(57)【要約】本発明は、ＰＣＬレーダ応用分野におけるデブリ追跡のドップラー追跡を相関付けるシステムおよび方法を対象とする。開示される実施形態は、デブリ片の検出および複数の照射チャネルにわたるデブリ片からのドップラー信号の関連付けに使用されるシステムおよび方法について述べる。本発明は、デブリ状態ベクトルおよび軌道予測の計算も提供し、それによってデブリの衝突点を求める。
2005517190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用放送信号を使用してデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムであって、
目標反射信号および照射器放送信号からの直接信号を受信する少なくとも１つのＰＣＬ処理ユニットであって、前記反射信号のドップラーシフトを用いて追跡パラメータを求め、前記デブリの追跡を相関付けるためのアルゴリズムを実施するデジタル処理要素を備えた、少なくとも１つのＰＣＬ処理ユニットと、
前記デブリ片の位置を示す表示要素と、
を備える、バイスタティックレーダシステム。
【請求項２】
遠隔周波数参照システムをさらに備える、請求項１記載のバイスタティックレーダシステム。
【請求項３】
デブリを追跡するバイスタティック受動レーダシステムであって、
少なくとも３基の照射器から送信された直接信号および目標により反射された反射信号を受信するアンテナアレイであって、前記反射信号は、前記少なくとも３基の照射器から送信され、前記デブリから反射される、アンテナアレイと、
前記アンテナアレイに接続され、前記アンテナアレイからの信号を受信する複数の受信器と、
前記受信器からの前記直接信号および前記反射信号を受信してデジタル化し、前記デジタル化された直接信号および反射信号から測定パラメータを抽出し、前記測定パラメータを使用して前記デブリの軌道および予測衝突点を計算するデジタル処理要素と、
前記デジタル処理要素からの情報を表示する表示要素と、
を備えるバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項４】
前記アンテナアレイは短距離追跡アンテナを含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項５】
前記アンテナアレイは長距離追跡アンテナを含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項６】
前記アンテナアレイは基準アンテナを含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項７】
前記複数の受信器は少なくとも１つの狭帯域幅受信器を含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項８】
前記複数の受信器は少なくとも１つの広帯域幅受信器を含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項９】
前記複数の受信器は少なくとも１つの基準受信器を含む、請求項３記載のバイスタティック受動レーダシステム。
【請求項１０】
計画された打ち上げイベントに先立ってバイスタティックレーダシステムを検証する方法であって、
送信器の配列を最適化するステップと、
前記システムとのアンテナの短距離／長距離ハンドオーバを予測するステップと、
前記アンテナへの送信器信号の動作を確認するステップと、
を含むバイスタティックレーダシステムを検証する方法。
【請求項１１】
遠隔周波数参照システムがポーリングするステップをさらに含む、請求項１１記載のバイスタティックレーダシステムを検証する方法。
【請求項１２】
打ち上げられた機体からのデブリ片を追跡する方法であって、
前記デブリ片により反射された反射信号および１つまたは複数の照射器からの直接信号を使用して、前記各受信信号のバイスタティックドップラーシフトを計算するステップと、
前記反射信号それぞれの信号対雑音比を計算するステップと、
前記バイスタティックドップラーシフトを使用して前記デブリ片の軌跡を求めるステップと、
を含むデブリ片を追跡する方法。
【請求項１３】
飛行デブリ片を追跡する方法であって、前記デブリは商用放送信号を反射し、前記方法は、
前記反射信号をアンテナアレイで受信するステップと、
前記アンテナアレイで１つまたは複数の照射器からの直接基準信号を受信するステップと、
前記アンテナアレイからの前記信号をデジタル化するステップと、
前記信号を処理するステップであって、それによって同一チャネル干渉の軽減を含め、干渉を除去する、処理するステップと、
前記処理済み受信信号からのデータを可能な目標測定セットと比較することにより、アンビギュイティサーフェスを生成するステップと、
前記アンビギュイティサーフェスを使用して検出を判定するステップと、
前記反射信号を前記直接基準信号と比較することにより、前記検出のドップラーシフトを求めるステップと、
前記検出を線追跡に割り当てるステップと、
前記線追跡を前記デブリ片に関連づけるステップと、
ドップラーシフト関数を使用して前記デブリ片の軌道を推測するステップと、
を含む飛行デブリ片を追跡する方法。
【請求項１４】
前記デブリ片の回収サイトの誤差楕円を推測するステップをさらに含む、請求項１３記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
【請求項１５】
前記回収サイトの誤差楕円を推測するステップは、５０％誤差楕円を計算することをさらに含む、請求項１４記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
【請求項１６】
前記検出のドップラーシフトを求めるステップは、狭帯域ドップラー測定からドップラーシフトを求めることをさらに含む、請求項１３記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
【請求項１７】
前記検出のドップラーシフトを求めるステップは、広帯域ドップラーおよび時間遅延測定からドップラーシフトを求めることをさらに含む、請求項１３記載の飛行デブリ片を追跡する方法。
【請求項１８】
直接および反射の商用放送信号を受信するバイスタティックレーダシステムを使用して検出されたデブリ片を追跡する方法であって、
前記反射信号および前記直接信号からドップラーシフトを求めるステップと、
前記デブリ片に相関する検出をドップラー線追跡に割り当てるステップと、
前記線追跡を前記デブリ片に関連づけるステップと、
前記ドップラーシフトを含む測定を使用して前記デブリ片の軌道を推測するステップと、
前記測定に従って前記デブリ片の衝突点を予測するステップと、
を含む直接および反射の商用放送信号を受信するバイスタティックレーダシステムを使用して検出されたデブリ片を追跡する方法。
【請求項１９】
複数のデブリ片を追跡する方法であって、
反射信号および直接信号を使用して、前記複数のデブリ片それぞれのドップラーシフトを求めるステップと、
前記反射信号から前記複数のデブリ片それぞれに線追跡を割り当てるステップと、
前記線追跡を前記複数のデブリ片それぞれに関連付けるステップと、
前記線追跡からのドップラーシフト測定を使用して、前記複数のデブリ片の軌道を推測するステップと、
前記ドップラーシフト測定に従って前記複数のデブリ片を追跡するステップと、
を含む複数のデブリ片を追跡する方法。
【請求項２０】
デブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法であって、
打ち上げ前較正および検査機能を処理するステップと、
打ち上げられている機体から発せられた信号を受信することにより、目標のステータスを監視する打ち上げ後・破壊前機能を処理するステップと、
破壊前から前記デブリが照射され前記システムにより受信されるまでの時間期間にわたって適切なデータを収集することによって破壊後機能動作を処理するステップと、
各デブリ片の状態ベクトルを計算するデブリ追跡計算機能を処理するステップと、
予測衝突点および誤差楕円の計算を含むデブリ衝突計算機能を処理するステップと、
を含むデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。
【請求項２１】
前記打ち上げ前較正および検査機能を処理するステップは、
送信器の配列を最適化するステップと、
短距離／長距離ハンドオーバを予測するステップと、
照射を確認するステップと、
遠隔周波数基準信号をポーリングするステップと、
をさらに含む、請求項２０記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。
【請求項２２】
前記打ち上げ後機能を処理するステップは、
機体検出を確認するステップと、
目標アンテナを指向させ、前記目標アンテナを検証するステップと、
短距離／長距離ハンドオーバを確認するステップと、
をさらに含む、請求項２０記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。
【請求項２３】
前記破壊後機能を処理するステップは、
目標アンテナを指向させるステップと、
破壊を確認するステップと、
デブリ断片を検出するステップと、
前記デブリ断片のドップラー追跡を関連付けるステップと、
をさらに含む、請求項２０記載のデブリを追跡するバイスタティックレーダシステムを使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、受動可干渉性探索(passive coherent location)（「ＰＣＬ」）レーダシステムおよび受動可干渉性探索方法に関し、特にＰＣＬレーダ応用分野におけるデブリ追跡のドップラー追跡を相関付ける(Doppler track correlation)システムおよび方法に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、本明細書に参照することにより援用される２００２年２月８日出願の「SYSTEM AND METHOD FOR DOPPLER TRACK CORRELATION FOR DEBRIS TRACKING」という名称の米国仮特許出願第６０／３５４，４８１号の利益を請求するものである。
【０００３】
通常、目標対象物（１つまたは複数）の検出および追跡は、一般にレーダとして知られている無線検出・測距を使用して実現される。レーダシステムは通常、電磁エネルギーを放出し、目標対象物により散乱されたそのエネルギーの反射を検出する。到来時間差、ドップラーシフト、および他の様々な反射エネルギーの変化を解析することにより、目標対象物の位置および運動を計算することができる。
【０００４】
様々な利点により、近代のレーダシステムには主にマイクロ波が使用されている。マイクロ波は特に、そのローブの大きさが非常に適している。マイクロ波信号のビーム幅は、わずか数ｃｍの波長で１度のオーダーである場合がある。
【０００５】
