JP6081394B2

JP6081394B2 - 測位システム及び測位方法

Info

Publication number: JP6081394B2
Application number: JP2014039136A
Authority: JP
Inventors: 裕和下牧
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: US9733352B2; JP2015161679A; US20150247929A1; EP2913690B1; EP2913690A1

Description

本発明の実施形態は、航空機等の目標の位置を推定する測位システム及び測位方法に関する。

マルチスタティックレーダ（ＭＳＰＳＲ：Multi-Static Primary Surveillance Radar）での測位では、送信機からパルス状の電波を発射し、ターゲットに反射させ、その反射電波を複数の受信機で受信し、送受信の時間差から楕円測位を行うことにより、ターゲットの位置（レンジ）を推定する。また、送信機と受信機との複数の組み合わせを用いることにより、複数の送信−受信間での双曲線測位を行い、ターゲットの特定が可能となる。

特許２９６２９８３号公報

ところが、受信機で反射波を受信する際、受信環境や、受信感度等の性能により、正確に受信できない場合が存在する。このことは、観測精度、追尾性能の劣化、ひいては、位置推定の誤差要因に繋がる。

本実施形態の目的は、受信パルスの観測精度を高め、効率的に目標を追尾できる測位システム及び測位方法を提供することにある。

本実施形態に係る測位システムは、送信装置で電波を送信し、目標からの反射波を受信装置で受信して目標を測位するマルチスタティックレーダ測位システムにおいて、送信装置は、ＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信して、ＧＰＳ衛星から定期的に送信される基準信号を出力する第１のＧＰＳ受信部と、基準信号を電波送信時刻同期信号として用いて、電波を所定の時間間隔で送信する送信部とを具備し、受信装置は、ＧＰＳ信号を受信してタイムスタンプを出力する第２のＧＰＳ受信部と、反射波を受信し、受信した反射波を検波することにより得られた受信信号に、タイムスタンプを用いて、反射波が受信された時刻情報を付加する信号受信部と、受信信号の受信周波数と電波の送信周波数とからドップラ周波数を算出するドップラ周波数算出部と、電波が送信される時間間隔に、ドップラ周波数に含まれるドップラ速度成分から計算された想定時間差が加えられた、次の反射波が到来する時刻を計算し、計算された時刻と、次の反射波が実際に到来した時刻との差である到来時間差を計測する到来時間差算出部とを具備し、信号受信部は、電波が送信される時間間隔に、想定時間差と到来時間差とが加えられた、次の反射波の受信想定時刻、を中心に設定された時間幅のゲートである時間フィルタを設定する。

本実施形態に係る測位システムの構成を示す図。送信装置の詳細構成を示す図。受信装置の詳細構成を示す図。ドップラ周波数を説明するための図。時間フィルタの設定手法を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る測位システム及び測位方法を説明する。
図１は、本実施形態に係る測位システムの構成を示す図である。この測位システムは、ターゲットにパルス状の電波を送信する送信装置１と、ターゲットからの反射波を受信する受信装置２と、ターゲットの位置情報を推定する測位処理装置３とを備える。送信装置１及び受信装置２は、ネットワークを介して測位処理装置３に接続されている。

なお、送信装置１と受信装置２が１組の場合は、バイスタティック（Bi-Static）であり、送信装置１と受信装置２の組み合わせが複数ある場合は、マルチスタティック（Multi-Static）となる。ここでは、説明を簡単にするために、バイスタティックの構成で以下の説明を行う。

送信装置１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ１１、ＧＰＳ受信機１２、信号送信機１３、及び送信アンテナ１４を有する。ＧＰＳ受信機１２は、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号をＧＰＳアンテナ１１により受信し、タイムスタンプと１ＰＰＳ信号とを信号送信機１３へ出力する。信号送信機１３は、ＧＰＳ受信機１２から出力される１ＰＰＳ信号に基づいて送信タイミングを制御し、所定の時間間隔で電波を送信アンテナ１４から発射する。また、信号送信機１３は、タイムスタンプを用いて電波の送信時刻を測位処理装置３に送信する。

１ＰＰＳ信号は、ＧＰＳ衛星から１秒に１回送信される基準信号であり、信号送信機１３の電波送信時刻同期信号として用いる。この１ＰＰＳ信号は、ＧＰＳ衛星の時刻精度に依存する。ＧＰＳ衛星は高精度の時刻精度を持っており、１ＰＰＳ信号をＧＰＳ受信機１２の中で時刻補正信号とすることで、高精度のタイムスタンプを出力することが可能である。

