JP5135595B2

JP5135595B2 - 方位測定装置

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Publication number: JP5135595B2
Application number: JP2007087717A
Authority: JP
Inventors: 裕幸柿沼
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008249354A

Description

本発明は、たとえば不法電波の監視を行う場合のように到来する電波の方位を空中線素子を使用して測定する方位測定装置に関する。

複数の空中線素子を使用して、同一の電波の到来する時間差あるいは位相差を測定することで、その電波の到来する方位を測定することができる。

図５は、２つの空中線素子を使用した場合の方位測定原理を示したものである。第１の空中線素子１０１₁と第２の空中線素子１０１₂とは、間隔ｄ（以下、空中線間隔ｄという。）だけ離れて固定されている。電波の発信源が十分遠い場所であるものとする。方位θから電波１０２が到来するものとする。このとき、この図５で示されるような配置関係にあると、第１の空中線素子１０１₁は第２の空中線素子１０１₂よりも距離ｌ（エル）だけ電波の発信源から遠くなる。したがって、電波は第１の空中線素子１０１₁で、第２の空中線素子１０１₂よりも距離（経路差）ｌに相当する遅延時間の経過後に到来することになる。経路差と、到来方位の関係式は、次の（１）式で表わすことができる。

ｓｉｎθ＝ｌ／ｄ
∴ θ＝ｓｉｎ^-1 ｌ／ｄ ……（１）

経路差ｌは、同一の電波の位相差として検出することができる。したがって、距離が既知の２点における電波の位相差を測定することで、受信した電波の到来方位の算出が可能になる。経路差の測定誤差が一定であると仮定すると、空中線間隔ｄが大きくなるほど、方位測定誤差を小さくすることができることは、式（１）により明らかである。

従来の方位測定装置では、それぞれの空中線素子を等間隔となるように配置している。測定方位がある程度特定できる場合は、この方位とほぼ直交する方向に直線状に配置する例もあるが、全周の測定を可能とするために、一般的には鉄塔の上に複数の空中線素子を円形となるように配置している。

図６は、空中線素子を円周上に等間隔に５つ配置した５素子空中線の例を示したものである。図で黒点でそれぞれの空中線素子１０１を表わしている。この例では、所定の径の円周１１１上に空中線素子１０１が等間隔に５つ配置されている。これにより、どの方角から電波が到来しても、５つの空中線素子１０１のうちの２つが空中線間隔ｄ（図５）を大きくとることができる。

ところで、測定方位の精度を向上させるためには、それぞれの空中線素子の素子間隔を確保しながら開口面積を大きく確保する必要がある。このためには、すべての空中線素子の配置を変えると共に、素子数の変更も必要となる。

図７は、図６の空中線装置よりも測定方位の精度を向上させる従来の空中線装置の一例を表わしたものである。開口面積を大きくするために、図６と同一位置に配置した円周１１１よりも大径の円周（図示せず）上に、より多くの空中線素子１０１を配置するようにしている。この例では空中線素子１０１が合計９つ配置されている。

図７に示した空中線装置の場合、測定方位の精度をより向上させることができるようになる。しかしながら、図６の空中線装置から改良しようとした場合に、すべての空中線素子１０１の配置を変更する必要が生じる。また、空中線素子１０１の数および配置面積も大幅に増加する。したがって、たとえば鉄塔上に図６に示したような５素子空中線を配置していた場合、鉄塔そのものを大型にするか、補強しなければならない。

また、それぞれの空中線素子をビルの屋上等の高所に別々に配置しているような場合、屋上の面積のように配置スペースが限られてしまう場合が多い。したがって、図６に示した配置を図７に示した配置に拡大することが可能でない場合も多い。更に、空中線素子１０１の数が大幅に増加することで、方位測定装置の規模が大幅に増大し、コストアップも大幅になるという問題もあった。

円周に沿って複数の空中線素子を配置する一方で、これらと異なる位置に１本の空中線素子を配置することも提案されている（たとえば特許文献１参照）。この提案では、図５あるいは図６に示したように円周上に等間隔に空中線素子を配置すると共に、この円周の中心位置で、上または下に明らかにずれた位置に１本の空中線素子を配置している。
特開平４−１５７３８３号公報（第１ページ右下欄第５行目〜第８行目、図２、図５）

この提案は従来の２次元的な方位の測定の他に、高さ方向の入射角を測定可能にして３次元的な方位の測定を可能にするものである。追加された１本の空中線素子は円周の中心位置に配置されているので、図５における考察からも明らかなように空中線間隔ｄを拡張する効果は期待することができないからである。

したがって、以上説明したように従来の方位測定装置では、方位測定の精度を上げようとすると、空中線素子の配置される円周をより大きなものに変更する必要が生じ、これにより方位測定装置の規模が大幅に増大し、コストアップも大幅になることになった。

