JPWO2013136648A1

JPWO2013136648A1 - 広域マルチラテレーションシステム、中央局及びそれらに用いる二次元位置算出方法

Info

Publication number: JPWO2013136648A1
Application number: JP2014504649A
Authority: JP
Inventors: 天平近藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2015-08-03
Also published as: WO2013136648A1

Abstract

広域マルチラテレーションシステムは、航空機（１１）からの応答信号を受信する４局以上の受信局（１〜５）と、受信局（１〜５）各々における応答信号の受信時刻を基に航空機（１１）の位置を測位する中央局（７）とから構成される。中央局（７）は、３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる航空機（１１）の気圧高度情報とを用いて航空機（１１）の二次元位置を測位する測位手段を有する。これにより、従来計算できなかった環境においても航空機の位置測位を可能とし、航空機の検出率向上やシステム内での局数の設置数削減に貢献可能な広域マルチラテレーションシステムを提供する。

Description

本発明は広域マルチラテレーションシステム、中央局及びそれらに用いる二次元位置算出方法に関し、特に広域マルチラテレーション（ＷＡＭ：ＷｉｄｅＡｒｅａＭｕｌｔｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎ）システムにおける二次元位置算出方法に関する。

マルチラテレーションシステムは、航空機が送信するＳＳＲ（ＳＳＲ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅＲａｄａｒ：二次監視レーダ）モードＡ／Ｃ応答、ＳＳＲモードＳ応答、捕捉または拡張スキッタ信号を地上の４局以上の受信局で受信し、それらのデータを通信回線を通じて中央局に集め、中央局にて各受信局間の受信時刻の差から航空機の幾何学的位置を計測するシステムである（例えば、特許文献１参照）。

広域マルチラテレーションシステムでは、航空機の測位計算において、航空機の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）と信号送出時刻ｔの４つの未知数を解く必要があるため、四元連立方程式とする必要がある。

すなわち、４局以上の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号を用いて、広域マルチラテレーションシステムでは、ＴＤＯＡ（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ）方式により、航空機の測位計算を行う。

上記のマルチラテレーションを用いた技術としては、空港面探知レーダによる空港面監視を、マルチラテレーションの情報を統合することで補完する技術（例えば、特許文献２参照）、受信局で受信される信号のみでモードＡ応答か、モードＣ応答かを判別する技術（例えば、特許文献３参照）、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）衛星から到来する信号に基づいて複数の受信局同士の高精度の時刻同期を行う技術（例えば、特許文献４参照）等がある。

特開２００９−３００１４６号公報特開２００７−３３３４２７号公報特開２０１１−１１２４６５号公報特開２０１０−２３０４４８号公報

上述した本発明に関連する広域マルチラテレーションシステムでは、上記のように、４局以上の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号を用いて、ＴＤＯＡ方式により、測位計算を行っているため、干渉や遮蔽、電波の到達距離等の影響により、受信局のうち、３局以下でのみＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号を受信した場合、位置測位（４つの未知数の解を得ること）が行えない。

この場合、受信局の設置数を増やせば、上記の問題を解決することはできるが、実際に受信局を増やすことは、その分、受信局を設置するための用地取得を行い、各受信局と中央局との間に回線を敷設しなければならず、費用がかかるという問題も生ずる。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、従来計算できなかった環境においても航空機の位置測位が可能となり、航空機の検出率向上やシステム内での局数の設置数削減に貢献することができる広域マルチラテレーションシステム、中央局及びそれらに用いる二次元位置算出方法を提供することにある。

本発明による広域マルチラテレーションシステムは、航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成される広域マルチラテレーションシステムであって、
前記中央局は、３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位手段を備えている。

本発明による中央局は、航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成される広域マルチラテレーションシステムに用いる中央局であって、
３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位手段を備えている。