受信装置２は、ＧＰＳアンテナ２１、ＧＰＳ受信機２２、受信アンテナ２３、信号受信機２４、及び速度成分・到来時間差算出器２５を有する。ＧＰＳ受信機２２は、上記ＧＰＳ受信機１２と同様にＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号をＧＰＳアンテナ２１により受信し、タイムスタンプと１ＰＰＳ信号とを信号受信機２４へ出力する。信号受信機２４は、ターゲットからの反射波を受信アンテナ２３により受信し、検波処理器２４５において検波した受信信号にＧＰＳ受信機２２からのタイムスタンプを用いて受信時刻情報を付加する。

速度成分・到来時間差算出器２５は、信号受信機２４１から送られた受信信号の周波数情報を用いて、送信周波数からの差を計算し、ドップラ速度成分（ドップラ周波数を含む）を計算する。さらに、速度成分・到来時間差算出器２５は、ドップラ速度成分から、次回にターゲットからの反射波が到来する時刻情報を計算する。また、予想した到来時刻と実際にパルスが到来した時刻との差（到来時間差）を計測し、信号受信機２４内の検波処理器２４５へ送る。

測位処理装置３は、受信装置２からネットワークを介して速度成分・到来時間差算出器２５で算出されたドップラ速度情報と受信信号に付加されたタイムスタンプとを受信する。タイムスタンプの送信時刻情報とタイムスタンプの受信時刻情報とから２点を焦点とする楕円測位を行い、ターゲットの位置を推定する。

また上述したように、信号受信機２４の検波処理器２４５には、速度成分・到来時間差算出器２５から次にターゲットからの電波が到来する時間差情報が送られてくる。検波処理器２４５は、速度成分・到来時間差算出器２５からの到来時間差情報を用いて、次のパルスが到来する時刻を設定し、時間フィルタをかけて受信処理を行う。前回受信した電波の到来時刻情報から時間差（前回時間差）を算出し、時間フィルタの設定パラメータとして使用する。この時間フィルタの設定処理の詳細は後述する。

図２に、送信装置１の詳細構成を示す。ＧＰＳ受信機１２は、ＧＰＳアンテナ１１により受信したＧＰＳ信号を、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１２１で増幅し、ダウンコンバータ１２２でダウンコンバートした後に、デコード処理１２４を行う。デコードされたＧＰＳ信号から時刻情報取得処理１２５でタイムスタンプを取得し、１ＰＰＳ信号発生処理１２６を行う。整数Ｎ合成器１２３で原振１５の高精度クロックをＮ倍したクロックをダウンコンバータ１２２と１ＰＰＳ発生処理１２６とで用いる。

信号送信機１３は、ＧＰＳ受信機１２から出力される１ＰＰＳ信号に基づく送信タイミング制御１３１に従って、送信波形生成処理１３２でパルス波形の送信信号を生成する。キャリア信号生成処理１３５では、整数Ｎ合成器１３４で原振１５の高精度クロックをＮ倍したクロックを用いてキャリア信号を生成し、アップコンバータ１３３に供給する。アップコンバータ１３３は、このキャリア信号を用いて送信信号を所定の周波数にアップコンバートする。無線周波数に変換された送信信号は、高電力増幅器（ＨＰＡ）１３６で電力増幅され、送信アンテナ１４から送信される。送信タイミング制御処理１３１は、ＧＰＳ受信機１２からのタイムスタンプを用いて電波の送信時刻を測位処理装置３へ送信する。

図３に、受信装置２の詳細構成を示す。ＧＰＳ受信機２２は、ＧＰＳアンテナ２１により受信したＧＰＳ信号を低雑音増幅器（ＬＮＡ）２２１で増幅し、ダウンコンバータ２２２で周波数変換した後に、デコード処理２２４を行う。デコードされたＧＰＳ信号から時刻情報取得処理２２５でタイムスタンプを取得し、１ＰＰＳ信号発生処理２２６を行う。整数Ｎ合成器２２３で原振２６の高精度クロックをＮ倍したクロックをダウンコンバータ２２２と１ＰＰＳ発生処理２２６とで用いる。

