(57)【要約】【課題】複数の組アンテナを用いる場合でも同時に複数の組アンテナが受信する電波の電波強度を利用して、電波の到来方向を探知することができる電波到来方向検知システムを提供する。【解決手段】電波到来方向検知システムは、４組の組アンテナANT１乃至ANT４からなるアンテナ装置１と、４個の合成受信電力演算部２１〜２３と、４個の正規化部３１〜３４と、合成値演算部４と、方向決定部５とからなる。合成値演算部４は、正規化部で正規化したＮ／２個の正規化値に対応するＮ／２個の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)を、アンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて求める。方向決定部５は合成値演算部４で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向と定める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に３６０°／Ｎ（Ｎは８以上の偶数）間隔をあけて配置されたＮ本のアンテナを有し、周方向に１８０°間隔をあけ且つ相互間の距離が受信する電波の波長λの半波長以下の長さとなるように対向する２本の前記アンテナが組み合わされてアンテナ指向性が対称な８の字状になるＮ／２組の組アンテナが構成されているアンテナ装置と、
前記Ｎ／２組の組アンテナがそれぞれ受信する電力の合成電力を合成受信電力としてそれぞれ求めるＮ／２個の合成受信電力演算部と、
前記Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力RSS1〜RSSN/2に、対応する前記Ｎ／２組の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)をアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記（１）式で求める合成値演算部と、
SUM(θ)＝RSS1×ANT1（θ）＋RSS2×ANT2（θ）＋・・＋RSSN/2×ANT N/2（θ）
前記合成値演算部で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向または到来方向と逆の方向と定める方向決定部とからなる電波到来方向探知システム。
【請求項２】
周方向に３６０°／Ｎ（Ｎは８以上の偶数）間隔をあけて配置されたＮ本のアンテナを有し、周方向に１８０°間隔をあけ且つ相互間の距離が受信する電波の波長λの半波長以下の長さとなるように対向する２本の前記アンテナが組み合わされてアンテナ指向性が対称な８の字状になるＮ／２組の組アンテナが構成されているアンテナ装置と、
前記Ｎ／２組の組アンテナがそれぞれ受信する電力の合成電力を合成受信電力としてそれぞれ求めるＮ／２個の合成受信電力演算部と、
前記Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力を正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とするＮ／２個の正規化部と、
前記Ｎ／２個の正規化部で正規化したＮ／２個の正規化値に、対応する前記Ｎ／２組の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)をアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記（１）式で求める合成値演算部と、
SUM(θ)＝RSSI1×ANT1（θ）＋RSSI2×ANT2（θ）＋・・＋RSSIN/2×ANT N/2（θ）
前記合成値演算部で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向または到来方向と逆の方向と定める方向決定部とからなる電波到来方向探知システム。
【請求項３】
前記相互間の距離が前記波長λの半波長の長さである請求項１または２に記載の電波到来方向探知システム。
【請求項４】
前記正規化部は、前記Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力中の最小値を基準として、合成受信電力と最小値との差電力を求め、最小値を０ｄｂＢとして残りの差電力を正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とするように構成されている請求項２または３に記載の電波到来方向探知システム。
【請求項５】
前記Ｎが６，８または１０である請求項１または２に記載の電波到来方向探知システム。
【請求項６】
