当たり２ｄＢの利得の低下と、
－ 最後に、従来的には５°～４０°の長距離飛行（高度が安定している）用の準一定の、対象との送信又は受信レベルと、
である。

民間航空管制（ＡＴＣ）セクタのアンテナは、航空監視へのそれらの適合のために、コセカント２乗放射パターンを示す。かかるパターンは、方位量子の単一探査において放射されるエネルギを垂直面において分配できるようにする。この放射パターンは、定高度軌道を示す対象用に、比較的一定した振幅の受信信号を取得できるようにする。図１は、この種のアンテナを用いて、ＡＴＣレーダのアンテナの典型的な利得を示す。より具体的には、それは、仰角によってパラメータ化された、且つ距離－高度図に投射されたアンテナ利得を曲線１０によって示す。

これなどのコセカント２乗パターン用に、且つ定高度軌道で横断されるゾーンにおいて、アンテナ利得Ｇは、仰角βのコセカント２乗として実質的に変化する。つまりＧ（β）≒コセカント^２βである。即ち、この利得の変動は、軌道のこの部分にわたる一定の受信信号レベルを保存するために、クロージングイン効果を補償する。更に、航空機の飛行上昇限度より高い高度における空域の監視を実行することは有用ではない。

実際には、沈黙円錐２０は、どちらかと言えばアンテナの設計用の自由度として想定される。特に、要件は、どちらかと言えば約５０°の仰角を超える保証されたフェージングに関係することになろう。図２は、従来のＬＶＡアンテナの和経路２１及び制御経路２２を示す（それぞれは、それらのそれぞれの最大値に対して相対的である）。この図は、アンテナ利得が、高仰角（５０°を超える角度）において急落することを示す。

従って、ＡＴＣ界において用いられる現在のアンテナは、沈黙円錐における対象に対処するためには明らかに作られていない。

従って、ＡＴＣレーダに共通であるこの情勢を緩和するためのシステムレベルの解決法は、デュアルレーダ覆域を用いることに存する。かなり近くに一緒に存在するこれらの２つのレーダは、他方の沈黙円錐における検出をそれぞれ保証することを可能にする。

本発明の目的は、特に、この欠点を軽減することである。

この目的のために、本発明の主題は、和パターン、差パターン及び制御機能に割り当てられたパターンの３つの放射パターンを有するメインアンテナを装備する、沈黙円錐において高仰角で対象を検出できる二次レーダであって、前記アンテナに対応して、前記レーダが、
－ アンテナと、前記アンテナ上に固定されて前記アンテナの後部に位置する後部放射素子とから構成された補助アンテナ装置と、
－ 結合器であって、前記補助アンテナ装置が、
・ 和パターン、差パターン及び制御機能に割り当てられたパターンの３つの放射パターンであって、前記制御パターンが、前記後部放射素子によって保証される３つの放射パターンを有し、
・ 例えば６０°～９０°の前記沈黙円錐を特徴付ける仰角領域において、その和パターンの最大利得を保証するように傾斜される結合器と、
を更に含み、
前記後部素子によって保証された前記制御パターンが、９０°の仰角において、補助アンテナ装置の前記アンテナの和パターンの利得と等しい利得を示し、次に９０°を超える仰角で最大利得を示し、前記結合器が、前記補助アンテナ装置の３つの放射パターンと前記アンテナの３つの放射パターンの結合を保証する二次レーダである。

補助アンテナ装置の前記アンテナは、例えばブーム型である。

補助アンテナ装置の前記アンテナの和パターンの位置は、例えば、前記アンテナの傾斜及びこれらの２つのアンテナ（前記アンテナ及び前記メインアンテナ）間の結合係数をそれぞれ変更することによって、前記メインアンテナのパターンに対して仰角及び利得において調整される。