本発明による二次元位置算出方法は、航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成される広域マルチラテレーションシステムに用いる二次元位置算出方法であって、
前記中央局が、３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位処理を実行している。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、従来計算できなかった環境においても航空機の位置測位が可能となり、航空機の検出率向上やシステム内での局数の設置数削減に貢献することができるという効果が得られる。

本発明の実施の形態による広域マルチラテレーションシステムの構成例を示すブロック図である。図１の中央局７の構成例を示すブロック図である。４局の受信局からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６による測位計算を説明するための図である。３局の受信局からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６による測位計算を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明による広域マルチラテレーション（ＷＡＭ：ＷｉｄｅＡｒｅａＭｕｌｔｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎ）システムに用いられる航空機の測位計算方式について述べる。

広域マルチラテレーションシステムでは、通常、４局以上の受信局で、航空機が送信するＳＳＲ（ＳＳＲ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅＲａｄａｒ：二次監視レーダ）モードＡ／Ｃ応答、ＳＳＲモードＳ応答、捕捉または拡張スキッタ信号を受信し、航空機の位置を求めているが、本発明は、３局の受信局の受信データのみから航空機の位置を算出するための方法を提供するものである。

航空機からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号には、航空機自身が計測した気圧高度情報［モードＣもしくはモードＳ応答より算出が可能：ＩＣＡＯ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ：国際民間航空機関）が発行している国際民間航空条約・第１０附属書（ＩＣＡＯＡＮＮＥＸ１０Ｖｏｌ４ａｍｅｎｄｍｅｎｔ８５参照）］が含まれている。

本発明では、この気圧高度情報を使用することで、航空機の測位計算にて、航空機の二次元位置及び信号送出時刻と気圧高度情報との３つの未知数が得られるため、三元連立方程式とすることができる。すなわち、本発明では、３局の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号を用いて、３つの未知数を得てＴＤＯＡ（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ）方式により、航空機の測位計算を行う。

これによって、本発明では、従来計算できなかった環境においても航空機の位置測位が可能となり、航空機の検出率向上やシステム内での局数の設置数削減に貢献することができる。

図１は本発明の実施の形態による広域マルチラテレーションシステムの構成例を示すブロック図である。図１において、本実施の形態による広域マルチラテレーションシステムは、複数の受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５と、中央局７とから構成されている。

受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５は、中央局７に通信回線にて接続されるとともに、ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）受信機８−１〜８−５を有し、ＧＰＳ／ＧＥＯ（ＧｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙＥａｒｔｈＯｒｂｉｔａｌ）衛星８からのＧＰＳ時刻を用いた時刻同期を行う。

また、受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５は、航空機１１からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、もしくは、スキッタ信号６を無指向性もしくは広指向性空中線にて受信し、その信号を解読した後、到着した時刻を処理データに付与し、その処理データを通信回線を用いて中央局７に送信する。

ＳＳＲモードＡ／Ｃ応答については、受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５内の応答ゲート（図示せず）にて受信した応答のみを処理する。ＳＳＲモードＳ応答及びスキッタ信号については、応答ゲートに関係なく処理し、中央局７に処理データを送信する。

中央局７は、受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５からＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６の処理データを受け取り、各受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５の受信時刻の差から航空機１１の高度を含む位置測位を行う。

中央局７と受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５との間で接続される通信回線上には、ＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６の処理データ、ＧＰＳ受信データ、システムの制御監視データが流れる。

図２は図１の中央局７の構成例を示すブロック図である。図２において、中央局７は、受信情報収集部７１と、目標位置測位部７２と、目標情報解析部７３とを備えている。尚、中央局７の他の機能については、本発明に直接関係しないので、その図示及び説明を省略する。

中央局７では、受信情報収集部７１にて受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５から収集した収集データ（目標データ）から、目標位置測位部７２にて目標測位を行い、目標情報解析部７３にて目標位置測位部７２からの測位データ内の情報解析を行う。