信号受信機２３は、目標からの反射波を受信アンテナ２３により受信し、受信信号を低雑音増幅器（ＬＮＡ）２４１で増幅し、ダウンコンバータ２４２に出力する。キャリア信号生成処理２４４では、整数Ｎ合成器２４３で原振２６の高精度クロックをＮ倍したクロックを用いてキャリア信号を生成し、ダウンコンバータ２４２に供給する。ダウンコンバータ２４２は、このキャリア信号を用いて受信信号を所定の周波数にダウンコンバートする。検波処理器２４５は、ダウンコンバータ２４２からの出力を検波し、検波した受信信号を速度成分・到来時間差算出器２５へ出力する。

このとき、各サイト（送信サイト及び受信サイト）での時刻同期が必須となるため、原振１５，原振２６を信号送信機１３と信号受信機２３とＧＰＳ受信機１２、２２に共通で用いる。つまり、共通の原振を信号送信機１３のアップコンバート、信号受信機２３のダウンコンバート及び観測クロックとして用いる。原振１５，２６は、ルビジウム（またはセシウム）を用いることにより恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：oven-controlled crystal oscillator）より周波数精度（１×１０^−１０）が良くなる。

このことにより、ＧＰＳ受信機１２と信号送信機１３との間、ＧＰＳ受信機２２と信号受信機２３との間の位相誤差および時刻誤差を低減することが可能である。また、ＧＰＳ衛星から発射される１ＰＰＳ信号を用いて電波の送信タイミングとすることにより、各サイトで時刻誤差の少ない送信電波を発射できる。なお、送信サイトと受信サイトとが時刻同期し、電波の送信時間間隔が予め決まっている場合には、受信装置側で受信信号に送信時刻情報も付加することができる。

次に、図４及び図５を参照して、時間フィルタの設定処理の詳細を説明する。速度成分・到来時間差算出器２５は、追尾対象のパルスを受信し、ドップラ周波数および次回想定時間差Δｔａを計測する。図４に示すように、ドップラ周波数Δｆは、受信装置ＲｘからターゲットＴに向かう向きを正（＋）とする。例えば、ドップラ周波数は式（１）で表すことができる。

Δｆ＝ｆ_Ｔ−ｆ_Ｒｘ・・・（１）
ｆ_Ｒｘ：ターゲットＴからの反射波の受信装置Ｒｘでの受信周波数
ｆ_Ｔ：ターゲットＴに到来する電波の送信周波数（既知）
図５は、時間フィルタの設定手法を示したものである。先ず、追尾対象の１パルス目の受信時刻から、次のパルスの受信想定時刻を推定する。２パルス目の受信想定時刻は、Ａ（送信時間間隔）＋Δｔａ１で示される。次回想定時間差Δｔａは、ドップラ周波数Δｆを用いて、式（２）で求めることができる。
Δｔａ＝２／Δｆ・・・（２）
検波処理器２４５は、２パルス目の受信想定時刻Ａ＋Δｔａ１を中心として時間フィルタ間隔Ｂを設定しておき、時間幅Ｂのゲートを設定する。そのゲートの中で次のパルス（２パルス目）を受信する。

２パルス目のドップラ周波数から次のΔｔａ２と、受信想定時刻Ａ＋Δｔａ１と２パルス目の実際の受信時刻との差から、電波到来想定時間と実際に到来した時間差Δｔｂとを計算する。

３パルス目以降は、受信想定時刻をＡ＋Δｔａ＋Δｔｂと設定する。３パルス目の受信想定時刻は、Ａ＋Δｔａ２＋Δｔｂ２となる。すなわち、３パルス目受信以降、ΔｔａとΔｔｂを前の受信パルスから推定し、次のパルス受信想定時刻を設定する。

上記を繰り返すことにより、受信パルスの追尾を行うことが可能となり、パルスの観測精度を向上させることができる。また、時間フィルタを用いることにより、反射波の観測精度を向上させ、送信装置からの直接波の影響を除去することが可能である。

したがって、上記実施形態によれば、受信パルスの観測精度を高め、効率的に目標を追尾できる測位システムを実現できる。また、ＧＰＳ衛星から発射される１ＰＰＳ信号を用いて電波の送信タイミングとすることにより、各サイト内部の時刻誤差成分を少なくでき、１サイトごとの時間差を極めて少なくできる。