前記アンテナがダイポールアンテナまたはループアンテナである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電波到来方向探知システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電波到来方向探知システムをｎ台以上（３以上の整数）、３６０°／ｎの間隔を開けて配置し、ｎ台の電波到来方向探知システムが決定する方向に基づいて電波の到来方向を決定する電波到来方向探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接波の到来方向を検知する電波到来方向探知システム及び電波到来方向探知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許第３９６３４６７号公報（特許文献１）には、周方向に３６０°／６間隔をあけて配置された、６本のアンテナとこれら６本のアンテナの中央に配置された１本のアンテナとを備えたアンテナ装置を用い、中央の１本のアンテナと周囲の６本のアンテナから選択した１本のアンテナとを１組の組アンテナとして、６組の組アンテナから順番に電波を受信し、受信した電波の電波強度が最大となる方向に並ぶ組アンテナの方向を電波の到来方向とする従来の電波到来方向探知システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９６３４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された従来の電波到来方向探知システムでは、６組の組アンテナから順番に電波を受信しているため、最初の組アンテナを選択してから最後の組アンテナを選択するまでの間の時間に電波の発信源が移動すると、正確な電波の到来方向を検知できない問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、複数の組アンテナを用いる場合でも、同時に複数の組アンテナが受信する電波の電波強度を利用して、電波の到来方向を探知することができる電波到来方向検知システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電波到来方向検知システムは、アンテナ装置と、Ｎ／２個の合成受信電力演算部と、合成値演算部と、方向決定部とからなる。なおＮ／２個の合成受信電力演算部の後に正規化部を設けてもよい。
【０００７】
アンテナ装置は、周方向に３６０°／Ｎ（Ｎは８以上の偶数）間隔をあけて配置されたＮ本のアンテナを有し、周方向に１８０°間隔をあけ且つ相互間の距離が受信する電波の波長λの半波長以下の長さとなるように対向する２本のアンテナが組み合わされてアンテナ指向性が対称な８の字状になるＮ／２組の組アンテナが構成されているものである。
【０００８】
Ｎ／２個の合成受信電力演算部は、Ｎ／２組の組アンテナがそれぞれ受信する電力の合成電力を合成受信電力としてそれぞれ求める。
【０００９】
合成値演算部は、Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力RSS1〜RSSN/2に、対応するＮ／２組の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)をアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記式で求める。
【００１０】
SUM(θ)＝RSS1×ANT1（θ）＋RSS2×ANT2（θ）＋・・＋RSSN/2×ANT N/2（θ）
正規化部を設ける場合、正規化部は、Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力を正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とする。そして合成値演算部は、正規化部で正規化したＮ／２個の正規化値に、対応するＮ／２個の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)を、アンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記式で求める。
【００１１】
SUM(θ)＝RSSI1×ANT1（θ）＋RSSI2×ANT2（θ）＋・・＋RSSIN/2×ANT N/2（θ）
方向決定部は、合成値演算部で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向または到来方向と逆の方向と定める。
【００１２】
