JP7285849B2 - 空間オブジェクト追跡のためのランダム位相及び振幅のレーダーコード - Google Patents

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Description

［関連出願］
本願は、参照によりここに全体が組み込まれる米国非仮出願番号第１５／７８７，４７５号、２０１７年１０月１８日出願の優先権及び利益を主張する。
幾つかのレーダーは、主に低高度地球軌道（Low Earth Orbit， LEO）において、宇宙破片又は衛星のような空間オブジェクトを検出し及び追跡する。低高度地球軌道は、標準的に、地表から２０００キロメートル離れた距離を表すが、これは単なる例であり、この定義はいかなる限定も意図しない。大部分の衛星及び国際宇宙ステーションは、ＬＥＯで動作しており、これは、破片及び他のオブジェクトの追跡をより一層重要なものにする。
オブジェクトの検出可能性を向上し、それらを広範囲且つドップラー分解能で測定するために、所望の動作は、長期間に渡り空間オブジェクトの統合された測定であってよい。高いドップラー分解能は、レーダーが互いに比較的近くを移動するオブジェクトを検出できることを意味する。この状況では、長期間は、数百ミリ秒又はそれより長く続いてよい。これらの長期間は、目標までの距離を解明するために必要な、数百～数千キロメートルに及び得る送信限度と抵触する。
多くのレーダーは、パルス期間、デューティサイクル限度、最小送信及び／又は受信期間、等を含む機能的制約を有する。幾つかのレーダーにとって不可能でない場合、正確な追跡のために測定値積分のために長期間に達することは困難になっている。
一実施形態は、レーダーを用いるオブジェクト追跡方法であって、
所定の方向を設定するために、少なくとも１つのレーダーアンテナにビームコードを送信するステップと、
位相又は振幅のうちの少なくとも１つのランダム分布からのサンプルを使用して、追跡信号パルス列を生成するステップと、
パルス時間ウインドウ内の前記少なくとも１つのアンテナから前記パルス列を送信するステップと、
前記少なくとも１つのアンテナで、オブジェクトからの戻り信号を受信するステップと、
前記戻り信号を用いて前記オブジェクトを追跡するためにデータを集めるステップと、
を含む方法である。
別の実施形態は、レーダーシステムであって、
追跡信号を送信する少なくとも１つのレーダーアンテナと、
均一なランダム分布のセットを格納するメモリと、
前記少なくとも１つのレーダーアンテナ及び前記メモリに接続される制御部であって、前記制御部は、
使用すべきランダム分布を決定し、
前記ランダム分布を用いてパルス列を生成し、
前記パルス列を前記少なくとも１つのレーダーアンテナへ前記追跡信号として送信し、
前記追跡信号から、信号を返すオブジェクトに関する測定データを集める、
ための命令を実行する、制御部と、
を含むレーダーシステムである。
レーダーシステムのブロック図を示す。
現在波形と比べた波形の一実施形態の図を示す。
現在波形と比べた波形の一実施形態の図を示す。
パルス列として追跡送信を送信する方法のフローチャートを示す。
パルス列の効率のグラフに対し、時間に渡り統合された多数のパルスのグラフを示す。
パワースペクトル密度の拡大図又は一部のグラフに対する、追跡パルス列のパワースペクトル密度のグラフを示す。
ここで使用されるとき、用語「レーダー」は、無線検出及びレンジング（ranging）を実行するために使用される任意のシステムを意味する。レーダーは、パラボラ反射器、平面アレイ、フェーズドアンテナアレイ、及び送信機と受信機とを有する他の例の形式をとってよい。「アンテナ」は、放射要素、又は送信機により生成された無線信号を放射し及び無線信号を受信しそれらを受信機に渡す要素で構成される。
「ビームコード」は、伝送（transmission）が送信されるべき所定の方向を提供する少なくとも１つのアンテナへ送信される信号である。「追跡信号」又は「追跡伝送（transmission）」は、追跡伝送が送信された自由空間の中のオブジェクトからの戻り信号を受信する目的で、アンテナにより所定の方向に送信される信号である。「戻り信号」は、自由空間の中のオブジェクトから反射されアンテナへと戻される、追跡信号により引き起こされる信号である。
ここで実施形態は、均一なランダム「分布」からサンプリングされたパルスを、追跡する又は送信された信号として利用する。ランダムサンプルは、「コード」又は「波形」としても参照されてよい。幾つかの実施形態は、不均一なランダム分布を使用してよい。
