JPS63503166A - 受動電波高度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 朋■ 技ＪｌｉＬ この発明は航空機の計装またはエビオニクス機器の一般的事項である。特に、そ れは、地上からの高度を測定するため他の機上プラットホームまたはロケーショ ンから伝送される電波信号を使用する高度計に関する発明飛行機および他の航空 機の高度は気圧計に基づいた計器によって伝統的に決定される。これがいわゆる 気圧高度計である。このような高度計は広く使用されているけれども、いくつか の欠点を有している０例えば、それらは、気象変化のためと地上高度でなくて平 均海面上の高度を測定するため大気圧変動に対して訂正されるべきである。

電波高度計は航空機の高度を決定するため電磁放射を使用する高度計である。こ のような高度計は電波信号と反射信号の伝送時間差に依存する。米国特許第２． ０２０．３４７号明細書には、初期の装置が記載されている。なお、レーダ高度 計は高度計の他のタイプである（米国特許第３．５４３．２７０号明細書参照） 、従来の電波高度計は約４．３ギガヘルツ（ＧＨｚ）で信号を発生する。電波高 度計またはレーダ高度計は気圧高度計より幾つかの利点があるけれども、これら はあらゆる環境で使用することができない。

特に、不利な地形への航空機の飛行中、全ての電波エネルギー源を保障すること で航空機の検出を防止することが必要である。従って、電波送信機、レーダおよ び電波高度計は、敵が航空機の検出および武器の自動誘導のために放射電磁波を 使用できないようにターンオフされる。幾つかの気圧高度計はこれらの環境で使 用することができるけれども、このような飛行に対して必要とされる所望の精度 および応答度を有していない。これらは地上高度を測定できない。

従って、電波高度計またはレーダ高度計の利点を与えるが、検出される航空機に 帰着する放射電磁波を発生することが得られた装置には非常に望ましい。実際、 受動電波高度計が必要である。受動距離装置は従来未知ではない、米国特許第４ ，１３０，３６０号明細書はレーザ高度計を教示している。米国特許第４，５５ ８，３２３号明細書には、距離の受動測定法、試験航空機に関してターゲットの 速度およびコースの受動測定法が記載されている。しかしながら、受動高度測定 事項は無視される。

電波高度計からめられる精度で地上からの航空機の高度を受動的に決定できる方 法および装置が、難しい問題を解決し、軍用機および商用機で長く思われていた 要求を満足することは、明らがである。

１吸へ４扛 この発明によれば、航空機が電磁エネルギーを放射しないで、航空機の高度を測 定する装置および方法が開示されている。特に、航空機の高度は、第１の航空機 より高い高度に位置する第２の航空機によって放射される電磁放射を用いること によって受動的に決定される。とりわけ、高い方の高度にある航空機は地上およ び第２の航空機、すなわち受動航空機の全体に向けて放射される電磁放射源を備 えている。第２の航空機は、第１の航空機から直接放射される電磁放射を受信す る装置および第１の航空機から放射され、地球面から反射される電磁放射を受信 する装置を備えている。直接路信号、反射信号の受信時間差および２つの信号が 受信される角度を観察することで、受動航空機の高度は計算することができる。

一つの実施例において、低い方の高度の航空機は、機体の上部に一つのアンテナ を備え、機体の下部に他のアンテナを備えている。各アンテナは、受信電磁エネ ルギーの入射角を計算するのに使用できる出力信号を発生するタイプのものであ る。一つの非常に特別の実施例において、高い方の高度にある航空機は、低い方 の高度の航空機の真上に位置するので、直接の電磁放射と反射された電磁放射が 受信される角度は実質的に０度である。