目標対象物を検出し追跡することが有用または必要である状況の他に、目標対象物の意図的または偶発的な破壊から生まれるデブリを追跡可能であることが有益な場合がある。例としては、スペースシャトルの打ち上げ、または衛星や他の私的または軍事貨物の打ち上げ等、他のスペースリフトの打ち上げを挙げることができる。
【０００６】
単一の目標対象物から生まれる多数のデブリ片を即座に検出し追跡する専用機器を開発しようという試みがなされてきた。専用機器は、構築、運転、および保守が高価である傾向を有する。レーダシステムは通常、送信器ならびに受信器を必要とする。明らかに、特定のミッションの実現に必要な送信器の数が多くなるほど、システムおよびその運転の全体的なコストは増大する。
【０００７】
さらに、従来のレーダの制約により、マイクロ波に基づくシステムは少数（もしあれば）のデブリ片しか追跡することができない。パルスに基づくレーダシステムは、視野を走査し、タイミングの合わせられたエネルギーパルスを放出するため、各走査とパルスの間に、信号および特定対象物の存在または位置を求める能力のない窓が存在する。デブリ片を連続して追跡することができないことにより、追跡システムがデブリを追跡することができなくなる、またシャトルの乗組員質やスペースリフト打ち上げの貨物等の「高価値」デブリ片をその他のいずれのデブリ片とも区別することができる確率が高くなる。
【０００８】
これらおよび他の欠陥が現行のデブリ追跡システムに存在する。したがって、目標対象物の意図的または偶発的な爆発からのデブリを検出し正確に追跡するように特に設計されたデブリ追跡システムを提供する、こういった問題に対する方策が必要である。
【０００９】
［発明の概要］
したがって、本発明は、ＰＣＬレーダ応用分野におけるデブリ追跡のドップラー追跡を相関付けるシステムおよび方法を対象とする。
【００１０】
デブリ追跡の意図は、破滅的または意図的な破壊イベントの場合に、スペースシャトルの乗組員室やスペースリフト打ち上げ（ＳＬＬ）の潜在的に機密的(sensitive)なペイロード等、機体の重要な構成要素の探索をできるだけ早く可能にすることである。従来の追跡機器はデブリ片のすべては（または場合によってはいずれかを）追跡することができない場合があり、デブリを追跡可能な専用機器は運転および保守に費用がかかり、デブリ片を高価値デブリ片と区別することが難しい場合がある。
【００１１】
ＰＣＬ技術は、範囲に関わりなく、かつ大きな角度領域にわたりすべての対象物の認識範囲を有する、バイスタティックシステムとして動作することから、かなりの空間量にわたる多数の対象物を検出し正確に追跡する能力を有する。さらに、ＰＣＬは、連続波（ＣＷ）ＴＶまたはＦＭ送信器を使用することによって動作するため、必要な無線周波数（「ＲＦ」）エネルギーが常に目標（複数可）上に存在し、目標の位置を非常に高速に更新することができる。またＰＣＬは本来、送信器のＣＷの性質により高い速度精度および分解能を有し、この特徴は、従来のレーダが作業を実行する方法とは基本的に異なる方法で、追跡中の複数の対象物を区別する際に非常に有用である。
【００１２】
ＰＣＬは、完全に受動的かつ内密に、航空機およびミサイルを含め、様々な目標の検出、探索、および正確な位置追跡を可能にする。機能はレーダのようであるが、ＰＣＬは、それ自体いずれのＲＦエネルギーも放射する必要もなければ、目標の検出および追跡のために目標がＲＦエネルギーを放射する必要もない。こういう理由により、ＰＣＬは、内密性(covertness)により敵の領域であっても監視機能を与えられるようにする場合に特に適している。
【００１３】
内密な面(covertness aspects)に加えて、ＰＣＬの使用により、概念上非常に高いエネルギーの信号が使用されることにより目標の検出可能性を高めることができる。場合によっては、最大でレーダの２桁上の固有感度が可能である。さらに、ＰＣＬには走査機構が必要ないので、目標の更新はアンテナの機械的な回転に従属せず、すべての目標を望み通りに素早く更新することができる。リアルタイムシステムは、システム認識範囲内のすべての目標に対して毎秒６回の更新率で構築されている。走査や高エネルギーＲＦ電力送信がいずれも必要ないことから、ＰＣＬシステムのコストはレーダと比較した場合低く、信頼性は高い傾向を有する。
【００１４】
広い空間内の複数の対象物の高品位同時追跡を提供するＰＣＬの固有の能力は、レーダが対象物追跡に用いる方法からの脱却である。レーダの場合、レーダシステムは、対象物の追跡を維持するために、走査ビームによって複数の対象物を順次再訪する。ＰＣＬでは、受信器ビームが生成されて同時に処理され、広い角度到達範囲を提供する。こういう理由により、ＰＣＬは意図的または偶発的な破壊イベントからのデブリ追跡に非常に適している。
【００１５】
ドップラー測定を用いてデブリを追跡するシステムおよび方法が開示される。デブリは、シャトル等の飛行機体の爆発または飛行機体からの切り離しの結果生じるものである場合がある。デブリは、ドップラーシフト計算を用いて求めることのできる速度で空間中を移動するはずである。開示される実施形態は、ＰＣＬレーダの原理を用いてデブリの位置および速度を求める。好ましくは、開示される実施形態は少なくとも３つの商用ＴＶ放送信号を利用する。
【００１６】
本発明の実施形態は、複数のデブリ片を正確に同時追跡する作業を考慮し、ミサイルおよび宇宙打ち上げ目標の破壊からのデブリの正確かつ適時な追跡にＰＣＬ技術を使用できるようにするアルゴリズムを開示する。このように、デブリ追跡機能を現在満足させている高価な専用レーダシステムに対する代替として、ＰＣＬ技術を使用することにより、
費用対効果を非常に良くすることが可能である。
【００１７】
本発明の実施形態は、ＰＣＬが費用の面で効率的なシステム構成でデブリ追跡動作する能力を有することを開示する。開示される実施形態は、個々のデブリ片それぞれを分離して追跡する能力を示す。追跡および衝突点予測の精度により、乗組員室やペイロードの回収に備える。
【００１８】
意図的または偶発的な破壊イベントの後、開示される実施形態は、個々の成分デブリ構成要素からの信号の分解を実行し、目標を照射する複数のＰＣＬエミッタにわたる構成要素信号を関連付ける。信号が少なくとも３つの照射器周波数にわたって関連付けられると、それらデブリ片の軌道予測を確立し更新することができる。
【００１９】
ＰＣＬシステムにより追跡可能なデブリ片の数に制限はない。モノスタティックレーダシステムは、各デブリ片に向けられたビームを必要とする。これとは対照的に、ＰＣＬ照射器(illuminator)は広い空間にわたってエネルギーを供給し、この空間内のデブリ片はすべてエネルギーをＰＣＬ受信器に反射する。ＰＣＬシステムにより追跡可能なデブリ片の数は、デブリ片のサイズ、および間隔が狭く同様の軌道を有するデブリ片の検出を分解する能力で決まる。
【００２０】
デブリ追跡に好ましいＰＣＬ照明器は、デブリ片の高度が潜在的に高いことからＴＶ局である。デブリ片は、高い高度にある場合があるため、デブリ片が送信パターンの仰角ビーム幅内にあるように距離の離れたＰＣＬ照明器を使用する必要がある。ＦＭ照射器を使用するには、ＦＭ照射器からＰＣＬ受信器までの距離は、直接パス信号が目標信号と相互相関付けることができるように制限される。これとは対照的に、ＴＶ照射器を使用する場合、必要なのは送信された搬送周波数のみである。これにより、遠隔周波数参照システムを高度の高い目標の追跡に使用することが可能である。
【００２１】
ＴＶ照射器の広い周波数範囲（５５．２５〜８８５．２５ＭＨｚ）により、多様な目的を達成することが可能になる。低周波ＴＶ照射器により、関心のない小型デブリ片の検出を回避することができる。一例として、半径０．５ｍの球体を考える。最大ＲＣＳは、周波数９５ＭＨｚの共振領域において発生する。レイリー領域の周波数が低いほど、ＲＣＳは周波数の低下に伴ってより急激に低下する。したがって、半径０．５ｍ以下のデブリ片の検出を回避するためには、ＴＶチャネル２〜６を使用すべきである。高周波ＴＶ照射器は、間隔が狭く、同様の軌道を有するデブリ片のドップラー分解能を向上させる。ドップラー測定は、波長の逆数によってスケーリングされるバイスタティック距離レートである。したがって、高周波数はバイスタティック距離レートの差を大きくし、ドップラーでの分解能を向上させる。
【００２２】
複数のＴＶ照射器および／またはＰＣＬ受信器の利用により、追跡精度が高まるとともに、探索エリアが減る。世界中の多数のＴＶ照射器により、特定の用途に最適化された配列のＴＶ照射器を選択することが可能になる。主な技術的問題は、複数のＴＶ照射器および多数のデブリ片のデータ関連付け問題である。データ関連付けアルゴリズムは、ドップラー測定のみ向けに設計されている。第１に、ドップラー測定の追跡は、ＴＶ照射器とＰＣＬ受信器の各組み合わせ（リンクと呼ぶ）毎に実行される。各リンク毎に、各デブリ片に対応するドップラー測定が調子を合わせて関連付けられる。第２に、各デブリ片に対応するドップラー測定追跡は、複数のリンクにわたって相関付けられる。第３に、拡張カルマンフィルタ（「ＥＫＦ」）を使用して、各デブリ片の位置および速度追跡を計算し、衝突点を予測する。
【００２３】
追跡アルゴリズムは弾道係数を推測し、これは他のデブリ片からペイロードを区別するのに役立つ。各デブリ片の重要な加速源は大気抗力である。大気抗力を動力学モデルに包含するには、弾道係数を状態ベクトルの成分として推測する必要がある。デブリ片は高度制御を有さないため、弾道係数は可変であり、各ドップラー測定を使用して更新される。弾道係数は、ドップラー測定から直接観察することはできない。しかし、ＥＫＦ状態共分散が外挿されると、弾道係数は状態ベクトルの位置成分および速度成分に相関付けられるようになる。
【００２４】
したがって、本発明の一実施形態によれば、商用放送信号を使用したデブリ追跡用のバイスタティックレーダシステムが開示される。バイスタティックレーダシステムは、少なくとも１つのＰＣＬ受信器を備えて、目標反射信号および照射器からの直接信号を受信する。バイスタティックレーダシステムは、デジタル処理要素も備えて、信号のドップラーシフトを使用して追跡パラメータを求め、各デブリ片の追跡を相関付けるアルゴリズムを実施する。バイスタティックレーダシステムは表示要素も備えて、デブリ片の位置を示す。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、デブリ追跡用のバイスタティック受動レーダシステムが開示される。バイスタティック受動レーダシステムは、アンテナアレイを備えて、直接信号およびデブリからの目標反射信号を受信する。信号は、少なくとも３つの照射器から送信される。アンテナアレイは、短距離追跡アンテナ、長距離追跡アンテナ、および基準アンテナを含み得る。バイスタティック受動レーダシステムは、アンテナアレイに接続された複数の受信器も備えて、アンテナから信号を受け取る。複数の受信器は、狭帯域幅受信器、広帯域幅受信器、および基準受信器を含むことができる。バイスタティック受動レーダシステムはデジタル処理要素も備えて、直接直接信号および反射信号を受け取ってデジタル化し、デジタル化信号から測定パラメータを抽出し、測定パラメータを使用してデブリの軌道および予測衝突点を計算する。バイスタティック受動レーダシステムは表示要素も備えて、デジタル処理要素からの情報を表示する。