（変形例１）
本実施形態は、バイスタティック（Bi-Static）やマルチスタティック（Multi-Static）に適用したものであるが、同様の受信方式を持つマルチラテレーション（ＭＬＡＴ：Multilateration system）に適用することも可能である。ＭＬＡＴでも、高性能な原振を用い、信号受信機とＧＰＳ受信機のクロックを共通化することにより、時刻精度を向上することができ、ターゲットの観測精度を向上させることが可能である。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…送信装置、１１…ＧＰＳアンテナ、１２…ＧＰＳ受信機、１３…信号送信機、１４…送信アンテナ、２…受信装置、２１…ＧＰＳアンテナ、２２…ＧＰＳ受信機、２３…受信アンテナ、２４…信号受信機、２４５…検波処理器、２５…速度成分・到来時間差算出器、３…測位処理装置。

Claims

送信装置で電波を送信し、目標からの反射波を受信装置で受信して前記目標を測位するマルチスタティックレーダ測位システムにおいて、
前記送信装置は、
ＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信して、ＧＰＳ衛星から定期的に送信される基準信号を出力する第１のＧＰＳ受信部と、
前記基準信号を電波送信時刻同期信号として用いて、前記電波を所定の時間間隔で送信する送信部と
を具備し、
前記受信装置は、
ＧＰＳ信号を受信してタイムスタンプを出力する第２のＧＰＳ受信部と、
前記反射波を受信し、前記受信した反射波を検波することにより得られた受信信号に、前記タイムスタンプを用いて、前記反射波が受信された時刻情報を付加する信号受信部と、
前記受信信号の受信周波数と前記電波の送信周波数とからドップラ周波数を算出するドップラ周波数算出部と、
前記電波が送信される時間間隔に、前記ドップラ周波数に含まれるドップラ速度成分から計算された想定時間差が加えられた、次の反射波が到来する時刻を計算し、前記計算された時刻と、前記次の反射波が実際に到来した時刻との差である到来時間差を計測する到来時間差算出部と
を具備し、
前記信号受信部は、前記電波が送信される時間間隔に、前記想定時間差と前記到来時間差とが加えられた、前記次の反射波の受信想定時刻、を中心に設定された時間幅のゲートである時間フィルタを設定することを特徴とする測位システム。
前記第１のＧＰＳ受信部と、前記送信部と、前記第２のＧＰＳ受信部と、前記信号受信部とで同一の原振を使用し、前記第１のＧＰＳ受信部と、前記送信部と、前記第２のＧＰＳ受信部と、前記信号受信部との間の時刻同期のための観測クロックとして共通して用いることをさらに特徴とする請求項１に記載の測位システム。
送信装置で電波を送信し、目標からの反射波を受信装置で受信して前記目標を測位するマルチスタティックレーダ測位方法において、
前記送信装置は、
第１のＧＰＳ受信部において、ＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信して、ＧＰＳ衛星から定期的に送信される基準信号を出力し、
送信部において、前記基準信号を電波送信時刻同期信号として用いて、所定の時間間隔で前記電波を送信し、
前記受信装置は、
第２のＧＰＳ受信部において、ＧＰＳ信号を受信してタイムスタンプを出力し、
信号受信部において、前記反射波を受信し、前記受信した反射波を検波することにより得られた受信信号に、前記タイムスタンプを用いて、前記反射波が受信された時刻情報を付加し、
ドップラ周波数算出部において、前記受信信号の受信周波数と前記電波の送信周波数とからドップラ周波数を算出し、
到来時間差算出部において、前記電波が送信される時間間隔に、前記ドップラ周波数に含まれるドップラ速度成分から計算された想定時間差が加えられた、次の反射波が到来する時刻を計算し、前記計算された時刻と、前記次の反射波が実際に到来した時刻との差である到来時間差を計測し、
前記信号受信部において、前記電波が送信される時間間隔に、前記想定時間差と前記到来時間差とが加えられた、前記次の反射波の受信想定時刻、を中心に設定された時間幅のゲートである時間フィルタを設定する
ことを特徴とする測位方法。
前記第１のＧＰＳ受信部と、前記送信部と、前記第２のＧＰＳ受信部と、前記信号受信部とで同一の原振を使用し、前記第１のＧＰＳ受信部と、前記送信部と、前記第２のＧＰＳ受信部と、前記信号受信部との間の時刻同期のための観測クロックとして共通して用いることをさらに特徴とする請求項３に記載の測位方法。