図１は、ここで議論される方法及び技術と共に使用可能なレーダーシステム１０の一実施形態を示す。留意すべきことに、ここで要素は幾つかの異なる構成を有し得るが、議論を容易にするためにこの構成で示される。レーダーシステムは、レーダー送信機、受信機、又は結合された送信機／受信機の内部に存在してよい制御部１２を有する。レーダーは、アンテナ要素のフェーズドアレイで構成されてよい。ここで、各要素はそれ自体の制御部を有し、又は要素はサブアレイに分割され、各サブアレイが制御部を有する。
制御部は、アンテナアレイ及び送信機／受信機を制御する専用制御ハードウェア又はコンポーネント１６、及びここで実施形態により使用されるランダム分布の選択のための個別コンピュータ１４を含んでよい。レーダー制御及びコンピュータは、システム内の、同じ装置内に存在し又は別個の装置であってよい。同様に、ここで実施形態は、２０のようなメモリに格納され得るランダム分布を使用する。これらは、送信及び受信のために使用されるメモリ２３と別個のメモリ２２に格納されてよい。或いは、これらは、共通メモリを共有してよい。
標準的に、低高度地球軌道オブジェクトを追跡するために使用されるレーダーは、空間へと送信される一連の周期的パルスを生成する。後述するように、異なるレーダーは異なる性能パラメータを有する。特定の性能パラメータを有するレーダーシステムの例が以下に与えられるが、性能パラメータは、特に、最大パルス幅、最小パルス幅、デューティサイクル、ビームコード時間、ビームコード待ち時間、送信／受信パディング、個々のパルス長、パルス間期間（interpulse period, IPP）を含んでよい。
一例では、標準的なパルスは、１０ミリ秒乃至２ミリ秒の間の期間を有してよい。現在のレーダーでは、１つのパルスがこの時間の間に送信され、幾つかのパルスが幾つかのパルス幅に渡り積分されて、多数の戻り信号の繰り返しが正確な追跡を提供することを可能にする。これに対して、本発明の実施形態は、均一なランダム分布に従い送信されるパルス列を使用する。これは、受信した戻りの複数のパルスが積分されることを可能にする。
図２は、このようなパルス列の一例を示す。一番上の線は、ビームコード伝送を示す。各ビームコードは単一の注視方向に対応する。図２では、ビームコードBMがパルス間隔の始めｔ０に、伝送時間の終わりｔｂｅａｍｃｏｄｅまで、送信される。次に、ｔｂｅａｍｃｏｄｅとｔｗａｉｔとの間の待ち時間があり、その間に、ビームコードが処理される。パルス列は、次に、ｔｗａｉｔと間隔ｔｐｔの終わりとの間に送信される。パルス列間隔は、パルス列ウインドウとも呼ばれることがある。
パルス列は、パルス長又は振幅又はその両方の、均一なランダム分布から生じる。図２の例では、各パルスは、一定の振幅を有するが、均一なランダム分布から導出される位相、標準的には多相により符号化される（図示しない）。個々のパルス長及びＩＰＰも、ランダム分布から導出される。
図３は、パルス２４により示される伝統的な波形と、２６のような可変パルスにより示されるパルス列との間の比較を示す。一例として使用される伝統的な波形は、ここでは、２０ミリ秒のＩＰＰを有する２ミリ秒のパルスを有する。２６のようなランダムパルスにより示される波形はＲＦ波形である。送信エンベロープの中で、これは、ランダム多相コードにより符号化される（図示しない）。
図４は、パルス列を生成しランダムサンプルを選択する処理の一実施形態を示す。処理の主要なフローは、パルス列の生成に関連する。３０で、所定の単一の注視方向についてのビームコードがアンテナへ送信されて、アンテナに、該アンテナ自体を適正な方向に向けさせる。これは、フェーズドアレイにおけるように電子的に、又は可動アンテナにおけるように機械的ステアリングにより、行うことができる。３２で、均一なランダム分布が使用されて、図２及び３に示されるような追跡信号パルス列を生成する。レーダーは、３４でパルス列を送信し、３６で戻り信号を受信する。受信は、処理を通じて連続的に生じる。送信信号の位相を変化するためにランダムコードを使用することにより、各パルスからの受信した信号は、互いに区別できる。現在のシステムでは、ある範囲におけるある送信パルスからの信号と、別の範囲における別の送信パルスからの信号との間には曖昧さが存在する。これは、範囲偽信号（rangeーaliasing）と呼ばれる。各送信パルスをランダムに位相調整する（phasing）ことにより、システムは、同じパターンを有する戻り信号が同じ送信に由来することを推定でき、全ての範囲の曖昧さを除去する。