【００２６】
本発明の別の実施形態によれば、計画された打ち上げイベントに先立ってバイスタティックレーダシステムを検証する方法が開示される。方法は、送信器の配列を最適化することを含む。方法は、バイスタティックレーダシステムとのアンテナの短距離／長距離ハンドオーバを予測することも含む。方法は、アンテナへの送信器信号の動作を確認することも含む。
【００２７】
本発明の別の実施形態によれば、打ち上げられた機体からのデブリ片を追跡する方法が開示される。デブリ片は、照射器から発生した信号を反射し、バイスタティックレーダシステムが目標信号を受信する。方法は、反射信号および各照射器からの直接信号を使用してデブリ片により反射された各受信信号のバイスタティックドップラーシフトを計算することを含む。方法は、各反射信号の信号対雑音比を計算することも含む。方法は、バイスタティックドップラーシフトを使用してデブリ片の追跡を求めることも含む。
【００２８】
本発明の別の実施形態によれば、浮遊デブリ片を追跡する方法が開示される。デブリは、照射器によって同報通信(broadcast)される商用放送信号を反射する。方法は、アンテナアレイで反射信号を受信することを含む。アンテナアレイは、照射器からの直接基準信号も受信する。方法は、アンテナアレイからの信号をデジタル化することも含む。方法は、デジタル化された信号を処理して、同一チャネル(co-channel)干渉の軽減を含め、干渉を除去することも含む。方法は、処理済みの受信信号からのデータを可能な目標測定セットと比較することによってアンビギュイティサーフェス（ambiguity surface）を生成することも含む。方法は、アンビギュイティサーフェスを使用して検出(detection)を判定することも含む。方法は、反射信号を直接基準信号と比較することによって検出のドップラーシフトを求めることも含む。検出データは、狭帯域ドップラー測定および広帯域ドップラーおよび時間遅延測定を含む。方法は、検出を線追跡(line track）に割り当てることも含む。方法は、線追跡をデブリ片に関連付けることも含む。方法は、ドップラーシフト関数を使用してデブリ片の軌道を推測することも含む。
【００２９】
本発明の別の実施形態によれば、検出されたデブリ片を追跡する方法が開示される。デブリ片は、直接の、また反射された商用放送信号を受信するバイスタティックレーダシステムを使用して検出される。方法は、反射信号および直接信号からドップラーシフトを求めることを含む。方法は、デブリ片に相関する検出をドップラー線追跡に割り当てることも含む。方法は、線追跡をデブリ片に関連付けることも含む。方法は、ドップラーシフトを含む測定を使用してデブリ片の軌道を推測することも含む。方法は、測定に従ってデブリ片の衝突点を予測することも含む。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、複数のデブリ片を追跡する方法が開示される。方法は、反射信号および直接信号を使用して複数のデブリ片それぞれのドップラーシフトを求めることを含む。方法は、反射信号から複数のデブリ片それぞれに線追跡を割り当てることも含む。方法は、線追跡を複数のデブリ片それぞれに関連付けることも含む。方法は、線追跡からのドップラーシフト測定を使用して複数のデブリ片の軌道を推測することも含む。方法は、ドップラーシフト測定に従って複数のデブリ片を追跡することも含む。
【００３１】
以下の機能を含み実施するバイスタティックレーダシステムが開示される。送信器の配列の最適化、短距離／長距離ハンドオーバの予測、照射の確認、および遠隔周波数基準信号のポーリングを含む、打ち上げ前の較正および検査機能。機体検出の確認、目標アンテナの照準、および目標アンテナの検証、および短距離／長距離ハンドオーバの確認を含む、打ち上げ中の機体から発信された信号を受信することにより目標のステータスを監視する打ち上げ後・破壊前の機能。破壊後の機能は、破壊前からデブリが照射されシステムにより受信されるまでの時間期間にわたって適切なデータを収集することによって動作し、目標アンテナの照準、破壊の確認、デブリ断片の検出、およびドップラー追跡の関連付けを含む。各デブリ片の状態ベクトルを計算するデブリ追跡計算機能。予測衝突点および誤差楕円の計算を含むデブリ衝突計算機能。
【００３２】
本発明の実施形態は、デブリ追跡アルゴリズムの作成および評価について報告することにより、複数の対象物を追跡するＰＣＬの能力を開示する。これらアルゴリズムは、破壊前時間期間に実際の目標追跡を使用し（６状態軌道説明を用いて）、それから結果得られたデブリ対象物集団に物理法則を適用し、それによって分解可能なデブリ片に対して個々の状態ベクトル解を得ることによって初期設定することができる。次に、状態ベクトル解は、信号の損失（これは、デブリ構成要素がエミッタの無線限界または受信器の限界の以下、に沈むと発生する）前に「受信データストリーム」を引き続き処理することによって改良される。衝突点の予測が行われ、追跡期間を通して各片に関して絶え間なく更新される。
【００３３】
本発明のさらなる特徴および利点を以下の説明において述べるが、これらは説明から明らかになる部分もあれば、本発明の実施によって学習し得る部分もある。本発明の目的および他の利点は、書面での説明および本発明の特許請求の範囲、ならびに添付図面において特に指摘される構造により認識され実現されるであろう。
【００３４】
上記概説および以下の詳細な説明は例示および説明のためのものであり、請求される本発明のさらなる説明の提供を意図することを理解されたい。
【００３５】
本発明のさらなる理解を提供するものであり、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を成す添付図面は、本発明の実施形態を示し、説明と併せて本発明の原理の説明に役立つ。
【００３６】
これより、例を添付図面に示す本発明の各種実施形態を詳細に参照する。
【００３７】
図１は、従来のＰＣＬ目標追跡構成１０を示す。この構成１０は、ＰＣＬ信号処理ユニット２０、目標対象物１１０、ならびに複数の送信器１２０、１３０、および１４０を備える。したがって、ＰＣＬ信号処理ユニット２０は、送信器１２０、１３０、および１４０によって同報通信される直接ＲＦ信号１２２、１３２、および１４２、ならびに反射ＲＦ信号１２６、１３６、および１４６を受信する。反射ＲＦ信号１２６、１３６、および１４６は、送信器１２０、１３０および１４０によっても同報通信され、目標対象物１１０により反射される。図１は、本発明のオプションの構成要素である遠隔周波数参照システム（「ＲＦＲＳ」）４０も備え、これらについては以下でさらに詳細に述べる。
【００３８】
典型的な目標追跡構成では、ＰＣＬ処理ユニット２０は、到来時間差（ＴＤＯＡ）、到来周波数差（ＦＤＯＡ）（ドップラーシフトとしても知られる）、および／または直接ＲＦ信号１２２、１３２、および１４２、ならびに反射ＲＦ信号１２６、１３６、および１４６からの他の情報を計算して、目標対象物１１０の位置を検出し追跡する。
【００３９】
本発明の各種実施形態は、ミサイルや宇宙打ち上げ機体等の目標対象物の意図的または偶発的な破壊からのデブリの正確かつ適時の追跡にＰＣＬ技術を使用できるようにする。
【００４０】
図２は、本発明の一実施形態によるデブリ追跡に使用するＰＣＬ信号処理ユニット２０を示す。ＰＣＬ信号処理ユニット２０は、単一または複数の受信・処理システムであることができ、デブリ追跡機能の実行に必要なＲＦ信号を受信する外部アンテナ２１０を備える。
【００４１】
本発明のさらなる実施形態では、ＲＦＲＳ４０（図１に示す）も、デブリ追跡の際にＰＣＬ信号処理ユニット２０を補助するために使用される。ＲＦＲＳ４０（図１に示す）は、利用されている送信器によっては、バイスタティックＲＦソースの距離が主ＰＣＬ信号処理ユニット２０で受信するには遠すぎる場合があるため、こういった送信器の送信周波数を絶え間なく監視する。
【００４２】
図２を特に参照すると、ＰＣＬ信号処理ユニット２０は、アンテナのセット２１０、信号処理セグメント２２０、および表示要素２３０を備える。ＰＣＬ信号処理ユニット２０の一実施形態は、容易に移動できるようにバンのような車両にＰＣＬユニット２０を搭載することを含んでもよい。
【００４３】
アンテナ２１０は、本発明の各種実施形態によれば、短距離追跡アンテナ２１２、長距離追跡アンテナ２１４、および基準アンテナ２１６を含むことができる。アンテナ２１０を使用して、利用されているバイスタティック送信器により送信された信号のサンプルを受信するとともに、成分(constituent)デブリ片から反射されたエネルギーを受け取る。本発明のさらなる実施形態は、時間基準源として使用するＧＰＳタイミングデータを受け取るために全地球測位衛星（「ＧＰＳ」）アンテナ２８２も含んでもよい。
【００４４】
短距離アンテナ２１２は、片がＰＣＬ受信器２０の比較的近くにあるような、打ち上げミッションにおいて初期に起こり得るデブリの追跡に使用される。このデブリは、ＰＣＬ受信器２０に近いことから、角度が急激にばらつく傾向がある。したがって、短距離アンテナ２１２は比較的低い利得を有する。好ましくは、それぞれ固定され、公称軌道(nominal trajectory)から指向された２基のアンテナがある。これらは単一のマストに組み合わせてもよい（ＦＭ／ＶＨＦ／ＵＨＦ）。短距離アンテナは以下のパラメータを有することができる。
【００４５】
周波数                  利得（ｄＢｉ）                ビーム幅（度）
ＶＨＦＬ                ＋  ６                        ６０
ＦＭ                    ＋  ７                        ５５
ＶＨＦＨ                ＋１０                        ４０
ＵＨＦ                  ＋１２                        ３５
【００４６】
長距離追跡アンテナ２１４は、ＰＣＬ受信器２０と目標の間の距離が増えると使用される。関心のある機体が打ち上げポイントから遠のくにつれ、２つの潜在的な変化が受信開口のサイズの決定要因となる。
ａ）破壊が発生した場合、成分デブリ片をＰＣＬシステムに対して張る角度(subtended angle)のより小さな型に閉じ込められる場合がある。
ｂ）照射器および受信器の両方から増した範囲のところにある片は、目標信号対雑音比（「ＳＮＲ」）を維持するためにより高い受信アンテナ利得を必要とする場合がある。
【００４７】
幸いにも、これら２つの現象は、厳密に同じ範囲関数(function of range)により変化する。したがって、より高い利得を有するアンテナは、破壊イベント点から広がるときにデブリ片をいずれも失うことなくＳＮＲを維持することができる。長距離追跡アンテナ２１４は、この高い利得を提供する。好ましい実施形態では、各パラボラアンテナの上下に１つずつ、総計で４つのＶＨＦ対数周期を有する２基のＵＨＦ用７フィートパラボラアンテナが水平に、７フィートずらして配置される。長距離追跡アンテナ２１４は以下のパラメータを有することができる。