そこで本発明の目的は、空中線素子の数を大きく増加することなく、測定方位の精度を向上させることを可能にする方位測定装置を提供することにある。

本発明では、（イ）地上から所定の高さに固定的に位置する所望の点を原点と定めたときのその原点と同一の高さの平面に含まれ、その原点を中心とする所定の直径からなる円周上に複数の第１の空中線素子を等間隔に配置した空中線素子群と、（ロ）この空中線素子群を構成する前記した第１の空中線素子のうちの特定の１箇所の位置を特定の頂点としたときの、残りの２箇所の頂点の位置が前記した特定の頂点から見て前記した第１の空中線素子のそれ以外の位置する側で前記した空中線素子群の前記した円周を構成する円の外側の領域に配置され、かつ前記した特定の頂点の位置から前記した残りの２箇所の頂点の位置までのそれぞれの距離が等しく、これらの距離が前記した残りの２箇所の頂点の位置を結ぶ距離よりも長くなるような位置に前記した残りの２箇所の頂点の位置をそれぞれ配置された第２の空中線素子と、（ハ）前記した円周上に配置された複数の第１の空中線素子の中から任意の２箇所の第１の空中線素子を選択して、目標となる電波の発信源の方向を、この方向に対するこれら２箇所の第１の空中線素子の経路差と電波の到来方向の関係式を用いて算出する第１の空中線素子単独使用時測定手段と、（ニ）前記した残りの２箇所の頂点に存在する前記した第２の空中線素子のうちの１箇所と、前記した特定の頂点に存在する第１の空中線素子を選択して、前記した目標となる電波の発信源の方向を、これらの経路差と電波の到来方向の関係式を用いて算出する第１および第２の空中線素子使用時測定手段と、（ホ）これら第１の空中線素子単独使用時測定手段と第１および第２の空中線素子使用時測定手段のうちの所望の測定手段を測定時に選択する測定時選択手段とを方位測定装置が具備する。

以上説明したように本発明によれば、空中線素子群とこれに追加された形の第２の空中線素子で方位測定装置の空中線素子を構成するので、既存の空中線素子群を使用して方位の測定精度を簡単に向上させることが可能であり、既存の設備の有効利用を図ることができる。また、一次測定のように精度をそれほど要しない測定の場合には、第１の空中線素子単独使用時測定手段を選択することで空中線素子群のみの測定も可能であり、必要に応じて、第１および第２の空中線素子使用時測定手段を選択して追加された形の第２の空中線素子との測定を行うことで、測定の効率化を図ることができる。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

図１は、本実施例の方位測定装置を構成する空中線素子の二次元的な配置を示したものである。図１でＸ軸とＹ軸は、地上のある高さの点である原点「０」と同一の高さの平面に含まれている。原点「０」を中心として、第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅が半径ａの第１の円２０２の円周上に、７２度ずつの角度を置いて等間隔に配置されている。ここで符号ａは測定しようとする電波の波長に依存した任意の長さである。

本実施例では、第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅からなる空中線素子群から距離的に離れた第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇も、同一の方位測定装置２００を構成するものとして配置している。ここで、第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇は、第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅の中でＸ軸成分に関して一番距離的に遠い第５の空中線素子２０１₅と共に、ほぼ正三角形となる三角形の３つの頂点の各位置に配置されている。すなわち、第５〜第７の空中線素子２０１₅〜２０１₇は、第１の円２０２よりも半径の長い第２の円２０３の円周上にほぼ位置しているということができる。

このような第１〜第７の空中線素子２０１₁〜２０１₇の配置構造は、幾つかの手法で実現する。第１の手法としては、第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅が既存の鉄塔の上に設置された５素子空中線であり、残りの第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇は、新たに建築した２つの鉄塔にそれぞれ配置した１素子空中線からなるものである。この場合には、２つの鉄塔を新たに建築して第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇をこれらに１つずつ配置するだけで本実施例の第１〜第７の空中線素子２０１₁〜２０１₇の配置構造を実現することができる。

もちろん、建物の屋上等の比較的高い場所に直接、あるいはこれらの場所や平地に合計７つの鉄塔を建てて、これらのそれぞれに１素子空中線を配置する構造で第１〜第７の空中線素子２０１₁〜２０１₇の配置構造を実現することも可能である。

図２は、これら第１〜第７の空中線素子を使用した方位測定装置の全体的な構成を表わしたものである。方位測定装置２００を構成する第１の空中線素子２０１₁の受信した電波による第１の受信信号２１１₁は、第１の受信機２１２₁に入力される。第１の受信機２１２₁には、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いた制御処理部２１３によって制御される局部発信機２１４の作成した測定周波数に応じた基準信号２１５が入力される。