図３は４局の受信局からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６による測位計算を説明するための図であり、図４は３局の受信局からのＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６による測位計算を説明するための図である。これら図１〜図４を参照して本発明の実施の形態による広域マルチラテレーションシステムに用いられる航空機の測位計算方式について説明する。

これら図３及び図４においては、航空機１１が位置（ｘ，ｙ，ｚ）において時刻ｔにＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６を送信し、位置［（ｘ１，ｙ１，ｚ１），（ｘ２，ｙ２，ｚ２），（ｘ３，ｙ３，ｚ３），（ｘ４，ｙ４，ｚ４）］にある各受信局１〜４が時刻ｔ１〜ｔ４にＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６を受信している。

受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５間では、各ＧＰＳ受信機８−１〜８−５により時刻同期をとる。ＧＰＳ受信機８−１〜８−５を用いた時刻同期に関しては、上記の特許文献４に記載の方法によって時刻同期を行うことで、精度良く同期をとることが可能である。

中央局７は、受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５からＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６の処理データを受信情報収集部７１にて受け取り、各受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）１〜５の受信時刻の差から航空機１１の高度を含む位置測位を目標位置測位部７２にて行う。

このとき、中央局７は、４局以上の受信局１〜４からの応答があれば、図３に示す従来の計算方式を用いて四元連立方程式を解けばよい。つまり、航空機１１と各受信局１〜４との間には、

という式が成り立つ。ここで、γｉは航空機１１と各受信局１〜４との距離（ｉ＝１〜４）、ｔｉ'は受信局1を基準とした受信機間の時刻同期を行った後の信号受信時刻（ｉ＝１〜４，ｔ１'＝ｔ１）、ｃは光速である。

一方、山９やビル１０等による干渉や遮蔽、電波の到達距離等の影響によって受信局１〜５のうち３局のみからしか応答がなかった場合は、本実施の形態における計算式、つまり、

という式により航空機１１の測位計算を行う。ここで、γｉは航空機１１と各受信局１〜３との距離（ｉ＝１〜３）、ｔｉ'は受信局1を基準とした受信機間の時刻同期を行った後の信号受信時刻（ｉ＝１〜３，ｔ１'＝ｔ１）、ＨはモードC気圧高度［ｍ］、ｃは光速である。

このように、本実施の形態では、３局の受信局１〜３による計算の場合、ターゲット（航空機１１）位置（ｘ，ｙ，ｚ）のｚをＨに置き換えて、（２）式により測位計算を行っている。

図３及び図４では、受信局１を座標中心とした座標系を用いており、航空機１１の位置は、ｘ，ｙ，ｚにて表される。この座標のうち"ｚ"を高度と見立て、航空機１１から送出されるＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６に含まれている気圧高度Ｈ（モードＣもしくはモードＳのデータに含まれる）を使用することで、連立方程式を解き、航空機１１の水平位置（ｘ，ｙ）を求める。

航空管制において、高度は常に気圧高度Ｈを利用して行われるため、"ｚ"を算出する必要はない。したがって、算出した水平位置（ｘ，ｙ）と、ＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号６から取得した気圧高度Ｈとを出力とすることで、航空機１１の位置を後段の管制システム（図示せず）に送ればよい。

本発明に関連する広域マルチラテレーションシステムによる方式では、４箇所以上の受信局１〜５にてデータを受信しなければ、航空機１１の位置を計測することができない。すなわち、山９やビル１０による干渉や遮蔽、電波の到達距離等の影響により、データを受信できない状況になり、受信局１〜５のうち３局の受信局１〜３からしか受信できなかった場合、航空機１１の位置を算出することができず、後段の管制システムが航空機１１の存在及び位置を把握することができない。

しかしながら、本実施の形態では、受信局１〜５のうち３局の受信局から受信することができれば、航空機１１の存在及び位置を把握することができ、後段の管制システムに、航空機１１の位置と航空機情報とを伝えることができるようになる。