この状態は高度の計算を簡単にする。この発明の他の利点および特徴は、この発 明の詳細な説明、提示された実施例、添付図面およびクレームから容易に明らか になる。

区ｍ冒１吐腹朋− 第１図は、この発明が使用される環境を絵で表した図である。

第２図は、この発明の主題である装置を有している２つの航空機の一般的関係を 示している図である。

第３図は、高度計算の幾何学を示している図である。

１緩ｒ＆吸 この発明は、たくさんの異なった実施例が可能である一方、この開示がこの発明 の原理の例示を考察することであり、図示された特定の実施例にこの発明を限定 するものではないという条件で、一つの特定の実施例が図示され、ここで詳細に 説明されている。

第１図には、地球面上に位置する２つの航空機および一つの衛星がある。特に、 地球の軌道に衛星１０が示され、航空機１２は地球面１４に関して高い高度に配 置され、第２の航空機１６は第１の航空機と地球面間に配置される。この第２の 航空ｆｉ１６は、その航空機が高度決定のため電磁放射を少しも送信しないので 、受動航空機またはプラットホームと呼ばれる。高い方に位置する航空ｔｌ１１ ２または衛星１０は、それが受動航空機１６の高度を決定するため電磁放射源で ある限り、能動航空機または能動プラットホームと呼ばれる。

電波高度計からめられる精度で航空機の高度を決定するための受動装置の有用性 は次の例から良く理解できる。軍事作戦中、航空機が極端に低い高度または“ス リートップ”レベルで飛行することによって敵の防衛施設に突入することが数回 ある。このような低い高度で飛行する航空機は、従来の陸上基地レーダシステム の探索路の下を通る可能性がある。予想されるように、航空機が、低い高度で、 特に高速度で飛行している時、高度の決定はパイロットにとって非常に重要であ る。もし自動システムが航空機の高度に応じて航空機を制御するのに使用される ならば、たいてい、航空機は低い高度で高速度で操作されることができる。換言 すると、電波またはレーダ高度計で得られるような高精度の高度計は、このよう な操作の成功にとって非常に重要である。同様に、ミサイルが防衛施設に突入し 、ターゲットがさく裂するまで検出されないままでいることを可能にするため、 ちょうど海面上のような非常に低い高度で、巡航ミサイルのようなミサイルを飛 ばすことがしばしば望ましい、赤外線端末誘導装置が使用されるが、その誘導装 置は高精度の高度情報を備えていない。最後に、設置された装置は最少に保たれ なければならないし、第二次またはバックアップ電波高度計は設置するのにあま りに費用がかかり、または完全な冗長性が正当化されることができない場合があ る。従って、正確で低価な他の電波高度計が好結果の飛行の見込みを改善するた め得られるにちがいない。

次に、第２図に示された２つのヘリコプタ１０’および１６が地球面１４上に垂 直に配置されている。一方の航空機が他方の航空機の真上にあるような配置の有 用性は次の説明から明らかになる。一般的にするため、固定翼航空機として描か れている第３の航空機がまた示されている。一つの能動および受動航空機または 他の機上プラットホームのみが必要であるけれども、異なった高度に配置された 複数の航空機は高度比較のため使用される。同様に、異なった放射器は飛行にお ける異なった点で使用される。下記の説明から明らかになるような問題のため、 高い方の高度プラットホームは静止衛星または他の衛星（第１図参照）であり、 レーザ放射は電波およびレーザ送信の代わりに使用される。

第３図には、この発明の主題である受動電波高度計（ＰＲＡ）を使用する低い高 度のプラットホーム２以上に配置されたプラットホームから放射される高周波エ ネルギー源Ｓが示されている。ＰＲＡを有する航空機Ｐは航空機の頭部ＴＡおよ び底部ＢＡにアンテナを有する。

航空機Ｐの頭部アンテナＴＡに到達した信号と航空ｆｉＰの底部アンテナＢＡに 到来した信号間の時間を測定することによって、航空機の高度が計算することが できる。

概して、この計算は、航空機が、一般に航空機の底部に位置し水平に互いに分離 されている送受信アンテナを有している従来の電波高度計によって実行されるそ れと同じである（米国特許第３，３６４，４８５号明細書参照）。