第１の受信機２１２₁は、この基準信号２１５を基にして第１の受信信号２１１₁を周波数変換して、その出力としての第１の信号２１７₁を第１のＡ／Ｄ変換部２１８₁に入力する。第１のＡ／Ｄ変換部２１８₁は、Ａ／Ｄ変換して得られた第１のデジタル信号２１９₁を第１の直交変換部２２０₁に供給する。第１の直交変換部２２０₁は、この第１のデジタル信号２１９₁を実数部Ｉと虚数部Ｑからなる第１の複素データ２２１₁に変換する。この第１の複素データ２２１₁は、方位処理部２２２に入力される。

以上、第１の空中線素子２０１₁の受信した電波が第１の複素データ２２１₁に変換されて方位処理部２２２に入力されるまでの処理を説明したが、第２の空中線素子２０１₂〜第７の空中線素子２０１₇についても同様の処理が行われる。そこで、これらの回路部分の説明は省略する。

方位処理部２２２は、ステアリングベクトル格納部２２３および制御処理部２１３と接続されている。ステアリングベクトル格納部２２３には、到来方位に応じた第１〜第７の空中線素子２０１₁〜２０１₇のパターンデータが、測定周波数ごとに事前測定した結果として格納されている。方位処理部２２２は、設定された周波数に対応するパターンデータを、ステアリングベクトル格納部２２３から取り出す。そして、第１〜第７の直交変換部２２０₁〜２２０₇から入力される受信データとしての第１〜第７の複素データ２２１₁〜２２１₇との相関をとることによって、到来電波の方位を算出するようになっている。

方位算出のためには、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法等のアルゴリズムが存在し、方位処理部２２２がいずれのアルゴリズムを採用するかは自由である。ここでは、ＭＵＳＩＣ法を採用したものとして、方位算出の原理を簡単に説明する。

第１〜第７の空中線素子２０１₁〜２０１₇からなるアレーアンテナによる入力ベクトルをＸ(ｔ)とする。アレーアンテナの素子数をＫとする。本実施例では素子数Ｋは「７」であるが、入力ベクトルＸ(ｔ)を表わす一般式は次の（２）式の通りとなる。

Ｘ（ｔ）＝｛Ｘ１（ｔ），Ｘ２（ｔ），…，ＸＫ（ｔ）｝ ……（２）

この（２）式を用いて、次の式（３）によりＫ次元の自己相関行列Ｓを算出する。

Ｓ＝Ｅ［Ｘ（ｔ）Ｘ^H（ｔ）］ ……（３）
ただし、符号Ｈは共役転置を表わす。

この自己相関行列Ｓの一般固有値問題を解くと、得られる固有値は、次の（４）式で表わされる。

λ₁≧λ₂≧…≧λ_L＞λ_L+1＝λ_L+2…＝λ_K ……（４）

この（４）式で符号Ｌが到来波数となる。ここで求められた符号Ｌと固有ベクトル｛ｅ_L+1…ｅ_K｝の関係および到来方位θの関数である｛ｅ_L+1…ｅ_K｝の関係から、到来方位θの評価関数Ｐ_mu（θ）は次の（５）式から求めることができる。

ただし符号Ｅ_Nは次の（６）式で表わされる。

Ｅ_N＝［ｅ_L+1，…，ｅ_K］ ……（６）
また、ａ（θ）はアレーの応答ベクトルである。

評価関数Ｐ_mu（θ）が、ピークを示す｛θＬ，…，θＫ｝が、算出される電波の到来方位となる。

このように本実施例では、第１の円２０２の円周上の第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅を既存の空中線素子群とすると、これに第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇を追加的に配置している。これにより、第１の円２０２よりも半径の長い第２の円２０３の円周上の第５〜第７の空中線素子２０１₅〜２０１₇を主として用いた方位測定が可能になる。

図２に示した制御処理部２１３は、演算によって求められた方位の測定結果２２５を出力端子２２６に出力する。出力端子２２６には、測定結果２２５として出力されるデータの種類に応じて、図示しないプリンタやディスプレイが接続されることになる。

＜発明の第１の変形例＞

図３は、本発明の第１の変形例における第１〜第７の空中線素子の配置構造を示したものである。第１の円２０２の円周上には、図１と同様に第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅が配置されている。この図で外枠３０１がビルの屋上で鉄塔を建てることのできるスペースであるとする。第１の円２０２が、図示のように外枠３０１の一方に偏った位置に配置されているとし、第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇の２つを増設するとする。この場合、第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇の２つと第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅の内のいずれかが正三角形を構成するように第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇の位置を定めることも可能である。しかしながら、外枠３０１内のスペースを有効活用して、一点鎖線３０２で示した二等辺三角形に近い形状で図示のように第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇の位置を定める方が、全方位に対する方位測定の精度が上がる。