本発明によれば、同時にＮ本のアンテナが受信状態となって、同時にＮ／２組の組アンテナの合成受信電力を得ることができる。したがってＮ／２組の組アンテナの合成受信電力またはその正規化値RSSI1〜RSSIN/2には時間ずれがなく、電波到来方向の検出精度を高めることができる。Ｎ／２組の組アンテナの対称な８の字状になるアンテナ指向性ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）の理論値は、それぞれcosθの関数として表すことができる。そこで合成値の演算で、上記式を用いると、電波到来方向に合致した角度で合成値SUM(θ)が最大になるので、簡単に電波到来方向または到来方向と逆の方向を検知できる。なお本発明の電波到来方向検知システムによると、電波到来方向またはその方向とは逆の方向を決定できるので、本発明の電波到来方向検知システムをｎ台以上（３以上の整数）、３６０°／ｎの間隔を開けて配置し、ｎ台の電波到来方向探知システムが決定する複数の方向の収束方向が、電波到来方向となる。
【００１３】
正規化部における正規化は、演算を容易にするためのものであって、正規化の方法は任意である。例えば、Ｎ／２組の合成アンテナの合成受信電力中の最小値を基準として、合成受信電力と最小値との差電力を求め、最小値を０ｄｂＢとして残りの差電力を正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とするように正規化部を構成することができる。
【００１４】
実用上のアンテナの数Ｎは、６，８または１０本であるのが好ましい。なお、Ｎが１０より大きくなると、隣接するアンテナ間の距離が狭くなるが、アンテナ干渉の影響を考慮すれば実現可能である。
【００１５】
またアンテナの種類としては、ダイポールアンテナまたはループアンテナを用いるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）は本発明の電波到来方向検知システムの一実施の形態の基本構成を示すブロック図であり、（Ｂ）は他の実施の形態の基本構成を示すブロック図である。
【図２】アンテナ装置のアンテナの配置例を示す図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、半波長ダイポールアンテナの水平面内と垂直面内のアンテナ指向性をそれぞれ示す図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、ループアンテナの水平面内と垂直面内のアンテナ指向性をそれぞれ示す図である。
【図５】１組の組アンテナのアンテナ指向性をcosθとして示した図である。
【図６】４組の組アンテナのアンテナ指向性を重ね合わせて示した図である。
【図７】４組アンテナのアンテナ指向性をcosθ2とした場合の４組の組アンテナのアンテナ指向性を示す図である。
【図８】４組の組アンテナの指向性の理想値を示す図である。
【図９】（Ａ）はアンテナ装置の配置を示す図であり、（Ｂ）はアンテナ指向性を理論的に説明するための条件を示す図である。
【図１０】Ｒ＝λ／２の８の字状のアンテナ指向性を示す図である。
【図１１】正規化部、合成値演算部及び方向決定部をコンピュータを用いて実現するために用いるソフトウエアのアルゴリズムを示す図である。
【図１２】４台の電波到来方向検知システムを用いて電波到来方向を決定する概念を説明するために用いる図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１（Ａ）は、本発明の電波到来方向検知システムの実施の形態の一例の基本構成を示すブロック図である。図１（Ａ）において、電波到来方向検知システムは、４組（Ｎ／２組）の組アンテナANT１乃至ANT４からなるアンテナ装置１と、４個（Ｎ／２個）の合成受信電力演算部２１〜２３と、合成値演算部４と、方向決定部５とからなる。なお図１（Ｂ）に示すように、４個の合成受信電力演算部２１〜２４の後に４個（Ｎ／２個）の正規化部を設けてもよい。
【００１８】
アンテナ装置１は、周方向に３６０°／Ｎ（Ｎは８以上の偶数）間隔をあけて配置されたＮ本のアンテナを有し、周方向に１８０°間隔をあけ且つ相互間の距離が受信する電波の波長λの半分長さとなるように対向する２本のアンテナが組み合わされてアンテナ指向性が対称な８の字状になる４組（Ｎ／２組）の組アンテナANT１〜ANT４が構成されているものである。なおこの相互間の距離は、理論的には、電波の波長λの半波長以下の距離である。４個の合成受信電力演算部２１〜２４は、４の組アンテナANT１〜ANT４がそれぞれ受信する電力の合成電力を合成受信電力としてそれぞれ求める。
【００１９】
合成値演算部４は、４（Ｎ／２）組の合成アンテナANT１〜ANT４の合成受信電力RSS1〜RSSN/2に、対応するＮ／２組の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)をアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記式で求める。
【００２０】
SUM(θ)＝RSS1×ANT1（θ）＋RSS2×ANT2（θ）＋・・＋RSSN/2×ANT N/2（θ）