図に示されているように、Ｒ１は高周波エネルギー源Ｓと頭部アンテナＴＡ間の 直進距離を表し、Ｒ２は高周波エネルギー源Ｓと地球面１４における反射点Ｒ間 の距離を表し、Ｒ３は地球面１４における反射点Ｒから底部アンテナＢＡまでの 距離を表し、Ａ１は２つの航空機間の直進路に対する頂角であり、Ａ２は反射さ れた放射路に対する頂角であり、ＤＡは受動航空ｉＰの２つのアンテナＴＡとＢ Ａ間の垂直距離であり、ＨＡは能動航空機Ｓの高度であり、ＨＰは受動航空機Ｐ の高度である。

いま、もしＴ１が能動航空１ｆｉＳから頭部アンテナＴＡまでの伝搬時間であり 、Ｔ２が能動航空８！Ｓから地球面１４の反射点Ｒまでの伝搬時間であり、Ｔ３ が反射点Ｒから底部アンテナＢＡまでの伝搬時間であるならば、時間差は下記の ようになる。

ＤＴ＝Ｔ２＋Ｔ３−Ｔ１ 距離は時間を掛けられた割合に等しいので、ここで、Ｃは光速である。すなわち ＣＤＴ＝Ｒ２＋Ｒ３−Ｒ１ 精査すると、下記のように示すことができる。

ＨＰ：Ｃ／２［（Ｔ２＋Ｔ３）ｃ　ｏ　５Ａ２−Ｔ　１　ｃ　ｏ　ｓＡ１］いま 、２つの航空機が本質的に互いに垂直に配置される時、Ａ２＝Ａ１である。従っ て、 ＨＰ＝０．５ＣＴＤ　ＴｃｏｓＡｌ そして、もしＡ１およびＡ２が小さいならば、ＨＰ＝０．５ＣＴＤ ここで、ＤＡがほぼ°′０”と仮定すると、距離ＨＡ＝ＨＢである。もし、その 仮定が成立しなければ、ＨＰ＝０．５　ＤＴ　Ｃ−ＤＡ 少なくとも、ＴＡおよびＢＡでの到来角を測定することによって、高度のより正 確な決定ができる。４〜５ギガヘルツ（ＧＨｚ）範囲での使用に適する電波高度 計アンテナはボール航空宇宙から得られる。このようなアンテナは約５度の精度 を有し、約３Ｘ３Ｘ１／１６インチの物理的大きさを有する。

前述から、数多くの変更および修正がこの発明の新規な概念の真の精神および範 囲から逸脱しないで実行されることに気がつくだろう０例えば、この発明は地球 面に対する高度測定の特定の環境で詳細に記載されているけれども、この発明の 基本的な原理は、電磁放射が反射される他の固定された物体（即ち、宇宙飛行士 である受動プラットホームを有する宇宙ステーション）に測定範囲を平等に適用 できる。同様に、レーザおよび可視光を含む反射される他の形式の放射が使用さ れる。更に、この発明は、これらのシステムがしばしば気圧高度計と共に電波高 度計を使用する対地接近警報装置の分野で有益である。最後に、前記の受動変動 技術は相互参照、クロスチェックに使用されるか、さもなければ他の高度測定装 置の精度および機能を証明するために使用される。従って、ここで図示された特 定の装置に関してのいかなる制限も意図されていないしまたは推論されるべきで もない。