補助アンテナ装置の前記アンテナの和パターンの立上り又は立下りの峻度は、例えば、仰角素子の数を変更することによって調整される。

前記後部素子によって保証される制御パターンの位置は、例えば、垂直面における前記後部素子の傾斜を変更することによって、仰角において調整される。

前記メインアンテナは、例えば、広い垂直開口を備えたＬＶＡ型のアンテナ及び後部放射素子から構成される。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面に関連して続いて提供される説明の助けによって明らかになろう。

既に説明した、ＡＴＣレーダアンテナ利得の例示的な基本パターンである。 既に説明した、ＬＶＡアンテナの仰角における相対放射の典型的なパターンである。 Ｓモードで動作する二次レーダの例示的な現在のアーキテクチャである。 本発明によるレーダのアンテナの構造及び前記レーダへのその結合である。 本発明によるアンテナの例示的な実施形態である。 本発明に従ってアンテナを構成するアンテナの仰角における絶対放射の典型的なパターンである。

図３は、従来的には以下のものからなる、Ｓモードで動作する二次監視レーダ（続いてＳＳＲレーダと呼ばれる）の例示的な現在のアーキテクチャを示す。即ち、
－ １０３０ＭＨｚの周波数におけるＳＳＲ／Ｓモード呼びかけ信号の放射、及び航空機に搭載されたトランスポンダから発生する１０９０ＭＨｚの周波数における応答の捕捉を保証する、一般にＬＶＡ型のＳＳＲアンテナ１と、ＳＳＲ機能のＬバンドの３つの経路、即ち和経路Σ、差経路Δ及び制御経路Ω用の３つのＲＦウエハを有する標準回転ジョイント２と、
－ 受動的冗長を保証する２つの独立システム（単に１つだけが表されている）を特に含むいわゆるＭＳＳＲキャビネット３であって、各システムが、ＳＳＲ／Ｓモード処理専用の様々な機能を実行するキャビネット３と、
である。

ＭＳＳＲキャビネット３は、送信機３３のＲＦ信号をアンテナ１のΣ、Δ、Ωパターンに、且つ相互的にこれらのパターンを受信機３４に転送するためのＲＦユニット３１を含む。各キャビネット３は、
－ メインローブに存在する予測された対象に対して実行されるタスクの関数として呼びかけ信号を発生させる時空間管理部３２と、
－ １０３０ＭＨｚの周波数でアンテナによって放射される呼びかけ信号を高出力ＲＦ信号に変換する送信機３３と、
－ １０９０ＭＨｚの周波数における、アンテナによって受信されるＲＦ信号を復調する受信機３４と、
－ アンテナのメインローブにおいて受信される応答の検出及び復号を保証する信号処理部３５と、
－ 基本検出（応答）に基づいて抽出されるブリップを形成する抽出器３６であって、アンテナビームを管理するためのアセンブリ３７の一部である抽出器３６と、
を含む。

従来的には、ＭＳＳＲキャビネット３はまた、一次及び二次処理、特に、
－ 走査管理アセンブリ３８内の一次及び二次ブリップの結合及びトラッキングと、
－ 特にオフセット及び監視の管理と、
に共通の冗長資源を特に含むことができる。

キャビネットはまた、クライアントリンクとの冗長インターフェース３９を含む。補助機能は、監視、ブリップオフセット及びトラック、並びに一次ＰＳＲ、二次ＳＳＲ／Ｓモード及びオフセット機能のパラメータ化を示すことによって、クライアントによるレーダの管理を可能にする。

Ｓモードにおいて、主として、航空機の動的管理は、
－ 時空間管理部３２及びブリップ抽出部３６を含む、図３において矢印線３０が横断する方位角ビームに関係するアクティビティに関するビーム管理部３７と、
－ 各航空機用の次のビーム走査におけるアクティビティのトラッキング及び予測を特に含む、図３において矢印線３００が横断するアンテナ回転に関係するアクティビティに関する走査管理部３８と、
によって制御される。