ランダムサンプルは、波形サイドローブの検査に基づき選択される。４０で、処理はパルス列を生成する。例えば、処理は、最小及び最大パルス長の範囲内のランダムパルスのセット、最小及び最大デューティサイクルの範囲内のランダムデューティサイクルのセットを生成し、これらを使用してパルス列を形成する。
４２で、受信時間またはウインドウの中の、伝送のために使用できないサンプルの数が決定される。送信信号は、送信信号の送信ウインドウの範囲内に含まれる任意の受信される信号を満たす。これは、使用可能サンプル数を合計サンプル数により除算したものに等しい効率指標を生じる。これは、次に、予め生成されたパルス列の効率を決定するために使用される。図５は、波形の効率の一例を示す。上のグラフは、目標までの飛行時間に対応する相対サンプル時間の関数として、積分されたパルス数を示す。実線４９は、全てのパルスが積分された場合に、理想的な場合を示す。下のグラフに示すように、積分されるパルスの数の送信されたパルスの数に対する比は、下のグラフにおける効率パーセンテージに対応する。本実施形態は、８０～９０％の効率をもたらす。これは、所与の飛行時間（範囲）において、サンプルの８０～９０％が目標の測定のために積分できることを意味する。
図４に戻る後、処理は、次に、４６でピークサイドローブレベルを決定する。通常、この決定は、周波数空間において最大サイドローブに基づき生じる。
４８で、効率指標及びピークサイドローブがメトリックを定める。メトリックは、ピークサイドローブレベルを最小限に抑えながら、効率を最大化しようとする。このメトリックを用いて、処理は、一実施形態において最良メトリックによりコードを選択する。別の実施形態は、所望の効率を定め、該効率に合致する分布を見つけてよい。所望の効率が達成されるまで、複数の反復が生じてよい。所望の特性として確立された基準を満たす結果として生じるコード又は分布は、次に、送信パルス列を生成するために使用される。所与の用途のために最適送信シーケンスを見つけるために、種々の探索方法が使用されてよい。
別の実施形態では、メトリックを定めるために、パルス列の他のパラメータが使用されてよい。これらのパラメータは、限定ではないが、積分されるサイドローブレベル、メインローブ幅、及びメインローブの合計パワーを含んでよい。
本発明の実施形態を使用すると、規則的パルスシーケンスを送信することにより引き起こされるドップラーの曖昧さが低減される。図６は、現在使用されている波形、及びここで議論された実施形態を用いる波形のパワースペクトル密度の比較を示す。上のグラフは、下のグラフの１００倍のスケールを有し、より広範な比較の観点を与える。上のグラフでは、トレース５０は、ここで議論した実施形態から生じる。トレース５２は、あるパルス長を有する伝統的な一定のパルス長及びＩＰＰから生じる。
下のグラフに示すように、したのスケールでは、信号５２は、５０Ｈｚ（１／ＩＰＰ）で又は１７ミリ秒毎に生じる予測可能なドップラーサイドローブを有することが分かる。これは、深刻な曖昧さを生じ、目標が移動している速度ピークを解明することが困難であることを意味する。信号トレース５０では、信号はサイドローブをランダム化する。これは、約１３ｄＢのドップラー識別力（Doppler discrimination）を可能にする。ドップラー分解能又はメインローブの幅は、わずかに影響される。これは、合計積分時間により決定される（１／１００ミリ秒＝３．３５ミリ秒）。
上述のように、本発明の実施形態は、任意のレーダーアーキテクチャ及び任意のシステムパラメータセットに適用されてよい。しかしながら、議論及び理解を容易にするために、２つの異なる例がここで提供される。第１の例は、以下の動作パラメータを有する。中心周波数が４４０ＭＨｚにあるが、必要に応じて調整可能であり、ビームコードメッセージは１６ビットであり、第１ビットが常にハイ（high）であり、各ビットは２ミリ秒であり、合計期間は３２ミリ秒である。ビームコード待ち時間は４００ミリ秒であり、システムは、ビームコード送信の後、４００ミリ秒待つ。パワー波形から無線周波数（ＲＦ）への送信は、遅延を含む。その結果、システムは、送信及び受信パディングを必要とする。本実施形態では、先頭パッド（lead pad）は、各送信及び受信間隔の最初にある２ミリ秒で構成される。これは、送信／受信がＲＦの前に到着することを保証する。後端パッド（trailing pad）は、各間隔の終わりにある１０ミリ秒である。これは、ゲーティング（gating）の前のＲＦ信号がオフにされることを保証する。