勿論、クレームの範囲内で行われるような全ての修正を添付クレームによってカ バーするつもりである。

ＦＩＧ、　３ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１のプラットホームより高い地上高度に配置された第２のプラットホーム から地球の方へ向けられた電磁放射源を用いて第１のプラットホームの高度を受 動的に決定する装置であって、 （ａ）前記電磁放射源から直接放射を受信するための第１のプラットホーム上の 上部装置と、（ｂ）前記電磁放射源から放射され、地球面から反射される放射を 受信するための前記第１のプラットホーム上の下部装置と、 （ｃ）前記上部装置および前記下部装置で放射の到来特性を用いて前記第１のプ ラットホームの高度を計算するための前記第１のプラットホーム上のコンピュー タ装置と、 を備えたことを特徴とする第１のプラットホームの高度を受動的に決定する装置 。 ２．前記放射源は衛星であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ３．前記衛星は地球静止軌道にあることを特徴とする請求の範囲第２項記載の装 置。 ４．前記放射源はレーザ放射源であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の 装置。 ５．前記放射源は地球面上空中に留まるヘリコプターに配置されることを特徴と する請求の範囲第１項記載の装置。 ６．前記上部装置および前記下部装置は地球面上の同一高度に本質的に配置され ることを特徴とする請求の範囲１項記載の装置。 ７．前記コンピュータ装置は前記上部装置への放射到来時間と前記下部装置への 放射到来時間との差を用いるアルゴリズムを使用することを特徴とする請求の範 囲第１項記載の装置。 ８．前記コンピュータ装置は垂直基準線に対する前記上部装置への放射到来角を 用いるアルゴリズムを使用することを特徴とする請求の範囲第７項記載の装置。 ９．前記コンピュータ装置は、第１のプラットホームの高度が上部装置への前記 放射到来時間と前記下部装置への前記放射到来時間との時間差に直接比例するよ うなアルゴリズムを使用することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 １０．前記第１のプラットホームは航空機であり、（ａ）前記航空機の気圧高度 を決定する装置と、（ｂ）航空機の気圧高度の変化率を決定する装置と、（ｃ） 気圧高度の変化率が航空機の高度に対して極端である場合には警報信号を与える 警報装置と、をさらに合んでいることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置 。 １１．航空機の高度を受動的に決定する方法であって、（ａ）航空機の高度より 高い高度に放射源を置くステップと、 （ｂ）放射が前記放射源と航空機間の伝達時間を測定するステップと、 （ｃ）放射が地球面によって反射された後、前記放射源から航空機に伝達する時 間を測定するステップと、（ｄ）前記２つの時間測定の差に光速を掛け、その積 を２で割るステップと、 から成ることを特徴とする航空機の高度を受動的に決定する方法。 １２．（ａ）放射源からの航空機の直接放射路と垂直からの放射路との角度を測 定するステップと、（ｂ）ステップ（ｄ）で得られた高度に前記角度のコサイン を掛けるステップと、 とをさらに含んでいることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方法。 １３．航空機は、互いに上部に垂直に配直された上部信号受信機および下部信号 受信機を含み、２つの信号受信機間の距離を測定するステップおよびステップ（ ｄ）で得られた高度を前記上部信号受信機と前記下部信号受信機間の距離で補正 するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方 法。 １４．前記放射源は、直接放射路と反射放射路とは本質的に垂直であるように航 空機の上に直接垂直に配備されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方 法。 １５．前記放射源高度に対する２つの信号受信機間の垂直距離は、２つのアンテ ナ間の垂直距離が考慮される必要がないようにされることであることを特徴とす る請求の範囲第１１項記載の方法。 １６．前記放射源は垂直線から離れて配直され、航空機の高度は下記の式を用い て、 ０．５Ｃ（Ｔ２＋Ｔ３）ｃｏｓＡ２−０．５ＣＴｌｃｏｓＡ１ここで、Ｃ＝光速 、 Ｔ２＋Ｔ３＝反射路放射の伝達時間 ＴＩ＝恒接路放射の伝達時間 Ａ２＝垂直線に対する反射路角 Ａ１＝垂直線に対する直接略角 計算されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方法。 １７．前記航空機と第１の放射源間の高度に第２の放射源をさらに含み、ステッ プ（ａ）〜（ｄ）は各放射源を用いて実行され、高度の２つの計算は相互に比較 されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方法。 １８．前記放射源は地球面に対して静止していることを特徴とする請求の範囲第 １１項記載の方法。