なお図１（Ｂ）のように、４個の正規化部３１〜３４を設ける場合、４個の正規化部３１〜３４は、４組の合成アンテナANT１〜ANT４の合成受信電力をそれぞれ正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とする。そして合成値演算部４は、正規化部で正規化したＮ／２個の正規化値に、対応するＮ／２個の組アンテナのアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)を、アンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記式で求める。
SUM(θ)＝RSSI1×ANT1（θ）＋RSSI2×ANT2（θ）＋・・＋RSSIN/2×ANT N/2（θ）
方向決定部５は、合成値演算部４で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向または到来方向と逆の方向と定める。
【００２１】
［アンテナ装置の構成］
アンテナ装置１では、図２に示すように、８本（Ｎ本：ただしＮは６以上の偶数）のアンテナANT１１乃至ANT４２が、本実施の形態では、周方向に３６０°／Ｎ（８）＝４５°間隔をあけて配置されたポールアンテナまたはループアンテナを備えている。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、半波長ダイポールアンテナＰＡの水平面内と垂直面内のアンテナ指向性をそれぞれ示しており、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ループアンテナＬＡの水平面内と垂直面内のアンテナ指向性をそれぞれ示している。アンテナ装置１内のＮ（８）本のアンテナANT１１乃至ANT４２は、周方向に１８０°間隔をあけ且つ相互間の距離が受信する電波の波長λの半分の長さとなるように対向する２本のアンテナ（ANT１１及びANT１２，ANT２１及びAN２２，ANT３１及びANT３２，ANT４１及びANT４２）が組み合わされてアンテナ指向性が対称な８の字状になるＮ／２組即ち４組の組アンテナANT１乃至ANT４を構成している。図５は、１組の組アンテナのアンテナ指向性をcosθとして示した図である。図６は、４組の組アンテナANT１乃至ANT４のアンテナ指向性を重ね合わせて示したものである。図６の例では、組アンテナANT１は０度方向の受信強度が最大値となり、組アンテナANT２は４５度方向の受信強度が最大値となり、組アンテナANT３は９０度方向の受信強度が最大値となり、組アンテナANT４は１３５度方向の受信強度が最大値となるように配置されていることを示している。なお各組の組アンテナANT１乃至ANT４のアンテナ指向性をcosθ2とした場合の４組の組アンテナのアンテナ指向性は、図７に示す通りである。組アンテナANT１乃至ANT４の指向性の理想値は、cosθまたはcosθ2のいずれで表してもよい。なお組アンテナANT１乃至ANT４の指向性の理想値は、図８に示すように図示することができる。なおこの理想値は、後の合成値の演算で使用する。
【００２２】
次にアンテナ装置１のアンテナ指向性について図９（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。以下の説明では、８本のアンテナANT１１乃至ANT４２としてモノポールアンテナを用いているものとして説明する。図９（Ａ）の数字１乃至８がアンテナANT１１乃至ANT４２に対応するものである。また図９（Ｂ）において＃１はアンテナANT１１に対応し、＃５がアンテナANT１２に対応する。図９（Ｂ）において、矢印Ｄが電波の到来方向を示している。またＲは、アンテナ装置の中心からアンテナエレメントまでの距離であり、θはモノポールアンテナに電波が取る来したときの角度であり、ｄは電波が到来したときのアンテナ＃１と＃５間の経路差を示している。これらの値を用いて、位相差の計算を行う。まず電波到来時の経路差であるｄと経路差と波長λの関係式αと、アンテナ＃１とアンテナ＃５に到来する電波Ｅ1と電波Ｅ5を式で表すと式（３．１）から式（３．４）として表すことができる。なおＥ0は実効電界強度である。
【００２３】
【数１】
2018200209.tif 000003
式（３．１）から式（３．４）を用いてモノポールアンテナ＃１と＃５が受信した電波を合成すると、下記式（３．５）になる。
【００２４】
【数２】
2018200209.tif 000004
この電波を検波すると下記式（３．６）となる。
【００２５】
【数３】
2018200209.tif 000005
式（３．６）に式（３．２）で求めたαの値を代入すると下記式（３．７）となる。
【００２６】
【数４】
2018200209.tif 000006
そして式（３．７）にＲ＝λ／４を代入すると下記式（３．８）となる。
【００２７】
【数５】
2018200209.tif 000007
この式（３．８）をグラフにすると、図１０に示すようなＲ＝λ／２の８の字状のアンテナ指向性が求められる。このことから各組アンテナのアンテナ指向性を８の字状のアンテナ指向性と表現することが理論的に裏付けられる。