個々のパルス長は、上述のランダム分布から導出される。本例では、範囲は１０ミリ秒から５００ミリ秒に及ぶが、送信限度の範囲内でどこにでも調整できる。各パルスのデューティサイクルは、分布から導出され、５％から２０％の範囲に及び、１０％の平均デューティサイクルへと向かう傾向にある。これらの値は、性能限度に従う個体電力増幅器（solidーstate power amplifier, SSPA）の範囲内で調整され得る。ボー（baud）長、パルス内のボー期間は、名目上０．５ミリ秒、２ＭＨｚに設定されるが、増大され得る。各ボーの位相は、単位円（unit circle）全体のランダム分布から導出される。代替として、バイナリ位相も使用され得る。
パルス列期間は、単一の注視方向に対して望ましい最大積分時間により設定される。名目上、これは、この特定の実施形態では１００ミリ秒に設定されるが、調整可能である。この時間は、名目上ドップラー分解能も決定し、１００ミリ秒積分時間は１０Ｈｚ（３．３ｍ／ｓ）ドップラー分解能を与える。非送信受信ウインドウは、パルス列の終わりに残され、所望の最大範囲に対応する。一実施形態では、これは２０ミリ秒に設定される。パルス列全体に渡る平均ＲＦデューティサイクルは、ＳＳＰＡ限度、電流及び温度に依存して約１０％を超えてはならない。
別の実施形態では、中心周波数は約２９５０ＭＨｚである。ビームコードメッセージは、１ミリ秒で１６ビット、合計期間１６ミリ秒である。ビームコード待ち時間は２０ミリ秒である。先頭送信／受信パディングは２ミリ秒であり、後端パッドは２ミリ秒である。個々のパルス長は、１００～５００ミリ秒の間のランダム分布であり、必要に応じて調整可能である。通常、パルスが長いほど、曖昧な範囲測定及び削減された短い範囲のクラスタに対して良好である。しかし、パルスが短いほど、ドップラー測定及び復号に対して良好である。
デューティサイクルランダム分布は、１０％～３０％の範囲に及ぶが、１０％の平均デューティサイクルへ向かう傾向がある。パルス内のボー期間は、０．２５ミリ秒（４ＭＨｚ）に設定されるが、増大され得る。前述のように、パルス列期間は、単一の注視方向に対して望ましい最大積分時間により設定される。これは、最初に１００ミリ秒に設定されるが、調整可能である。１００ミリ秒の積分時間は、１０Ｈｚ（０．５ｍ／ｓ）のドップラー分解能を与える。上述の実施形態と同様に、ＳＳＰＡの限度は電流及び温度により決定される。
このように、レーダーは、現在使用されている単一パルスの代わりにパルス列を送信できる。これは、ドップラー曖昧さを低減することにより、現在のレーダーより、レーダーの効率を向上し及び良好な分解能を提供する。
理解されるべきことに、上述の開示の及び他の特徴及び機能の変形、又はそれらの代替が、多くの他の異なるシステムまたはアプリケーションに結合されてよい。種々の現在未知の又は予期しないそれらの代替、変更、変形、又は改良が、当業者により生成されてよく、以下の請求項に包含されることが意図される。

Claims (13)

  1. レーダーを用いるオブジェクト追跡方法であって、
    所定の方向を設定するために、少なくとも１つのレーダーアンテナにビームコードを送信するステップと、
    位相又は振幅のうちの少なくとも１つのランダム分布を使用して、追跡信号パルス列を生成するステップと、
    パルス時間ウインドウ内の前記少なくとも１つのアンテナから前記追跡信号パルス列を送信するステップと、
    前記少なくとも１つのアンテナで、オブジェクトからの戻り信号を受信するステップと、
    前記戻り信号を用いて前記オブジェクトを追跡するためにデータを集めるステップと、
    を含み、
    追跡信号パルス列を生成するステップは、
    前記ランダム分布を使用して第１パルス列を生成するステップと、
    受信時間ウインドウの中で、前記第１パルス列の前記オブジェクトからの戻り信号に含まれるパルスのうち、使用できないパルスの数を決定することにより、前記レーダーについて、前記第１パルス列に含まれるパルスの合計数に対する前記第１パルス列の前記オブジェクトからの戻り信号に含まれる使用できるパルスの数の比により表される効率を計算するステップと、
    前記使用できるパルスの、周波数空間における最大サイドローブを決定して、ピークサイドローブレベルを決定するステップと、