【００４８】
周波数          利得            ＃              ＡｚＢｗ        ＥｌＢｗ
（ｄＢｉ）                      （度）          （度）
ＶＨＦＬ        ＋１６          ４              ３０            ３０
ＦＭ            ＋１６          ４              ３０            ３０
ＶＨＦＨ        ＋１９          ４              ２０            ２０
ＵＨＦ          ＋１８          ２              １０            ２０
【００４９】
基準アンテナ２１６は、利用されているバイスタティック送信器によって放射されるエネルギーの一部を受信する。中度の(moderate)指向性を用いて、送信器の正確な識別の確認としておおよその信号到来方向を判定することができる。好ましくは、固定され、打ち上げの３００ｋｍ以内に可能な照射器を包含した方位角領域に向けられた４基の基準アンテナ２１６がある。基準アンテナ２１６は以下のパラメータを有することができる。
【００５０】
周波数                    利得（ｄＢｉ）                ビーム幅（度）
ＶＨＦＬ                  ＋  ６                        ６０
ＦＭ                      ＋  ７                        ５５
ＶＨＦＨ                  ＋１０                        ４０
ＵＨＦ                    ＋１２                        ３５
【００５１】
図２に示すＰＣＬ信号処理ユニット２０のＰＣＬ信号処理セグメント２２０は、信号分配要素２４０、受信器２５０、デジタル信号処理要素２６０、レコーダ２７０、参照サポート２８０、および周波数基準２９０を備える。信号分配要素２４０は、システム２０を通してのアナログデータの流れを管理する。マルチチャネル位相整合受信器２５０は、受信した信号データの帯域制限、周波数シフト、および増幅を行う。処理済みの信号データは、使用されているときにＲＦＲＳ４０から抽出されるデータに比肩する周波数でなければならないため、高精度周波数基準２９０を使用して、ＰＣＬサイト２０および遠隔ＲＦＲＳサイト４０（図１に示す）の両方において受信器２５０を統制する。
【００５２】
ＰＣＬ信号処理ユニット２０は、高品質受信器２５０を備えて、ＰＣＬシステム２０で信号を受信する。受信器２５０は目標受信器および基準受信器を含む。目標受信器は、デブリにより反射された信号を受信するために使用される受信器である。基準受信器は、照射器からの直接信号を受信する。好ましくは、６基の狭帯域イメージ阻止(image rejection)受信器があり、受信器毎に３つのチャネルがある。狭帯域イメージ阻止受信器は以下のパラメータを有することができる。
【００５３】
周波数                    雑音指数（ｄＢ）            帯域幅位相雑音（Ｋｈｚ）
ＶＨＦＬ                  ６                            ２
ＦＭ                      ４                          ６０
ＶＨＦＨ                  ３                            ６
ＵＨＦ                    ３                          ２０
【００５４】
狭帯域ＰＣＬの場合、受信器２５０は、基本照射器周波数の３つの同一チャネルオフセットを３つの５ＫＨｚ幅チャネルに分割することができ、それによって信号のＤＣフォールドオーバアーチファクトおよび混合を回避する。広帯域ＰＣＬの場合、５０ＫＨｚＩＦ帯域幅を有する１つの周波数チャネルを抽出して、遅延処理に十分な帯域幅を提供することができる。
【００５５】
狭帯域ＰＣＬデータは、イベント後の解析のために、２つの商用８チャネルデジタルオーディオテープ「ＤＡＴ」レコーダ２７０に記録することができる。各レコーダ２７０中の１つのチャネルは、時間基準２８０により提供される射程間計装グループ(Interrange Instrumentation Group)（「ＩＲＩＧ」）タイミング基準専用である。広帯域ＰＣＬは通常、利用する帯域幅が多すぎて、実際には短継続期間以外で生信号データを記録することができない。
【００５６】
アンテナ２１０からの信号は受信器２５０により受信され、デジタル処理要素（「ＤＰＥ」）２６０に提示される。この要素は必要な信号処理を実行して、デブリ構成要素の測定パラメータを抽出し、これら測定値を用いて軌道および予測衝突点を計算する。ＤＰＥは、狭帯域処理要素２６２、広帯域処理要素２６４、またはこれら両方を備えることができる。
【００５７】
ＤＰＥハードウェアは、一時ＲＡＭデータ記憶部、永久不揮発性記憶部、高速データ転送媒体、信号調整・濾波乗算／累積レジスタ、高速アレイプロセッサ計算要素、および汎用計算要素からなる。このハードウェアのアーキテクチャは、デブリ成分の正確な追跡に必要な計算の実行に求められる速度および精度に対応している。
【００５８】
ＰＣＬ処理ユニット２０の全体像に戻ると、表示要素２３０は、システムステータスメッセージおよびデータの両方を、ＰＣＬシステム内のハードウェアおよび／またはソフトウェア故障の診断および修正を助ける形で表示する手段を提供する。高分解能および中分解能のグラフィックス表示端末２３０が、ハードウェア／ソフトウェア故障の箇所特定、分離、修正、および検査を助けるように解析中のデータの診断を最小化し、かつ理解容易性を最大化するような様式で採用される。
【００５９】
図３は、本発明の一実施形態によるＤＰＥまたは処理組(processing suite)３００の詳細図を示す。処理組３００の構成要素は、ＶｅｒｓａＭｏｄｕｌｅ  Ｅｕｒｏｃａｒｄ（ＶＭＥ）バス３７０を介して通信する。処理組３００は、ＳＣＳＩインタフェースを介して様々な記憶媒体３１４および３１６に接続されたホストプロセッサ３１０を備え、以下の事項を担当する。
ａ）システムスタートアップ
ｂ）タイミングおよび制御
ｃ）周波数追跡と照射搬送波の関連付け
ｄ）ミサイルまたはデブリの線追跡：この追跡は、ドップラーおよび遅延空間において行われ、追跡プロセッサ３１２によって位置および速度の追跡に変換される
ｅ）追跡プロセッサ３１２およびＲＦＲＳ（複数可）４０との通信
ｆ）信号処理セグメントオペレータ−マシンインタフェース３６０：このインタフェースは開発および診断のみの使用を意図するものであり、通常動作下では使用されない
【００６０】
処理組は、ＧＰＩＢボード３２０、アナログ／デジタル（「ＡＤＣ」）ボード３３０、信号プロセッサ３４０、タイミングボード３５０、およびオペレータインタフェース３６０も備える。信号処理ボード３４０は、検出に対する受信器データの処理を担当する。ＧＰＩＢボード３２０は受信器２１０に対する主制御インタフェースを提供し、ＡＤＣボード３３０は受信器２１０からの信号データを取り込む。タイミングボード３５０はＢＡＮＣＯＮＮ  ＧＰＳタイミングボードからなり、信号データの正確な時間参照（代替として、ＩＲＩＧを使用または生成してもよい）、ならびに受信器の統制に使用し得る正確な周波数基準の供給を可能にする。
【００６１】
各休止の正確な時間および目標の観察は、全地球測位システム（ＧＰＳ）２８２の使用から導出される協定世界時（「ＵＴＣ」）に統制された正確なクロックを使用して決定される。送信搬送波と目標からの反射の間の正確な瞬時周波数の比較を用いて、目標のドップラーシフトを導き出す。直接パスが目標アンテナにより直接測定可能な至近距離の照射器の場合、受信器の設計により、搬送波周波数と目標反射周波数の間に信号処理バイアスがないように保証することができる。
【００６２】
図４は、本発明の一実施形態による遠隔周波数参照(Remote Frequency Referencing)システム４０を示す。場合によっては、デブリ追跡のために監視されている機体の飛行体制の特定部分は、主ＰＣＬ設備２０（図１に示す）から相当な距離にある送信器を使用する必要がある場合がある。より遠くにある照射器の場合、搬送波周波数はＰＣＬサイト２０において直接測定することはできない。この場合には、ＲＦＲＳ４０（図１に示す）を使用して、絶対周波数および送信波形の情報の他の特徴情報を測定する。次にＲＦＲＳ４０は、この情報をＰＣＬサイト２０に送信する。ＲＦＲＳ４０の機能は、ＰＣＬ信号処理ユニット２０（図２に示す）から所定距離を越えた距離にある照射器の現在搬送波周波数についてリアルタイムで例外報告できるようにすることである。精密周波数基準４４０が使用されて、確実にドップラーシフトの正確な再構築がされるように、ＰＣＬサイト２０での方法と同じ方法で受信器の局所発振器を統制する。
【００６３】
ＲＦＲＳ４０は、アンテナ４１０、プログラマブルデジタル受信器４２０、処理ユニット４３０、周波数基準４４０、ＧＰＳ受信器４５０、および報告接続４６０を含む標準的な構成要素の集積セットからなる。ＲＦＲＳ４０は、使用されている照射器の絶対送信周波数を正確に量子化する作業を実行する。システムは、故障検出／故障分離（「ＦＤ／ＦＩ」）目的に関して無人で自動的に自己診断することができる。遠隔照射器に対する必要な照射配列の選択における冗長性により、打ち上げに重要な操作中における単一のＲＦＲＳ４０の喪失から保護する。
【００６４】
ＰＣＬ受信サイト２０に近い送信器の場合、ＲＦＲＳ４０によって計算される波形統計は、ＰＣＬサイト２０において直接パスエネルギーから測定され、ＲＦＲＳ４０は必要ない。ＰＣＬサイト２０がパス損失により重要なパラメータを測定することができない遠隔照射器の場合に、ＲＦＲＳ４０が使用される。ＲＦＲＳ４０によって計算される統計は、狭帯域ＰＣＬの場合にデータ関連づけロジック４７０が使用するために、報告接続４６０を通してＰＣＬサイト２０に伝達される。狭帯域ＰＣＬに提供される基本的な統計は、
ａ）ＧＰＳ時間から導出され、したがってＰＣＬシステムの時間に比肩する測定のＵＴＣ時間
ｂ）精密周波数基準から導出され、したがってＰＣＬシステムの周波数測定に比肩する送信波形の搬送周波数
ｃ）受信搬送波信号の測定されたパワー
ｄ）ＲＦＲＳの位置
である。
【００６５】
図５は、本発明の実施形態による狭帯域信号および広帯域信号の場合の処理ステップ５００を示す。デブリ追跡問題のために、２種類のＲＦ信号がＰＣＬに利用される。狭帯域ＰＣＬとして既知の第１の種類では、単色ＣＷ信号が照射器として使用され、目標から散乱したエネルギーのドップラーシフトが測定される。広帯域ＰＣＬとして既知の第２の種類では、変調搬送波が照射器として使用され、目標により散乱されたエネルギーの時間遅延およびドップラーシフトが測定される。基本的な処理ステップは同様であるが、クラッタの抑制、キャンセレーション、およびアンビギュイティサーフェスの発生および処理の詳細は変わる。一般に、広帯域ＰＣＬに対する狭帯域ＰＣＬの利点は、必要な処理ハードウェアが少ないことである。欠点は、目標の位置突き止めがより難しいことである。