従来は、冗長性を考え、多くの受信局の配置を考える必要があるが、本実施の形態による方法によって、少ない受信局で航空機１１の位置を算出することができる。

本発明の他の実施の形態としては、以下の方法が考えられる。つまり、気圧高度Ｈは、測定方法が気圧計によって行われるため、４局を用いて計算した３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）の"ｚ"とは異なり、多少の誤差を持つこととなる。

本発明に関連する広域マルチラテレーションシステムによる方式の４つの受信局による測位計算と、本実施の形態による３つの受信局による測位計算との両方の位置結果を用いて追尾し、測位結果を平滑化することにより、航空機１１の実位置に、より近い結果を後段の管制システムに伝えることができる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１２年３月１４日に出願された日本出願特願２０１２−０５６５６９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１〜５受信局（Ｎｏ１〜Ｎｏ５）
６ＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号
７中央局
８ＧＰＳ／ＧＥＯ衛星
９山
１０ビル
１１航空機
７１受信情報収集部
７２目標位置測位部
７３目標情報解析部

Claims

航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成され、
前記中央局は、３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位手段を有することを特徴とする広域マルチラテレーションシステム。
前記測位手段は、前記航空機が送信するＳＳＲ（ＳＳＲ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅＲａｄａｒ）モードＣ応答信号もしくはＳＳＲモードＳ応答信号に含まれかつ当該航空機自身が計測した気圧高度情報と、３局の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号とを用いて３つの未知数を得てＴＤＯＡ（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ）方式により当該航空機の測位計算を行うことを特徴とする請求項１記載の広域マルチラテレーションシステム。
前記４局以上の受信局による測位計算と、前記気圧高度情報と前記３局の受信局とによる測位計算との両方の位置結果を用いて前記航空機を追尾し、測位結果を平滑化することを特徴とする請求項１または請求項２記載の広域マルチラテレーションシステム。
航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成される広域マルチラテレーションシステムに用いる中央局であって、
３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位手段を有することを特徴とする中央局。
前記測位手段は、前記航空機が送信するＳＳＲ（ＳＳＲ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅＲａｄａｒ）モードＣ応答信号もしくはＳＳＲモードＳ応答信号に含まれかつ当該航空機自身が計測した気圧高度情報と、３局の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号とを用いて３つの未知数を得てＴＤＯＡ（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ）方式により当該航空機の測位計算を行うことを特徴とする請求項４記載の中央局。
前記４局以上の受信局による測位計算と、前記気圧高度情報と前記３局の受信局とによる測位計算との両方の位置結果を用いて前記航空機を追尾し、測位結果を平滑化することを特徴とする請求項４または請求項５記載の中央局。
航空機からの応答信号を受信する４局以上の受信局と、前記受信局各々における前記応答信号の受信時刻を基に前記航空機の位置を測位する中央局とから構成される広域マルチラテレーションシステムに用いる二次元位置算出方法であって、
前記中央局が、３局の受信局で受信した応答信号と、当該応答信号に含まれる前記航空機の気圧高度情報とを用いて前記航空機の二次元位置を測位する測位処理を実行することを特徴とする二次元位置算出方法。
前記測位処理において、前記航空機が送信するＳＳＲ（ＳＳＲ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅＲａｄａｒ）モードＣ応答信号もしくはＳＳＲモードＳ応答信号に含まれかつ当該航空機自身が計測した気圧高度情報と、３局の受信局で受信したＳＳＲモードＡ／Ｃ／Ｓ応答、スキッタ信号とを用いて３つの未知数を得てＴＤＯＡ（ＴｉｍｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ）方式により当該航空機の測位計算を行うことを特徴とする請求項７記載の二次元位置算出方法。
前記中央局が、前記４局以上の受信局による測位計算と、前記気圧高度情報と前記３局の受信局とによる測位計算との両方の位置結果を用いて前記航空機を追尾し、測位結果を平滑化することを特徴とする請求項７または請求項８記載の二次元位置算出方法。