    前記第１パルス列を生成するステップと前記効率を計算するステップと前記ピークサイドローブレベルを決定するステップを反復することにより、前記ピークサイドローブレベルを最小限に抑え且つ前記効率を最大化する第１パルス列を決定するステップと、
    前記決定した第１パルス列を生成するために使用されたランダム分布を、前記追跡信号パルス列を生成するために使用されるべきランダム分布として選択するステップと、
    を含む、オブジェクト追跡方法。
  2. 前記ビームコードを送信するステップの後に、
    前記レーダーにおいてビームコード処理を可能にするために、待ち時間を有するステップであって、前記ビームコード処理は、前記ビームコードに基づき前記レーダーアンテナを前記所定の方向に向けることを含む、ステップ、を更に含む請求項１に記載のオブジェクト追跡方法。
  3. 前記ランダム分布は、前記追跡信号パルス列の位相に適用される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ランダム分布は、前記追跡信号パルス列の振幅に適用される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記ランダム分布は、前記追跡信号パルス列の位相及び振幅に適用される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ランダム分布は、デューティサイクルに適用される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記ランダム分布は、パルス長時間に適用される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ランダム分布は、均一又は不均一である、請求項１に記載の方法。
  9. レーダーシステムであって、
    追跡信号を送信する少なくとも１つのレーダーアンテナと、
    ランダム分布のセットを格納するメモリと、
    前記少なくとも１つのレーダーアンテナ及び前記メモリに接続される制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    所定の方向を設定するために、少なくとも１つのレーダーアンテナにビームコードを送信し、
    位相又は振幅のうちの少なくとも１つのランダム分布を使用して、追跡信号パルス列を生成し、
    パルス時間ウインドウ内の前記少なくとも１つのアンテナから前記追跡信号パルス列を送信し、
    前記少なくとも１つのアンテナで、オブジェクトからの戻り信号を受信し、
    前記戻り信号を用いて前記オブジェクトを追跡するためにデータを集め、
    前記制御部は、更に、
    前記ランダム分布を使用して第１パルス列を生成し、
    受信時間ウインドウの中で、前記第１パルス列の前記オブジェクトからの戻り信号に含まれるパルスのうち、使用できないパルスの数を決定することにより、前記レーダーについて、前記第１パルス列に含まれるパルスの合計数に対する前記第１パルス列の前記オブジェクトからの戻り信号に含まれる使用できるパルスの数の比により表される効率を計算し、
    前記使用できるパルスの、周波数空間における最大サイドローブを決定して、ピークサイドローブレベルを決定し、
    前記第１パルス列を生成することと前記効率を計算することと前記ピークサイドローブレベルを決定することを反復することにより、前記ピークサイドローブレベルを最小限に抑え且つ前記効率を最大化する第１パルス列を決定し、
    前記決定した第１パルス列を生成するために使用されたランダム分布を、前記追跡信号パルス列を生成するために使用されるべきランダム分布として選択する、
    レーダーシステム。
  10. 前記制御部は、レーダー制御部に接続されるコンピューティング装置を含む、請求項９に記載のレーダーシステム。
  11. 前記レーダーアンテナは、アンテナ要素のフェーズドアレイのうちの１つのアンテナ要素である、請求項９に記載のレーダーシステム。
  12. 前記フェーズドアレイの各アンテナ要素は、制御部を有する、請求項１１に記載のレーダーシステム。
  13. 前記アンテナ要素の前記フェーズドアレイのうちの前記アンテナ要素は、サブアレイに分割され、各サブアレイは前記制御部を有する、請求項１１に記載のレーダーシステム。
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