【００６６】
上に述べたように、信号処理セグメントは、関心のあるコンタクトからエネルギーを検出し特徴付けることができる。主な入力はアンテナから供給されるＲＦであり、主な出力は目標追跡を特徴付ける各種照射器からのドップラー情報である。
【００６７】
信号処理セグメントのアナログフロントエンドは、マルチチャネル位相整合受信器２５０（図２に示す）である。フェーズドアレイの各アンテナ要素毎に、受信器は、目標信号の帯域制限、増幅、および近くのベースバンドへの周波数変換を行う。狭帯域照射器の場合、３つの同一チャネル中心周波数オフセットからの信号反射が、別個のオフセットチャネルに分割される。
【００６８】
デジタル化されると、チャネルデータは処理されてクラッタが除去される。ステップ５２０において、空間的ヌル(spatial null)またはパワーインバージョンビーム形成としても知られている適応ビーム形成技法を使用して、これを使用しなければシステムのノイズフロアを上昇させてしまう付近の同一チャネル照射器からの直接パスリターンを抑制する。広帯域処理の場合、複数の遅延タップ適応フィルタを使用して地面クラッタを除去する。
【００６９】
目標検出可能性に対する究極の制約は、１ミリワットに関して１ヘルツあたりおよそ−１７４デシベル（ｄＢｍ／Ｈｚ）の熱雑音である。ノイズフロアが上昇する可能性があり、したがって目標ＳＮＲが、同じ基本周波数で局所送信器からのＡＭ変調映像雑音により低減する。適応ビーム形成技法を使用して、この雑音源に向けてヌル(null)をデジタル的に操縦する。
【００７０】
ステップ５３０において、さらなるクラッタキャンセレーション技法を採用することができる。採用しなければ、検出可能な目標が、付近の検出セルにおけるより強力な反射によって遮蔽される恐れがある。一般に、別個のエネルギー反射は、離れた５個または６個の検出セルがある場合にのみ分解することが可能である。ドップラー空間では、検出セルはコヒーレント積分時間（「ＣＩＴ」）の逆数として定義される。検出セルの分離は、より高い周波数を有する送信器を利用することにより、かつ／またはコヒーレント積分時間を増大することによって増大する場合がある。より高い周波数の送信器が使用される場合、より多くのフラグメントがＲａｌｅｉｇｈ領域の上に発生し、従って可視である。
【００７１】
デチャープ(de-chirping)なしの最適なコヒーレント積分時間はドップラーレートの平方根の逆数に等しく、これは、デブリシミュレーションの大半で約１秒で発生し、１Ｈｚドップラー検出セルを提供する。デチャープ処理を使用して、デチャープ仮説に合わないコンタクトにスミアが発生することを犠牲にして、より長い積分時間を使用することができる。おおよそ仮説したチャープレートの目標に対するデチャープありの最適なコヒーレント積分時間は、普通ならばドップラーレートが単一の検出セル外にスミアを発生させることになる場合に利用される。
【００７２】
クラッタキャンセレーションが完了した後、ステップ５４０において、受信信号データを可能な目標測定の包含セットと比較して、アンビギュイティサーフェスが生成される。このアンビギュイティサーフェスが解析され、フォールスアラームしきい値を越えるピークが検出として渡される。
【００７３】
狭帯域の場合、このアンビギュイティサーフェスのピークは、データ関連付けロジックに渡される。ステップ５５２において、周波数および周波数レートに関して目標仮説が生成される。次に、これら測定に、ローカルに、あるいは自動ＲＦＲＳ４０（図４に示す）を使用して測定された送信搬送波中心周波数を関連付けて、目標バイスタティックドップラーシフトおよびドップラーレートを求める。ステップ５６２において、所与の検出に対して狭帯域ＰＣＬにより生成される状態測定は、
ａ）時間
ｂ）指定送信器からのドップラーシフト
ｃ）指定送信器からのドップラーレート
ｄ）フェーズドアレイが使用される場合、到来角度情報
ｅ）信号パワーおよび信号対雑音比
であってもよい。
【００７４】
広帯域ＰＣＬの場合、ステップ５５４において、目標仮説は時間遅延およびドップラー空間において生成される。これら仮説は、目標検出の動的整合フィルタにより適用される。このさらなる測定状態は、バイスタティック範囲情報により追跡および位置特定に対して特に有用である。ステップ５６４において所与の検出に対して広帯域ＰＣＬにより生成される状態測定は、
ａ）時間
ｂ）指定送信器からのドップラーシフト
ｃ）指定送信器からの時間遅延
ｄ）フェーズドアレイが使用される場合、到来角度情報
ｅ）信号パワーおよび信号対雑音比
であってもよい。
【００７５】
図６は、本発明の一実施形態による、デブリを追跡するＰＣＬシステムを使用することに関連する処理ステップのさらなる詳細を示す流れ図６００を示す。ＰＣＬシステムの実施形態は、目標機体の破壊前から破壊後の全時間窓を通しての時間期間にわたって適切なデータを収集することによって動作することを意図する。すなわち、使用されている送信器は、破壊後のデブリ片を照射しており、デブリにより反射された信号がＰＣＬシステムにより受信される。したがって、ＰＣＬシステムによるデータ処理は、打ち上げ前の較正ステップ６１０、打ち上げ後／破壊前の機能ステップ６２０、破壊後の機能ステップ６３０、デブリ軌道計算ステップ６４０、デブリ衝突計算ステップ６５０、およびシステム故障検出／故障分離ステップ６６０を含む様々な処理段階に分けることができる。
【００７６】
本発明の一実施形態では、打ち上げ前較正処理ステップ６１０は、計画された打ち上げイベントの開始に先立ってＰＣＬシステムをミッション実行可能なものとして検証する。打ち上げ前の較正ステップ６１０に関連する機能は、送信器配列最適化ステップ６１２、ハンドオーバ予測ステップ６１４、照射確認ステップ６１６、およびＲＦＲＳポーリングステップ６１８を含む。
【００７７】
送信器配列最適化ステップ６１２は、公称ミサイル打ち上げ軌道および検証された照射高度パターンを使用して、ＳＮＲおよび測定精度の観点から公称受信器チューニングスケジュールを最適化する。
【００７８】
短距離／長距離ハンドオーバ予測ステップ６１４は、最適なアンテナハンドオーバの推測位置を計算する。ミッションにおける特定の時点後、短距離低利得広角アンテナは、それ以後満足のいくデブリ構成要素の信号受信を提供することができなくなる場合がある。この時点で、より高い利得の目標アンテナシステムへの切換が行われる。ハンドオーバ予測ステップ６１４は、ハンドオーバのタイミングに対してＰＣＬシステムを準備させる。
【００７９】
照射確認ステップ６１６は、周波数およびおおよその受信信号レベルを含め、利用されている送信器の適切な動作を確認する。送信器配列最適化ステップ６１２において最適化された公称照射器チューニングスケジュールを使用して、ＰＣＬシステムは、配列メンバの方向、受信周波数、および振幅を確認することが可能である。
【００８０】
受信公称周波数および電力レベルが確認された場合、これは、「現在公称・確認済み」等、最高の可用性状態に対応するステータスフラグ値を使用して、利用可能な照射器データベースに示すことができる。
【００８１】
本発明の実施形態は、代替照射器の予め計算されたテーブルに行き、代替照射器のパラメータを取得して確認するように参照システムを調整することも可能である。確認されると、開示される実施形態は、ポインタを「未確認」照射器ステータスレジスタに配置して、代替照射器を代替として指すことも可能である。
【００８２】
ＲＦＲＳポーリングステップ６１８は、公称軌道の解析に基づいて要求される人口集中地にあるＲＦＲＳにＰＣＬ処理ユニットを接続する。開示される実施形態は、周波数報告、統計、および各エミッタの使用に対する許可／不許可フラグを受け取ることができる。
【００８３】
打ち上げ後／破壊前の処理ステップ６２０を参照すると、ＰＣＬシステムのステータスが、目標機体から発信された信号を受信することによって監視される。ステップ６２０の打ち上げ後／破壊前機能に関連する機能は、検証確認ステップ６２２、目標アンテナ指向ステップ６２４、およびアンテナハンドオーバステップ６２６を含む。
【００８４】
開示される実施形態の機体検出確認ステップ６２２は、正確なドップラーの目標信号の受信を確認し、範囲から順方向予測ドップラーまでの状態ベクトルを使用して、受信した振幅を予測値と比較することができる。
【００８５】
目標アンテナ指向ステップ６２４中、初期デブリ追跡機能の実行に最適な角度にあるように、高利得／長距離目標アンテナを公称飛行(nominal flights)中の機体に指向することができる。一実施形態では、目標アンテナ指向ステップ６２４は、目標機体の飛行中絶え間なく行われる。高利得目標アンテナの正確な指向は、軌道の正常部分(normal portions)中に目標機体から受信する信号を調べることによって確認することができる。
【００８６】
短距離／長距離アンテナハンドオーバステップ６２６は、短距離アンテナ群から長距離アンテナ群にハンドオーバする前に信号の連続性を確認する。開示される実施形態は、一度に１チャネルずつ、ハンドオーバ予測時間および長距離アンテナへのハンドオーバを確認することができる。
【００８７】
意図的であるか、それとも偶発的であるかに関わらず目標が破壊されると、ＰＣＬシステムは破壊後処理ステップ６３０に向かう。破壊後処理ステップ６３０は、アンテナ指向ステップ６３２、破壊確認ステップ６３４、デブリ検出ステップ６３６、およびドップラー追跡関連付けステップ６３８を含む。
【００８８】
目標アンテナ指向ステップ６３２は、目標アンテナをデブリの焦点に向ける。目標アンテナの指向により、デブリ構成要素すべてからの反射信号を受信することができる。この機能は、関連付けおよび追跡アルゴリズムへ確実に適切な情報流入を行うようにリアルタイムで実行されることができる。
【００８９】
開示される実施形態は、重心を、水平方向推力(longitudinal thrust)がない状態で予測された公称軌道と比較することができる。必要であれば、開示される実施形態は、すべてのデブリ構成要素が確実に目標アンテナの方位角ビーム幅内にあるように、目標アンテナの方位角を再指向させることができる。
【００９０】
破壊前の機体の仰角が、地平線から半ビーム幅以上である場合、開示される実施形態は、上の３ｄＢ点が破壊前の機体と同じ仰角にあるようにアンテナを指向することができる。これにより、デブリ片が、主機体から落ちるときに、目標アンテナのビーム幅内にあり得ることが保証される。破壊前の機体の仰角が、地平線から半ビーム幅未満である場合、開示される実施形態は、目標アンテナの高度を地平線に指向させることができる。
【００９１】
破壊確認ステップ６３４は、関連付けおよび追跡アルゴリズムが確実にデータ処理を開始するようにする。開示される実施形態は、目標機体からの最新の順方向予測信号を探し、これらの信号が存在しないことを確認して破壊イベントを確認することができる。
【００９２】