図４は、本発明によるＡＴＣレーダのアンテナ及びレーダへのその結合の構造を示す。有利なことに、本発明によれば、適応キットが、例えば図３に示されているアーキテクチャ型のＡＴＣレーダの既存のアーキテクチャに追加され、プロトコルが何であっても、沈黙円錐における全ての二次対象のトラッキングを保証可能にする。特に、このキットは、アンテナに適用される。それは、ブリップを抽出するための手段３６に適用されたソフトウェア部で補足することが可能である。

キットは、例えば２～４メートルの幅的に小さい寸法でもよい少なくとも１つのブームアンテナ４１（典型的には高さ方向の１～３の少数の放射素子しか含まない）、後部放射素子４２、及び結合器４３を含む。ブームアンテナ４１は、結合器４３によって同じ既存のアクセスポート上で（標準ＬＶＡ型の）ＳＳＲアンテナ１に結合される。

修正は、
－ アンテナ（機構、回転ジョイント、モータ…）の、又は
－ 送信及び受信チェーンのどちらのレベルにおいても必要ではない。

従って、本発明は、実施するのが単純で経済的である。

図５は、斜視図を介して、本発明によるレーダのアンテナアセンブリの例示的な実施形態を図４への補足として示す。このアセンブリは、
－ メインアンテナを形成するＳＳＲアンテナ１及びその後部放射素子１２と、
－ 補助アンテナ装置を形成するブームアンテナ４１及びその後部放射素子４２と、
から構成され、後部放射素子１２、４２は、続いて説明されるように制御機能に割り当てられる。

ブームアンテナ４１は、同じ向きで、より正確にはＳＳＲアンテナ１の前方に向けられてＳＳＲアンテナ１の上に固定され、ブームアンテナ４１は、ＳＳＲアンテナ１の向きに対して傾斜される。

ＳＳＲアンテナ１は、従来的には、放射バーアレイ５１から構成される。ＬＶＡ型のこのアンテナ１は、和、差及び制御の３つの放射パターンで動作するＳＳＲ監視用のＡＴＣ市場の標準アンテナであってもよい。

放射バーからなる前面パネルの後部に位置する放射素子１２は、特に、受信されるトランスポンダの地理的状況に関連して、ＳＳＲモード／Ｓモード用の制御機能を実行できるようにする。

ブームアンテナ４１は、例えば、軍用レーダ用のＩＦＦアンテナとしてしばしば用いられるブームアンテナであり、従って、ＬＶＡ型のメインアンテナ１と同じタイプの放射パターン、即ち和、差及び制御を有する。

好ましくは、ゼロ利得値が、続いて説明される図６に示されているブームアンテナ４１の和パターン６３によって示されているようなメインローブの両側における立上り又は立下りの急峻化を引き起こすことによって、そのメインローブに近くなるように、ブームアンテナ４１は、少なくとも２つの仰角素子を含む。立上り又は立下りの急峻化は、仰角アンテナ素子の数に依存する。

アンテナ４１は、沈黙円錐においてその最大利得を適応させるように、且つちょうど９０°を超える仰角及びまた４０°未満の仰角の両方でその利得の最小化を保証するように、垂直面において傾斜される。

アンテナ４１はまた、９０°の仰角を超えて最大利得を示すために、同様に仰角において傾斜される図６で示されているその制御パターンΩ６６専用の、後部に位置する放射素子４２を含む。更に、ブームアンテナ４１及び放射素子４２の相互的な傾斜は、それらの利得が、９０°の仰角に対して近いようにされる。従って、これは、ブームアンテナ４１の方位角方向にはないトランスポンダをブロックすることを可能にし、従って、アンテナの後部で寄生応答を有するのを回避できるようにする。

結合器４３は、ブームアンテナの和Σ、差Δ及び制御Ωの３つのパターンの結合を実行し、結合係数は、典型的には、２５ｄＢ（ブームアンテナ４１の和経路のパターン６３の最大利得の値に従って調整される）と等しく、ＳＳＲアンテナ１の和Σ、差Δ及び制御Ωの３つのパターンを伴い、ＳＳＲアンテナの和利得安定状態（図６によって示されているように２０°～４０°の仰角に及ぶ安定状態）未満の２０ｄＢ程度の沈黙円錐における和パターンの最大利得を保証する目的を伴う。