このように空中線素子群の第１の円２０２の外側に配置される第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇は、たとえば第５の空中線素子２０１₅と正三角形の各頂点を形成する位置に存在する必要はない。ただし、これら第６および第７の空中線素子２０１₆、２０１₇は、第１の円２０２の中心あるいは第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅を基点とするときそれぞれ異なった方位に存在する必要がある。仮に、第５〜第７の空中線素子２０１₅〜２０１₇がすべて同一直線上に配置されていたとすると、この直線と直交する方向に近似した方向での方位の測定は精度よく行われるが、この直線と傾きがあまり変わらない方向での方位の測定の精度が十分向上しないからである。

＜発明の第２の変形例＞

図４は、本発明の第２の変形例における第１〜第８の空中線素子の配置構造を示したものである。この第２の変形例では、第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅に対して第６〜第８の空中線素子２０１₆〜２０１₈の３つの空中線素子を増設する場合の理想的な配置を示している。第５〜第８の空中線素子２０１₅〜２０１₈の各位置が一点鎖線３１１で示す正方形の各頂点と一致している。これは、第１の円２０２よりも半径が長い第２の円３１２の円周上に第５〜第８の空中線素子２０１₅〜２０１₈がそれぞれ位置していることを意味しており、最大の開口面積となる。

なお、実施例および各変形例では、各空中線素子がすべて同一平面内に位置していることを前提として説明を行ったが、追加された第６〜第８の空中線素子２０１₆〜２０１₈が第１の円２０２の存在する面とは異なった上下位置に配置されていてもよい。これにより、方位だけでなく仰角や俯角の測定も可能になる。

また、実施例および変形例では第１の円２０２の円周上に第１〜第５の空中線素子２０１₁〜２０１₅が配置されるものとして説明したが、これらの空中線素子は全方位の測定に際して３つ以上であればその個数が特に限定されるものではないことは当然である。第１の円２０２の外側に配置する空中線素子の数も特に限定されるものでないことは当然である。

本発明の一実施例における方位測定装置を構成する空中線素子の二次元的な配置を示した配置説明図である。本実施例の方位測定装置の全体的な構成を表わしたブロック図である。本発明の第１の変形例における第１〜第７の空中線素子の配置構造を示した配置説明図である。本発明の第２の変形例における第１〜第８の空中線素子の配置構造を示した配置説明図である２つの空中線素子を使用した場合の方位測定原理を示した説明図である。空中線素子を円周上に等間隔に５つ配置した５素子空中線の例を示した配置説明図である。図６の空中線装置よりも測定方位の精度を向上させる従来の空中線装置の一例を表わした配置説明図である。

符号の説明

２００
２０１₁〜２０１₅ 第１〜第５の空中線素子（空中線素子群）
２０１₅〜２０１₈ 第５〜第８の空中線素子
２０２第１の円
２０３、３１２第２の円
２１３制御処理部
２２２方位処理部

Claims

地上から所定の高さに固定的に位置する所望の点を原点と定めたときのその原点と同一の高さの平面に含まれ、その原点を中心とする所定の直径からなる円周上に複数の第１の空中線素子を等間隔に配置した空中線素子群と、
この空中線素子群を構成する前記第１の空中線素子のうちの特定の１箇所の位置を特定の頂点としたときの、残りの２箇所の頂点の位置が前記特定の頂点から見て前記第１の空中線素子のそれ以外の位置する側で前記空中線素子群の前記円周を構成する円の外側の領域に配置され、かつ前記特定の頂点の位置から前記残りの２箇所の頂点の位置までのそれぞれの距離が等しく、これらの距離が前記残りの２箇所の頂点の位置を結ぶ距離よりも長くなるような位置に前記残りの２箇所の頂点の位置をそれぞれ配置された第２の空中線素子と、
前記円周上に配置された複数の第１の空中線素子の中から任意の２箇所の第１の空中線素子を選択して、目標となる電波の発信源の方向を、この方向に対するこれら２箇所の第１の空中線素子の経路差と電波の到来方向の関係式を用いて算出する第１の空中線素子単独使用時測定手段と、
前記残りの２箇所の頂点に存在する前記第２の空中線素子のうちの１箇所と、前記特定の頂点に存在する第１の空中線素子を選択して、前記目標となる電波の発信源の方向を、これらの経路差と電波の到来方向の関係式を用いて算出する第１および第２の空中線素子使用時測定手段と、
これら第１の空中線素子単独使用時測定手段と第１および第２の空中線素子使用時測定手段のうちの所望の測定手段を測定時に選択する測定時選択手段
とを具備することを特徴とする方位測定装置。
前記複数の第１の空中線素子および第２の空中線素子は共に同一面に配置されていることを特徴とする請求項１記載の方位測定装置。
前記複数の第１の空中線素子によって構成する面に対して前記残りの２箇所の頂点にそれぞれ存在する前記第２の空中線素子は垂直方向に距離を置いて配置されていることを特徴とする請求項１記載の方位測定装置。