目標機体の破壊が確認されると、開示される実施形態は、デブリ検出ステップ６３６ならびに帯域単位および照射器単位でのデブリのドップラー追跡を開始することができる。帯域単位(band-by-band)の検出は、シャトルの乗組員室やスペースリフトペイロード等、価値の高いデブリを含む可能性が高い最大片を検出し追跡する公算を最大化するために、最初に最低周波数から進められる。照射器単位(illuminator by illuminator)の検出は、各重要な片の状態ベクトルを計算できるようにするために関連付けることができる。
【００９３】
デブリ検出ステップ６３６の後、デブリ片の位置追跡を確立する前にデブリドップラー追跡関連付けステップ６３８が必要である。異なる種類の測定に対する必要性をなくすことにより、ＰＣＬシステムの複雑性が最小化されることを認めることができる。したがって、ドップラーのみの関連付けは、より望ましい関連付け技法の中の１つである。
【００９４】
次に、関連付けられたドップラーデータを使用して、ステップ６４０においてデブリ軌道計算を行う。このステップは、目標の全可観察範囲にわたるデブリ片毎に６つの要素状態ベクトルを計算する。
【００９５】
次に、ステップ６４２において「高価値」デブリフラグを計算することができる。抗力係数または予想サイズ推測により決まるように、デブリ構成要素が「高価値」片であるように見える場合、この片は、デブリ回収における相対的な優先度の指標として高価値フラグを所持することができる。
【００９６】
デブリ目標が、照射がない、またはＰＣＬ目標アンテナからデブリへの適したＲＦパスがないことからもはや追跡不可能である場合、デブリ衝突計算ステップ６５０において予想衝突点を計算することができる。予想最尤位置、ならびに５０％の楕円誤差確率を表す楕円を各片に対して計算し、表示することができる。
【００９７】
システム故障検出／故障分離ステップ６６０も、信号処理全体を通して使用することができる。目標アンテナチャネルへの直接パス信号漏れを、ＲＦチャネルの保全性の連続監視に用いることができる。デジタル処理サブシステムをシミュレーションするために、デジタルテスト信号をデータストリームに注入してもよい。システムステータス情報を常に提供してもよい。
【００９８】
図７は、狭帯域信号処理表示の一例を示す。表示はドップラー反射の時間履歴を示し、縦軸は、色分けおよび輝度分けされた休止時間およびＳＮＲである。
【００９９】
この例では、信号処理パフォーマンスが、イベント特徴付けシミュレータの信号特徴付け部分からの予想に基づいて予測された。時間、ドップラー、信号パワー予想を使用してアナログ／デジタル（「ＡＤＣ」）サンプルストリームの一例を生成し、次にこれを、標準狭帯域ＰＣＬ信号処理論理を使用して処理した。ＡＤＣシミュレータは以下の論理を用いる。
ａ）通常の狭帯域照射波形と同じ統計特性を有する波形が生成される。
ｂ）各処理休止(processing dwell)の開始時に、雑音環境の時間領域表現を使用して測定チャネルが初期化される。この雑音は、一定の振幅のＫＴＢＮ（ボルツマン定数に温度、ドップラー検出セルサイズ、受信器雑音指数を乗算したもの）および乱雑位相を有する熱雑音として表される。
ｃ）運動学モデルからの各追跡毎に、波形がドップラーシフトされて予想ＳＮＲに従ってスケーリングされ、測定チャネルに追加される。
ｄ）測定チャネルが、ＡＤＣの動作特性に従ってスケーリングされて量子化され、標準ＡＤＣフォーマットで記憶される。
ｅ）記憶されているＡＤＣデータが、狭帯域ＰＣＬソフトウェアにより処理される。図７は、このデータのサンプル表示を示している。
【０１００】
ドップラープロットにおけるデブリの特徴パターンは、目標のドップラーがゼロドップラーに向かって減衰することであり得る。各デブリ片の特徴ドップラー時系列は、デルタＶベクトルおよび弾道係数に依存する。この特徴により、非デブリ反射を区別することが可能である。
【０１０１】
代表的な機体の動力を得た飛行中の、爆発の例を提供するいくつかのイベント特徴付けも提供する。こういった例では、目標の飛行、続く爆発、および主要なデブリ片の軌道について述べる。いずれの時点でも、目標は、位置、速度、ドップラーシフト、および照射器／受信器構成の信号対雑音比の値によって特徴付けられる。
【０１０２】
カノニカル(canonical)ケースは、異なる初期機体プロファイルを使用して関連付けアルゴリズムを実習するとともに、デブリ特徴付けに関する既存のデータを利用するように入念に選択された。両方のケースとも、実際の打ち上げ軌道ならびにデブリ特徴付けに関わる文書化された調査に基づいている。以下の例は、適切な打ち上げ／デブリ値で単一データベースを単に更新するだけで、いずれの種類の打ち上げ機体の調査にも従う。事例調査は、
１．シャトルの打ち上げ
−典型的な有人飛行からのデブリ追跡調査のために、シャトルの東部打ち上げサイトが選択された。
−ＳＴＳ４９の軌道がイベントモデリングの基礎を提供した。
−チャレンジャー惨事についての大統領委員会報告書がデブリ特徴付けに使用された。
２．タイタンＩＶ／ケンタウルス打ち上げ
−典型的な無人飛行からのデブリ追跡調査のために、東部エリア、方位角３７度の打ち上げのケースが選択された。
−公称タイタン打ち上げに対してシミュレートされたレーダ測定が、イベントモデリングの基礎を提供した。
−「Titan IV Debris Model」Lockheed Martin report MCR-88-2652の研究がデブリ特徴付けに使用された。
【０１０３】
シミュレータは、イベント特徴付けを高速にプロトタイプ作成することができるとともに、関連付けアルゴリズムとスムーズにインタフェースするように設計された。飛行プロファイルを動力付き飛行のモデリングに利用する。プロファイルは爆発時まで使用することができる。その時点で、損傷を受けていない機体の位置および速度が、デブリ特徴付けの初期パラメータを提供する。
【０１０４】
図８および図９は、シャトルおよびタイタンの爆発のデブリデータを示す。表は基本的なデブリの特徴をまとめたパラメータを含み、パラメータは以下のように決められた。
ａ）オブジェクトタイプ−類似片の主要グループ分け
ｂ）弾道係数−これは、デブリ片に対する大気抗力の影響を特徴付ける。定義上、弾道係数は：
β＝Ｗ／（ＣＤ・Ａ）
βの単位はｌｂ／ｆｔ２
Ｗは重量、単位ｌｂ
ＣＤは抗力係数、単位なし
Ａは面積、単位ｍ２
ｃ）付与デルタＶ−これは、最後の爆発前速度ベクトルの変化（シミュレートされた爆発による）である。
ｄ）アルファ−最後の爆発前速度ベクトルに対する付与デルタＶの角度
【０１０５】
図１０は、爆発前速度ベクトル１０１０とベクトルΔＶ１０２０の間の関係を示す。付与デルタＶが、爆発前速度ベクトル１０１０に対して角度α１０３０の円錐体１０４０上にあることに留意する。例は、その円錐体上に単位ベクトル
【０１０６】
【数１】
2005517190.tif 000003
【０１０７】
をランダムに生成する。爆発時にデブリ片に付与される変化は、単位ベクトル
【０１０８】
【数２】
2005517190.tif 000004
【０１０９】
の方向におけるベクトルΔＶである。したがって、所与のデブリ片の初期速度は、ΔＶと爆発前機体速度の結果である。
【０１１０】
デブリ軌道は、デブリ特徴付けからのΔＶ、β、および爆発前速度ベクトル、ならびに爆発時の位置を使用して衝突まで伝搬（propagate）する。以下の例は、初期値問題に二次常微分方程式数値求解機を適用する。
Ａ（ｔ）＝−μＲ（ｔ）／‖Ｒ（ｔ）‖３＋Ｄ（ｔ）＋Ｃ１（ｔ）＋Ｃ２（ｔ）
Ａ（ｔ）は加速度、単位ｍ／ｓｅｃ２
μは地球重力定数、単位ｍ３／ｓｅｃ２
Ｒ（ｔ）はデブリ位置、単位ｍ、ＥＣＦ
Ｄ（ｔ）は大気抗力による加速度、単位ｍ／ｓｅｃ２
Ｃ１（ｔ）はコリオリの加速度、単位ｍ／ｓｅｃ２
Ｃ２（ｔ）は遠心加速度、単位ｍ／ｓｅｃ２
大気抗力による加速度は、
Ｄ（ｔ）＝−０．５Ｃβ−１ｐ（ｈ）Ｖ（ｔ）‖Ｖ（ｔ）‖
により定義することができる。
Ｄ（ｔ）の単位はｍ／ｓｅｃ２
Ｃは単位変換定数
βは弾道係数、単位ｌｂ／ｆｔ２
ｐ（ｈ）は高度ｈにおける大気密度、単位ｋｇ／ｍ３
Ｖ（ｔ）はデブリ速度、単位ｍ／ｓｅｃ、ＥＣＦ
【０１１１】
図１１および図１２は、片同士で相互作用がなかったという想定の下にシミュレータにより作成された典型的なデブリ軌道を示す。図１１は、シャトルのデブリ衝突点のフットプリントを示す。フットプリントに付随するデータ表は、打ち上げ点からのｋｍ単位の衝突距離（大円）を含む。図１２は、タイタンのｋｍ単位でのデブリ片の高度と秒単位での時間の間の関係を示す。
【０１１２】
例では、信号特徴付けならびに軌道について説明する。生成される信号特徴付けデータは、バイスタティックドップラーシフトおよび信号対雑音比（ＳＮＲ）である。
【０１１３】
図１３は、基本的な幾何学的構成１３００を示す。受信信号モデルは、地球による信号の遮蔽、ビームパターン、および偏波の影響を含む場合がある。地球による信号の遮蔽は、地球が２点間の電磁波伝搬を遮るか否かを決める。これは、照射器から目標へのパス、あるいは目標から受信器へのパスのいずれかにおける地球遮蔽のチェックに使用される。ビームパターンは照射器ビームの電界強度を決める。これは、ビームパターンにおける目標の位置により照射器からの利用できるピークパワーを変更する。偏波は、偏波によるパワー損失を決める。
【０１１４】
バイスタティックドップラーシフトは、波長の逆数によりスケーリングされるバイスタティック距離レートとして定義される。
ｆｄ＝（１／λ）（ＶＴＡ／‖Ａ‖＋ＶＴＢ／‖Ｂ‖）
ｆＤはバイスタティックドップラーシフト、単位Ｈｚ
λは照射器波長、単位ｍ
Ｖは目標１３０４の速度ベクトル１３１０、単位ｍ／ｓｅｃ、ＥＣＦ
Ａは目標１３０４から照射器１３０２までのベクトル１３３０、単位ｍ
Ｂは目標１３０４から受信器１３０６までのベクトル１３２０、単位ｍ
【０１１５】
受信器入力における目標反射信号のパワーは、以下のようにモデリングされる。目標信号対雑音比（ＳＮＲ）は、これを雑音電力で割ることによって得られる。
ＰＲ＝ＰＴＥ２ＬＰ（λ／４π‖Ａ‖）２（４πσ／λ２）（λ／４π‖Ｂ‖）２ＧＲ
ＰＲは受信器入力における目標反射信号のパワー、単位ｋＷ
ＰＴは照射器のピークパワー、単位ｋＷ
Ｅは照射器ビーム電界強度、単位なし
ＬＰは偏波によるパワー損失、単位なし
λは照射器波長、ｍ
‖Ａ‖は目標から照射器までのパス長、ｍ
σは目標レーダ断面積（ＲＣＳ）、ｍ２
‖Ｂ‖は目標から受信器までのパス長、ｍ
ＧＲは受信器アンテナ利得
【０１１６】
図１４および図１５は、特定の照射器およびデブリ片のバイスタティックドップラーシフトと時間の間の関係、および特定の照射器およびデブリ片のＳＮＲと時間の関係を含む代表的な信号特徴付け出力を示す。デブリイベント特徴付け例では、ＲＣＳの光学断面の単純な近似を用い、これは、良好な一次近似を考慮中の送信器周波数範囲に提供する。
【０１１７】
図１６は、本発明の一実施形態によるデータ関連付けおよび追跡の処理の流れを示す。このプロセスは各デブリ対象物の軌道を推測し、衝突までのこれら軌道を予測し、衝突推測および関連する誤差楕円を各デブリ対象物に提供する。特に図１６を参照すると、処理の流れは、各データチャネルの線追跡ステップ１６１０、追跡関連付けステップ１６２０、位置および速度追跡ステップ１６３０、および衝突点予測ステップ１６４０に分けられる。