【００２８】
［正規化部、合成値演算部及び方向決定部のソフトウエア化］
図１（Ｂ）における正規化部３１〜３４、合成値演算部４及び方向決定部５をコンピュータを用いて実現する場合には、図１１に示すフローチャートを実現するプログラムをコンピュータにインストールして実現すればよい。ステップＳＴ１では、４組（Ｎ／２組）の組アンテナANT１〜ANT４の受信電力RSS1〜RSS4を取得する。そしてステップＳＴ２〜ＳＴ４では、４組（Ｎ／２組）の合成アンテナANT１〜ANT４の合成受信電力RSS1〜RSS4中の最小値を基準として（ＳＴ２）、合成受信電力と最小値との差電力を求め（ＳＴ３）、最小値を０ｄｂＢとして残りの差電力を正規化して正規化値RSSI1〜RSSIN/2とする（ＳＴ４）。そしてステップＳＴ５では、正規化値RSSI1〜RSSIN/2を電力に変換する。ステップＳＴ６では、４個（Ｎ／２個）の正規化値RSSI1〜RSSIN/2に、対応する４個（Ｎ／２個）の組アンテナANT１〜ANT４のアンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）をそれぞれ乗算して求めた乗算値の合成値SUM(θ)を、アンテナ指向性係数ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）のθを０°〜１７９°の値に一度ずつ変えて、下記式（１）で求める。
【００２９】
SUM(θ)＝RSSI1×ANT1（θ）＋RSSI2×ANT2（θ）＋・・＋RSSIN/2×ANT N/2（θ）
・・・（１）
ステップＳＴ７及びＳＴ８では、ステップＳＴ６で求めた１８０個の合成値SUM(θ)の中で最大の値になる合成値のθを電波の到来方向または到来方向と逆の方向と定める。
【００３０】
本実施の形態によれば、同時に８本（Ｎ本）のアンテナが受信状態となって、同時に４（Ｎ／２）組の組アンテナANT１〜ANT４の合成受信電力を得ることができる。したがって４（Ｎ／２）組の組アンテナANT１〜ANT４の合成受信電力またはその正規化値RSSI1〜RSSIN/2には時間ずれがなく、電波到来方向の検出精度を高めることができる。また４（Ｎ／２）組の組アンテナの対称な８の字状になるアンテナ指向性ANT1（θ）〜ANT N/2（θ）の理論値は、それぞれcosθの関数として表すことができる。そこで合成値の演算で、上記式を用いると、電波到来方向に合致した角度で合成値SUM(θ)が最大になるので、簡単に電波到来方向または到来方向と逆の方向を検知できる。
【００３１】
なお本実施の形態の電波到来方向検知システムによると、電波到来方向またはその方向とは逆の方向を決定できる。すなわち図１２に示すように本実施の形態の電波到来方向検知システムをｎ台以上（３以上の整数）、３６０°／ｎの間隔を開けて配置すれば、ｎ台の電波到来方向探知システムが決定する複数の方向の収束方向が、電波到来方向となる。電波到来方向が判れば、電波発信源の位置の推定が可能になる。図１２では４台の電波到来方向検知システムＳ１〜Ｓ４を９０度間隔を開けて配置している。そして４台の電波到来方向検知システムＳ１〜Ｓ４が決定する４つの方向の収束方向を、電波到来方向と定める。またｎ＝３の場合には、３台の電波到来方向検知システムを１２０度間隔を開けて、三角形の頂点に配置する。この場合には、発信源が三角系のエリア内にあるときに発信源の位置の決定が可能になる。
【００３２】
上記実施の形態では、Ｎ＝８の場合について説明したが、Ｎ＝１０の場合でも、実現性からは良い結果が出ることが確認されている。なおＮが１０よりも大きくてもよいのは勿論であるが、Ｎが１０よりも大きくなると、隣接するアンテナ間の距離が狭くなり、アンテナ干渉の影響を考慮する必要があるが、この考慮は容易である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、同時にＮ本のアンテナが受信状態となって、同時にＮ／２組の組アンテナの合成受信電力を得ることができるので、Ｎ／２組の組アンテナの合成受信電力またはその正規化値RSSI1〜RSSIN/2には時間ずれがなく、電波到来方向の検出精度を高めることができる。そして電波到来方向に合致した角度で合成値SUM(θ)が最大になるので、簡単に電波到来方向または到来方向と逆の方向を検知できる。
【符号の説明】
【００３４】
ANT１〜ANT４  組アンテナ
１  アンテナ装置
２１〜２４  合成受信電力演算部
３１〜３４  正規化部
４  合成値演算部
５  方向決定部
【図１】
2018200209.tif 000008
【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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