既に挙げた図６は、ＳＳＲアンテナ１の和経路６１用に、ＳＳＲアンテナ１の制御経路６２用に、ブームアンテナ４１の和経路６３用に、且つ補助アンテナ装置の後部放射素子４２の制御経路６６用に上記のアンテナの仰角放射パターンを、横座標が仰角を表し且つ縦座標が絶対アンテナ利得を表す軸システムに示す。

これらのパターンによって示されているように、目的は、９０°の仰角においてさえ、最大値未満の３５～４０ｄＢ程度の最小利得を保証することである（高仰角の航空機は、必ずしも距離的に共に接近しているわけではなく、それらの検出に必要とされるアンテナ利得は、長距離航空機用のアンテナ利得より著しく小さく、典型的には３５～４０ｄＢである）。この目的は、ブームアンテナ４１を傾斜させることによって達成され、この効果は、その仰角パターン、特にその和パターンを平行移動（横軸に沿った平行移動）させることである。ブームアンテナ４１とＳＳＲアンテナ１との間の結合係数の値は、利得を変更することによって、縦軸に沿ってパターンを更に調整することを可能にする。従って、パターンの位置の調整は、縦軸に沿った平行移動によって補足される。

従って、結合係数の値は、
－ ブームアンテナ４１によるＳＳＲアンテナ１の汚染、即ち例えば４０°未満の仰角で２５ｄＢを超える利得差異を回避するため、
・ 伝送方向及び検出方向の非常に低い誘導損失を伴い、
・ 方位角方向のビーム修正がほとんど伴わない、
－ 高仰角における対象を検出する場合に、（空港レーダに典型的な）４０°未満のより低い仰角の近い対象を「誤って伝える」ことによる汚染を回避するための両方のために定義される。

ＳＳＲアンテナ１とブームアンテナ４１との間の和経路の利得等価ゾーン６４は、約５５°の仰角に典型的に位置する。この仰角値を超えると、ブームアンテナの利得６３は、天頂までの和経路用の所望の最小の利得を保証するために、ＳＳＲアンテナ１の利得６１より優勢になる。ブームアンテナ４１の和経路６３のパターンで送信されるレベルは、ＳＳＲアンテナ１の制御経路６２のパターンレベルよりはるかに大きく、６０°～９０°超の高仰角における対象がレーダの呼びかけ信号に応答することを保証することが検証され得る。ＳＳＲアンテナ１の後部素子１２に関連付けられる制御経路６２は、従来的には、９０°～１８０°の仰角用のアンテナの和放射パターン６１の漏洩を通して呼びかけ信号を受信するトランスポンダのブロッキングを可能にする。

好ましくは、ブームアンテナの和放射パターン６３は、沈黙円錐の外側のメインアンテナの放射パターン６１を妨害しないように、幅が広すぎてはならない。ブームアンテナ４１の後部に位置する放射素子４２に関連付けられた制御経路６６は、図６においてダッシュ６５によって印を付けられた、９０°の仰角を超える対象の応答の受信を回避できるようにする。ＳＳＲアンテナ１の制御パターン６２に関する制御パターン６６の仰角方向位置の調整は、後部放射素子４２の傾斜を変更することによって、横軸に沿った平行移動により行われる。

従って、後部素子４２を介してレーダによって送信される信号は、メインアンテナ１がこの対象の方位と反対の方向にある場合に、対象のトランスポンダのブロッキングを可能にする。この放射素子４２の放射パターン及び向きは、この目的のために適合され、特に、最適なセッティングは、９１°の前方におけるトランスポンダをブロックすることを可能にするべきである。

ＳＳＲアンテナ１及びブームアンテナ４１の和経路の利得等価ゾーン６４のまわりで、信号の位相的に未制御の再結合は、この図６の例において仰角方向に＋／－５°程度、即ち＋５０°～＋６０°のスパンにわたって検出損失を誘発する可能性がある。これらの誘発される影響を制限するために、２つの和経路６１及び６３によって１０３０ＭＨｚで送信される信号の整相を保証することが有用であり得る。