【０１１８】
線追跡ステップ１６１０では、データチャネルが複数のドップラー追跡（または「線」(line)）を提示することができ、ドップラーと時間との間の関係のプロットとして見る場合、対象物に関連するものもあれば、信号またはデータ処理アーチファクトに関連するものもある。ライントラッカーの機能は、別個の各対象物に関連するすべての検出結果をグループ化するために、こういったドップラー「線」を追跡することである。この機能は時間関連付け(association-in-time)と見ることができる。
【０１１９】
特に線追跡ステップ１６１０を参照すると、カルマンフィルタ線トラッカーを含む線追跡アルゴリズムが通常作成され、高度な運動性を有し得る目標の追跡に使用される。これらアルゴリズムは、デブリ追跡問題への使用に向けて適合されている。特に、トラッカーは、不測の運動に応答するのではなく、デブリ対象物の既知の動力学を利用するように変更される。各種応用では、アルゴリズムを、ドップラー、バイスタティックレンジ、および到来角度（方位角および高度、または円錐角）を含むいくつかの種類の測定値と併せて使用することができる。
【０１２０】
線追跡ステップ１６１０の後、追跡関連付けステップ１６２０が、共通対象物に対応するすべてのデータチャネルにわたる線追跡を関連付けることによって関連付けプロセスを進める。この機能は、空間関連付け(association-in-space)、あるいはデータチャネルにわたる関連付けと等価なものと見ることができる。
【０１２１】
特定の各対象物に対応するすべての検出結果が識別された、上の２ステップにおける関連付けプロセスを完了した後、位置および速度追跡ステップ１６３０が検出結果を処理し、各対象物の観察期間にわたる軌道および誤差共分散を推測する。
【０１２２】
最後に、衝突点予測ステップ１６４０が軌道および誤差共分散を地面まで伝搬させ、各対象物の推測衝突点および誤差楕円を提供する。
【０１２３】
複数の照射器からのドップラー領域追跡ステップ１６２０を相関付けるアルゴリズムは、位置／速度トラッカーステップ１６３０に密接に関連する。位置／速度トラッカーは、位置、速度、および弾道係数からなる７要素状態ベクトルを利用する拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦ）である。
【０１２４】
２つの基本的な問題が存在する：複数の照射器からのドップラー領域追跡が相関しているか否かを判定すること、および相関している場合に、このデータのフィルタリングのために位置／速度トラッカーを初期化すること。両方の問題は以下のように同時に解決することができる。爆発点の時間および目標の位置は分かっているが、各デブリ片の速度はわからないものと想定する。ドップラー測定値は位置についてはわずかな情報しか提供しないが、速度については優れた情報を提供することから、ドップラー測定システムはこの問題によく適している。実際に、各デブリ片の初期位置がわかっている場合（おおよそ）、ドップラー方程式は、未知の初期速度に関する線形方程式に帰着する。
【０１２５】
少なくとも３つの照射器があると想定すると、３つの未知数における３つの線形方程式系を解く任意の標準技法を用いて、速度の３つの成分を解くことができる。たとえば、直交ハウスホルダー(Householder)変換を使用して、線形系を三角形に帰着させ、それから後退代入(back substitution)を続けることができる。対応する速度共分散行列が、クラーメルラオ（Cramer Rao）下限理論（ＣＲＬＢ）を用いてドップラー測定雑音標準偏差から得られる。
【０１２６】
位置／速度トラッカーステップ１６３０は、３つのドップラー領域追跡の各組み合わせについて既知の位置および推測速度を使用して初期化される。位置／速度トラッカーステップ１６３０は、追跡品質特定の計算に使用されるドップラー残余(Doppler residuals)を生成する。ドップラー領域追跡の正確な組み合わせの場合、ドップラー残余はゼロ平均を有するガウス形であるとみなされ、対応する共分散がカルマンフィルタ更新方程式について計算される。正規化されたドップラー残余の二乗和はカイ二乗分布し、自由度はドップラー測定数に等しい。
【０１２７】
追跡品質得点は正規化されたドップラー残余の二乗和として定義され、この得点は続けて、ゼロ平均および単位分散(unit variance)を有するように正規化される。追跡品質得点がしきい値、たとえば１０等を越える場合、ドップラー追跡組み合わせは不正確であり、削除される。その他の場合、ドップラー追跡組み合わせおよび対応する追跡品質得点は、相関付けられた追跡の最終的な割り当ておよび競合する追跡組み合わせの分解に向けて、三次元割り当てアルゴリズムに入力される。特に、グリーディ(greedy)アルゴリズムが利用される。グリーディアルゴリズムは部分最適割り当て(sub-optimal assignment)アルゴリズムであり、組み合わせに最低の得点を割り当て、競合のある組み合せを除去し、すべての組み合わせが割り当てられるか、または除去されるまでこのプロセスを繰り返す。
【０１２８】
追跡精度を高めるために、４つ以上の照射器を使用することができる。この場合、最初の３つの照射器のドップラー追跡は上に述べたように相関付けられる。追加の各照射器について、ドップラー追跡は、各デブリ片の位置／速度追跡と相関付けられる。このような各組み合わせについて、追跡品質得点が上に述べたように計算される。正確な組み合わせが、二次元グリーディアルゴリズムから得られる。この手法は、考慮しなければならないドップラー追跡の組み合わせ数を大幅に減らす。
【０１２９】
位置／速度トラッカーステップ１６３０に利用されるＥＫＦについて以下手短に述べる。７要素状態ベクトルは、地球中心固定(earth centered fixed)（ＥＣＦ）座標における位置および速度、ならびに弾道係数からなる。動力学モデルは、測定同士の加速度が一定であるものと想定する。モデルに含まれる目標加速度に対する寄与は、重力、大気抗力、およびコリオリである。ドップラー測定は、目標位置に関して非線形である。したがって、ドップラー測定方程式は線形化され、馴染みのあるカルマンフィルタ方程式がデルタ状態ベクトルおよび共分散行列に繰り返し適用される。
【０１３０】
各デブリ片の速度初期化についてのさらなる詳細は以下である。各デブリ片の初期位置は、目標の爆発前追跡からおおよそわかるものと想定する。３つ以上の照射器がひとつのデブリ片のドップラー測定値を提供する場合、速度の最小二乗推測が以下のように得られる。
定義：
【０１３１】
【数３】
2005517190.tif 000005
【０１３２】
ドップラー方程式は次のようになる。
【０１３３】
【数４】
2005517190.tif 000006
【０１３４】
ｍ基の照射器からの測定値を組み合わせるには、
定義：
【０１３５】
【数５】
2005517190.tif 000007
【０１３６】
である。重み付き最小二乗解が望まれる。すなわち、各測定値は標準偏差により重み付けられるべきである。したがって、行列：
Ｗ＝ｄｉａｇ（１／σｉ）を定義する。
重み付き測定方程式は、
ＷＦ＝ＷＨＶ＋ｖ
である。測定乱雑雑音ｖは、ゼロ平均および単位共分散(unit covariance)を有するガウス形であると想定される。直交行列Ｑで乗算することにより、等価の最小二乗問題が得られる。
ＱＷＦ＝ＱＷＨＶ＋Ｑｖ
行列Ｑは、
【０１３７】
【数６】
2005517190.tif 000008
【０１３８】
であるようなハウスホルダー直交変換であるものを選択することができる。但し、
【０１３９】
【数７】
2005517190.tif 000009
【０１４０】
は上半三角(upper triangular)である。定義：
【０１４１】
【数８】
2005517190.tif 000010
【０１４２】
等価の最小二乗問題は、
【０１４３】
【数９】
2005517190.tif 000011
【０１４４】
である。Ｖの最小二乗推測は、最小不偏分散(minimum variance unbiased)（ＭＶＵ）推測でもあり、
【０１４５】
【数１０】
2005517190.tif 000012
【０１４６】
により与えられる。対応する共分散行列は、クラーメルラオ下限（ＣＲＬＢ）理論から得られ、
【０１４７】
【数１１】
2005517190.tif 000013
【０１４８】
により与えられる。
【０１４９】
追跡アルゴリズムステップ１６３０は、ペイロードを他のデブリ片を区別する助けとするために、弾道係数を推測する。各デブリ片の重要な加速源は大気抗力である。大気抗力を動力学モデルに含めるためには、弾道係数を状態ベクトルの成分として推測する必要がある。デブリ片は高度制御を有さないため、弾道係数は可変であり、各ドップラー測定値で更新しなければならない。弾道係数はドップラー測定値から直接観察することはできない。しかし、ＥＫＦ状態共分散が外挿されると、弾道係数は状態ベクトルの位置および速度成分と相関するようになる。先にデブリ軌道を論じた時に導入した表記を用いると、状態ベクトルは以下のように外挿される。
【０１５０】
【数１２】
2005517190.tif 000014
【０１５１】
ＥＫＦ状態共分散行列を外挿するには、状態遷移行列を計算しなければならない。
【０１５２】
【数１３】
2005517190.tif 000015
【０１５３】
Ａ（ｔ）の偏導関数には複数の項が含まれる。このためにコリオリの加速度は無視され、Ａ（ｔ）はおおよそ、
Ａ（ｔ）≒Ｇ（ｔ）＋Ｄ（ｔ）
である。重力による加速度は、
Ｇ＝−μＲ／‖Ｒ‖３
である。大気抗力による加速度は以下である（ｈはｋｍ単位）。
Ｄ＝−０．５Ｃβ−１ρ（ｈ）Ｖ‖Ｖ‖
ρ（ｈ）＝１．２２６ｅｘｐ（−ｈ／８．４）
ｈ≒‖Ｒ‖−ｒｅ
位置に対する重力項の偏導関数は、
∂Ｇ／∂Ｒ＝−μ（‖Ｒ‖−３Ｉ−３‖Ｒ‖−５ＲＲＴ）
である。位置に対する抗力項の偏導関数は、
∂Ｄ／∂Ｒ＝−（１／８．４）Ｄ∂ｈ／∂Ｒ＝−（１／８．４）Ｄ‖Ｒ‖−１ＲＴ
である。速度に対する抗力の偏導関数は、
∂Ｄ／∂Ｖ＝−０．５Ｃβ−１ρ（ｈ）（‖Ｖ‖Ｉ＋‖Ｖ‖−１ＶＶＴ）
である。弾道係数に対する抗力項の偏導関数は、
∂Ｄ／∂β＝０．５Ｃβ−２ρ（ｈ）Ｖ‖Ｖ‖
である。状態遷移行列を含む偏導関数は、
【０１５４】
【数１４】
2005517190.tif 000016
【０１５５】
である。ＥＫＦ状態共分散行列は以下のように外挿される。
【０１５６】
【数１５】
2005517190.tif 000017
【０１５７】
プロセスノイズ共分散行列Ｑは、状態ベクトルのモデリングされていない変化を表す。位置および速度に関しては、プロセスノイズは風による加速によるものであり、標準偏差はσｗであるものと想定される。弾道係数に関しては、プロセスノイズは姿勢制御の欠如によるものであり、標準偏差はσβであるものと想定される。プロセスノイズ共分散行列Ｑは次の構造を有する。
【０１５８】
【数１６】
2005517190.tif 000018
【０１５９】
弾道係数は測定値から直接観察することはできない。しかし、弾道係数は状態ベクトルの他の成分と相関するようになることから弾道係数を推測することが可能である。たとえば、ＥＫＦ状態共分散が直交行列として初期化されるものと想定する。外挿後、
【０１６０】
【数１７】
2005517190.tif 000019
【０１６１】
である。同様に、弾道係数は位置および速度のすべての成分と相関するようになる。したがって、ＥＫＦ状態ベクトルの更新もまた、弾道係数を更新することになる。
【０１６２】
図１６を参照すると、衝突点予測ステップ１６４０において、状態および共分散は観察期間の終わりから地表面まで伝搬される。位置および速度共分散行列は、表面上の５０％の確率誤差楕円をもたらすようにさらに変換される。
【０１６３】
シミュレートされたデブリイベント例を再び参照し、上記アルゴリズムをこれら例に適用すると、破壊イベントは、打ち上げイベントにおける任意の時点で発生し、破壊後に機体の断片が生成される。断片は、適切なベクトルΔＶだけ公称軌道から分かれ、大気抗力が大きくなるにつれて予想される断片の挙動に整合するような弾道係数が割り当てられる。各デブリ構成要素は、地表面に衝突するまで、飛行パスを通して時間通りに順方向に伝搬する。物理的なデータ（各片の６軌道状態と時間との間の関係）が操作されて、「測定」ファイル―受信信号ドップラーシフトおよびＰＣＬ受信器が関心領域中の選択された各照射器から記録するＳＮＲの時系列―が作成される。
【０１６４】
上記例それぞれ、すなわち、タイタンスペースリフト打ち上げおよびスペースシャトル打ち上げについて、タイタンのペイロードおよびシャトルの乗組員室を含め、最も重要な断片のうちの５つについて言及した。例からの測定ファイルは、関連付けおよび追跡アルゴリズムに提出される。位置および速度トラッカーは測定ファイルを操作して、カルマンフィルタを使用することにより可能な線追跡組み合わせそれぞれの位置、速度、および弾道係数の推測を提供する。ドップラー測定値と予測値の間の適合性の測定値を表す得点または費用関数が各線追跡組み合わせに生成される。Ｎ次元のグリーディアルゴリズムを使用する追跡関連付けプロセスが、適当な線追跡組み合せを選択した。追跡関連付けアルゴリズムから得られた正確な線追跡組み合わせそれぞれについて、状態ベクトルが推測され、順方向に伝搬されて、測定の更新が提供される限り、目標の軌道を確立する。デブリ構成要素がもはや効率的に照射されていない、またはＰＣＬ受信器に対して無線限界の下にあるときに対応する更新が完了した後、それ以上の測定更新なしで、解が地表面に衝突するまで順方向に伝搬される。衝突時間が計算され、推測位置が実際の位置と比較される。軌道局所座標（「ＴＬＣ」）において誤差が計算され、ダウンレンジ、クロスレンジ、および衝突時の高度を含む構成要素に分解される。結果得られる状態共分散行列を使用して、最大および最小誤差軸を生成し、デブリ片の予期される探索エリアを表す５０％の楕円誤差確率を計算する。
【０１６５】
シャトルの例のケースでは、打ち上げ７３秒後に発生する爆発イベントと５つのシャトルデブリ片とについてさらに考察する。デブリ対象物は、固体ロケットブースター、外部燃料タンク（ＥＦＴ）ケース断片、乗組員室、オービターデブリ片、およびオービター翼からなっていた。爆発により誘発されたランダムベクトルΔＶを有するこの５つのデブリ片セットを使用して、３基の照射器からのドップラー測定値が時間の関数として計算される。したがってこの例は、追跡関連付けアルゴリズムに１２５個の考えられる線追跡組み合わせを提する。これら１２５個の考えられる線追跡組み合わせは、位置および速度トラッカーにより得られる得点を使用して、追跡関連付け機能により処理される。グリーディ関連付けアルゴリズムにより、シャトルデブリ片に５つの適した組み合わせが選択される。５つのデブリ片すべての衝突点が計算され、誤差は５０％楕円誤差確率（「ＥＥＰ」）としてまとめられ、対応する最小軸および最大軸の長さは以下の表である。
【０１６６】
シャトルカノニカルケースの衝突点予測結果
対象物タイプ            最大軸          最小軸        ＥＥＰ面積
（ｋｍ）        （ｋｍ）      （ｋｍ）２
タイプ１    固体ロケットブースター  １．３９        １．２４      ５．３９
タイプ２    ＥＦＴ断片              １．７６        １．３４      ７．４４
タイプ３    乗組員室                １．５１        １．３１      ６．１７
タイプ４    オービターデブリ        １．７３        １．３４      ７．２５
タイプ５    オービター翼            １．６１        １．３２      ６．６６
【０１６７】
図１７は、グリーディアルゴリズムプロセスの各段階における競合するすべての不正確な組み合わせの得点と正確な組み合わせの得点の比率を示す。図の最初の列は、グリーディアルゴリズムが関連付けるべき最初の対象物がタイプ３すなわち乗組員室であり、競合するすべての組み合わせが正確な得点の少なくとも１０倍大きな得点を有することを示す。この列は、正確な組み合わせと不正確な組み合わせが良好に区別されることを示している。グリーディアルゴリズムが、図１７の左から右に引き続きその他の対象物を処理すると、正確な関連付けが行われているが、正確な組み合わせの得点と不正確な組み合わせの得点の隔たりは概して低減している。表１〜表５は衝突点予測実行結果を提供する。
【０１６８】
【表１】
2005517190.tif 000020
【０１６９】
【表２】
2005517190.tif 000021
【０１７０】
【表３】
2005517190.tif 000022
【０１７１】
【表４】
2005517190.tif 000023
【０１７２】
【表５】
2005517190.tif 000024
【０１７３】
タイタンの例を参照すると、５つのタイタンデブリ片が、爆発イベントが打ち上げ７４秒後に発生する場合でシミュレートされる。デブリ対象物は、固体ロケットモータ（ＳＲＭ）ケース、ＴＶＣ注入物質タンク、ペイロード、船尾酸素タンク、および縦通材タイからなる。これら対象物は、タイタン爆発からのデブリ片の主要クラスを表す。爆発に起因するランダムベクトルΔＶを有するこの５つのデブリ片セットを使用して、３基の送信器からのドップラー測定値が計算され、関連付けアルゴリズムが結果得られる１２５個の線追跡組み合わせに対して演算する。
【０１７４】
シャトルのケースと同じように、追跡関連付けアルゴリズムは、これら１２５個の線追跡組み合わせの得点を推測する。図１８は、グリーディアルゴリズムプロセスの各段階における正確な組み合わせの得点に正規化された不正確な組み合わせの得点の比率を示す。ここで、パフォーマンスは上のシャトルのケースと同様である。グリーディアルゴリズムにより最初に処理される対象物はペイロード（タイプ３）であり、すべての不正確な組み合わせの正規化された得点は（図１８中の列１）、正確な組み合わせの得点よりも少なくとも１０倍大きい。ここでも、引き続き対象物が処理される（図１８の左から右に）につれ、得点の隔たりは減少し、正確な追跡組み合わせを区別する能力の低減を示す。５つのタイタンデブリ断片の衝突点、５０％楕円誤差確率（ＥＥＰ）、および対応する最小軸および最大軸が以下の表に示される。表６〜表１０は衝突点予測実行結果を提供する。
【０１７５】
タイタンカノニカルケースの衝突点予測結果
対象物タイプ            最大軸          最小軸        ＥＥＰ面積
（ｋｍ）        （ｋｍ）      （ｋｍ）２
タイプ１    ＳＲＭケース            １．５６        １．３０        ６．３８
タイプ２    ＴＶＣ注入物質タンク    １．５３        １．２４        ５．９６
タイプ３    ペイロード              １．７１        １．３８        ７．４３
タイプ４    船尾酸素タンク          ２．１５        １．４８      １０．０３
タイプ５    縦通材タイ              ３．３８        １．６３      １７．３２
【０１７６】
【表６】
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【０１７７】
【表７】
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【０１７８】
【表８】
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【０１７９】
【表９】
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【０１８０】
【表１０】
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【０１８１】
まとめとして、デブリ追跡のＰＣＬ方策は、スペースシャトルやスペースリフト打ち上げ等、目標機体から生じたデブリの正確かつ低コストな検出、追跡、識別、および衝突点予測に実用的な手段である。本発明の精神または範囲から逸脱することなく様々な変更および変形を本発明に行い得ることが当業者に認められよう。したがって、本発明は、本発明の変更および変形を、いずれかの請求項およびその等価物の範囲内にある場合に包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】従来の目標追跡ＰＣＬ構成を示す。
【図２】本発明の一実施形態によるフロントエンドＰＣＬ信号処理ユニットを示す。
【図３】本発明の一実施形態によるデジタル信号処理ユニットを示す。
【図４】本発明の一実施形態による遠隔周波数参照システムを示す。
【図５】本発明の実施形態による信号処理ステップおよびＰＣＬ処理の変形を示す。
【図６】本発明の一実施形態による処理の流れ図を示す。
【図７】狭帯域信号処理表示の一例を示す。
【図８】シャトル破壊デブリデータを示す。
【図９】タイタン破壊デブリデータを示す。
【図１０】デブリ速度モデルを示す。
【図１１】シャトルデブリ衝突点を示す。
【図１２】タイタンデブリの高さと時間の関係を示す。
【図１３】バイスタティックレーダジオメトリを示す。
【図１４】シャトルデブリおよび照射器ＷＥＤＵの信号特徴付けを示す。
【図１５】シャトルデブリおよび照射器ＷＴＶＪの信号特徴付けを示す。
【図１６】本発明の一実施形態によるデータ関連付けおよび追跡処理の流れを示す。
【図１７】シャトルのグリーディアルゴリズムの各段階における誤関連組み合わせスコアと正関連組み合わせスコアの比率を示す。
【図１８】タイタンのグリーディアルゴリズムの各段階における誤関連組み合わせスコアと正関連組み合わせスコアの比率を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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