１ ＳＳＲアンテナ
２ 標準回転ジョイント
３ キャビネット
１２ 後部放射素子
２０ 沈黙円錐
２１ 和経路
２２ 制御経路
３１ ＲＦユニット
３２ 時空間管理部
３３ 送信機
３４ 受信機
３５ 信号処理部
３６ 抽出器
３７ ビーム管理アセンブリ
３８ 走査管理アセンブリ
３９ 冗長インターフェース
４１ ブームアンテナ
４２ 後部放射素子
４３ 結合器
５１ 放射バーアレイ
６１ ＳＳＲアンテナの和放射パターン
６２ ＳＳＲアンテナの制御パターン
６３ ブームアンテナの和放射パターン
６４ 和経路の利得等価ゾーン
６５ ダッシュ
６６ 制御経路

Claims (6)

1. 和パターン（６１）、差パターン及び制御機能に割り当てられた制御パターン（６２）の３つの放射パターンを有するメインアンテナ（１、１２）および回転ジョイント（２）を装備する、沈黙円錐において高仰角で対象を検出できる二次レーダであって、前記メインアンテナ（１、１２）に対応して、前記二次レーダが、
   － 前記メインアンテナの前方に向けられたアンテナ（４１）と、前記メインアンテナ（１、１２）上に固定された、前記アンテナ（４１）の後部に位置する後部放射素子（４２）とから構成された補助アンテナ装置（４１、４２）と、
   － 結合器（４３）とを更に含み、
   前記補助アンテナ装置（４１、４２）が、
   ・ 和パターン（６３）、差パターン及び制御機能に割り当てられた制御パターン（６６）の３つの放射パターンであって、前記制御パターン（６６）が、前記後部放射素子（４２）によって保証される３つの放射パターンを有し、
   ・ 前記沈黙円錐を特徴付ける仰角領域において、その和パターン（６３）の最大利得を保証するように前記補助アンテナ装置（４１、４２）が傾斜されており、
   前記後部素子（４２）によって保証された前記制御パターン（６６）が、９０°の仰角において、前記補助アンテナ装置の前記アンテナ（４１）の前記和パターン（６３）の利得と等しい利得を示し、次に９０°を超える仰角で最大利得を示し、前記結合器（４３）が、前記補助アンテナ装置（４１、４２）の前記３つの放射パターンと前記メインアンテナ（１、１２）の前記３つの放射パターンの結合を保証することを特徴とする二次レーダ。
2. 前記補助アンテナ装置（４１、４２）の前記アンテナ（４１）が、ブーム型であることを特徴とする、請求項１に記載の二次レーダ。
3. 前記二次レーダは、前記補助アンテナ装置の前記アンテナ（４１）の前記和パターン（６３）の位置を、前記アンテナ（４１）の傾斜ならびに前記アンテナ（４１）および前記メインアンテナ（１）間の結合係数をそれぞれ変更することによって、前記メインアンテナ（１）の前記和パターン（６１）に対して仰角及び利得において調整するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次レーダ。
4. 前記アンテナ（４１）が、複数の仰角アンテナ素子を有し、
   前記二次レーダは、前記補助アンテナ装置の前記アンテナ（４１）の前記和パターン（６３）の立ち上がり又は立ち下がりの峻度を、前記仰角アンテナ素子の数を変更することによって調整するように構成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の二次レーダ。
5. 前記二次レーダは、前記後部素子（４２）によって保証される前記制御パターン（６６）の位置を、垂直面における前記後部素子の傾斜を変更することによって、仰角において調整するように構成されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の二次レーダ。
6. 前記メインアンテナ（１、１２）が、広い垂直開口を備えたＬＶＡ型のアンテナ（１）及び後部放射素子（１２）から構成されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の二次レーダ。

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